模块化低成本的毫米波实时成像电扫描天线系统

摘要

一种模块化低成本的毫米波实时成像电扫描天线系统，包括N块重叠设置的完全相同的PCB单元且相邻的PCB单元之间设有间隙，所述的PCB单元包括介质基板，在介质基板的一个表面上覆有作为信号地的金属贴片，在介质基板的另一个表面上覆有与作为信号地的金属贴片共同作用构成天线阵列的金属贴片和PCB Rotman透镜，在天线与PCB Rotman透镜之间设有铁电体薄膜移相器阵列，并且，天线阵列的馈电端口与铁电体薄膜移相器阵列中的铁电体薄膜移相器的一端进行一对一连接，PCB Rotman透镜的阵列端口中的端口与铁电体薄膜移相器阵列中的铁电体薄膜移相器的另一端进行一对一连接。具有集成度高、扫描控制系统简单的优点。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种可用于毫米波实时成像系统的模块化、低成本二维电扫描天线系统。

背景技术

毫米波成像具有可见光、红外和微波成像所不具备的独一无二的特点，与可见光和红外线相比，毫米波能够以很小的衰减穿透烟雾、尘埃和纺织物，这使得毫米波成像具备全天候导航以及探测藏匿于衣物之下的危险品的能力，微波也能够甚至更好地穿透烟雾、尘埃和纺织物，但是与同等分辨率的毫米波成像系统相比，微波成像系统的重量过重、体积过大。毫米波成像技术在舰船和飞机的导航、战场监视、人身安检以及太空飞行器的着陆方面都具有广泛的应用前景，目前甚至已有非常迫切的应用需求。

为了应对日益紧迫的安检、导航和军事需求，许多国家对毫米波成像技术展开了广泛研究，但是目前毫米波成像技术还远没有到成熟阶段(尤其是国内)，各种各样的毫米波成像系统并存，从成像体制分可以分为凝视焦面阵成像、机械扫描成像、电气扫描成像等几种方式。凝视焦面阵类似于家用数码相机的CCD，在这种系统中需要有与焦面阵元数相等的多个接收机，由于毫米波器件的成本较高，整个焦面阵成像系统的造价相当昂贵。为了降低接收机的数目，可以对成像器件的焦平面扫描，也可以对远场进行波束扫描，然后依次记录各个像素点并在计算机中合成图像，扫描方式可以是机械式的也可以是电气式的，从而产生了各种各样的扫描成像系统。机械扫描成像通过机械装置驱动单馈源或馈源线阵在成像器件的焦平面扫描，或者驱动整副天线对远场进行扫描，这种扫描方式的主要缺点是难以实现实时成像，并且机械扫描装置的存在降低了系统的便携性。电扫描成像方式能实现实时成像，但是目前报道的系统都需要复杂的馈电网络和控制系统，这不仅降低了系统的稳定性，而且整个系统的成本非常高。总之，从现存的各种毫米波成像系统来看，在当前的元器件水平下只有采用扫描成像方式才能大幅降低接收机的数量，有效控制成本，而要实现实时成像，扫描方式必须是电扫描。但是，以相控阵为代表的电扫描系统存在着系统复杂、集成度低、便携性差以及造价昂贵的缺点。微波科研工作者们一直都在寻找简单、便宜的电扫描天线系统，多年的研究探索表明，基于传统的半导体管或铁氧体移相器的相控系统很难在控制成本和降低系统复杂度方面有质的突破，必须开发基于新材料、新概念的电扫描天线系统才能根本性地降低系统总体造价和提高便携性。

在电路印刷板(Printed Circuit Board-PCB)上制作一层铁电体薄膜(主要是钛酸锶钡Ba_xSr_1-xTiO₃-BST薄膜)，然后在薄膜上制作电路来构成的移相器是一种薄膜结构器件，这种移相器可以直接与其它电路集成到同一基板上，能够显著提高系统的集成度并降低成本。铁电体薄膜移相器主要有图1所示的耦合微带线结构和图2所示的共面波导结构以及在这两种基本结构基础上的某些改进，如基于共面波导的滤波结构。在耦合微带结构的两根微带(Microstrip-MS)之间接上直流电压，或在共面波导的信号线(Signal Line-SL)和接地线(Ground Line-GL)之间接直流电压，改变电压的值可以控制相移量的大小。

利用Rotman透镜也可以实现波束的电扫描，系统的复杂程度与成本也很低，而且这种透镜可以制作在PCB基板上(简称PCB Rotman透镜)，有利于系统的集成化，图3是一个与天线阵(Antenna Array-AA)连接在一起的Rotman透镜的示意图，选通波束端口(Beam Port-BP)1，2，3...6中的一个端口，可以产生一个指向与该端口对应的波束，图中所示为选择波束端口1，产生的扫描波束的指向与端口1的对应方向相同。Rotman透镜的作用等同于移相器，从某个波束端口馈电，电磁波到达阵列端口(Array Port-AP)处的天线阵时，在各个天线处产生线性的相位梯度，从而产生某个指向的波束，从不同波束端口发出的电磁波到达阵列端口处的天线阵所产生的相位梯度不同，产生的波束的指向也不同，达到覆盖一定空间范围的目的。

综合来看，在众多电扫描方案中，利用铁电体薄膜移相器或PCB Rotman透镜来产生扫描波束不仅可以显著降低成本，还可以提高系统集成度，降低整个系统的体积和重量。但是单纯依靠铁电体薄膜移相器或PCB Rotman透镜组成的系统还是存在一些缺点，以PCB Rotman透镜为例，将多片图3所示的PCB Rotman透镜上下排列，构成PCB Rotman透镜组(PCB Rotman Array-PRA)，然后在阵列端口接上天线构成的天线阵，只能在XY平面进行一维扫描，要想实现两个垂直平面内的二维电扫，则需要在两个垂直平面内各设置一个PRA，如图4所示，可以看到，前后两个PRA之间通过同轴线连接，非常复杂且集成度降低。单纯依靠铁电体薄膜移相器构造的电扫描系统也存在着扫描控制系统比较复杂的问题。

发明内容：

本发明涉及一种将铁电体薄膜移相器和PCB Rotman透镜结合到一起并辅以平面集成天线构成的模块化低成本的毫米波实时成像电扫描天线系统，这种天线系统的特点是集成度高、扫描控制系统简单。

本发明采用如下技术方案：

一种模块化低成本的毫米波实时成像电扫描天线系统，包括N块重叠设置的完全相同的PCB单元且相邻的PCB单元之间设有间隙，所述的PCB单元包括介质基板，在介质基板的一个表面上覆有作为信号地的金属贴片，在介质基板的另一个表面上覆有与作为信号地的金属贴片共同作用构成天线阵列的金属贴片和PCB Rotman透镜，在天线与PCB Rotman透镜之间设有铁电体薄膜移相器阵列，并且，天线阵列的馈电端口与铁电体薄膜移相器阵列中的铁电体薄膜移相器的一端进行一对一连接，PCB Rotman透镜的阵列端口中的端口与铁电体薄膜移相器阵列中的铁电体薄膜移相器的另一端进行一对一连接。

本发明涉及的内容不仅可用于发展低成本、便携式的电扫描毫米波成像系统有重要意义，也可以用于研制低成本、紧凑型电扫描雷达天线。本发明电扫描天线系统的馈电及控制系统比起传统的N×N单元相控阵天线的馈电和控制系统要简单许多。该电扫描天线系统还具有另外两个个非常重要的优点，一是全部器件都集成在PCB电路板上，可以显著降低系统的制作成本和占用的空间，二是所需的N片电路板上的电路是完全相同的模块化设计，这不仅降低了设计工作量，而且在某块电路板出现故障时，只需更换这一块即可，就象给电脑更换显示卡或声卡一样方便。

附图说明

图1是耦合微带型BST薄膜移相器示意图。

图2是共面波导型BST薄膜移相器示意图。

图3是Rotman透镜原理示意图，XY为坐标系。

图4是二维电扫描的两组PCB Rotman透镜连接示意图。

图5是本发明涉及的二维电扫描天线系统示意图。

图6是铁电体薄膜移相器及其与其它部件的连接示意图。

具体实施方式

一种模块化低成本的毫米波实时成像电扫描天线系统，包括N块重叠设置的完全相同的PCB单元且相邻的PCB单元之间设有间隙，所述的PCB单元包括介质基板1，在介质基板1的一个表面上覆有作为信号地的金属贴片2，在介质基板1的另一个表面上覆有与作为信号地的金属贴片共同作用构成天线阵列3的金属贴片和PCB Rotman透镜4，在天线3与PCB Rotman透镜4之间设有铁电体薄膜移相器阵列5，并且，天线阵列3的馈电端口与铁电体薄膜移相器阵列5中的铁电体薄膜移相器51的一端进行一对一连接，PCB Rotman透镜4的阵列端口中的端口与铁电体薄膜移相器阵列5中的铁电体薄膜移相器51的另一端进行一对一连接。铁电体薄膜移相器阵列5包括并行设置的M个铁电体薄膜移相器51，位于每个铁电体薄膜移相器51一侧的微带线511相互连接，位于每个铁电体薄膜移相器51另一侧的微带线512相互连接，在铁电体薄膜移相器51一侧的微带线511与另一侧的微带线512之间加载直流电压，各个微带电路单元中的铁电体薄膜移相器阵列5上所加载直流电压值使得移相器的相位呈线性分布，并且依微带电路单元的重叠顺序，所加载直流电压值逐步增大或减小。

实施例1：天线阵3中的天线单元采用对蹱Vivaldi天线，信号地的金属贴片2在天线所在位置渐变成对蹱Vivaldi天线的一只蹱，PCB板的另一侧上制作Vivaldi天线的另一只蹱。

实施例2：天线阵3中的天线单元采用渐变缝隙天线，且构成该渐变缝隙天线的两个金属贴片位于PCB板的信号地一侧，通过槽线-微带过渡结构连接到铁电体薄膜移相器。

下面参照附图，对本发明做出更为详细的描述：

如图5所示，这种天线系统包含N块电路板，每块电路板上的电路完全相同，包括N个平面集成天线3，每个天线后面接有铁电体薄膜移相器5，然后再连接到一个PCB Rotman透镜4的阵列端口上，该PCB Rotman透镜具有N个阵列端口和M个波束端口，其中N与M的数值可以不同。图5只是一个示意图，图中每块电路板上集成了8个平面集成天线，PCB Rotman具有8个波束端口，共8块电路板组成一个含8×8个天线的天线阵。PCB Rotman透镜的8个波束端口连接到一个SP8T开关6，通过SP8T上连接的控制电路来选择波束端口，这样每片电路板只有一路射频输出(输入)，然后将各个电路板上的射频信号再合成一路，后面只需接一个接收机。实际应用中，每块电路板的天线个数不限定为8个，波束端口个数也不要求与天线个数相同，视应用需求而定。

PCB Rotman透镜的示意见图3，其原理已经在前面做过详细的说明。仅依靠图3所示结构中的PCB Rotman透镜只能实现水平面内的扫描，对俯仰面的扫描是通过PCB Rotman透镜的阵列端口上连接的铁电体薄膜移相器来实现的，铁电体薄膜移相器及前面连接的天线阵如图6所示。从图6可以看到，各个铁电体薄膜移相器是由制作在铁电体薄膜上的多段耦合微带线构成(采用多段是为了扩大相移量)，耦合微带线中的两根微带分别与其它耦合微带线中位置对应的微带连接在一起，然后接直流电压的正负两极，使得位于同一片基片上的移相器加载相同的直流电压，不同耦合微带线之间通过蛇形偏置线6连接，以保证通直流阻高频。对不同层的移相器加不同的电压，使得各层的移相器产生的相移呈线性的梯度分布就可以实现对俯仰面的扫描。移相器微带线与PCB Rotman透镜和天线之间设有隔直电容7，以防止移相器控制电路的直流分量泄露到其它部件。

通过前面的描述可以看到，以含有N块电路板，每块电路板上的PCB Rotman透镜设有M个波束端口的情况为例，本发明所提出的电扫描结构需要N路对BST薄膜移相器的电压控制以及N个SPMT开关及相应的控制电路，一般来说M的值不会太大，对应的SPMT开关不难实现。这种电扫描天线系统的馈电及控制系统比起传统的N×N单元相控阵天线的馈电和控制系统要简单许多。该电扫描天线系统还具有另外两个个非常重要的优点，一是全部器件都集成在PCB电路板上，可以显著降低系统的制作成本和占用的空间，二是所需的N片电路板上的电路是完全相同的模块化设计，这不仅降低了设计工作量，而且在某块电路板出现故障时，只需更换这一块即可，就象给电脑更换显示卡或声卡一样方便。