CN114498054A - 方向图可重构相位比特天线及其二维波束扫描阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种方向图可重构相位比特天线及其二维波束扫描阵列，属于通信技术领域。所述方向图可重构相位比特天线包括小型化电磁超表面、金属贴片单元、介质谐振器、相位1比特耦合馈电缝隙、反射器辐射缝隙、相位比特开关电路、可重构反射器缝隙开关电路、馈电微带线、开关直流偏置电路、金属地板、金属反射板以及尼龙螺钉。所述基于一维线阵的二维扫描数字多波束阵列中的阵元由方向图可重构相位比特天线组成。本发明解决了现有一维线阵难以实现线阵二维多波束扫描的局限、传统数字比特阵列采用贴片辐射体造成尺寸大而难以组阵进行宽角扫描的限制、传统数字比特阵列窄带宽的缺点以及传统二维波束扫描阵列需要大规模阵元和占用空间大的设计限制的问题。

Description

方向图可重构相位比特天线及其二维波束扫描阵列
技术领域
本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种方向图可重构相位比特天线及其二维波束扫描阵列。
背景技术
当前，5G无线通信体系作为新基建的重要组成部分，正在不断的推进部署，将会加速各行各业的发展，同时推动人们生活品质的提高。与传统的2G/3G/4G无线通信***不同，5G通信***提供了更高传输速率、更低时延、更大容量以及更稳定的无线通信服务。因此在基站端，5G***将采用在新频段工作的多波束天线以及大规模MIMO天线阵架构等。然而传统的2G/3G/4G基站天线通常采用固定波束的全向天线或双极化线阵，因此难以满足5G***对多波束动态覆盖的需求。数字多波束比特阵列作为一类新颖的多波束阵列，不仅拥有多个可切换的辐射波束或辐射模式，还具备显著的低成本优点。与传统的多波束相控阵不同，数字多波束比特阵列不要高昂的T/R组件；与传统的数字相控阵不同，数字多波束比特阵列不需要复杂的程控波束形成网络，因此数字多波束比特阵兼备小型化和低成本的特性。
目前，数字多波束比特阵列，大致可分为线形数字比特阵列、平面二维数字比特阵列和漏波形式数字比特阵列。线形数字比特阵列，采用相位1比特贴片天线作为阵列单元，只能实现一维波束切换，因此存在多波束覆盖有限和辐射死角的问题，同时由于贴片天线的带宽限制，通常还存在天线带宽窄的缺点；平面二维数字比特阵列，采用线极化相位1比特贴片天线进行平面布阵，虽然能够实现二维多波束切换，但需要成倍的阵元以及复杂的控制电路，因此存在成本高和结构复杂的缺点；漏波形式数字比特阵列，将2比特步进移相器加载到漏波辐射单元上，实现了固定频率下的多波束扫描，但多波束仍然只能在一个切面上进行切换(一维扫描)，因此存在辐射能力受限和阵列尺寸大的缺点。
通过上述现有技术的综述分析，目前的数字多波束比特阵列中，尚未有利用一维线阵实现二维多波束切换的数字比特阵列。目前的数字多波束比特阵列，均难以实现小型化、低成本、宽带宽、丰富的二维多波束切换以及广域多波束覆盖，因此现有的数字多波束比特阵列难以满足5G基站对低成本的二维多波束扫描的需求。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种方向图可重构相位比特天线及其二维波束扫描阵列，解决了现有一维线阵难以实现线阵二维多波束扫描的局限、传统数字比特阵列采用贴片辐射体造成尺寸大而难以组阵实现宽角扫描的限制、传统数字比特阵列窄带宽的缺点以及传统二维波束扫描阵列需要大规模阵元和占用空间大的设计限制的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种方向图可重构相位比特天线，包括小型化电磁超表面、金属贴片单元、介质谐振器、相位1比特耦合馈电缝隙、反射器辐射缝隙、相位比特开关电路、可重构反射器缝隙开关电路、馈电微带线、开关直流偏置电路、金属地板、金属反射板以及尼龙螺钉；
所述小型化电磁超表面由金属贴片单元和介质谐振器组成，所述金属贴片单元位于所述介质谐振器上，所述介质谐振器通过所述尼龙螺钉贯穿固定在所述金属地板上，所述相位1比特耦合馈电缝隙刻蚀在所述金属地板的中间位置，呈平行对称分布，所述反射器辐射缝隙刻蚀在所述金属地板上，呈平行对称分布，且靠近所述小型化电磁超表面的前后两个朝外侧方向，所述相位比特开关电路印刷在所述金属地板的背面，且位于所述相位1比特耦合馈电缝隙的中间，所述可重构反射器缝隙开关电路印刷在所述金属地板的背面，且位于所述反射器辐射缝隙的两侧，所述馈电微带线印刷在所述金属地板的背面，所述开关直流偏置电路印刷在所述金属地板的背面，并与所述相位比特开关电路和所述可重构反射器缝隙开关电路相连接，所述金属地板安装于所述小型化电磁超表面的底部，所述金属反射板位于所述金属地板的下方，并通过所述尼龙螺钉与所述金属地板支撑固定，所述金属反射板的前后面通过金属弯折部分与所述金属地板短接，所述尼龙螺钉位于所述小型化电磁超表面和金属地板的四周。
进一步地，所述介质谐振器为高介电常数低损耗的介质材料。
再进一步地，所述相位1比特耦合馈电缝隙包括两道平行对称分布的长槽形耦合馈电缝隙。
再进一步地，所述反射器辐射缝隙为两道呈平行对称分布的槽形辐射缝隙，且两个缝隙分别布置在介质谐振器前后两个外侧方向。
再进一步地，所述相位比特开关电路为具有单刀双掷功能的开关电路。
再进一步地，所述可重构反射器缝隙开关电路为具有单刀单掷功能的开关电路。
再进一步地，所述开关直流偏置电路为相移开关和反射器开关的状态控制电路。
再进一步地，所述金属地板为双面敷铜介质基板，所述金属反射板为薄层金属板。
本发明提供了一种二维波束扫描阵列，所述二维波束扫描阵列包括所述的方向图可重构相位比特天线以及若干个天线阵元；所述若干个天线阵元由所述方向图可重构相位1比特天线作为阵元组成。
进一步地，各所述天线阵元呈一维线形排列，且天线阵元排列按照阵列进行分布。
本发明的有益效果为：
(1)本发明中基于宽带电磁超表面技术、1比特耦合自相移设计和方向图可重构技术，利用电磁超表面加载的介质谐振器作为辐射体，提出了一种新颖的基于电磁超表面的方向图可重构相位1比特辐射结构，具有小型化、宽带宽、相位1比特自相移和方向图可重构等优点。同时，本发明提供的基于一维线阵的二维扫描数字多波束阵列，具有小型化、宽带宽、低成本、丰富的平面多波束扫描和灵活的设计自由度等优点，能够满足智能化低成本多波束天线的应用需求。
(2)本发明的数字比特阵列(二维扫描数字多波束阵列)，加入了可重构的方向图，引入了新的波束扫描维度，通过联合方向图可重构波束扫描维度(E面扫描)和数字比特相位扫描维度(H面扫描)，解决了传统线阵波束扫描受限的问题(传统线阵只能一维波束扫描)，能够满足5G多波束基站对二维多波束扫描和低成本的双重要求，本发明可根据不同的5G基站和物联网设备天线的应用需求，进行不同形式的布阵和调整，实现了高的设计自由度，解决了阵列需要大规模布阵和规整布阵的设计限制。
(3)本发明所提出的基于电磁超表面的方向图可重构相位1比特天线，具有小尺寸、宽带宽、高辐射性能和相位1比特方向图可重构辐射等优点，适用于各类低成本宽角扫描相控阵和数字比特阵列设计。
(4)本发明采用了电磁超表面技术，将传统的电磁超表面小贴片单元和介质谐振器共同作用，使得天线在小型化的同时，仍然获得宽带宽的工作特性，本发明利用了电磁超表面的均匀场分布的特性，构造出均匀的辐射口径，实现了口径的高效利用。
(5)本发明基于缝隙槽辐射体的高纯度电场分布特性，通过在天线地板上设置两道平行对称分布的I形耦合馈电缝隙以及馈电微带线，获得了两个方向平行相位相反的电场分量，实现了低成本的1比特相位切换(0°/180°)，且相位切换稳定。
(7)本发明基于准八木定向辐射原理，通过在金属地板上设置两道平行对称分布的U形反射器辐射缝隙以及可重构反射器缝隙开关电路，分别对两道U形反射器辐射缝隙进行开关控制，实现了紧凑的方向图可重构，具有小型化和多波束的特性。
(8)本发明中的数字多波束比特阵列，实现了一维线阵进行二维多波束扫描，适用于低成本可重构/相控阵列和低成本多波束基站应用。
附图说明
图1为本发明中基于超表面的方向图可重构相位1比特天线3D视图。
图2为本发明中基于超表面的方向图可重构相位1比特天线三视图。
图3为本发明中基于超表面的方向图可重构相位1比特天线带宽图。
图4为本发明中基于超表面的方向图可重构相位1比特天线辐射性能图。
图5为本发明中基于一维线阵的二维扫描数字多波束阵列3D视图。
图6为本发明中基于一维线阵的二维扫描数字多波束阵列三视图。
图7为本发明中基于一维线阵的二维扫描数字多波束阵列带宽图。
图8为本发明中基于一维线阵的二维扫描数字多波束阵列H面多波束扫描。
图9为本发明中基于一维线阵的二维扫描数字多波束阵列E面多波束扫描。
其中，1-小型化电磁超表面，2-金属贴片单元，3-介质谐振器，4-相位1比特耦合馈电缝隙，5-反射器辐射缝隙，6-相位比特开关电路，7-可重构反射器缝隙开关电路，8-馈电微带线，9-开关直流偏置电路，10-金属地板，11-金属反射板，12-尼龙螺钉，13-天线阵元。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
本发明为了解决现有一维线阵难以实现线阵二维多波束扫描局限，提出了一种新型的基于电磁超表面的方向图可重构相位1比特辐射结构，并给出了基于电磁超表面的方向图可重构相位1比特天线和基于一维线阵的二维扫描数字多波束阵列两个实施例。本发明实现了一维线阵进行二维波束扫描，解决了传统线阵难以实现线阵二维多波束扫描的局限，难以提供平面多波束覆盖的缺点；本发明的天线实现了小型化设计，解决了传统数字比特阵列采用贴片造成尺寸大而难以组阵的问题；本发明的天线实现了宽的工作带宽，解决了传统数字比特阵列窄带宽的缺点；本发明天线在没有采用移相器的前提下，实现了低成本且小型化的相位1比特切换；本发明的数字比特阵列，加入了可重构的方向图，引入了新的波束扫描维度，解决了传统线阵只能一维波束扫描的局限，能够满5G多波束基站对二维多波束扫描和低成本的双重要求。除此之外，本发明提供了两个实施例，即基于电磁超表面的方向图可重构相位1比特天线和基于一维线阵的二维扫描数字多波束阵列，可根据不同的5G基站和物联网设备天线的应用需求，进行不同形式的布阵和调整，实现了高的设计自由度，解决了阵列需要大规模布阵和规整布阵的设计限制。
实施例1
如图1-图2所示，本发明提供了一种方向图可重构相位比特天线，包括小型化电磁超表面1、金属贴片单元2、介质谐振器3、相位1比特耦合馈电缝隙4、反射器辐射缝隙5、相位比特开关电路6、可重构反射器缝隙开关电路7、馈电微带线8、开关直流偏置电路9、金属地板10、金属反射板11以及尼龙螺钉12；
所述小型化电磁超表面1由金属贴片单元2和介质谐振器3组成，其中，小型化电磁超表面1上的金属贴片单元2，为小的周期性金属贴片，附在介质谐振器3的上表面，所述介质谐振器3为高介电常数低损耗的介质材料，所述介质谐振器3通过所述尼龙螺钉12贯穿固定在所述金属地板10上，所述相位1比特耦合馈电缝隙4刻蚀在所述金属地板10的中间位置，呈平行对称分布，所述相位1比特耦合馈电缝隙4包括两道平行对称分布的I形耦合馈电缝隙，所述反射器辐射缝隙5刻蚀在所述金属地板10上，呈平行对称分布，且靠近所述小型化电磁超表面1的前后两个朝外侧方向(两个短边方向)，所述反射器辐射缝隙5包括两道呈平行对称分布的U形辐射缝隙，所述相位比特开关电路6印刷在所述金属地板10的背面，且位于所述相位1比特耦合馈电缝隙4的中间，所述相位比特开关电路6为具有单刀双掷功能的开关电路，由单刀双掷开关(射频开关芯片或PIN二极管组合)和微带线组成，是馈电微带线8的组成部分，所述可重构反射器缝隙开关电路7印刷在所述金属地板10的背面，且位于所述反射器辐射缝隙5的两侧，所述可重构反射器缝隙开关电路7为具有单刀单掷功能的开关电路，由单刀单掷开关(PIN二极管或射频开关芯片)和微带线组成，所述馈电微带线8为50ohm微带线，印刷在所述金属地板10的背面，所述开关直流偏置电路9印刷在所述金属地板10的背面，并与所述相位比特开关电路6和所述可重构反射器缝隙开关电路7相连接，所述开关直流偏置电路9为相移开关和反射器开关的直流偏置电路，所述金属地板10为双面敷铜介质基板，安装于所述小型化电磁超表面1的底部，所述金属反射板1为薄层金属板，1位于所述金属地板10的下方，并通过所述尼龙螺钉12与所述金属地板10支撑固定起来，所述金属反射板11的前后面通过金属弯折部分与所述金属地板10短接，所述尼龙螺钉12为标准制尼龙螺钉，位于所述小型化电磁超表面1和金属地板10的四周。
本实施例中，如图1和2所示，图2中，图2(a)为俯视图，图2(b)为侧视图，图2(c)为前视图。在基于电磁超表面的方向图可重构相位1比特天线实施例中，基于电磁超表面和方向图可重构技术，提出了一种新型的电磁超表面方向图可重构辐射结构，并作为相位1比特天线的辐射体，实现射频信号的收发。小型化电磁超表面1上的金属贴片单元2，由小尺寸的金属贴片单元2组成，放置在金属地板10上，用来作为宽带天线的辐射体，多个周期性贴片小单元，激励出均匀的表面电场，获得了均匀的辐射口径，实现了高效辐射。介质谐振器3，由高介电常数低损耗的介质材料组成，用于电磁信号的收发，同时由于其较高的介电常数，实现了天线的小型化设计；相位1比特耦合馈电缝隙4，由金属地板10上的两道I形缝隙组成，由于两道I形缝隙呈平行对称分布，而馈电激励利用从中间穿过的微带线引入，其用于1比特相位的激励，即通过在金属地板上设置两道对称的缝隙，当选择朝前向I形缝隙时，馈电相位为0°，当选择朝后向I形缝隙激励时，馈电相位为180°，即实现了0°或180°馈电相位的选择，相位1比特切换；反射器辐射缝隙5，用于实现对天线辐射波的反射，由两道呈平行对称分布的U形辐射缝隙组成，在金属地板10上设置了朝前和朝后两道辐射缝隙，形成准八木定向辐射特性，当选择朝前的反射器辐射缝隙5时，此时形成对辐射波的后向反射，即后向偏转波束，当选择朝后的反射器辐射缝隙5时，此时形成对辐射波的前向反射，即朝前的偏转波束，通过对两道反射器辐射缝隙5的选择，实现了偏转辐射波束，即实现了天线辐射方向图在E面的多波束切换扫描；相位比特开关电路6，由具有单刀双掷功能的开关组成，用于对两道相位1比特耦合馈电缝隙的选择，当单刀双掷开关切换到朝前方向时，此时朝前方向的I形激励缝隙被选择，实现了0°相位的馈电激励，当单刀双掷开关切换到朝后方向时，此时朝后方向的I形激励缝隙被选择，实现了180°相位的馈电激励，即通过单刀双掷开关的动作，实现0°/180°的1比特相位切换；可重构反射器缝隙开关电路7，设置在U形反射器辐射缝隙5的下表面，由两个单刀单掷开关(PIN二极管或射频开关芯片)和微带线电路组成，与两道U形反射器辐射缝隙5搭配分布一一对应，用于对两道反射器辐射缝隙的开关控制，当前向U形反射器辐射缝隙处对应开关电路7的单刀单掷开关断开，后向U形辐射缝隙处对应的开关电路7的单刀单掷开关闭合时，此时前向U形辐射缝隙被激励选择，此时对辐射波后向反射，实现朝后向的偏转波束，当前向U形辐射缝隙的单刀单掷开关闭合，后向U形辐射缝隙的单刀单掷开关断开时，此时后向U形辐射缝隙被激励选择，此时对辐射波后向反射，实现朝后向的偏转波束，即方向图的E面可重构；馈电微带线8，由金属地板10背面的微带线组成，用于激励相位1比特耦合馈电缝隙，实现对天线辐射体的信号输入输出和实现了小型化电磁超表面的激励与辐射；开关直流偏置电路9，由直流控制线组成，用于对相位比特开关和可重构缝隙开关的状态控制，即控制开关的闭合和断开状态，实现了对相位比特开关和方向图可重构开关的闭合/关断状态的控制；金属地板10，由双面敷铜介质基板组成，用作天线辐射的参考地，实现了参考地和天线的定向辐射；金属反射板11，由薄层金属板组成，用作对金属地板后向辐射的反射，减小后向辐射，实现了对天线后向波的反射与抑制；尼龙螺钉12，用作电磁超表面和金属反射腔体的固定，由标准公制绝缘材质螺钉组成，实现了天线结构的支撑与固定。
本实施例中，本发明提出的小型化宽带电磁超表面可重构相位1比特结构，基于此的方向图可重构相位1比特天线实现了小型化、宽带宽、方向图可重构和灵活的相位1比特切换，天线性能如图3和4所示。图3为方向图可重构相位1比特天线的带宽性能，天线的-10dB阻抗带宽为3.30-3.80GHz，覆盖5G新频段，满足4G/5G通信***和物联网***的工作频段需求。图4为方向图可重构相位1比特天线的辐射方向图性能，其中，图4(a)为状态1，图4(a)为当前向U形辐射缝隙处单刀单掷开关断开，且后向U形辐射缝隙处单刀单掷开关闭合时，天线的辐射方向图呈朝后向偏转状态；图4(b)为状态2，图4(b)为当前向和后向两道U形辐射缝隙处单刀单掷开关均闭合时，天线的辐射方向图呈不偏转状态，即侧射方向图形式；图4(c)为状态3，图4(c)为当前向U形辐射缝隙处单刀单掷开关闭合，且后向U形辐射缝隙处单刀单掷开关断开时，天线的辐射方向图呈朝前向偏转状态，切换三种不同的辐射方向图状态，即可实现方向图可重构。通过控制两个反射器辐射缝隙处的两个单刀单掷开关，可以在天线的E平面实现三个波束的可重构，即多波束切换扫描。本发明的实施例1，实现了小型化、宽带宽和方向图可重构的相位1比特切换，能够适用于各类数字多波束比特阵列中。
本发明提出了一种新型的电磁超表面方向图可重构相位1比特辐射结构，首次将方向图可重构技术和数字相位比特天线相结合，实现了不同辐射模式下的相位1比特切换，能够适用于不同的多波束阵列应用。本发明在天线设计中，提出了一种新型的基于电磁超表面的小型化宽带化的方向图可重构天线，利用了介质谐振器加载的U形可重构的反射器辐射缝隙，实现了在紧凑尺寸下的方向图可重构(小型化方向图可重构设计)，该设计也可迁移到宽角扫描阵列和多波束可重构阵列设计中。
实施例2
如图5和图6所示，本发明提供了一种基于一维线阵的二维波束扫描阵列，包括实施例1所述的方向图可重构相位1比特天线以及若干个天线阵元13；所述若干个天线阵元13由所述方向图可重构相位1比特天线作为阵元组成，各所述天线阵元13呈线形等间距排列。
本实施例中，以四个天线阵元(C1-C4)为例进行说明。
本实施例中，本发明提供的一种基于一维线阵二维扫描数字多波束阵列包括小型化电磁超表面1、金属贴片单元2、介质谐振器3、相位1比特耦合馈电缝隙4、反射器辐射缝隙5、相位比特开关电路6、可重构反射器缝隙开关电路7、馈电微带线8、开关直流偏置电路9、金属地板10、金属反射板11、尼龙螺钉12以及阵列上的四个天线阵元(C1-C4)13。
所述小型化电磁超表面1由金属贴片单元2和介质谐振器3组成，其中，小型化电磁超表面1上的金属贴片单元2，为小的周期性金属贴片，附在介质谐振器3的上表面，所述介质谐振器3为高介电常数低损耗的介质材料，所述介质谐振器3通过所述尼龙螺钉12贯穿固定在所述金属地板10上，所述相位1比特耦合馈电缝隙4刻蚀在所述金属地板10的中间位置，呈平行对称分布，所述相位1比特耦合馈电缝隙4包括两道平行对称分布的I形耦合馈电缝隙，所述反射器辐射缝隙5刻蚀在所述金属地板10上，呈平行对称分布，且靠近所述小型化电磁超表面1的前后两个朝外侧方向(两个短边方向)，所述反射器辐射缝隙5包括两道呈平行对称分布的U形辐射缝隙，所述相位比特开关电路6印刷在所述金属地板10的背面，且位于所述相位1比特耦合馈电缝隙4的中间，所述相位比特开关电路6为具有单刀双掷功能的开关电路，由单刀双掷开关(射频开关芯片或PIN二极管组合)和微带线组成，是馈电微带线8的组成部分，所述可重构反射器缝隙开关电路7印刷在所述金属地板10的背面，且位于所述反射器辐射缝隙5的两侧，所述可重构反射器缝隙开关电路7为具有单刀单掷功能的开关电路，由单刀单掷开关(PIN二极管或射频开关芯片)和微带线组成，所述馈电微带线8为50ohm微带线，印刷在所述金属地板10的背面，所述开关直流偏置电路9印刷在所述金属地板10的背面，并与所述相位比特开关电路6和所述可重构反射器缝隙开关电路7相连接，所述开关直流偏置电路9为相移开关和反射器开关的直流偏置电路，所述金属地板10为双面敷铜介质基板，安装于所述小型化电磁超表面1的底部，所述金属反射板1为薄层金属板，1位于所述金属地板10的下方，并通过所述尼龙螺钉12与所述金属地板10支撑固定起来，所述金属反射板11的前后面通过金属弯折部分与所述金属地板10短接，所述尼龙螺钉12为标准制尼龙螺钉，位于所述小型化电磁超表面1和金属地板10的四周。阵列上的天线阵元13，为四个基于电磁超表面的方向图可重构相位1比特的天线，四个阵元呈直线形式排列(一维线阵)，且天线阵元13排列按照阵列综合进行分布
本实施例中，天线上有小型化电磁超表面1，由小型化电磁超表面1的金属贴片单元2和介质谐振器3组成，为天线的辐射体，实现射频信号的收发；超表面上的金属贴片单元2，由小尺寸的金属贴片单元组成，多个周期性贴片小单元，激励出均匀的表面电场，获得了均匀的辐射口径，实现了高效辐射；介质谐振器3，由高介电常数低损耗的介质材料组成，用于电磁信号的辐射，同时由于其较高的介电常数，实现了天线的小型化设计；相位1比特耦合馈电缝隙4，由金属地板10上的两道I形缝隙组成，由于两道I形缝隙呈平行对称分布，而馈电激励从中间利用微带线引入，其用于1比特相位的激励，即通过在金属地板上设置两道对称的缝隙，当选择朝前向I形缝隙时，馈电相位为0°，当选择朝后向I形缝隙激励时，馈电相位为180°，即实现了0°或180°馈电相位的选择，相位1比特切换；反射器辐射缝隙5，用于实现对天线辐射波的反射，由两道呈平行对称分布的U形辐射缝隙组成，在金属地板10上设置了朝前和朝后两道辐射缝隙，构成准八木定向辐射特性，当选择朝前的反射器辐射缝隙5时，此时形成对辐射波的后向反射，即后向偏转波束，当选择朝后的反射器辐射缝隙5时，此时形成对辐射波的前向反射，即朝前的偏转波束，通过对两道反射器辐射缝隙5的选择，实现了偏转辐射波束，即实现了天线辐射方向图在E面的三波束切换扫描；相位比特开关电路6，由具有单刀双掷功能的开关组成，用于对两道相位1比特耦合馈电缝隙的选择，当单刀双掷开关切换到朝前方向时，此时朝前方向的I形激励缝隙被选择，实现了0°相位的馈电激励，当单刀双掷开关切换到朝后方向时，此时朝后方向的I形激励缝隙被选择，实现了180°相位的馈电激励，即通过单刀双掷开关的动作，实现0°/180°的1比特相位切换；可重构反射器缝隙开关电路7，设置在U形反射器辐射缝隙5的下表面，由两个单刀单掷开关(PIN二极管或射频开关芯片)和微带线电路组成，与两道U形反射器辐射缝隙5搭配分布一一对应，用于对两道反射器辐射缝隙的开关控制，当前向U形反射器辐射缝隙处对应开关电路7的单刀单掷开关断开，后向U形辐射缝隙处对应的开关电路7的单刀单掷开关闭合时，此时前向U形辐射缝隙被激励选择，此时对辐射波后向反射，实现朝后向的偏转波束，当前向U形辐射缝隙的单刀单掷开关闭合，后向U形辐射缝隙的单刀单掷开关断开时，此时后向U形辐射缝隙被激励选择，此时对辐射波后向反射，实现朝后向的偏转波束，即方向图的E面可重构；馈电微带线8，由金属地板10背面的微带线组成，用于激励相位1比特耦合馈电缝隙，实现对天线辐射体的信号输入输出和实现了小型化电磁超表面的激励与辐射；开关直流偏置电路9，由直流控制线组成，用于对相位比特开关和可重构缝隙开关的状态控制，即控制开关的闭合和断开状态，实现了对相位比特开关和方向图可重构开关的闭合/关断状态的控制；金属地板10，由双面敷铜板组成，用作天线辐射的参考地，实现了参考地和天线的定向辐射；金属反射板11，由薄层金属板组成，用作对金属地板后向辐射的反射，减小后向辐射，实现了对天线后向泄露波的反射与抑制；尼龙螺钉12，用作电磁超表面和金属反射腔体的固定，由公制绝缘尼龙螺钉组成，实现了天线结构的支撑与固定。阵列上的天线阵元13，由四个基于电磁超表面的方向图可重构相位1比特天线作为阵元组成，当控制每个阵元的U形反射器辐射缝隙开关(方向图可重构开关)时，阵列实现E面的方向图可重构多波束扫描；当控制每个阵元的I形耦合馈电缝隙开关(1比特相位开关)时，阵列实现H面的数字比特多波束扫描；当同时调控方向图可重构开关和1比特相位开关时，该实例实现二维多波束扫描切换，即基于一维线阵的二维多波束扫描和多波束补盲覆盖。特别是，采用了方向图可重构1比特相位天线作为数字比特阵列的阵元，能够在低成本的前提下(不需要T/R或数字多波束形成网络，阵列规模降维度压缩)，实现二维多波束扫描切换，满足平面多波束5G基站对二维多波束扫描覆盖、低成本和小尺寸的要求。
本实施例中，如图5和6所示，图6中，图6(a)为俯视图，图6(b)为侧视图，图6(c)为前视图。在基于一维线阵的二维扫描数字多波束阵列实施例中，以实施例1为基础，将基于电磁超表面的方向图可重构相位1比特天线作为阵列的阵元，将多个1比特天线排列为线阵形式(一维阵列)，阵间距设置为0.5λ0(λ0是天线的中心频率处的自由空间波长)，用来实现二维多波束切换扫描，即一维阵列进行二维平面多波束扫描。本实施例中，综合考虑到5G多波束基站对多波束扫描、天线空间尺寸和低成本的要求，本实例将阵元数量设置为4个。相比于传统的相控阵，该数字多波束比特阵列不需要T/R组件或数字波束形成网络，有效地降低了阵列的成本。相比于现有的数字比特阵列，该数字多波束比特阵列，通过引入方向图可重构技术，首次实现了基于一维线阵的二维多波束扫描阵列，即在阵列E面通过方向图可重构技术实现多波束扫描，在H面通过相位比特形式实现相扫多波束切换。
本实施例中，图7和图8为该数字多波束比特阵列的阻抗带宽和波束扫描性能。图7为该实施例的S参数性能，其中，图7(a)为该实施例各阵元的反射系数，图7(b)为该实施例各阵元之间的端口隔离度。各阵元的-10dB阻抗带宽均覆盖3.30-3.80GHz等5G新频段，在整个通带内，各阵元端口间的隔离度均低于-18dB，具有良好的带宽和阻抗匹配性能，同时高隔离度带来了良好的扫描特性和辐射效率。图8和图9为该实施例的二维多波束切换扫描性能。其中，图8为H面多波束比特切换，图9为E面多波束可重构扫描。图8为所提出阵列H面多波束扫描性能，其中图8(a)为阵列的四个阵元馈电相位设置为同相状态时(即0000状态)，此时阵列的辐射方向图为最大增益的侧射形式；图8(b)为阵列的第一和第二个阵元的馈电相位设置为0°,第三和第四个阵元的馈电相位设置为180°时(即0011状态)，此时的辐射方向图为H面的两个波瓣辐射形式；图8(c)为阵列的第一和第四个阵元的馈电相位设置为0°,第二和第三个阵元的馈电相位设置为180°时，(即0110状态)，此时的辐射方向图为H面的波束，且波瓣进一步向两侧偏转倾斜覆盖；图8(d)为阵列的第一和第三个阵元的馈电相位设置为0°,第二和第四个阵元的馈电相位设置为180°时，(即0101状态)，此时的辐射方向图为H面的两个波瓣的波束，且波瓣向两侧发生更大角度的偏转倾斜覆盖。通过控制四个阵元的馈电相位，阵列可以操作在0000，0011，0110和0101四个状态，实现H面的多波束相位比特切换。图9为所提出阵列E面多波束扫描性能，图9中，图9(a)为状态1图9(b)为状态2图9(c)为状态3，其中图9(a)为每一个阵元的前向U形反射器辐射缝隙处的单刀单掷开关闭合，后向U形反射器辐射缝隙处的单刀单掷开关断开时，阵列此时的方向图在E面朝前偏转倾斜辐射；图9(b)为每一个阵元的前向和后向的两个U形反射器辐射缝隙处的单刀单掷开关均闭合，阵列此时的方向图在E面呈最大增益侧射形式；图9(c)为每一个阵元的前向U形反射器辐射缝隙处的单刀单掷开关断开，后向U形反射器辐射缝隙处的单刀单掷开关闭合时，阵列此时的方向图在E面朝后偏转倾斜辐射。通过控制每一个阵元的U形反射器辐射缝隙处的单刀单掷开关状况，阵列的方向图的可以操作在三个不同辐射指向状态，实现E面的多波束切换。进一步，通过将阵元的相位比特控制和阵元的辐射方向图可重构控制组合起来，即将H面相位比特扫描和E面可重构扫描叠加，实现了一维线阵的二维多波束扫描。不同于传统的相控阵，该实例利用四个阵元的1比特相位切换，在H面实现了不同偏转角度的补盲形式的多波束切换。不同于现有的一维数字比特阵列和平面形式数字比特阵列，该实施例采用了E面方向图可重构的相位1比特天线作为阵元，同步控制四个阵元的可重构开关状态，从而实现了阵列E面的多波束扫描，适用于小型化低成本平面多波束基站的应用。本发明的实施例2，实现了降维压缩的小型化和低成本(线阵VS面阵)、宽带宽平面二维多波束扫描设计，能够适用于平面多波束基站的应用。
本发明中阵列天线采用了基于电磁超表面的方向图可重构相位1比特天线作为阵元，首次实现了基于一维线阵进行二维平面数字多波束扫描，满足小型化、低成本和平面多波束的基站和智能物联网设备的应用需求。本发明所提出的数字多波束比特阵列，在不使用T/R组件和数字多波束形成网络馈电的前提下，仅在一维线阵的形式上，通过控制阵元的方向图可重构开关和相位比特开关，即实现了低成本的二维平面多波束扫描，满足5G基站和智能物联网***的大规模部署的要求。
本发明中提出以上两个实施例，即方向图可重构相位1比特天线和基于一维线阵的二维扫描的数字多波束比特阵列，其可以根据不同的应用场景，对频率、极化形式、数量和天线材料/形式变化等灵活调整，从而满足不同的无线通信***的应用需求。该实施例中的阵列天线，仅为一个面向平面二维多波束5G基站应用的验证实施例，包含但不限于阵列数量(大于或等于两个阵元)、布阵形式(线阵、圆阵、共形阵、面阵和稀疏/稀布阵)以及方向图可重构开关和相位比特开关控制形式(开关类型可为PIN二级管、射频开关芯片和MEMS开关等)的方案调整。

Claims (10)

1.一种方向图可重构相位比特天线，其特征在于，包括小型化电磁超表面(1)、金属贴片单元(2)、介质谐振器(3)、相位1比特耦合馈电缝隙(4)、反射器辐射缝隙(5)、相位比特开关电路(6)、可重构反射器缝隙开关电路(7)、馈电微带线(8)、开关直流偏置电路(9)、金属地板(10)、金属反射板(11)以及尼龙螺钉(12)；
所述小型化电磁超表面(1)由金属贴片单元(2)和介质谐振器(3)组成，所述金属贴片单元(2)位于所述介质谐振器(3)上，所述介质谐振器(3)通过所述尼龙螺钉(12)贯穿固定在所述金属地板(10)上，所述相位1比特耦合馈电缝隙(4)刻蚀在所述金属地板(10)的中间位置，呈平行对称分布，所述反射器辐射缝隙(5)刻蚀在所述金属地板(10)上，呈平行对称分布，且靠近所述小型化电磁超表面(1)的前后两个朝外侧方向，所述相位比特开关电路(6)印刷在所述金属地板(10)的背面，且位于所述相位1比特耦合馈电缝隙(4)的中间，所述可重构反射器缝隙开关电路(7)印刷在所述金属地板(10)的背面，且位于所述反射器辐射缝隙(5)的两侧，所述馈电微带线(8)印刷在所述金属地板(10)的背面，所述开关直流偏置电路(9)印刷在所述金属地板(10)的背面，并与所述相位比特开关电路(6)和所述可重构反射器缝隙开关电路(7)相连接，所述金属地板(10)安装于所述小型化电磁超表面(1)的底部，所述金属反射板(11)位于所述金属地板(10)的下方，并通过所述尼龙螺钉(12)与所述金属地板(10)支撑固定，所述金属反射板(11)的前后面通过金属弯折部分与所述金属地板(10)短接，所述尼龙螺钉(12)位于所述小型化电磁超表面(1)和金属地板(10)的四周。
2.根据权利要求1所述的方向图可重构相位比特天线，其特征在于，所述介质谐振器(3)为高介电常数低损耗的介质材料。
3.根据权利要求1所述的方向图可重构相位比特天线，其特征在于，所述相位1比特耦合馈电缝隙(4)包括两道平行对称分布的长槽形耦合馈电缝隙。
4.根据权利要求1所述的方向图可重构相位1比特天线，其特征在于，所述反射器辐射缝隙(5)为两道呈平行对称分布的槽形辐射缝隙，且两个槽形辐射缝隙分别布置在介质谐振(3)前后两个外侧方向。
5.根据权利要求1所述的方向图可重构相位比特天线，其特征在于，所述相位比特开关电路(6)为具有单刀双掷功能的开关电路。
6.根据权利要求1所述的方向图可重构相位比特天线，其特征在于，所述可重构反射器缝隙开关电路(7)为具有单刀单掷功能的开关电路。
7.根据权利要求1所述的方向图可重构相位比特天线，其特征在于，所述开关直流偏置电路(9)为相移开关和反射器开关的状态控制电路。
8.根据权利要求1所述的方向图可重构相位比特天线，其特征在于，所述金属地板(10)为双面敷铜介质基板，所述金属反射板(11)为薄层金属板。
9.一种二维波束扫描阵列，其特征在于，所述二维波束扫描阵列包括权利要求1-8中任一所述的方向图可重构相位比特天线以及若干个天线阵元(13)；所述若干个天线阵元(13)由所述方向图可重构相位1比特天线作为阵元组成。
10.根据权利要求9所述的二维波束扫描阵列，其特征在于，各所述天线阵元(13)呈一维线形排列，且天线阵元(13)排列按照阵列进行分布。
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Cited By (5)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115117615A (zh) * 2022-07-26 2022-09-27 电子科技大学 一种基于2bit相位数字化的双圆极化平板电扫天线
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CN116387823A (zh) * 2023-04-04 2023-07-04 合肥师范学院 一种x波段宽带缝隙耦合波束可重构天线
CN117954845A (zh) * 2024-03-26 2024-04-30 成都核心智慧科技有限公司 一种混合形式的多波束天线

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115117615A (zh) * 2022-07-26 2022-09-27 电子科技大学 一种基于2bit相位数字化的双圆极化平板电扫天线
CN115117615B (zh) * 2022-07-26 2023-09-29 电子科技大学 一种基于2bit相位数字化的双圆极化平板电扫天线
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CN117954845A (zh) * 2024-03-26 2024-04-30 成都核心智慧科技有限公司 一种混合形式的多波束天线
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