CN117791148A - 一种相模控制单元、相控阵、通信设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相模控制单元、相控阵、通信设备及方法，属于无线通信领域。其中相模控制单元包括：第一端口，用于激励具备边射方向图的第一辐射体；第二端口，用于激励具备端射方向图的第二辐射体；当两个端口以相位差从‑180°到180°进行激励时，所述相模控制单元的辐射方向图将从坐标轴负方向到坐标轴正方向发生偏转。将所述相模控制单元按照预设间隔排布组成相控阵。本发明相比于现有的方案不需要使用任何有源器件，即可实现波束方向的切换，同时保证辐射性能的稳定、尺寸紧凑、制作工艺简单，容易拓展至大规模相控阵，可以实现大范围的宽角扫描。

Description

一种相模控制单元、相控阵、通信设备及方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种相模控制单元、相控阵、通信设备及方法。

背景技术

在现代无线通信技术中，电磁波在传输过程中难以对全空间进行覆盖，需要相控阵对热点区域进行扫描，以满足大范围内无线通信信号的传输。因此，宽角扫描相控阵以其可以覆盖更广的扫描范围，确保用户的通信稳定性，显著提升天线的使用效率等特性变得越来越重要。

目前，全世界诸多学者基于多种方法，对宽角扫描相控阵进行了深入地研究，包括使用宽波束单元、改变阵列因子和使用方向图可重构技术。第一现有技术方案中使用宽波束寄生像素层天线作为相控阵中的宽波束单元实现了宽角扫描；但是，增加辐射单元的波束会导致辐射增益下降，导致阵列增益不高的问题。第二现有技术方案通过改变阵列因子，使用曲面阵列结构构建了宽角扫描相控阵；然而，这种方法设计的相控阵体积庞大、结构复杂，不利于相控阵的大规模集成和小型化。第三现有技术方案利用PIN管使相控阵单元的方向图可以重新配置，以此构建宽角扫描相控阵；但是，这种方法需要使用有源器件，会引入额外的有源损耗。

发明内容

为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种相模控制单元、相控阵、通信设备及方法。

本发明提供的第一技术方案是：

一种相模控制单元，包括：

第一端口，用于激励具备边射方向图的第一辐射体；

第二端口，用于激励具备端射方向图的第二辐射体；

当两个端口以相位差从-180°到180°进行激励时，所述相模控制单元的辐射方向图将从法线方向左侧到法线方向右侧发生偏转。其中，法线方向(θ＝0°)定义为垂直于辐射体正面，法线方向右侧定义为正角，法线方向左侧定义为负角。

进一步地，所述第一辐射体工作在TM₀₁模式或TM₁₀模式，所述第二辐射体工作在TM₂₂模式。

进一步地，两个端口的激励形式包括直连激励或耦合激励。

进一步地，所述第一辐射体和所述第二辐射体设置在同一平面上或者设置在不同的平面上。

本发明提供的第二技术方案是：

一种设计方法，用于设计如上所述的一种相模控制单元，包括以下步骤：

根据辐射体的工作模式，确定所述第一辐射体的初始尺寸为0.25λ₀-0.75λ₀，以及确定所述第二辐射体的初始尺寸为0.75λ₀-1.25λ₀；其中，λ₀表示中心工作频率f₀处电磁波在真空中的波长；

通过控制两个端口间的相位差以控制所述相模控制单元的方向图发生相应的偏转。

本发明提供的第三技术方案是：

一种相控阵，包括多个如上所述的相模控制单元，将所述相模控制单元按照预设间隔排布组成相控阵。

进一步地，所述相控阵的阵列排布方式包括平面阵列排布或曲面阵列排布；多个所述相模控制单元排列成单行或者多行。

进一步地，所述相控阵中具备边射方向图的所有辐射体的极化方式保持一致，所述相控阵中具备端射方向图的所有辐射体的极化方式保持一致。

本发明提供的第四技术方案是：

一种波束控制方法，用于控制如上所述的一种相控阵，包括以下步骤：

在所述相控阵在进行波束扫描时，控制各所述相模控制单元之间保持预设的相位差Δα；

控制各所述相模控制单元的两个端口的相位差使所述相模控制单元的波束方向与相控阵扫描方向保持一致。

本发明提供的第五技术方案是：

一种无线通信设备，包括如上所述的一种相模控制单元或者如上所述的一种相控阵。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明的相模控制单元结构简单，通过控制端口之间的相位差，实现波束方向的切换，而不需要使用任何有源器件，通过该相模控制单元构建成相控阵，可以实现大范围的宽角扫描。

(2)本发明的相模控制单元在实现波束切换时的辐射性能不会受到影响，在多种辐射模式下，相控阵单元的增益稳定，通过该相模控制单元构建成相控阵，可以保证相控阵的增益稳定。

(3)本发明的相模控制单元尺寸紧凑、制作工艺简单，容易拓展至大规模相控阵，利于相控阵的小型化和集成。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。

图1为本发明第一实施例提供的相模控制单元的俯视图。

图2为本发明第一实施例提供的相模控制单元的仰视图。

图3为本发明第一实施例提供的相控阵的俯视图。

图4为本发明第一实施例提供的相模控制单元的两个辐射体的反射系数曲线图。

图5为本发明第一实施例提供的相模控制单元的两个辐射体的辐射方向图。

图6为本发明第一实施例提供的相模控制单元以不同端口相位差激励时的辐射方向图。

图7为本发明第一实施例提供的相控阵的中间四个端口的有源反射系数曲线图。

图8为本发明第一实施例提供的相控阵在28GHz时的扫描方向图。

图9为本发明第一实施例提供的相控阵在26-30GHz的增益曲线图。

图10为本发明第二实施例提供的相模控制单元的俯视图。

图11为本发明第二实施例提供的相控阵的俯视图。

图12为本发明第三实施例提供的三维结构视图。

附图标记：1-第一贴片天线，2-第二贴片天线，3-介质基板，4，第一地板，5-第一端口，6-第二端口，7-第一支撑柱，8-第一耦合端口，9-第二支撑柱，10-第二耦合端口，11-第二地板。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

第一实施例

如图1和图2所示，本实施例提供了一种相模控制单元，包括两个端口和两个辐射体；第一辐射体为具备边射方向图的辐射体，第二辐射体为具备端射方向图的辐射体，两个端口分别用于激励这两个辐射体。

作为一种可选的实施方式，辐射体为具有辐射功能的模块，可采用现有的辐射模块来实现，如：贴片天线、微凸天线、介质谐振器天线等。在本实施例中，采用贴片天线来实现该辐射体，参加图1，第一辐射体采用第一贴片天线1来实现，第二辐射体采用第二贴片2天线来实现。

作为一种可选的实施方式，两个辐射体可以设置在同一个平面上，也可分别设置在两个平面上。在本实施例中，两个辐射体采用贴片天线来实现，且设置在同一个平面上，参加图1，第一贴片天线1和第二贴片天线2均为方形，其中第一贴片天线1印刷在介质基板3的第一表面的中部位置，第二贴片天线2印刷在该第一贴片天线1的外部，包围住第一贴片天线1，第一端口5激励第一贴片天线1，第二端口6激励第二贴片天线2。进一步作为一种可选的实施方式，介质板3的第二表面印刷有第一地板4。

作为一种可选的实施方式，第一贴片天线1工作在TM₀₁模，第二贴片天线2工作在TM₂₂模。

参见图4和图5，图4和图5分别为第一贴片天线1和第二贴片天线2的反射系数和辐射方向图，第一贴片天线1和第二贴片天线2分别工作在26.2-30.1GHz和24.95-30.5GHz，且分别具备边射方向图和端射方向图。

参见图6，当第一端口4和第二端口5以不同端口相位差进行激励时，相模控制单元的辐射方向图会发生明显偏转。当端口相位差/>从0°增加到90°时，方向图的主波束方向会从0°偏转到45°，当/>时，方向图的偏转角度最大，约为45°，且此时的旁瓣最小。

针对上述的相模控制单元，本实施例提供一种设计方法，包括以下步骤：

S101、根据辐射体的工作模式，确定所述第一辐射体的初始尺寸为0.25λ₀-0.75λ₀，以及确定所述第二辐射体的初始尺寸为0.75λ₀-1.25λ₀；其中，λ₀表示中心工作频率f₀处电磁波在真空中的波长；

S102、通过控制两个端口间的相位差以控制所述相模控制单元的方向图发生相应的偏转。

作为一种可选的实施方式，将本实施例提供的相模控制单元作为阵元，将多个相模控制单元按照预设间隔排布组成相控阵。参见图3，本实施例的相控阵包括八个相模控制单元，且成线性排布。

参见图7，图7是本实施例的相控阵中间四个端口(即从左往右数，第四个和第五个相模控制单元上的端口)的有源反射系数，实施例的工作频段是26-30GHz。参见图8，图8是本实施例的相控阵工作在中间频点28GHz时方向图的扫描结果。在3dB增益下降，-5dB旁瓣水平的情况下，实施例可以在-76°～+76°的范围内实现波束扫描。

如表1所示，不同波束扫描角度对应的相邻单元之间的激励相位差以及每个单元端口相位差/>当阵列从-20°扫描到20°时，端口间相位差/>阵列扫描角度为20°～76°，端口间相位差/>扫描角度为-20°～-76°，端口间相位差/>

表1相控阵在不同扫描角度下相邻单元相位差和端口相位差/>的关系

参见图9，图9为本实施例的相控阵在26-30GHz的工作频段内，增益大于13dBi。

针对上述的相控阵，本实施例提供一种波束控制方法，包括以下步骤：

S201、在所述相控阵在进行波束扫描时，控制各所述相模控制单元之间保持预设的相位差Δα；

S202、控制各所述相模控制单元的两个端口的相位差使所述相模控制单元的波束方向与相控阵扫描方向保持一致。

第二实施例

如图10所示，本实施例提供相模控制单元的两种辐射体的形状为圆形，其他结构与第一实施例中的相同。值得注意的是，本申请提及的边射辐射体和端射辐射体不局限于矩形或圆形，其他形状的辐射体处于本申请提及的工作模式下，均应该属于本申请的保护范围内。

如图11所示，基于图10所示的相模控制单元，本实施例提供一种相控阵，包括八个相模控制单元，且八个相模控制单元分成两行排布，即相控阵的组阵方式是2×4排布。值得注意的是，本申请提及的相控阵的数量不局限于八个相模控制单元，也不局限于1×8排布或2×4排布，使用本申请提及的相模单元组阵的各种排布方式都应该属于本申请的保护范围内。

作为一种可选的实施方式，相控阵中的多个相模控制单元可采用直线的方式进行排布，也可以采用曲线的方式进行排布，比如八个相模控制单元排列成一个半弧形，或者排列成一个椭圆形等。

第三实施例

如图12所示，本实施例的相模控制单元包括两个分别设置在两个平面的辐射体，其中具备边射方向图的第一辐射体设置在中间，具备端射方向图的第二辐射体设置在第一辐射体的外围。具体地，第一辐射体通过两个第一支撑柱7进行固定，第二辐射体通过两个第二支撑柱9进行固定。通过第一耦合端口8为第一辐射体进行耦合馈电，通过第二耦合端口10为第二辐射体进行耦合馈电；需要注意的是，不仅可以采用耦合馈电馈电(即耦合激励)，也可以采用直连馈电(即直连激励)，当采用不同的馈电方式时，端口与辐射体之间的连接方式不同。上述所有结构均设置在第二地板11的上方。

在本实施例中，工作频段为微波，两种辐射体并没有印刷在介质基板上，且相对位置并非处于同一水平面。值得注意的是，本申请提及的相模控制单元及其相控阵，不局限于工作频段、有无介质基板、馈电激励的方式或辐射体的相对位置，只要辐射体处于本发明提及的工作模式下，均应该被保护。

第四实施例

本实施例采用微凸天线或介质谐振器天线来实现辐射体，其他结构与第一实施例中的相同。比如，第一辐射体和第二辐射体均采用微凸天线来实现；或者第一辐射体采用微凸天线来实现，而第一辐射体采用介质谐振器天线来实现。总的说来，本申请提及的辐射体，不局限于贴片天线，也可以使用微凸天线或介质谐振器天线，只要辐射体具备TM₀₁模式、TM₁₀模式或TM₂₂模式的，均应该属于本申请的保护范围内。综上所述，本申请公开了一种相模控制单元、宽角扫描相控阵及其设计方法，该相模控制单元使用两个端口进行激励，第一端口激励工作在TM₀₁模式或TM₁₀模式的辐射体，第二端口激励工作在TM₂₂模式的辐射体，当两个端口以相位差从-180°到180°进行激励时，相模控制单元辐射方向图会发生从坐标轴负方向到坐标轴正方向的偏转。可以将相模控制单元按照预设间隔排布组成平面阵列排布或曲面阵列排布的相控阵。本申请相比于现有的方案不需要使用任何有源器件，即可实现波束方向的切换，同时保证辐射性能的稳定、尺寸紧凑、制作工艺简单，容易拓展至大规模相控阵，可以实现大范围的宽角扫描。

在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种相模控制单元，其特征在于，包括：

第一端口，用于激励具备边射方向图的第一辐射体；

第二端口，用于激励具备端射方向图的第二辐射体；

当两个端口以相位差从-180°到180°进行激励时，所述相模控制单元的辐射方向图将从法线方向左侧到法线方向右侧发生偏转。

2.根据权利要求1所述的一种相模控制单元，其特征在于，所述第一辐射体工作在TM₀₁模式或TM₁₀模式，所述第二辐射体工作在TM₂₂模式。

3.根据权利要求1所述的一种相模控制单元，其特征在于，两个端口的激励形式包括直连激励或耦合激励。

4.根据权利要求1所述的一种相模控制单元，其特征在于，所述第一辐射体和所述第二辐射体设置在同一平面上或者设置在不同的平面上。

5.一种设计方法，用于设计如权利要求1-4任一项所述的一种相模控制单元，其特征在于，

包括以下步骤：

根据辐射体的工作模式，确定所述第一辐射体的初始尺寸为0.25λ₀-0.75λ₀，以及确定所述第二辐射体的初始尺寸为0.75λ₀-1.25λ₀；其中，λ₀表示中心工作频率f₀处电磁波在真空中的波长；

通过控制两个端口间的相位差以控制所述相模控制单元的方向图发生相应的偏转。

6.一种相控阵，其特征在于，包括多个如权利要求1-4任一项所述的相模控制单元，将所述相模控制单元按照预设间隔排布组成相控阵。

7.根据权利要求6所述的一种相控阵，其特征在于，所述相控阵的阵列排布方式包括平面阵列排布或曲面阵列排布；多个所述相模控制单元排列成单行或者多行。

8.根据权利要求6所述的一种相控阵，其特征在于，所述相控阵中具备边射方向图的所有辐射体的极化方式保持一致，所述相控阵中具备端射方向图的所有辐射体的极化方式保持一致。

9.一种波束控制方法，用于控制如权利要求6-8任一项所述的一种相控阵，其特征在于，包括以下步骤：

在所述相控阵在进行波束扫描时，控制各所述相模控制单元之间保持预设的相位差Δα；控制各所述相模控制单元的两个端口的相位差使所述相模控制单元的波束方向与相控阵扫描方向保持一致。

10.一种无线通信设备，其特征在于，包括如权利要求1-4所述的一种相模控制单元或者如权利要求6-8所述的一种相控阵。