一种基于双圆环单元的可重构超表面电扫阵列天线

摘要

本发明公开了一种基于双圆环单元的可重构超表面电扫阵列天线，涉及阵列天线技术领域。其包括馈源和阵列天线组件，阵列天线组件包括多个数字辐射单元，馈源用于为阵列天线组件提供空间照射源并接收阵列天线组件的散射电磁波；数字辐射单元包括介质层和辐射层，辐射层内具有由辐射贴片构成的双圆环辐射结构，且辐射贴片上嵌有数字电开关，介质层内设有用于控制数字电开关通断的直流偏置电路。本发明结构简单、剖面低、重量轻、易共形、成本低，具有馈电损耗小、波束扫描速度快、阵列规模拓展性强的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及阵列天线技术领域，特别是指一种基于双圆环单元的可重构超表面电扫阵列天线。

背景技术

具有高增益波束扫描特性的波束可重构阵列天线在各个领域具有广泛的应用。现有的高增益波束扫描天线主要有机械旋转抛物面天线和电控相控阵天线两大类。其中，旋转抛物面天线具有结构简单、成本低、效率高等优点，但其外形为特殊的曲面、体积庞大、重量沉且波束扫描速度慢、伺服系统要求高。

电扫相控阵天线可以较好地克服上述不足，其不仅扫描速度快、性能更加灵活，平面或共形结构也更有利于与载体保持共形，但其馈电网络设计复杂，尤其当天线口径增大时，馈电损耗较高，天线的辐射效率较低，可实现的增益受限。然而，虽然在单元中引入固态收发组件可以减小馈电损耗，但系统的成本、重量将大幅提高，这些都限制了其大规模应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于双圆环单元的可重构超表面电扫阵列天线，其具有馈电损耗小、波束扫描速度快、成本低的优点。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：

一种基于双圆环单元的可重构超表面电扫阵列天线，包括馈源和阵列天线组件，所述阵列天线组件包括多个数字辐射单元，所述馈源用于为阵列天线组件提供空间照射源并接收阵列天线组件的散射电磁波；所述数字辐射单元包括介质层和辐射层，所述辐射层内具有由辐射贴片构成的双圆环辐射结构，且辐射贴片上嵌有数字电开关，所述介质层内设有用于控制数字电开关通断的直流偏置电路。

进一步的，所述双圆环辐射结构的每个圆环上均设有4个数字电开关，这4个数字电开关分别位于所在圆环的12点钟、2点钟、6点钟和8点钟位置处。

进一步的，所述数字电开关为PIN二极管开关或MEMS开关。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

1、本发明阵列天线利用数字电开关调节电磁表面每个辐射单元的开口方向，并采用喇叭馈源从空间照射整个表面，从而调节每个辐射单元的相位，能够获得高增益聚焦的动态扫描波束、捷变波束或者多波束，具有馈电损耗小、波束扫描速度快、阵列规模拓展性强的优点。

2、本发明结构简单、剖面低、重量轻、易共形、成本低，易于加工制造。

附图说明

图1是本发明实施例中阵列天线的整体结构示意图。

图2是本发明实施例中阵列天线的结构框图。

图3是本发明实施例中双圆环辐射结构的结构示意图。

图中：1、馈源，2、阵列天线组件，3、数字辐射单元，31、辐射贴片，32、数字电开关。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。显然，以下所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1～3所示，一种基于双圆环单元的可重构超表面电扫阵列天线，包括馈源1和阵列天线组件2，所述阵列天线组件2包括多个数字辐射单元3，所述馈源1用于为阵列天线组件2提供空间照射源并接收阵列天线组件的散射电磁波；所述数字辐射单元3包括介质层和辐射层，所述辐射层内具有由辐射贴片31构成的双圆环辐射结构，且辐射贴片31上嵌有数字电开关32，所述介质层内设有用于控制数字电开关32通断的直流偏置电路。

仍见图3，所述双圆环辐射结构的每个圆环上均设有4个数字电开关，这4个数字电开关分别位于所在圆环的12点钟、2点钟、6点钟和8点钟位置处。

进一步的，所述数字电开关为PIN二极管开关或MEMS开关。

馈源1和阵列天线组件2处于近场反射式工作状态时，馈源1与阵列天线组件2的距离大概三个波长，此时由馈源1和阵列天线组件2组成的阵天线具有低剖面特征。阵列天线组件2处于馈源1的远场照射区时，阵列天线组件2处于远场反射式工作状态。

上述实施例中，PIN二极管开关可以采用MACOM公司生产的MEST2GFC-010-25，其工作状态包括：导通、截止。介质层可以采用Rogers 5880介质板，其相对介电常数为2.2，还可采用FR-4介质板，其相对介电常数为4.4。

数字辐射单元上加载数量过多的电开关一方面会导致较大的插入损耗和复杂的控制电路设计，另一方面也会使制造成本更昂贵。因此如何在实现电控波束扫描的前提下尽量减少电开关的使用成为了电控波束扫描反射阵天线的重要研究方向。本阵列天线采用一个单层结构的圆极化旋转形式的辐射结构，每个辐射结构上加载了4个电开关，通过这些电开关控制阵列上每个阵元的旋转角度就可以实现4个不同波束指向的方向图切换。

控制阵元反射相移的具体做法是：采用旋转贴片来调节反射相位，在圆极化入射波照射下，开口圆环反射单元的开口朝向会影响到单元反射波的相位，旋转开口的方向即可以改变反射相位。环形单元上加载四个电开关，工作时一个开关断开，另外三个闭合为一个状态，等效为一个开口环。不同开口的位置对应不同的反射相位。

该阵列天线工作时，根据馈源是正馈还是偏馈，依据出射波束编程计算出阵面所需要的相位分布，依据每个单元的相位，即阵面上某一时刻的编码状态，对PIN二极管的状态进行配置，确定出某一时刻单元上每个PIN二极管开关的通断状态。

与一般旋转单元型圆极化反射阵相同，本阵列天线的阵元旋转角度与相位补偿也存在2倍的关系。阵元上的金属圆环引入多个电开关作为圆环开口，以电开关的工作状态模拟开口的旋转。从简化仿真角度考虑，将断开工作的电开关等效成圆环的裂口。例如，若12点钟处的两个数字电开关断开，其他数字电开关均导通，则双圆环辐射结构变成12点钟位置处开口的开口双圆环辐射结构，相应地就会改变数字辐射单元的相位。偏置电路设计在每个单元的背面，偏置电路的设计要保证单元的微波特性不受影响。

该阵列天线利用集成的数字控制器件直接调节每个数字辐射单元的辐射相位，并采用馈源从空间照射整个表面，通过数字控制的方式调节天线阵列组件所有数字辐射单元的相位，从而获得高增益聚焦的动态扫描波束和捷变波束。这种高增益波束扫描天线结合了常见抛物面天线和相控阵天线的优点，同时克服了两者的不足，具有非常突出的性能、成本及推广使用优势，具有馈电损耗小、辐射效率高、波束扫描速度快、阵列规模拓展性强、结构简单、重量轻、易共形、成本低等优点。