CN1925223B - 一种具有双折叠槽结构的方向图可重构天线及其阵列 - Google Patents
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Abstract
一种具有双折叠槽结构的方向图可重构天线及其阵列，属于电子技术领域，特别涉及共形天线阵列技术。所述天线包括介质基片(36)、背地导体板(37)和共面地板(35)，共面地板上具有双折叠槽，两个天线辐射臂通过共面波导传输线(17)连接；共面波导传输线(17)、底部电线辐射臂(20)、共面波导馈电线(23)和共面地板(35)上嵌有相应的开关或探针，通过改变探针或开关的工作状态可在同一个频率点上实现三种状态的天线方向图扫描。所述天线阵列以所述天线为天线阵列单元，将其分布在载体曲面上，并保持单元指向相近或相同的辐射方向性。本发明可适用于有源相控阵、无源相控阵以及其它的各种复杂曲面天线阵列的设计与制作。
Description
技术领域
本发明属于电子技术领域，它特别涉及曲面阵列、共形天线阵列技术。
背景技术
相控阵天线的旁瓣抑制办法基本上与一般阵列天线的方法相同。在等幅同相的情况下，天线阵的旁瓣电平理论上只能达到-13dB，实际做到的则要高于这个电平。在许多实用情况下，高电平旁瓣是不利的。因为它会产生不需要的干扰，特别对雷达来说会引起假回波。另一方面，当阵列辐射单元共形于曲面时，各辐射元由于受曲面曲率的影响，方向图最大值指向不同，这给阵列的方向图设计和旁瓣抑制带来极大的困难。
文献“相控阵雷达的发展动向”((日)西木真吉，山岸文夫著，王永寿译，雷达与对抗，Vol：2，1998)做了共形阵与平面阵的比较。对平面阵，单元天线的密度分布和单元天线的方向图指向均相同，因此易于形成阵列主波束；对共形阵，单元天线的密度分布(在投影面上)和单元天线的方向图指向均不同，因此主波束形成困难。作者提出在各单元天线上配置具有发射和接收功能的收发组件，采用有源相控阵技术，利用数字波束形成加以解决。这种方法虽可形成主波束，但大量昂贵的收发组件必然会增加系统成本，还会导致系统体积增大，并且无法用在无源相控阵中。
书籍“雷达手册”((美)斯科尼克主编，王军等译，电子工业出版社，第二版，2003)给出了共形阵波束形成的方法：在大曲率半径的情况下，阵列单元只在曲面上某一部分时，可以近似地用平面阵列理论加以分析；当用来覆盖360°范围的圆柱体或曲面阵列只具有小的曲率半径时，要对单元进行切换以断开波束方向偏离希望指向的部分天线单元。这种方法可以形成较好的主波束，但由于阵列中许多辐射单元被断开，必将导致天线阵列的增益大幅度下降。
文献“A Novel Radiation Pattern and Frequency Reconfigurable Single Turn Square SprialMicrostrip Antenna”(IEEE Microwave and Wireless Components Letters，Vol：13，NO.2，February2003)在文章的引言中提到采用方向图可重构天线可以增加阵列天线的波束扫描能力，但此文与其它相关文献一样，仍然只局限于单个可重构天线的设计。而对如何应用可重构概念来设计阵列，并没有做出研究，更没有给出一个具体的设计方案。
文献“Design and Fabrication of Low-loss RF MEMS Switches for a Broadband Reflectarray”(Smart Structure and Materials 2004：Smart Electronics，MEMS，BioMEMS，andNanotechnology)在空馈反射阵列的阵元中使用MEMS开关来代替移相器，以达到控制反射波相位的目的。文献“CPW-Fed Slot Microstrip MEMS-Based Reconfigurable Arrays”(IEEEAntennas and Propagation Society International Symposium，Vol：2，20-25 June 2004)在每个辐射元的馈电线上置入MEMS开关，进行独立的控制，来修改阵列主波束。不幸的是，一旦阵元共形于曲面时，此时阵列单元的方向性已不一致，情况势必会极大地改变。
因此，如何把可重构天线技术的概念引入到共形天线阵列的设计上来，怎样提高阵列天线的波束扫描能力和整体性能，目前还没有确定的技术方案。
发明内容
本发明目的在于提供一种具有双折叠槽结构的方向图可重构天线及其阵列，该天线能够重构出三种方向图状态，并在一个频点上实现上半空间0-180度的扫描；该天线阵列采用方向图可重天线单元，可增加其控制自由度，能解决目前共形天线阵列中存在的天线阵列单元的方向图指向不一致的问题，从而提高共形天线阵列的整体性能。
本发明技术方案为：
一种具有双折叠槽结构的方向图可重构天线，如图4、5所示，包括介质基片36、位于介质基片36两面的背地导体板37和共面地板35。所述共面地板35上具有由顶部环形槽15和底部环形槽28构成的双折叠槽，位于顶部环形槽15内的顶部天线辐射臂16和位于底部环形槽28内的底部天线辐射臂20之间通过共面波导传输线17连接。底部天线辐射臂20通过与共面波导传输线17同轴的共面波导馈电线23与外相连。共面波导传输线17上嵌有两个开关30、34，两个开关30、34之间具有与背地导体板37相连的探针31。共面波导馈电线23上嵌有一个靠近底部天线辐射臂20的开关25和一个远离底部天线辐射臂20的与背地导体板37相连的探针24。底部天线辐射臂20中心具有一个与背地导体板37相连的探针29，两侧对称地嵌有靠近底部天线辐射臂20中心的开关22、26和远离底部天线辐射臂20中心的与背地导体板37相连的探针21、27。顶部天线辐射臂16和底部天线辐射臂20之间的共面地板35上嵌有以共面波导传输线17为对称轴的对称分布的与背地导体板37相连的探针18、19、32、33。与背地导体板37相连的探针18、19、21、24、27、29、31、32、33上均嵌有开关。
上述方案中，所述顶部环形槽15或底部环形槽28可以是矩形环形槽、圆形环形槽或是椭圆形环形槽。所述探针18、19、21、24、27、29、31、32、33中嵌入的开关可以是机械开关或是电子开关。所述共面波导传输线17、底部天线辐射臂20和共面波导馈电线23上嵌入的开关22、25、26、30、34可以是机械开关或是电子开关。
需要说明的是：
上述方案中，背地导体板37的作用是抑制天线后向辐射干扰载体系统内部的电子组件。所有探针的作用是在特定位置处将共面地板35(或共面波导传输线17、或底部天线辐射臂20或共面波导馈电线23)与背地导体板37之间短路连接或断开，以改变天线的电流分布情况。所有探针的开关和其他开关处于开路状态时，记为“O”；处于短路状态时，记为“S”。通过改变探针18、19、21、24、27、29、31、32、33上嵌入的开关的工作状态以及开关22、25、26、30、34的工作状态，可以改变整个天线结构的电流分布情况，最终在同一个频率点上实现三种状态的天线方向图扫描，如图6所示。
另外，本发明提供的一种具有双折叠槽结构的方向图可重构天线，只要能够重构出三种方向图状态，并在一个频点上实现上半空间0-180度的扫描，即可用于构成本发明所述的方向图可重构天线阵列，因而上述方案没有给出所有组成部件之间尺寸的相对比例关系。任意一种尺寸比例关系的具有双折叠槽结构的方向图可重构天线，按照其尺寸比例均可缩小或放大，以实现不同频点的扫描。
一种具有双折叠槽结构的方向图可重构天线阵列，以上述方案中所述具有双折叠槽结构的方向图可重构天线为天线阵列单元，将若干个所述天线阵列单元分布在载体曲面上，并保持所有天线阵列单元的指向相近或相同的辐射方向性。
需要说明的是，上述方案中，所述载体曲面可以是圆柱、圆锥、球面等各种复杂曲面。
本技术方案的有益效果是：
所述一种具有双折叠槽结构的方向图可重构天线具有体积小、重量轻、易于与载体共形、能在一个频点上实现天线方向图扫描、其3dB波瓣宽度能扫描覆盖上半空间的特点，从而满足天线阵列的设计要求。所述一种具有双折叠槽结构的方向图可重构天线阵列由于采用了单元可重构技术，克服了以往各阵列单元在曲面上方向性不一致的缺点。因此，在圆柱体、锥体、抛物线体、球体阵列只具有小的曲率半径时，不必对单元进行切换以断开波束方向偏离希望指向的部分天线单元，从而提高了阵列性能。另一方面，本发明所述的天线阵列采用单元可重构技术可增加其控制自由度，比采用收发组件来提高控制自由度工艺更简单、造价更低廉；同时采用本技术方案不但可以适用于有源相控阵，还可以适用于无源相控阵，以及其它的各种复杂曲面阵列。而且当采用曲面作为阵列的载体时，把单元方向图可重构技术应用到阵列的设计中，还可以设计出比平面阵列扫描范围更大的天线阵列。
附图说明
图1是本发明所述的方向图可重构天线阵列的示意图之一，其中，1、2、3代表具体的可重构天线阵列单元，7代表共形曲面，8是期望的阵列方向图主波束；单元方向图的三种工作状态(“L”、“N”、“R”)是指天线阵列单元共形于载体曲面时，其单元方向图具有相对于天线阵列单元所在曲面的局部法线方向左偏、重合、右偏的三种可重构状态。
图2是本发明所述的方向图可重构天线阵列的示意图之二。
图3是本发明所述的方向图可重构天线阵列的示意图之三。
图4是本发明所述的一种具有双折叠槽结构的方向图可重构天线基本结构示意图，其中：15是顶部环形槽，16是顶部天线辐射臂，17共面波导传输线，18、19、21、24、27、29、31、32和33是探针，20是底部天线辐射臂，22、25、26、30和34是开关，23是共面波导馈电线，28是底部环形槽，35是共面地板。
图5是本发明所述的一种具有双折叠槽结构的方向图可重构天线截面示意图，其中：35是共面地板；36是介质基片，37是背地导体板。
图6是具体实时方式中所采用的阵列单元E面辐射方向图，其中：单元方向图的三种工作状态(“L”、“N”、“R”)是指该阵元共形于载体曲面时，其单元方向图具有相对于阵元所在曲面的局部法线方向左偏、重合、右偏的三种可重构状态，分别记为状态“L”、状态“N”、状态“R”。此数据是通过仿真实验而得来的。
具体实施方式
图1、图2和图3给出了本发明所述方向图可重构天线阵列的三种具体的实施方式。
对于图1所示情形，要使阵列中各单元方向图指向与期望的阵列方向图主波束指向保持一致或相近，则阵列单元1的方向图应该向它所在曲面局部法线方向n1的右边扫描一定角度，采用状态“R”；阵列单元2的方向图应该重构在它所在曲面局部法线方向n2的方向，采用状态“N”；阵列单元3的方向图应该向它所在曲面的局部法线方向n3的左边扫描一定角度，采用状态“L”。
同理，在图2中，要使阵列中各单元方向图指向与期望的阵列方向图主波束指向保持一致或相近，则阵列单元1的方向图应该向它所在曲面局部法线方向n1的右边扫描一定角度，采用状态“R”；阵列单元2的方向图应该向它所在曲面局部法线方向n2的右边扫描一定角度，采用状态“R”；阵列单元3的方向图应指向它所在曲面局部法线方向n3的方向，采用状态“N”，。由此，单元天线通过采用不同的方向图状态，就可以保持单元方向性与期望的阵列方向图主波束指向趋于一致或相近。
在图3中，要使阵列中各单元方向图指向与期望的阵列方向图主波束指向保持一致或相近，则阵列单元1的方向图应指向它所在曲面局部法线方向n1的方向，采用状态“N”；阵列单元2的方向图应该向它所在曲面局部法线方向n2的左边扫描一定角度，采用状态“L”；阵列单元3的方向图应该向它所在曲面局部法线方向n3的左边扫描一定角度，采用状态“L”。基于此，就可以保证单元方向性与期望的阵列方向图主波束指向趋于一致或相近。
根据上述方向图可重构天线阵列的实施要求，考虑到具体阵列单元需满足的共形阵列设计条件。本发明还提供了一种具体的具有双折叠槽结构的方向图可重构天线。该天线工作在10GHz附近，能以3种方向图状态(“L”、“N”、“R”)进行工作，它的尺寸和材料属性是：顶部天线辐射臂16、共面波导传输线17、底部天线辐射臂20、共面波导馈电线23、共面地板35、背地导体37均采用厚度为0.018mm的铜箔；顶部天线辐射臂16长为10.5mm，宽为1mm；共面波导传输线17长为5.6mm，细带宽为5.6mm，缝隙0.5mm；底部天线辐射臂21长为15.5mm，宽为1mm；共面波导馈电线23长为5.3mm，细带宽1.5mm，缝隙0.5mm；共面地板35和背地导体37的尺寸为21×21mm2；介质基片的厚度为3mm，相对介电常数4.4，尺寸为21×21mm2。当开关22、25、26、30、34处于开路状态，探针18、19、24、31、32、33处于短路状态时可得方向图6，即状态“L”；同理，当开关22、25、26、30、34处于短路状态，可控探针21、27、29处于短路状态时可得方向图5，即状态“N”；当开关22、25、26、30、34处于短路状态，可控探针全部处于开路状态时可得方向图4，即状态“R”，如图6所示。
Claims (6)
1.一种具有双折叠槽结构的方向图可重构天线，包括介质基片(36)、位于介质基片(36)两面的背地导体板(37)和共面地板(35)；其特征在于，所述共面地板(35)上具有由顶部环形槽(15)和底部环形槽(28)构成的双折叠槽，位于顶部环形槽(15)内的顶部天线辐射臂(16)和位于底部环形槽(28)内的底部天线辐射臂(20)之间通过共面波导传输线(17)连接；底部天线辐射臂(20)通过与共面波导传输线(17)同轴的共面波导馈电线(23)与外相连；共面波导传输线(17)上嵌有两个开关(30、34)，两个开关(30、34)之间具有与背地导体板(37)相连的探针(31)；共面波导馈电线(23)上嵌有一个靠近底部天线辐射臂(20)的开关(25)和一个远离底部天线辐射臂(20)的与背地导体板(37)相连的探针(24)；底部天线辐射臂(20)中心具有一个与背地导体板(37)相连的探针(29)，底部天线辐射臂(20)上以共面波导传输线(17)的中心线为对称轴对称地嵌有靠近底部天线辐射臂(20)中心的开关(22、26)和远离底部天线辐射臂(20)中心的与背地导体板(37)相连的探针(21、27)；顶部天线辐射臂(16)和底部天线辐射臂(20)之间的共面地板(35)上嵌有以共面波导传输线(17)的中心线为对称轴的对称分布的与背地导体板(37)相连的探针(18、19、32、33)；与背地导体板(37)相连的探针(18、19、21、24、27、29、31、32、33)上均嵌有开关。
2.根据权利要求1所述的一种具有双折叠槽结构的方向图可重构天线，其特征在于，所述顶部环形槽(15)或底部环形槽(28)是矩形环形槽、圆形环形槽或是椭圆形环形槽。
3.根据权利要求1所述的一种具有双折叠槽结构的方向图可重构天线，其特征在于，所述探针(18、19、21、24、27、29、31、32、33)中嵌入的开关是机械开关或是电子开关。
4.根据权利要求1所述的一种具有双折叠槽结构的方向图可重构天线，其特征在于，所述共面波导传输线(17)、底部天线辐射臂(20)和共面波导馈电线(23)上嵌入的开关(22、25、26、30、34)是机械开关或是电子开关。
5.一种具有双折叠槽结构的方向图可重构天线阵列，其特征在于，以权利要求1所述的一种具有双折叠槽结构的方向图可重构天线为天线阵列单元，将若干个所述天线阵列单元分布在载体曲面上，并使阵列中各单元方向图指向与期望的阵列方向图主波束指向保持一致或相似。
6.根据权利要求5所述的一种具有双折叠槽结构的方向图可重构天线阵列，其特征在于，所述载体曲面是圆柱、圆锥、球面等各种复杂曲面。
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