CN108666768B - 具有多相位中心的自适应辐射单元及阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有多相位中心的自适应辐射单元及阵列天线，自适应辐射单元包括介质基板及其下表面金属层和上表面印刷电路的两个矩形金属贴片，两个矩形金属贴片分别通过接地金属化通孔与下表面金属层连接，两个矩形金属贴片分别连接有馈电端口，馈电端口连接有移相器，自适应辐射单元具有多相位中心，且各个相位中心的馈电相位可变，通过改变各相位中心之间的相位关系改变该自适应辐射单元的辐射方向图。阵列天线的多个自适应辐射单元相互连接，相邻的自适应辐射单元的相邻端口共用一个移相器；单元方向图指向随阵因子指向自动发生偏转，在不增加传统的阵列天线移相器个数以及馈电电路复杂度的情况下实现单元波束随阵列扫描角度偏转以及阵列的大角度扫描。

Description

具有多相位中心的自适应辐射单元及阵列天线
技术领域
本发明涉及一种实现大角度扫描的阵列天线技术，尤其涉及一种具有多相位中心的自适应辐射单元及阵列天线。
背景技术
相控阵天线的波束扫描范围是相控阵天线的一个重要指标，而对于传统的平面相控阵天线，由于大角度扫描时阵列口径投影面积的减小以及单元有源阻抗失配的影响，其有效扫描角度通常不超过±40°(Mailloux R.J.,Phased Array Antenna Handbook,Artech House,1994.)。平面相控阵天线的扫描角度限制了其应用范围。
近年来国内外学者已对拓展波束扫描阵列的扫描范围进行了一系列的研究，其中一种思想是通过单元波束偏转以提高单元在低仰角处的增益。
2008年，Toshev A G.在IEEE的Transactions on Antennas&Propagation上发表了“用于阵列天线大角度扫描的多面板概念”的论文(“Multipanel Concept for Wide-Angle Scanning of Phased Array Antennas”.IEEE Transactions on Antennas&Propagation,2008,56(10):3330-3333.)。文中提出了通过在每个单元后端接驱动装置的方法实现单元波束指向的改变，可以实现±75°的波束扫描范围。但是其单个阵元主辐射方向的改变受到机械转动速率和惯性的制约。
随着微波pin开关的发展，国内外学者开始研究基于微波开关的各种可重构天线。2011年，Ding X等人在IEEE的Transactions on Antennas&Propagation上发表了“关于毫米波阵列天线大角度扫描的研究”(Ding X,Wang B Z,He G Q.“Research on amillimeter-wave phased array with wide-angle scanning performance”.IEEETransactions on Antennas and Propagation,2013,61(10):5319-5324.)。文中提出了由辐射方向图可重构的天线单元组成的一维相控阵，每个天线单元具有三种可重构的辐射模式，可以在±75°的扫描范围实现半功率波束覆盖。但是，由于单个天线单元由三个贴片组成，单元尺寸较大，阵列天线单元之间的间距为1.18λ，其相应的副瓣较高,且出现栅瓣。同时，该结构需要额外添加控制电路来切换每个天线单元的不同辐射模式。
2016年，Ding X在IEEE的Transactions on Antennas&Propagation上发表了“基于方向图可重构的磁流单元的大角度扫描阵列”(Ding X,Cheng Y F,Shao W,et al.AWide-Angle Scanning Planar Phased Array with Pattern Reconfigurable MagneticCurrent Element[J].IEEE Transactions on Antennas&Propagation,2016,PP(99):1-1.)。文中，将缝隙天线与八木天线的原理结合起来，辐射单元中的缝隙包含驱动项与寄生项，通过开关对寄生部分进行电调谐，从而实现单元波束可重构。但这种基于开关的设计仍然不可避免复杂的控制电路。
上述文献表明，，目前基于机械转动辐射单元的波束偏转天线受到机械转动速率和惯性的制约，而基于微波开关的单元波束可重构天线均需要复杂的控制电路来控制各个开关的通断，且由于可重构的主要原理是利用天线单元的不同部分进行辐射，存在天线尺寸较大的问题。
目前尚无在不增加平面阵列天线原有结构复杂度的情况下，即不采用附加结构的可用于大角度扫描的天线单元设计的报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有多相位中心的自适应辐射单元及阵列天线。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的具有多相位中心的自适应辐射单元，包括介质基板及其下表面金属层和上表面印刷电路，所述印刷电路包括两个矩形金属贴片，所述两个矩形金属贴片分别通过接地金属化通孔与所述下表面金属层连接，两个矩形金属贴片分别连接有馈电端口，所述馈电端口连接有移相器；
该自适应辐射单元具有多相位中心，且各个相位中心的馈电相位可变，通过改变各相位中心之间的相位关系改变该自适应辐射单元的辐射方向图。
本发明的阵列天线，该阵列天线包括多个上述的具有多相位中心的自适应辐射单元，多个自适应辐射单元相互连接，相邻的自适应辐射单元的相邻端口共用一个移相器；
所述自适应辐射单元的辐射波束随各相位中心馈电相位差的变化规律与所述阵列天线的扫描角度随阵列馈电相差的变化规律保持一致；
所述自适应辐射单元的波束偏转是由阵列馈电相位差控制的。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的具有多相位中心的自适应辐射单元及阵列天线，单元方向图指向随阵因子指向自动发生偏转，在不增加传统的阵列天线移相器个数以及馈电电路复杂度的情况下实现单元波束随阵列扫描角度偏转以及阵列的大角度扫描。
附图说明
图1为本发明实施例中的具有多相位中心的自适应辐射单元原理示意图。
图2为本发明实施例中的具有多相位中心的自适应辐射单元组成的阵列结构原理示意图。
图3为本发明具体实施例的具有多相位中心的自适应辐射单元整体结构三维示意图。
图4为本发明具体实施例的具有多相位中心的自适应辐射单元结构侧视示意图。
图5为本发明具体实施例的具有多相位中心的自适应辐射单元结构俯视示意图。
图6为本发明具体实施例的具有多相位中心的自适应辐射单元对应的双端口的回波损耗图。
图7为本发明具体实施例的具有多相位中心的自适应辐射单元的二维辐射方向图。
图8为本发明具体实施例的阵列天线的馈电结构图。
图9为本发明具体实施例的阵列天线大角度扫描方向图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
本发明的具有多相位中心的自适应辐射单元及阵列天线，其较佳的具体实施方式是：
具有多相位中心的自适应辐射单元包括介质基板及其下表面金属层和上表面印刷电路，所述印刷电路包括两个矩形金属贴片，所述两个矩形金属贴片分别通过接地金属化通孔与所述下表面金属层连接，两个矩形金属贴片分别连接有馈电端口，所述馈电端口连接有移相器；
该自适应辐射单元具有多相位中心，且各个相位中心的馈电相位可变，通过改变各相位中心之间的相位关系改变该自适应辐射单元的辐射方向图。
在所述矩形金属贴片一侧的短路边制作一排所述接地金属化通孔，所述馈电端口设于所述矩形金属贴片偏向另一侧的位置，采用同轴馈电方式，同轴内芯接所述矩形金属贴片，同轴外壁接所述下层金属地板。
所述下表面金属层为金属导体铜，厚度为0.018mm，尺寸为35mm×35mm；
所述介质基板为介电常数3.5的正方形F4B介质板，厚度为0.8mm，尺寸为35mm×35mm；
所述矩形金属贴片的尺寸为3.95mm×16mm；
所述接地金属化通孔的内壁金属化，半径为0.25mm，高度为0.8mm，孔的中心间距为0.85mm；
所述馈电端口距所述矩形金属贴片的中心线1mm，同轴馈电的接口阻抗50Ω；
该自适应辐射单元实施在9.85-10.15GHz频带内，中心频点为10GHz。
阵列天线包括多个上述的具有多相位中心的自适应辐射单元，多个自适应辐射单元相互连接，相邻的自适应辐射单元的相邻端口共用一个移相器；
所述自适应辐射单元的辐射波束随各相位中心馈电相位差的变化规律与所述阵列天线的扫描角度随阵列馈电相差的变化规律保持一致；
所述自适应辐射单元的波束偏转是由阵列馈电相位差控制的。
多个所述自适应辐射单元的下表面金属层相互连接构成天线的地。
本发明的可用于大角度扫描的具有多相位中心的自适应辐射单元及相应地平面相控阵天线，在不增加传统的阵列天线移相器个数以及馈电电路复杂度的情况下实现单元波束随阵列扫描角度偏转以及阵列的大角度扫描。
由于平面相控阵的物理口面固定，因此阵列在进行波束扫描时阵列的增益必然随着扫描角度的增大而降低，且副瓣升高，扫描角度受限。因此，拓宽单元天线的3dB波束宽度是增大阵列天线扫描角度的关键。本发明主要是提高阵列天线单元在低仰角处的增益以实现大角度扫描，且不增加***的复杂度。
本发明所采用的技术方案及原理是：
首先，为了实现天线单元在低仰角处具有相对较高的增益，进行具有多相位中心的辐射单元设计，以实现单元方向图的偏转。多相位中心，这里主要介绍双相位中心的情况，双相位中心是通过双馈电结构来实现的，通过调节两馈电点的相位差可以实现单元波束辐射方向的连续偏转(接数字移相器时)，如图1所示。
其次，为了进一步实现多相位中心天线的辐射方向图随着阵列的扫描角度发生偏转，即自适应辐射方向图，需要保证单元方向图随多相位中心馈电相位差的偏转规律与阵列天线扫描角度随馈电相位差的馈电规律保持一致。从而由阵列馈电相位差控制单元方向图的偏转，实现自适应辐射单元。
如图2所示，给出了基于多相位中心的自适应辐射单元进行阵列设计的结构原理图。这里，自适应的实现是通过辐射单元的两馈电点中的一个直接接移相器，而另一个与下一单元共用同一个移相器。这样当改变阵列的馈电相位时，不仅改变了阵因子的指向，同时实现了单元的方向图的偏转，在进行大角度扫描时由于单元波束指向的偏转，提高了低仰角处的增益，拓宽了扫描角度。同时，该结构与传统的阵列天线相比，没有增加移相器的个数，以及馈电的复杂度。
本发明首次提出了调节多相位中心单元馈电相位差以实现单元波束偏转的概念，区别于传统的基于机械转动单元以及通过微波pin开关等实现的波束可重构天线实现的单元波束偏转。同时，首次提出了基于阵列馈电相位差控制单元波束自适应偏转的原理，通过保持单元波束随馈电相位差的偏转规律与阵列波束扫描方向随阵列馈电相位差的变化规律一致，从而实现由阵列馈电相位差控制单元波束偏转的目的，同时节省移相器的数目。同时本发明的馈相网络和传统相控阵及现有相控阵馈相网络相兼容，可以在不改变现有馈相网络前提下，实现对传统相控阵及现有相控阵的升级改造。
具体实施例，如图1至图9所示：
本实施例中的具有多相位中心的自适应辐射单元是在双层印刷电路板上制作的，印刷电路板为最常见的介质覆导体板，由一层介质基板构成。其最下表面金属层4为金属导体铜，且由其构成天线的地，厚度为0.018mm，尺寸为35mm×35mm。介质基板3为介电常数3.5的正方形F4B介质板，厚度为0.8mm，尺寸为35mm×35mm。最上表面金属层为采用印刷电路工艺制作的矩形金属贴片1和矩形金属贴片2，其尺寸均为3.95mm×16mm；在矩形贴片的短路边制作一排接地金属化通孔5(孔内壁金属化，半径为0.25mm，高度为0.8mm)，孔的中心间距为0.85mm。馈电端口6、7分别位于金属贴片1、2的中心偏一侧位置，距中心1mm，采用同轴馈电方式，同轴内芯接上层金属贴片，外壁接下层金属地板，接口阻抗50Ω。
此实例实施在9.85-10.15GHz频带内，中心频点为10GHz。
图6为此实施例的回波损耗图，由图可见，在9.85-10.15GHz频率范围内，回波损耗小于-10dB，体现出谐振特性。
图7为此实施例的二维辐射方向图，由图可见，工作于10GHz时，当两端口的馈电相位差为0°时，其方向图指向天顶方向；而当两端口的馈电相位差不为零，且由90°逐渐变为150°时(-90°逐渐变为-150°)，其单元的方向图指向逐渐向-θ(+θ)方向偏转，提高了天线单元在低仰角处的增益。
图8为此实施例的1×7阵列天线馈电结构图，首先为一分八功分器，再对这八路进行移相，进一步将移相后的八路分为十六路，将两端的两路进行50Ω匹配，其余的十四路接七个天线单元的十四个端口。
图9为此实施例的1×7阵列天线大角度扫描方向图，由图可见，当波束指向0°时，其增益为14.7dB；当波束指向±30°时，其增益为13.7dB；当波束指向±60°时，其增益为12.8dB；当波束指向±73°时，其增益为11.9dB。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种阵列天线，其特征在于，该阵列天线包括多个具有多相位中心的自适应辐射单元；
所述的具有多相位中心的自适应辐射单元包括介质基板及其下表面金属层和上表面印刷电路，所述印刷电路包括两个矩形金属贴片，所述两个矩形金属贴片分别通过接地金属化通孔与所述下表面金属层连接，两个矩形金属贴片分别连接有馈电端口，所述馈电端口连接有移相器；
该自适应辐射单元具有多相位中心，且各个相位中心的馈电相位可变，通过改变各相位中心之间的相位关系改变该自适应辐射单元的辐射方向图；
在所述矩形金属贴片一侧的短路边制作一排所述接地金属化通孔，所述馈电端口设于所述矩形金属贴片偏向另一侧的位置，采用同轴馈电方式，同轴内芯接所述矩形金属贴片，同轴外壁接所述下表面金属层，所述下表面金属层构成天线的地；
所述多个具有多相位中心的自适应辐射单元相互连接，相邻的自适应辐射单元的相邻端口共用一个移相器；
所述自适应辐射单元的辐射波束随各相位中心馈电相位差的变化规律与所述阵列天线的扫描角度随阵列馈电相差的变化规律保持一致；
所述自适应辐射单元的波束偏转是由阵列馈电相位差控制的；
多个所述自适应辐射单元的下表面金属层相互连接构成天线的地。
2.根据权利要求1所述的阵列天线，其特征在于，所述下表面金属层为金属导体铜，厚度为0.018mm，尺寸为35mm×35mm；
所述介质基板为介电常数3.5的正方形F4B介质板，厚度为0.8mm，尺寸为35mm×35mm；
所述矩形金属贴片的尺寸为3.95mm×16mm；
所述接地金属化通孔的内壁金属化，半径为0.25mm，高度为0.8mm，孔的中心间距为0.85mm；
所述馈电端口距所述矩形金属贴片的中心线1mm，同轴馈电的接口阻抗50Ω；
该自适应辐射单元实施在9.85-10.15GHz频带内，中心频点为10GHz。
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