CN116845547A - 一种Ka波段双线极化2bit阵列天线 - Google Patents

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张鹏
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Abstract

本发明公开了一种Ka波段双线极化2bit阵列天线，每个天线单元从上至下依次为微带贴片辐射结构、直流偏置结构、第一金属地板、级联移相器、第二金属地板，微带贴片辐射结构和直流偏置结构分别位于上层介质基板的上下表面，介质基板之间采用半固化片进行隔离；通过改变微带贴片辐射结构上集成的辐射贴片开关二极管和级联移相器上集成的移相器开关二极管，使单元的辐射电磁波呈现0°、90°、180°和270°的2bit相位变化以及呈现水平线极化和垂直线极化两种极化方式的可重构。将天线单元排列组成相控阵天线，通过控制各单元的激励相位，电磁波可以实现不同极化波束的扫描。

Description

一种Ka波段双线极化2bit阵列天线
技术领域
本发明涉及相控阵天线领域，具体涉及一种Ka波段双线极化2bit阵列天线。
背景技术
无线电技术的发展推动了现代无线通信系统与雷达系统的不断进步，而相控阵天线作为其中的关键节点之一，其特性直接决定了整个系统的性能。目前，相控阵理论和设计方法已日趋成熟。采用传统相控阵天线虽然可以实现波束快速扫描、超低副瓣、波束赋形、多波束、自适应干扰置零等功能，但这些优异的性能都是以采用高精度的移相器和衰减器等为代价的，这势必会增加系统复杂度和提高阵列成本，进而限制其广泛应用。为了克服上述问题，高集成度且低成本的波束扫描和控制方法是当前的研究热点。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种低成本、可扩展、电子扫描的双线极化2bit阵列天线。
为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种Ka波段双线极化2bit阵列天线，从上至下包括上层介质基板、中层介质基板、下层介质基板，阵列天线每个天线单元1从上至下依次包括微带贴片辐射结构2、直流偏置结构4、第一金属地板5、级联移相器6、第二金属地板7，其中微带贴片辐射结构2和直流偏置结构4分别位于上层介质基板的上下表面，第一金属地板5位于中层介质基板的上表面，级联移相器6和第二金属地板7分别位于下层介质基板的上下表面，上、中、下三层介质基板之间采用半固化片进行隔离；第一金属地板5、级联移相器6和第二金属地板7形成带状线结构，通过改变微带贴片辐射结构2上集成的辐射贴片开关二极管3和级联移相器6上集成的移相器开关二极管8，使得单元的辐射电磁波相位分别呈现0°、90°、180°和270°的2bit电磁相位响应以及呈现水平线极化和垂直线极化两种极化方式的可重构；将天线单元进行排列组成相控阵天线，通过控制各个单元的激励，在不同的相位补偿状态下，电磁波可以实现不同极化波束的扫描。
微带贴片辐射结构2采用振子耦合的方式，由小十字形状的中心馈电点23分别经过一个辐射贴片开关二极管3与一个长条形振子21连接，四个长条形振子21依次垂直排布，构成中心对称和轴对称的大十字结构，每两个互相垂直的长条形振子21之间是耦合贴片22，四个耦合贴片22呈中心对称和轴对称排布，通过改变开关二极管3的工作状态，以引导电流走向实现0°和180°的交替以及垂直线极化和水平线极化的切换。
本发明采用叠层天线单元形式，使用多层层压工艺实现；
作为优选方式，天线单元的耦合贴片22形状为圆形、三角形、方形或边数大于四的多边形中的一种；
或者为开槽圆形、开槽三角形、开槽方形或边数大于四的开槽多边形中的一种；
或者为圆环、三角形环、方形环或边数大于四的多边形环中的一种。
作为优选方式，双线极化2比特天线单元1以矩形栅格阵列、三角栅格阵列、六边形阵列、圆形阵列、空心阵列、稀布阵列其中一种方式排布，间距在0.5λ0～λ0之间，λ0为波长。
作为优选方式，长条形振子21由金属过孔41与位于上层介质基板下层的弯曲微带线42连接，之后弯曲微带线42接入同一层的微带扇形枝节43构成低通滤波器结构，弯曲微带线42和微带扇形枝节43直接放置在微带贴片辐射结构2的下方。
作为优选方式，级联移相器6采用反射型移相器组成，将90°电桥的直通端和耦合端分别与开路的短截线10连接，由于阻抗不匹配会在隔离端形成反射，反射波的相位差通过开关控制的不同长度的开路线切换，其中开路的短截线10分为上下部分，分别位于下层介质基板的上下层，移相器开关二极管8焊接在开路的短截线10的下部分，短截线10上下部分使用盲孔9进行连接。
作为优选方式，设开关二极管依次为第一开关二极管P1、第二开关二极管P2、第三开关二极管P3、第四开关二极管P4、第五开关二极管P5、第六开关二极管P6：第一开关二极管P1、第二开关二极管P2、第三开关二极管P3、第四开关二极管P4属于辐射贴片开关二极管3，第五开关二极管P5、第六开关二极管P6属于移相器开关二极管8；第一开关二极管P1和第三开关二极管P3位于水平极化的微带贴片辐射结构2上，控制水平极化振子0°和180°的移相；第二开关二极管P2和第四开关二极管P4位于垂直极化的微带贴片辐射结构2上，控制垂直极化振子0°和180°的移相；第五开关二极管P5及第六开关二极管P6位于级联移相器6的开路短截线10上，第五开关二极管P5及第六开关二极管P6提供0°和90°的级联移相量，通过不同开关的组合方式，实现0°、90°、180°和270°的2bit辐射相位响应和双线极化的极化方式。
作为优选方式，上、中、下三层介质基板之间采用厚度为0.101mm的半固化片进行隔离。
作为优选方式，不仅适用于Ka波段，同样适用于K、Ku、X及以下波段。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.2bit相位的集成以及成熟的多层层压加工工艺大大缩减了电扫阵列的成本，同时每个单元集成的离散相位响应提供了更多的设计自由度使得构建二维电扫阵列成为可能：通过控制不同的开关状态，可以实现不同极化的电磁场辐射(垂直/水平线极化)，同时在无外接T/R组件情况下能够通过开关二极管状态的切换产生φ,φ+π/2,φ+π,φ+3π/2的相位分布(其中，φ为任意参考相位)，即产生2bit相位差；
2.本发明的叠层天线单元形式可以克服有限的空间尺寸限制，小型化的级联移相器结构可以提高天线单元的相位分辨率，2bit的天线单元相比于1bit设计具有更优的阵列辐射性能；
3.目前现有的Ka波段2bit相控阵大多为空间馈电形式，本发明的强制馈电形式可以免除空间馈源，大大降低阵列剖面，提升了阵列的实用性。
附图说明
图1是本发明的双线极化2bit天线单元的层叠结构示意图；
图2是本发明的双线极化2bit天线单元中微带振子辐射结构和相应的辐射贴片开关二极管装配示意图；
图3是本发明的双线极化2bit天线单元中级联移相器和相应的移相器开关二极管装配示意图；
图4是图1所示的双线极化2bit天线单元工作在水平极化和垂直极化时的反射系数曲线；
图5是图1所示的双线极化2bit天线单元工作在水平极化和垂直极化时的主极化电场相位分布曲线；
图6是本发明实施例中的一种Ka波段双线极化2bit矩形栅格阵列天线整体结构示意图；
图7是本发明实施例中的一种Ka波段双线极化2bit三角栅格阵列天线整体结构示意图；
图8是本发明实施例中的一种Ka波段双线极化2bit六边形阵列天线整体结构示意图；
图9是本发明实施例中的一种Ka波段双线极化2bit圆形阵列天线整体结构示意图；
图10是本发明实施例中的一种Ka波段双线极化2bit空心圆形阵列天线整体结构示意图；
图11是本发明实施例中的一种Ka波段双线极化2bit空心矩形阵列天线整体结构示意图；
图12是本发明实施例中的一种Ka波段双线极化2bit稀布阵列天线整体结构示意图。
图13是本发明实施例中的一种Ka波段双线极化2bit五边形耦合贴片结构示意图。
图14是本发明实施例中的一种Ka波段双线极化2bit开槽方形耦合贴片结构示意图。
图15是本发明实施例中的一种Ka波段双线极化2bit方环耦合贴片结构示意图。
1为天线单元，2为微带贴片辐射结构，3为辐射贴片开关二极管，4为直流偏置结构，5为第一金属地板，6为级联移相器，7为第二金属地板，8为移相器开关二极管，21为长条形振子，22为耦合贴片，23为中心馈电点，41为金属过孔，42为弯曲微带线，43为微带扇形枝节，9为盲孔，10为短截线。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
本发明设计了一种双线极化的2bit阵列天线，用于满足雷达、通信等传感器系统对数字相控阵系统高性能、低成本、低功耗及大规模应用的需求。此外，通过级联小型化移相器的方法，实现了紧凑的天线结构。由于具有2bit相位响应的单元既可以充当辐射元件，也可以实现移相功能，因此天线能够在不同的相位分布状态下实现波束扫描。
如图1所示，本实施例提供一种Ka波段双线极化2bit阵列天线，从上至下包括上层介质基板、中层介质基板、下层介质基板，阵列天线每个天线单元1从上至下依次包括微带贴片辐射结构2、直流偏置结构4、第一金属地板5、级联移相器6、第二金属地板7，其中微带贴片辐射结构2和直流偏置结构4分别位于上层介质基板的上下表面，第一金属地板5位于中层介质基板的上表面，级联移相器6和第二金属地板7分别位于下层介质基板的上下表面，上、中、下三层介质基板之间采用半固化片进行隔离；第一金属地板5、级联移相器6和第二金属地板7形成带状线结构，通过改变微带贴片辐射结构2上集成的辐射贴片开关二极管3和级联移相器6上集成的移相器开关二极管8，使得单元的辐射电磁波相位分别呈现0°、90°、180°和270°的2bit电磁相位响应以及呈现水平线极化和垂直线极化两种极化方式的可重构；将天线单元进行排列组成相控阵天线，通过控制各个单元的激励，在不同的相位补偿状态下，电磁波可以实现不同极化波束的扫描。
如图2所示，微带贴片辐射结构2采用振子耦合的方式，由小十字形状的中心馈电点23分别经过一个辐射贴片开关二极管3与一个长条形振子21连接，四个长条形振子21依次垂直排布，构成中心对称和轴对称的大十字结构，每两个互相垂直的长条形振子21之间是耦合贴片22，四个耦合贴片22呈中心对称和轴对称排布，通过改变开关二极管3的工作状态，以引导电流走向实现0°和180°的交替以及垂直线极化和水平线极化的切换。
天线单元的耦合贴片22形状为圆形、三角形、方形或边数大于四的多边形中的一种；
或者为开槽圆形、开槽三角形、开槽方形或边数大于四的开槽多边形中的一种；
或者为圆环、三角形环、方形环或边数大于四的多边形环中的一种。
双线极化2比特天线单元1以矩形栅格阵列、三角栅格阵列、六边形阵列、圆形阵列、空心阵列、稀布阵列其中一种方式排布，间距在0.5λ0～λ0之间，λ0为波长。
长条形振子21由金属过孔41与位于上层介质基板下层的弯曲微带线42连接，之后弯曲微带线42接入同一层的微带扇形枝节43构成低通滤波器结构，弯曲微带线42和微带扇形枝节43直接放置在微带贴片辐射结构2的下方。
如图3所示，级联移相器6采用反射型移相器组成，将90°电桥的直通端和耦合端分别与开路的短截线10连接，由于阻抗不匹配会在隔离端形成反射，反射波的相位差通过开关控制的不同长度的开路线切换，其中开路的短截线10分为上下部分，分别位于下层介质基板的上下层，移相器开关二极管8焊接在开路的短截线10的下部分，短截线10上下部分使用盲孔9进行连接。
如图2所示，设开关二极管依次为第一开关二极管P1、第二开关二极管P2、第三开关二极管P3、第四开关二极管P4、第五开关二极管P5、第六开关二极管P6：第一开关二极管P1、第二开关二极管P2、第三开关二极管P3、第四开关二极管P4属于辐射贴片开关二极管3，第五开关二极管P5、第六开关二极管P6属于移相器开关二极管8；第一开关二极管P1和第三开关二极管P3位于水平极化的微带贴片辐射结构2上，控制水平极化振子0°和180°的移相；第二开关二极管P2和第四开关二极管P4位于垂直极化的微带贴片辐射结构2上，控制垂直极化振子0°和180°的移相；第五开关二极管P5及第六开关二极管P6位于级联移相器6的开路短截线10上，第五开关二极管P5及第六开关二极管P6提供0°和90°的级联移相量，通过不同开关的组合方式，实现0°、90°、180°和270°的2bit辐射相位响应和双线极化的极化方式。
优选的，上、中、下三层介质基板之间采用厚度为0.101mm的半固化片进行隔离。
本发明的技术方案不仅适用于Ka波段，同样适用于K、Ku、X及以下波段。
表1为单元的X极化(垂直线极化)2bit状态表，表2为单元的Y极化(水平线极化)2bit状态表，总结了开关二极管在两种极化不同状态下对应的工作模式、相对相位以及天线编码状态，其中状态一作为参考状态，将此时天线的辐射场在法线方向的相位设置为0°。在开关二极管的状态分布中，“1”代表正向导通状态，“0”代表反向截止状态。对于两种极化各四种工作模式，总共可以采用两位二进制编码来实现单元状态编码。
表1单元的X极化(垂直线极化)2bit状态表
表2单元的Y极化(水平线极化)2bit状态表
图4是图1所示的双线极化2bit天线单元1工作在水平极化和垂直极化时的反射系数曲线。仿真结果显示所有工作模式下单元的-10dB阻抗带宽均覆盖26GHz至28GHz范围。
图5是图1所示的双线极化2bit天线单元1工作在水平极化和垂直极化时的主极化电场相位分布曲线。从图中可以看出，不同的电场相位曲线在维持着一定相位梯度的同时随频率线性变化，这种相位梯度在中心频点处接近90°，实现了良好的2bit相位分布。
图6是图1所示的双线极化2bit天线单元组成的矩形栅格阵列，阵列规模可扩展。
图7是图1所示的双线极化2bit天线单元组成的三角栅格阵列，阵列规模可扩展。
图8是图1所示的双线极化2bit天线单元组成的六边形阵列，阵列规模可扩展。
图9是图1所示的双线极化2bit天线单元组成的圆形阵列，阵列规模可扩展。
图10是图1所示的双线极化2bit天线单元组成的空心圆形阵列，阵列规模可扩展。
图11是图1所示的双线极化2bit天线单元组成的空心矩形阵列，阵列规模可扩展。
图12是图1所示的双线极化2bit天线单元组成的稀布阵列，阵列规模可扩展。
图13是耦合贴片为五边形的双线极化2bit天线单元的辐射贴片层。
图14是耦合贴片为开槽方形的双线极化2bit天线单元的辐射贴片层。
图15是耦合贴片为方环的双线极化2bit天线单元的辐射贴片层。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种Ka波段双线极化2bit阵列天线，其特征在于：从上至下包括上层介质基板、中层介质基板、下层介质基板，阵列天线每个天线单元(1)从上至下依次包括微带贴片辐射结构(2)、直流偏置结构(4)、第一金属地板(5)、级联移相器(6)、第二金属地板(7)，其中微带贴片辐射结构(2)和直流偏置结构(4)分别位于上层介质基板的上下表面，第一金属地板(5)位于中层介质基板的上表面，级联移相器(6)和第二金属地板(7)分别位于下层介质基板的上下表面，上、中、下三层介质基板之间采用半固化片进行隔离；第一金属地板(5)、级联移相器(6)和第二金属地板(7)形成带状线结构，通过改变微带贴片辐射结构(2)上集成的辐射贴片开关二极管(3)和级联移相器(6)上集成的移相器开关二极管(8)，使得单元的辐射电磁波相位分别呈现0°、90°、180°和270°的2bit电磁相位响应以及呈现水平线极化和垂直线极化两种极化方式的可重构；将天线单元进行排列组成相控阵天线，通过控制各个单元的激励，在不同的相位补偿状态下，电磁波可以实现不同极化波束的扫描。
微带贴片辐射结构(2)采用振子耦合的方式，由小十字形状的中心馈电点(23)分别经过一个辐射贴片开关二极管(3)与一个长条形振子(21)连接，四个长条形振子(21)依次垂直排布，构成中心对称和轴对称的大十字结构，每两个互相垂直的长条形振子(21)之间是耦合贴片(22)，四个耦合贴片(22)呈中心对称和轴对称排布，通过改变开关二极管(3)的工作状态，以引导电流走向实现0°和180°的交替以及垂直线极化和水平线极化的切换。
2.根据权利要求1所述的一种Ka波段双线极化2bit阵列天线，其特征在于：天线单元的耦合贴片(22)形状为圆形、三角形、方形或边数大于四的多边形中的一种；
或者为开槽圆形、开槽三角形、开槽方形或边数大于四的开槽多边形中的一种；
或者为圆环、三角形环、方形环或边数大于四的多边形环中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种Ka波段双线极化2bit阵列天线，其特征在于：双线极化2比特天线单元(1)以矩形栅格阵列、三角栅格阵列、六边形阵列、圆形阵列、空心阵列、稀布阵列其中一种方式排布，间距在0.5λ0～λ0之间，λ0为波长。
4.根据权利要求1所述的一种Ka波段双线极化2bit阵列天线，其特征在于：长条形振子(21)由金属过孔(41)与位于上层介质基板下层的弯曲微带线(42)连接，之后弯曲微带线(42)接入同一层的微带扇形枝节(43)构成低通滤波器结构，弯曲微带线(42)和微带扇形枝节(43)直接放置在微带贴片辐射结构(2)的下方。
5.根据权利要求1所述的一种Ka波段双线极化2bit阵列天线，其特征在于：级联移相器(6)采用反射型移相器组成，将90°电桥的直通端和耦合端分别与开路的短截线(10)连接，由于阻抗不匹配会在隔离端形成反射，反射波的相位差通过开关控制的不同长度的开路线切换，其中开路的短截线(10)分为上下部分，分别位于下层介质基板的上下层，移相器开关二极管(8)焊接在开路的短截线(10)的下部分，短截线(10)上下部分使用盲孔(9)进行连接。
6.根据权利要求1所述的一种Ka波段双线极化2bit阵列天线，其特征在于：设开关二极管依次为第一开关二极管P1、第二开关二极管P2、第三开关二极管P3、第四开关二极管P4、第五开关二极管P5、第六开关二极管P6：第一开关二极管P1、第二开关二极管P2、第三开关二极管P3、第四开关二极管P4属于辐射贴片开关二极管(3)，第五开关二极管P5、第六开关二极管P6属于移相器开关二极管(8)；第一开关二极管P1和第三开关二极管P3位于水平极化的微带贴片辐射结构(2)上，控制水平极化振子0°和180°的移相；第二开关二极管P2和第四开关二极管P4位于垂直极化的微带贴片辐射结构(2)上，控制垂直极化振子0°和180°的移相；第五开关二极管P5及第六开关二极管P6位于级联移相器(6)的开路短截线(10)上，第五开关二极管P5及第六开关二极管P6提供0°和90°的级联移相量，通过不同开关的组合方式，实现0°、90°、180°和270°的2bit辐射相位响应和双线极化的极化方式。
7.根据权利要求1所述的一种Ka波段双线极化2bit阵列天线，其特征在于：上、中、下三层介质基板之间采用厚度为0.101mm的半固化片进行隔离。
8.根据权利要求1至7任意一项所述的一种Ka波段双线极化2bit阵列天线，其特征在于：不仅适用于Ka波段，同样适用于K、Ku、X及以下波段。
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