一種一比特數字編碼微帶反射陣天線的制作方法
【專利摘要】本發明公開一種一比特數字編碼微帶反射陣天線，包括反射陣列、介質基板、反射結構及天線饋源。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律排列構成，M、N的取值為整數，1<M<50，1<N<50。本發明金屬貼片單元可模擬數碼“0”與數碼“1”，天線的主波束掃描角度決定了反射陣列的編碼順序，只需設計相應的編碼順序，就能實現波束掃描。本發明解決了傳統微帶反射陣天線陣列過大時偏置電路設計難度大的問題，具有設計過程簡單，應用靈活簡便，易于加工等優點。
【專利說明】
一種一比特數字編碼微帶反射陣天線
技術領域
[0001] 本發明屬于通信技術領域，更進一步涉及電磁場與微波技術領域的一種一比特數 字編碼微帶反射陣天線。本發明可用于微波波段，天線可以實現編碼功能，在實際應用中更 為靈活，具有重要應用前景。
【背景技術】
[0002] 微帶平面反射陣天線則結合了傳統拋物面天線和大型相控陣天線的部分優勢，具 有結構簡單、損耗小、易集成、成本低，效率高，波束可精確調控等優點，可以廣泛地應用于 雷達、衛星通信等領域。隨著電子無線通信技術的不斷發展和完善，雷達和通信系統都期望 天線具有更多的功能性和自適應性。但是傳統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，反射陣單元數目較多時，每個反射陣單元可能需要不同的控制，調控單元的 工作量會很大，而且容易出錯，因此實現天線數字編碼編碼是非常有意義的。
[0003] 中國科學院上海微系統與信息技術研究所申請的專利"一種毫米波相控陣天線及 其波束掃描方法"（申請號：201210225846.6，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、有源通道網絡以及波束控制單元，平 面微帶天線陣面與有源通道網絡通過可拆卸的方式進行連接，有源通道網絡包含正交矢量 調制芯片，正交矢量調制芯片有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構復雜，為了實現波束掃描， 每個反射陣單元需要不同的控制，調控單元的工作量會很大。
[0004] 電子科技大學申請的專利"一種圓極化二維大角度掃描相控陣"（申請號： 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 平面微帶結構設計寬波束圓極化天線單元，天線單元包括介質基板、設于基板正面的饋電 網絡、設于基板背面的方環形輻射縫隙、以及設于基板正下方的金屬反射板。將天線單元進 行恰當的排列組成相控陣天線，最后通過控制各個單元的饋電相位，實現了相控陣天線的 二維大角度掃描功能。但是，該天線控制每個單元相移的結構復雜，為了實現波束掃描，每 個反射陣單元可能需要不同的控制，調控單元的工作量會很大，而且天線的饋電網絡復雜， 設計難度大。
[0005] 綜上所述，目前微帶反射陣天線面臨著一個問題，傳統的微帶相控陣天線，當天線 陣列很大時，為了實現波束掃描，需要加載大量的相移控制結構，調控天線每個單元的相移 的工作量很大，大量的相移控制結構會導致天線的設計難度增加。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在于克服上述現有技術的不足，提供了一比特數字編碼微帶反射陣 天線，在反射陣單元上加載一個變容二極管，通過控制變容二極管的工作狀態，使得設計的 天線將反射陣單元所需的補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計難度。
[0007] 實現本發明的具體思路是：由特殊設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容二極管，當變容二極管的電容值不同時，金屬貼片單元可以呈現相 位差接近180度的兩種狀態，可分別用于模擬數碼"0"和數碼"Γ。通過調控每個單元上的變 容二極管的工作狀態，能夠得到特定的陣列編碼順序，實現在某一個角度的天線輻射。根據 數碼"0"和數碼T編碼順序的不同，該天線能夠實現波束掃描。
[0008] 為實現上述目的，本發明的技術方案如下。
[0009] 本發明包括反射陣列、介質基板、反射結構及天線饋源，介質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 構成反射陣列，每個金屬貼片單元包括兩個貼片單元、一個變容二極管，其中，變容二極管 的一端與第一個貼片單元相連，變容二極管的另一端與第二個貼片單元相連，反射結構采 用金屬地板結構，位于介質基板的下表面，天線饋源位于福射結構的上半空間。
[0010] 變容二極管將金屬貼片單元所需的補償相位數字化成兩種相位相差180°的補償 相位，用數碼"0"和數碼"Γ表示金屬貼片單元，改變數碼"0"和數碼"Γ的排列順序用于控 制天線主波束方向。
[0011] 本發明與現有技術相比具有以下優點：
[0012] 由于本發明的金屬貼片單元包括一個變容二極管，通過控制變容二極管電容值的 大小，將金屬貼片單元所需的補償相位數字化成兩種相位相差180°的補償相位，用數碼"0" 和數碼"Γ表示金屬貼片單元，改變數碼"0"和數碼"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構，克服了現有技術存在的陣列過大時需要加 載大量的相移控制結構、調控天線每個單元的相移的工作量很大、天線設計難度大的缺點， 使得本發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計難度， 應用靈活簡便，易于加工的優點。
【附圖說明】
[0013] 圖1為本發明的結構示意圖；
[0014] 圖2為本發明金屬貼片單元的示意圖；
[0015] 圖3為本發明金屬貼片單元的反射相位曲線圖；
[0016] 圖4為本發明金屬貼片單元的數字化后相位分布圖；
[0017]圖5為本發明天線數字化后的方向系數曲線圖；
[0018]圖6為本發明不同主波束方向的方向系數曲線圖；
[0019]圖7為本發明反射波方向為(30°，90°)的方向系數曲線圖。
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細的說明。
[0021] 參照附圖1，對本發明的天線整體結構作進一步詳細的說明。
[0022] 本發明包括反射陣列1、介質基板2、反射結構3及天線饋源4;介質基板2的相對介 電常數ε介于2-10之間，厚度h介于之間，介質基板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周期排列構成反射 陣列1，M、N的取值為整數，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，反射結構3位于介質基板2的下表面，采用金屬地板結構，天線饋源4位于福射結構的 上半空間，采用喇叭天線。
[0023]參照附圖2,對本發明的金屬貼片單元5的結構作進一步詳細的說明。
[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、一個變容二極管;其中，所述的變容二極管6的一端與第一個貼片單元11相連， 變容二極管6的另一端與第二個貼片單元12相連。金屬貼片單元5上變容二極管的工作狀態 不同時，即兩種相位相差180°的狀態，可用數碼"0"和數碼"Γ來表征，每個金屬貼片單元5 都由數碼"〇"和數碼"Γ表示，使得反射陣列1具有特定的編碼順序，實現特定的功能。調整 反射陣列1的編碼順序，可以來設計和調控天線所要實現的功能。
[0025]本發明的實施例1選擇的金屬貼片單元5的形狀選擇正方形，各結構尺寸參數如 下。
[0026]介質基板2的相對介電常數ε為2.65,厚度h為3mm，尺寸為500 X 500mm，介質基板2 上表面蝕刻20 X 20個金屬貼片單元5,反射結構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采用正方形結構，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 小設為變量cap來等效的電容代替變容二極管6。假設入射波入射角度(久的=(30 .0 )，反射 波主波束方向為(認妁= (〇'\9〇u)。基于基本陣列理論，根據饋源的位置、工作頻率、所設主 波束的方向、單元間距，就能求出每個單元所需要的補償相位。通過改變變容二極管6電容 值的大小，調節各個金屬貼片單元5的狀態，進而調節反射陣列1的編碼順序，從而動態的控 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的反射相位作進一步詳細的說明。
[0029] 圖3中的橫坐標為電容值，縱坐標為單元相移，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的反射相位隨變容二極管電容值大小變 化，當變容二極管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°的兩個狀態對應電容值，即兩個相位狀態數碼"0"和數碼"Γ，這里 選取1. lpF和1.9pF，它們對應的反射相位分別約為35°和-145°。當然，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的數字化后相位分布圖作進一步詳細的說明。
[0031] 圖4為金屬貼片單元5的數字化后相位分布圖，當入射波方向為(久的=(3() ,0 )，反 射波主波束方向設定為(久妁=(〇%9()°)時，用Matlab計算得到反射陣對應數字化處理后的 編碼順序，白色小正方形對應數碼"Γ，黑色小正方形對應數碼"〇"。
[0032] 參照附圖5,對天線反射波方向為(認的=(0 ,90 )的方向圖作進一步詳細的說明。
[0033] 圖5中的橫坐標為主波束的方向角度，縱坐標為天線的增益，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。數字編碼微帶反射陣天線產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一步詳細的說明。
[0035] 圖6中的橫坐標為主波束的方向角度，縱坐標為天線的方向系數，圖6中的曲線為 天線的方向系數隨主波束的方向角度變化曲線。天線的方向系數隨主波束方向的不同而發 生改變，天線工作頻率f = 3.5GHz，曲線dl為主波束方向為(0°，90°)時天線的方向系數曲 線，曲線d2為主波束方向為（30°，90° )時天線的方向系數曲線，曲線d3為主波束方向為 (40°，90°)時天線的方向系數曲線，曲線d4為主波束方向為(50°，90°)時天線的方向系數曲 線，曲線d5為主波束方向為(60°，90°)時天線的方向系數曲線反射陣天線在通過調整單元 上加載的變容二極管的電容值時可以實現對于反射陣列1的編碼，能夠實現主波束掃描，反 射陣天線的主波束掃描角度可達60°。
[0036] 參照附圖7,對天線的工作帶寬作進一步詳細的說明。
[0037] 圖7中的橫坐標為頻率，縱坐標為天線的方向系數，圖7中的曲線為天線的方向系 數隨頻率變化曲線。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]結合圖1中的結構圖，對實施例2進行進一步的描述，本發明中實施例2的天線的構 成和結構與圖1相同。金屬貼片單元1采用菱形，其余結構與實施例1中的一種頻率可調波束 可控微帶反射陣天線一樣，各結構之間的關系也與實施例1中的一種頻率可調波束可控微 帶反射陣天線一樣。
[0040] 本發明的實施例3選擇的金屬貼片單元1的形狀選擇圓形。
[0041] 結合圖1中的結構圖，對實施例2進行進一步的描述，本發明中實施例3的天線的構 成和結構與圖1相同。金屬貼片單元1采用圓形，其余結構與實施例1中的一種頻率可調波束 可控微帶反射陣天線一樣，各結構之間的關系也與實施例1中的一種頻率可調波束可控微 帶反射陣天線一樣。
[0042] 以上是本發明的三個具體實例并不構成對本發明的任何限制。
【主權項】
1. 一種一比特數字編碼微帶反射陣天線，包括反射陣列（1)、介質基板（2)、反射結構 (3)及天線饋源(4);其特征在于， 所述的介質基板(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、一個變容二極管(6);其中，變容二極管(6)的一端與第一 個貼片單元(51)相連，變容二極管(6)的另一端與第二個貼片單元(52)相連； 所述的反射結構(3)采用金屬地板結構，位于介質基板(2)的下表面； 所述的天線饋源(4)位于輻射結構的上半空間； 所述的變容二極管（6)將金屬貼片單元（5)所需的補償相位數字化成兩種相位相差 180°的補償相位，用數碼"0"和數碼"Γ表示金屬貼片單元(5)，改變數碼"0"和數碼"Γ的排 列順序用于控制天線主波束方向。2. 根據權利要求1所述的一種一比特數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，1〈Μ〈50，1〈Ν〈50。3. 根據權利要求1所述的一種一比特數字編碼微帶反射陣天線，其特征在于，所述的介 質基板(2)的相對介電常數ε介于2-10之間，厚度h介于之間。4. 根據權利要求1所述的一種一比特數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. 根據權利要求1所述的一種一比特數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. 根據權利要求1所述的一種一比特數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