一種一比特數(shù)字編碼微帶反射陣天線的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種一比特數(shù)字編碼微帶反射陣天線，包括反射陣列、介質(zhì)基板、反射結(jié)構(gòu)及天線饋源。反射陣列由M×N個相位差接近180度的兩種不同的金屬貼片單元按一定規(guī)律排列構(gòu)成，M、N的取值為整數(shù)，1<M<50，1<N<50。本發(fā)明金屬貼片單元可模擬數(shù)碼“0”與數(shù)碼“1”，天線的主波束掃描角度決定了反射陣列的編碼順序，只需設(shè)計相應(yīng)的編碼順序，就能實現(xiàn)波束掃描。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)微帶反射陣天線陣列過大時偏置電路設(shè)計難度大的問題，具有設(shè)計過程簡單，應(yīng)用靈活簡便，易于加工等優(yōu)點。
【專利說明】
一種一比特數(shù)字編碼微帶反射陣天線
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，更進(jìn)一步涉及電磁場與微波技術(shù)領(lǐng)域的一種一比特數(shù) 字編碼微帶反射陣天線。本發(fā)明可用于微波波段，天線可以實現(xiàn)編碼功能，在實際應(yīng)用中更 為靈活，具有重要應(yīng)用前景。
【背景技術(shù)】
[0002] 微帶平面反射陣天線則結(jié)合了傳統(tǒng)拋物面天線和大型相控陣天線的部分優(yōu)勢，具 有結(jié)構(gòu)簡單、損耗小、易集成、成本低，效率高，波束可精確調(diào)控等優(yōu)點，可以廣泛地應(yīng)用于 雷達(dá)、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域。隨著電子無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，雷達(dá)和通信系統(tǒng)都期望 天線具有更多的功能性和自適應(yīng)性。但是傳統(tǒng)的微帶反射陣列天線每個單元的偏置電壓都 需要單獨控制，反射陣單元數(shù)目較多時，每個反射陣單元可能需要不同的控制，調(diào)控單元的 工作量會很大，而且容易出錯，因此實現(xiàn)天線數(shù)字編碼編碼是非常有意義的。
[0003] 中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所申請的專利"一種毫米波相控陣天線及 其波束掃描方法"（申請?zhí)枺?01210225846.6，公開號：102738598B)中提出了一種毫米波相 控陣天線，毫米波相控陣天線包括平面微帶天線陣面、有源通道網(wǎng)絡(luò)以及波束控制單元，平 面微帶天線陣面與有源通道網(wǎng)絡(luò)通過可拆卸的方式進(jìn)行連接，有源通道網(wǎng)絡(luò)包含正交矢量 調(diào)制芯片，正交矢量調(diào)制芯片有I路和Q路兩個控制電壓，通過改變兩路控制電壓值來改變 輸入信號的幅度和相位。但是，該天線控制每個單元相移的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了實現(xiàn)波束掃描， 每個反射陣單元需要不同的控制，調(diào)控單元的工作量會很大。
[0004] 電子科技大學(xué)申請的專利"一種圓極化二維大角度掃描相控陣"（申請?zhí)枺?201510922864.3,公開號：105552555A)中提出了一種圓極化二維大角度掃描相控陣，采用 平面微帶結(jié)構(gòu)設(shè)計寬波束圓極化天線單元，天線單元包括介質(zhì)基板、設(shè)于基板正面的饋電 網(wǎng)絡(luò)、設(shè)于基板背面的方環(huán)形輻射縫隙、以及設(shè)于基板正下方的金屬反射板。將天線單元進(jìn) 行恰當(dāng)?shù)呐帕薪M成相控陣天線，最后通過控制各個單元的饋電相位，實現(xiàn)了相控陣天線的 二維大角度掃描功能。但是，該天線控制每個單元相移的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了實現(xiàn)波束掃描，每 個反射陣單元可能需要不同的控制，調(diào)控單元的工作量會很大，而且天線的饋電網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜， 設(shè)計難度大。
[0005] 綜上所述，目前微帶反射陣天線面臨著一個問題，傳統(tǒng)的微帶相控陣天線，當(dāng)天線 陣列很大時，為了實現(xiàn)波束掃描，需要加載大量的相移控制結(jié)構(gòu)，調(diào)控天線每個單元的相移 的工作量很大，大量的相移控制結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致天線的設(shè)計難度增加。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一比特數(shù)字編碼微帶反射陣 天線，在反射陣單元上加載一個變?nèi)荻O管，通過控制變?nèi)荻O管的工作狀態(tài)，使得設(shè)計的 天線將反射陣單元所需的補(bǔ)償相位量化成兩種相位相差180°的相位，減小了控制單元相移 的工作量，降低了微帶反射陣天線的設(shè)計難度。
[0007] 實現(xiàn)本發(fā)明的具體思路是：由特殊設(shè)計的金屬貼片單元組成反射陣列，這種金屬 貼片單元上加載有變?nèi)荻O管，當(dāng)變?nèi)荻O管的電容值不同時，金屬貼片單元可以呈現(xiàn)相 位差接近180度的兩種狀態(tài)，可分別用于模擬數(shù)碼"0"和數(shù)碼"Γ。通過調(diào)控每個單元上的變 容二極管的工作狀態(tài)，能夠得到特定的陣列編碼順序，實現(xiàn)在某一個角度的天線輻射。根據(jù) 數(shù)碼"0"和數(shù)碼T編碼順序的不同，該天線能夠?qū)崿F(xiàn)波束掃描。
[0008] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下。
[0009] 本發(fā)明包括反射陣列、介質(zhì)基板、反射結(jié)構(gòu)及天線饋源，介質(zhì)基板上表面蝕刻反射 陣列，反射陣列包括相位差接近180度的兩種金屬貼片單元，MXN個金屬貼片單元周期排列 構(gòu)成反射陣列，每個金屬貼片單元包括兩個貼片單元、一個變?nèi)荻O管，其中，變?nèi)荻O管 的一端與第一個貼片單元相連，變?nèi)荻O管的另一端與第二個貼片單元相連，反射結(jié)構(gòu)采 用金屬地板結(jié)構(gòu)，位于介質(zhì)基板的下表面，天線饋源位于福射結(jié)構(gòu)的上半空間。
[0010] 變?nèi)荻O管將金屬貼片單元所需的補(bǔ)償相位數(shù)字化成兩種相位相差180°的補(bǔ)償 相位，用數(shù)碼"0"和數(shù)碼"Γ表示金屬貼片單元，改變數(shù)碼"0"和數(shù)碼"Γ的排列順序用于控 制天線主波束方向。
[0011] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：
[0012] 由于本發(fā)明的金屬貼片單元包括一個變?nèi)荻O管，通過控制變?nèi)荻O管電容值的 大小，將金屬貼片單元所需的補(bǔ)償相位數(shù)字化成兩種相位相差180°的補(bǔ)償相位，用數(shù)碼"0" 和數(shù)碼"Γ表示金屬貼片單元，改變數(shù)碼"0"和數(shù)碼"Γ的排列順序用于控制天線主波束方 向，制簡化了微帶反射陣天線的相移控制結(jié)構(gòu)，克服了現(xiàn)有技術(shù)存在的陣列過大時需要加 載大量的相移控制結(jié)構(gòu)、調(diào)控天線每個單元的相移的工作量很大、天線設(shè)計難度大的缺點， 使得本發(fā)明具有減小了控制每個單元相移的工作量，降低了微帶反射陣天線的設(shè)計難度， 應(yīng)用靈活簡便，易于加工的優(yōu)點。
【附圖說明】
[0013] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014] 圖2為本發(fā)明金屬貼片單元的示意圖；
[0015] 圖3為本發(fā)明金屬貼片單元的反射相位曲線圖；
[0016] 圖4為本發(fā)明金屬貼片單元的數(shù)字化后相位分布圖；
[0017]圖5為本發(fā)明天線數(shù)字化后的方向系數(shù)曲線圖；
[0018]圖6為本發(fā)明不同主波束方向的方向系數(shù)曲線圖；
[0019]圖7為本發(fā)明反射波方向為(30°，90°)的方向系數(shù)曲線圖。
【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0021] 參照附圖1，對本發(fā)明的天線整體結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0022] 本發(fā)明包括反射陣列1、介質(zhì)基板2、反射結(jié)構(gòu)3及天線饋源4;介質(zhì)基板2的相對介 電常數(shù)ε介于2-10之間，厚度h介于之間，介質(zhì)基板2上表面蝕刻反射陣列1，反射陣 列1包括相位差接近180度的兩種金屬貼片單元5，MXN個金屬貼片單元5周期排列構(gòu)成反射 陣列1，M、N的取值為整數(shù)，1僅〈50，1〈狀50，每兩個金屬貼片單元5的中心距離0介于24111111- 30mm，反射結(jié)構(gòu)3位于介質(zhì)基板2的下表面，采用金屬地板結(jié)構(gòu)，天線饋源4位于福射結(jié)構(gòu)的 上半空間，采用喇叭天線。
[0023]參照附圖2,對本發(fā)明的金屬貼片單元5的結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0024]金屬貼片單元5的形狀可選擇正方形、菱形、圓形其中之一，金屬貼片單元5包括兩 個貼片單元、一個變?nèi)荻O管;其中，所述的變?nèi)荻O管6的一端與第一個貼片單元11相連， 變?nèi)荻O管6的另一端與第二個貼片單元12相連。金屬貼片單元5上變?nèi)荻O管的工作狀態(tài) 不同時，即兩種相位相差180°的狀態(tài)，可用數(shù)碼"0"和數(shù)碼"Γ來表征，每個金屬貼片單元5 都由數(shù)碼"〇"和數(shù)碼"Γ表示，使得反射陣列1具有特定的編碼順序，實現(xiàn)特定的功能。調(diào)整 反射陣列1的編碼順序，可以來設(shè)計和調(diào)控天線所要實現(xiàn)的功能。
[0025]本發(fā)明的實施例1選擇的金屬貼片單元5的形狀選擇正方形，各結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如 下。
[0026]介質(zhì)基板2的相對介電常數(shù)ε為2.65,厚度h為3mm，尺寸為500 X 500mm，介質(zhì)基板2 上表面蝕刻20 X 20個金屬貼片單元5,反射結(jié)構(gòu)3為500 X 500mm的方形金屬地板，每兩個金 屬貼片單元5的中心距離D為25mm周期排列，金屬貼片單元5采用正方形結(jié)構(gòu)，金屬貼片單元 5邊長L為22.5mm，金屬貼片單元5開口寬度gap為0.5mm。
[0027] 在高頻電磁仿真軟件HFSS中對金屬貼片單元5的相移特性進(jìn)行仿真分析，采用弗 洛奎特端口和主從邊界條件，可以使用高頻電磁仿真軟件HFSS中的集總RLC邊界，電容值大 小設(shè)為變量cap來等效的電容代替變?nèi)荻O管6。假設(shè)入射波入射角度(久的=(30 .0 )，反射 波主波束方向為(認(rèn)妁= (〇'\9〇u)。基于基本陣列理論，根據(jù)饋源的位置、工作頻率、所設(shè)主 波束的方向、單元間距，就能求出每個單元所需要的補(bǔ)償相位。通過改變變?nèi)荻O管6電容 值的大小，調(diào)節(jié)各個金屬貼片單元5的狀態(tài)，進(jìn)而調(diào)節(jié)反射陣列1的編碼順序，從而動態(tài)的控 制微帶反射陣天線的主波束方向。
[0028] 參照附圖3,對金屬貼片單元5的反射相位作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0029] 圖3中的橫坐標(biāo)為電容值，縱坐標(biāo)為單元相移，圖3中的曲線為單元相移隨電容值 變化曲線。天線工作在f = 3.5GHz，金屬貼片單元5的反射相位隨變?nèi)荻O管電容值大小變 化，當(dāng)變?nèi)荻O管6電容值在0.63-2.67pF間變化時，金屬貼片單元5的相移范圍超過了 180°，選取相移相差180°的兩個狀態(tài)對應(yīng)電容值，即兩個相位狀態(tài)數(shù)碼"0"和數(shù)碼"Γ，這里 選取1. lpF和1.9pF，它們對應(yīng)的反射相位分別約為35°和-145°。當(dāng)然，這種選取方式并不是 唯一的，也可以選取其他兩個相位值相差180°的相位。
[0030] 參照附圖4,對金屬貼片單元5的數(shù)字化后相位分布圖作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0031] 圖4為金屬貼片單元5的數(shù)字化后相位分布圖，當(dāng)入射波方向為(久的=(3() ,0 )，反 射波主波束方向設(shè)定為(久妁=(〇%9()°)時，用Matlab計算得到反射陣對應(yīng)數(shù)字化處理后的 編碼順序，白色小正方形對應(yīng)數(shù)碼"Γ，黑色小正方形對應(yīng)數(shù)碼"〇"。
[0032] 參照附圖5,對天線反射波方向為(認(rèn)的=(0 ,90 )的方向圖作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0033] 圖5中的橫坐標(biāo)為主波束的方向角度，縱坐標(biāo)為天線的增益，圖5中的曲線為天線 的增益隨主波束的方向角度變化曲線。數(shù)字編碼微帶反射陣天線產(chǎn)生的主波束方向與假定 的方向基本一致。
[0034] 參照附圖6,對天線不同掃描角度的散射方向圖作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0035] 圖6中的橫坐標(biāo)為主波束的方向角度，縱坐標(biāo)為天線的方向系數(shù)，圖6中的曲線為 天線的方向系數(shù)隨主波束的方向角度變化曲線。天線的方向系數(shù)隨主波束方向的不同而發(fā) 生改變，天線工作頻率f = 3.5GHz，曲線dl為主波束方向為(0°，90°)時天線的方向系數(shù)曲 線，曲線d2為主波束方向為（30°，90° )時天線的方向系數(shù)曲線，曲線d3為主波束方向為 (40°，90°)時天線的方向系數(shù)曲線，曲線d4為主波束方向為(50°，90°)時天線的方向系數(shù)曲 線，曲線d5為主波束方向為(60°，90°)時天線的方向系數(shù)曲線反射陣天線在通過調(diào)整單元 上加載的變?nèi)荻O管的電容值時可以實現(xiàn)對于反射陣列1的編碼，能夠?qū)崿F(xiàn)主波束掃描，反 射陣天線的主波束掃描角度可達(dá)60°。
[0036] 參照附圖7,對天線的工作帶寬作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0037] 圖7中的橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為天線的方向系數(shù)，圖7中的曲線為天線的方向系 數(shù)隨頻率變化曲線。反射陣天線的增益最大點并不在3.5GHz處，而是在3.7GHz處，3dB帶寬 范圍為3.47GHz-4.23GHz，相對帶寬約為22 %。
[0038] 本發(fā)明的實施例2選擇的金屬貼片單元1的形狀選擇正方形菱形。
[0039]結(jié)合圖1中的結(jié)構(gòu)圖，對實施例2進(jìn)行進(jìn)一步的描述，本發(fā)明中實施例2的天線的構(gòu) 成和結(jié)構(gòu)與圖1相同。金屬貼片單元1采用菱形，其余結(jié)構(gòu)與實施例1中的一種頻率可調(diào)波束 可控微帶反射陣天線一樣，各結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系也與實施例1中的一種頻率可調(diào)波束可控微 帶反射陣天線一樣。
[0040] 本發(fā)明的實施例3選擇的金屬貼片單元1的形狀選擇圓形。
[0041] 結(jié)合圖1中的結(jié)構(gòu)圖，對實施例2進(jìn)行進(jìn)一步的描述，本發(fā)明中實施例3的天線的構(gòu) 成和結(jié)構(gòu)與圖1相同。金屬貼片單元1采用圓形，其余結(jié)構(gòu)與實施例1中的一種頻率可調(diào)波束 可控微帶反射陣天線一樣，各結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系也與實施例1中的一種頻率可調(diào)波束可控微 帶反射陣天線一樣。
[0042] 以上是本發(fā)明的三個具體實例并不構(gòu)成對本發(fā)明的任何限制。
【主權(quán)項】
1. 一種一比特數(shù)字編碼微帶反射陣天線，包括反射陣列（1)、介質(zhì)基板（2)、反射結(jié)構(gòu) (3)及天線饋源(4);其特征在于， 所述的介質(zhì)基板(2)上表面蝕刻反射陣列（1);所述的反射陣列（1)包括相位差接近180 度的兩種金屬貼片單元(5)，MXN個金屬貼片單元(5)周期排列構(gòu)成反射陣列（1);每個金屬 貼片單元(5)包括兩個貼片單元、一個變?nèi)荻O管(6);其中，變?nèi)荻O管(6)的一端與第一 個貼片單元(51)相連，變?nèi)荻O管(6)的另一端與第二個貼片單元(52)相連； 所述的反射結(jié)構(gòu)(3)采用金屬地板結(jié)構(gòu)，位于介質(zhì)基板(2)的下表面； 所述的天線饋源(4)位于輻射結(jié)構(gòu)的上半空間； 所述的變?nèi)荻O管（6)將金屬貼片單元（5)所需的補(bǔ)償相位數(shù)字化成兩種相位相差 180°的補(bǔ)償相位，用數(shù)碼"0"和數(shù)碼"Γ表示金屬貼片單元(5)，改變數(shù)碼"0"和數(shù)碼"Γ的排 列順序用于控制天線主波束方向。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種一比特數(shù)字編碼微帶反射陣天線，其特征在于，所述的Μ ΧΝ個金屬貼片單元(5)中的Μ、Ν的取值為整數(shù)，1〈Μ〈50，1〈Ν〈50。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種一比特數(shù)字編碼微帶反射陣天線，其特征在于，所述的介 質(zhì)基板(2)的相對介電常數(shù)ε介于2-10之間，厚度h介于之間。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種一比特數(shù)字編碼微帶反射陣天線，其特征在于，所述的天 線饋源(4)采用喇叭天線。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種一比特數(shù)字編碼微帶反射陣天線，其特征在于，所述的Μ ΧΝ個金屬貼片單元(5)周期排列構(gòu)成反射陣列（1)是指每兩個金屬貼片單元(5)的中心距 離 D 介于 24mm-3Ctam。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種一比特數(shù)字編碼微帶反射陣天線，其特征在于，所述的金 屬貼片單元(5)的形狀可選擇正方形、菱形、圓形其中之一。
【文檔編號】H01Q23/00GK106025561SQ201610496466
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月28日
【發(fā)明人】李龍, 田順成, 劉海霞, 劉肖肖, 翟會清, 史琰
【申請人】西安電子科技大學(xué)