CN208460989U - 一种基于固态等离子体的空间波束扫描平面反射阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种基于固态等离子体的空间波束扫描平面反射阵列天线，由结构单元周期排列而成，由工作在X波段的馈源喇叭、表面具有可重构性的固态等离子体的阵列单元构成的单层反射阵列及用于控制固态等离子体的激励模块组成；所述馈源喇叭通过支架安装于单层反射阵列一侧，所述单层反射阵列包括若干个由下而上依次层叠的金属背板、介质基板及贴片单元构成的反射阵列单元，所述各反射阵列单元由不同尺寸、位置的紧密排列、激发态的可重构像素组成，在同一平面上具有一种以上的反射阵列。本实用新型通过外部的逻辑阵列编程来调控固态等离子体，从而可以快速地组成所需要的反射阵列，最终实现反射波束的空间所需方向动态扫描。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种平面反射阵列天线，具体的说是一种利用了固态等离子体的可重构特性，能够快速加载可重构单元组成反射阵列单元的平面反射阵列天线，属于微波器件技术、射频***前端技术领域。
背景技术
自20世纪80年代以来，移动通讯电子科学技术的发展令人瞩目。以无线通讯和互联网技术为代表的现代通信电子科技极大地促进了经济、社会的发展，并深刻地改变了人类生活。在国防建设和军事技术的发展中，移动通信电子科学技术的重要性更为突出，因为现代化战争最关键的环节就是信息的获取、控制与对抗等技术的较量。天线***作为影响雷达***和通讯***性能的核心部件之一，其性能的优良对***功能有着举足轻重的影响。随着通信***的不断发展，人们希望能用尽可能少的天线满足所有无线***的要求，然而这些无线电***的工作频率通常分布在很宽的频带内，工作体制也各不相同，对天线的参数，如工作频率、方向图、极化方式等，有着不同甚至是截然相反的要求，因此在不同的工作环境以及不同的***条件下，实现天线各种参数的可重构，给现代无线通讯***提供了一个全新的发展思路。另外，由于天线***的雷达散射截面(Radar cross secrion,RCS)较大，极易成为敌方雷达察觉及被攻击的突出对象，因此提高天线***的综合性能指标(包括隐身性能)具有重要的意义。等离子体天线由于其所具备的结构简单，重量轻，隐身效果好等特点，使其成为天线领域最具潜力的研究方向之一。固态等离子体天线与传统金属天线相比具有许多独特的优势，天然的低雷达截面特性，即当固态等离子体天线不工作时，固态等离子体本身就变为普通介质，它既不反射电磁波，也不吸收电磁波。因此，固态等离子体天线完全消失，从而就可以实现全频段的隐身功能，固态等离子天线被激励即工作在一定频段时，对于高于等离子体频率的雷达信号，也会由于固态等离子体的透射、吸收、折射效应，使回波信号大大减弱。快速可重构特性，即固态等离子体具有快速重构特性而且自身具有可协调性，通过改变外部的控制参数，在毫秒量级实现不同收发频率的天线最佳工作状态的快速重构，包括辐射方向图、带宽、增益、极化等天线参数。并且固态等离子体天线具有无阻尼振荡和大带宽、高功率等特性。采用固态等离子体天线设计天线阵，比金属天线阵列的设计相对简化，因为未被激发的等离子体单元对邻近单元构成的天线阵列无影响天线间的互祸效应基本可以忽略。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种基于固态等离子体的空间波束扫描平面反射阵列天线，通过外部的逻辑阵列编程来调控固态等离子体，从而可以快速地组成所需要的反射阵列，最终实现反射波束的空间所需方向动态扫描。
为了解决以上技术问题，本实用新型提供一种基于固态等离子体的空间波束扫描平面反射阵列天线，由结构单元周期排列而成，由工作在X波段的馈源喇叭、表面具有可重构性的固态等离子体的阵列单元构成的单层反射阵列及用于控制固态等离子体的激励模块组成；所述馈源喇叭通过支架安装于单层反射阵列一侧，所述单层反射阵列包括若干个由下而上依次层叠的金属背板、介质基板及贴片单元构成的反射阵列单元，所述各反射阵列单元由不同尺寸、位置的紧密排列、激发态的可重构像素组成，在同一平面上具有一种以上的反射阵列。
本实用新型进一步限定技术方案为：所述贴片单元为金属贴片构成的中心对称结构，包括置于中央的正方形结构及其***的菱形结构，所述菱形结构以正方形结构的中心旋转45°后获得，且所述菱形结构的对角线与正方形结构的中心线相重合；沿阵列单元的四角对称设有由两个尺寸相同的矩形相互垂直构成的L型结构。
所述正方形结构的边长为所述菱形结构由外接圆半径分别为的菱形相减而得，所述L型结构中的每个矩形的长和宽均分别为且两个矩形的起始坐标分别为
进一步的，所述固态等离子体由若干个GaAs-PIN单元组成的阵列实现，且各GaAs-PIN 单元之间具有隔离层进行隔离；各阵列单元分别连接一个激励模块并通过其两端加载偏置电压进行激励，激励模块的通断状态通过编程来实现控制。所述GaAs-PIN单元具有激励状态及未激励状态，当处于未激励状态时，GaAs-PIN单元中的自由电荷浓度较小，不具有传输电磁波信号的特性，固态等离子体表现出介质特性；当处于激励状态时，GaAs-PIN单元中的载流子浓度达到所需条件，固态等离子体表现出类金属特性，作为天线的基础辐射单元。
进一步的，所述激励模块控制激励每一个可重构像素，以组成不同尺寸、位置的反射阵列单元。所述激励模块通过控制其两端加载的偏置电压选择性激励不同位置的GaAs-PIN单元，并且能够快速加载可重构单元组成的单元结构，在同一平面上组建出一种以上的反射阵列，实现了波束在空间中的波束扫描。
进一步的，所述介质基板为长、宽均为12mm，厚度为3mm的长方体，其材料采用FR4_epoxy，介电常数为4.4，损耗角正切值为0.02。所述介质基板的底部固定有金属底板，所述金属背板采用长宽尺寸与介质基板相同的铜质底板，该铜质底板的厚度忽略不计。
进一步的，所述单层反射阵列由24×24即576个经过计算得到的反射阵列单元组成，所述单层反射阵列是长和宽都为288mm，厚度为3mm的长方体。
进一步的，所述馈源喇叭的工作频段为X波段，其位于单层反射阵列一侧中心的正上方距反射阵列表面291mm处，与Z轴夹角为10°。
本实用新型的有益效果是：
(1)本实用新型采用固态等离子体来代替金属工作，利用外部的逻辑阵列进行编程控制，来实现对固体等离子体激励区域和激励状态的动态调控。固态等离子体由GaAs-PIN单元组成的阵列实现，当半导体GaAs-PIN单元中的自由电荷浓度较小时，单元处于未激发的本征状态，此时不具有能够传输电磁波信号的特性，相当于介质。当半导体GaAs-PIN单元中的载流子浓度达到特定条件时，单元表现为类金属特性，可用作天线的基础辐射单元。控制等离子体的激励模块负责控制激发每一个可重构像素,来组成所需的不同尺寸、位置的反射阵列单元，在馈源的照射下，由于阵面上所组成的反射单元结构尺寸存在偏差，以此修正反射相位延迟，补偿空间相位差，在远场获得等相位面，实现同相相加，得到所需方向上的辐射波束，因其快速可重构性，因而能进行动态的波速扫描。
(2)本实用新型设计简单，经过合理的设计，可工作于整个X波段，能够对全空域进行扫描，并且可编程、可调谐，属于高性能可重构的天线。
附图说明
下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明。
图1为本实用新型的结构示意图。
图2为本实用新型中贴片单元的结构示意图。
图3为图2构成的重构单元示意图。
图4为本实用新型中反射阵列单元的结构示意图。
图5(a)为在入射电磁波是11.6GHz下，波束指向18°时等离子体区域所需激励的大小；
图5(b)为在入射电磁波是11.7GHz下，波束指向5°时等离子体区域所需激励的大小；
图5(c)为在入射电磁波是11.7GHz下，波束指向15°时等离子体区域所需激励的大小。
图6(a)为在入射电磁波为11.6GHz下，最大波束在yoz平面内指向θ1＝18°时的方向图；
图6(b)为在入射电磁波为11.7GHz下，最大波束在yoz平面内指向θ2＝5°时的方向图；
图6(c)为在入射电磁波为11.7GHz下，最大波束在yoz平面内指向θ3＝15°时的方向图。
附图标记解释：1—激励模块，2—馈源喇叭，3—固态等离子体，4-介质基板，5-铜质底板。
具体实施方式
本实施例提供的一种基于固态等离子体的空间波束扫描平面反射阵列天线，结构如图1 至图4所示，由工作在X波段的馈源喇叭、表面具有可重构性的固态等离子体的阵列单元构成的单层反射阵列及用于控制固态等离子体的激励模块组成。其中，馈源喇叭的工作频段为 X波段，其位于单层反射阵列一侧中心的正上方距反射阵列表面291mm处，与Z轴夹角为 10°。单层反射阵列包括若干个反射阵列单元，每个反射阵列单元的最底层为铜质底板，中间层为介质基板，最上层为固态等离子体构成的贴片单元。
贴片单元为金属贴片构成的中心对称结构，包括置于中央的正方形结构及其***的菱形结构，该菱形结构以正方形结构的中心旋转45°后获得，且菱形结构的对角线与正方形结构的中心线相重合；其中，中央正方形结构的边长为而正方形***的菱形结构由外接圆半径分别为的菱形相减而得。沿贴片单元的四个边角对称设有由两个尺寸相同的矩形相互垂直构成的L型结构，L型结构中的每个矩形的长和宽均分别为且两个矩形的起始坐标分别为
介质基板是长、宽都为12mm，厚度为3mm的长方体，其材料采用FR4_epoxy，介电常数为4.4，损耗角正切值为0.02。而在介质基板的底部为尺寸与其相同，厚度忽略不计的铜质底板，长和宽也为12mm。
单层反射阵列由24×24即576个经过计算得到的反射阵列单元组成，单层反射阵列是长和宽都为288mm，厚度为3mm的长方体。
本实施例中的每个贴片单元均可以通过编程方式实现对等离子体构成的贴片单元的状态进行调控，从而使平面阵列反射天线达到在X波段特定频率区域范围工作的要求。由于平面阵列反射天线由结构单元周期排列而成，工作时在馈源喇叭的照射下，反射阵列产生相应角度的辐射波束方向。
其中贴片单元由固态等离子体构成，固态等离子体由GaAs-PIN单元组成的阵列实现，GaAs-PIN单元之间有隔离层隔开，通过其两端加载偏置电压进行激励。当半导体GaAs-PIN 单元中的自由电荷浓度较小，GaAs-PIN单元未激励时，单元处于未激励的本征状态，此时不具有能够传输电磁波信号的特性，固态等离子体表现出介质特性，相当于介质。当半导体 GaAs-PIN单元中的载流子浓度达到特定条件时，单元表现为类金属特性，即为激励状态，可用作天线的基础辐射单元。
各贴片单元分别通过等离子体激励模块进行激励，等离子体激励模块的通断状态通过编程来实现控制。控制等离子体的激励模块负责控制激发每一个可重构像素来组成不同尺寸、位置的反射阵列单元，即通过控制电压可以选择性激励不同位置的GaAs-PIN单元，并且能够快速加载可重构单元组成的单元结构，实现了波束在空间中的波束扫描。
在馈源喇叭的照射下，反射阵列单元能够修正相位延迟，补偿馈源照射阵列的空间相位差，使得整个阵列在某一个远场方向获得等相位面，实现同相相加，由此得到所该方向上的辐射波束。所需要的反射阵列单元的尺寸、位置、形状经过一定设计，由紧密排列、激发态的可重构像素所组成的，可以在同一平面上组建出多种反射阵列。由于反射阵列单元可以由可重构像素组建而成，通过设计反射阵列单元，阵列的空间波束指向可以灵活的重构，而该功能由控制激励模块来控制实现。由此该阵列可以实现同一频段波束方向任意的辐射。
一种基于固态等离子体的空间波束扫描平面反射阵列天线，反射阵列单元经过相位补偿和特性位移曲线的计算，可以得出每一单元所需的尺寸，图5(a)为在入射电磁波是11.6GHz 下，波束指向18°时等离子体区域所需激励的大小，图5(b)和图5(c)分别为在入射电磁波是 11.7GHz下，波束指向5°时等离子体区域所需激励的大小、图5(c)为在入射电磁波是11.7GHz 下，波束指向15°时等离子体区域所需激励的大小，从而得到所需频率下不同反射波束角度的反射阵列，在馈源喇叭的照射下，可以得到同一频段、不同波束指向的反射阵列，控制固态等离子体的激励模块负责控制激发每一个可重构像素，从而可以得到所需相应的反射阵列单元，每个反射阵列单元可以通过修正相位延迟来补偿馈源照射阵列的空间相位差，从而使得整个阵列在某一个远场方向上获得等相位面，实现同相相加，由此得到该方向上的辐射波束，实现不同频段下波束的任意扫描。
在控制固态等离子体地激励模块的控制激励下，可重构单元表面上能够组建出设计好的反射阵列单元排布。通过控制固态等离子体地激励模块，我们可以实现可重构单元表面上反射阵列单元排列的动态变化，以实现辐射波束的动态扫描。
控制激励模块对可重构单元进行相关程序控制，使得在可重构单元表面组建出设计好的反射阵列单元排布。通过控制激励模块，可以实现可重构单元表面上反射阵列单元排列的动态变化，以实现辐射波束的动态扫描。
本实用新型构建了三个工作于不同频率不同方向上的反射阵列，在入射电磁波为11.6GHz下，所设计的最大波束在yoz平面内指向θ1＝18°，如图6(a)所示，仿真结果最大波束θ1＝18°，可以看出在该角度下波束的指向性比较好，能量比较集中；在入射电磁波为11.7GHz 下，所设计的最大波束在yoz平面内指向θ2＝5°，如图6(b)所示，仿真结果最大波束θ2＝5°；同样，在入射电磁波为11.7GHz下，所设计的最大波束在yoz平面内指向θ3＝15°，如图6(c)所示，仿真结果最大波束θ3＝15°。从上述结果可以看出本实用新型从功能上实现了多频多波束。
可重构单元表面上都可以组建出预先设计好的反射阵列单元排布，每一时刻阵列表面的反射单元都经过独立的设计，可以在X频段内形成任意空间方向的反射波束，即实现在不同时刻，针对不同频段形成不同空间指向的反射波束，实现多频分波束的全空间扫面效果。本实用新型设计简单，经过合理的设计，可工作于整个X波段，能够对全空域进行扫描，并且可编程、可调谐，属于高性能可重构的天线。
除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于固态等离子体的空间波束扫描平面反射阵列天线，由结构单元周期排列而成，其特征在于：由工作在X波段的馈源喇叭、表面具有可重构性的固态等离子体的阵列单元构成的单层反射阵列及用于控制固态等离子体的激励模块组成；所述馈源喇叭通过支架安装于单层反射阵列一侧，所述单层反射阵列包括若干个由下而上依次层叠的金属背板、介质基板及贴片单元构成的反射阵列单元，所述各反射阵列单元由不同尺寸、位置的紧密排列、激发态的可重构像素组成，在同一平面上具有一种以上的反射阵列。
2.根据权利要求1所述的基于固态等离子体的空间波束扫描平面反射阵列天线，其特征在于：所述贴片单元为金属贴片构成的中心对称结构，包括置于中央的正方形结构及其***的菱形结构，所述菱形结构以正方形结构的中心旋转45°后获得，且所述菱形结构的对角线与正方形结构的中心线相重合；沿阵列单元的四角对称设有由两个尺寸相同的矩形相互垂直构成的L型结构。
3.根据权利要求2所述的基于固态等离子体的空间波束扫描平面反射阵列天线，其特征在于：所述正方形结构的边长为所述菱形结构由外接圆半径分别为的菱形相减而得，所述L型结构中的每个矩形的长和宽均分别为且两个矩形的起始坐标分别为。
4.根据权利要求1所述的基于固态等离子体的空间波束扫描平面反射阵列天线，其特征在于：所述固态等离子体由若干个GaAs-PIN单元组成的阵列实现，且各GaAs-PIN单元之间具有隔离层进行隔离；各阵列单元分别连接一个激励模块并通过其两端加载偏置电压进行激励，激励模块的通断状态通过编程来实现控制。
5.根据权利要求4所述的基于固态等离子体的空间波束扫描平面反射阵列天线，其特征在于：所述GaAs-PIN单元具有激励状态及未激励状态，当处于未激励状态时，GaAs-PIN单元中的自由电荷浓度较小，不具有传输电磁波信号的特性，固态等离子体表现出介质特性；当处于激励状态时，GaAs-PIN单元中的载流子浓度达到所需条件，固态等离子体表现出类金属特性，作为天线的基础辐射单元。
6.根据权利要求1所述的基于固态等离子体的空间波束扫描平面反射阵列天线，其特征在于：所述激励模块控制激励每一个可重构像素，以组成不同尺寸、位置的反射阵列单元。
7.根据权利要求6所述的基于固态等离子体的空间波束扫描平面反射阵列天线，其特征在于：所述激励模块通过控制其两端加载的偏置电压选择性激励不同位置的GaAs-PIN单元，在同一平面上组建出一种以上的反射阵列。
8.根据权利要求1所述的基于固态等离子体的空间波束扫描平面反射阵列天线，其特征在于：所述介质基板是长、宽都为12mm，厚度为3mm的长方体，其材料是FR4_epoxy，介电常数为4.4，损耗角正切值为0.02；其底部固定有大小相同，厚度忽略不计的铜质底板。
9.根据权利要求1所述的基于固态等离子体的空间波束扫描平面反射阵列天线，其特征在于：所述单层反射阵列由24×24即576个经过计算得到的反射阵列单元组成，所述单层反射阵列是长和宽都为288mm，厚度为3mm的长方体。
10.根据权利要求1所述的基于固态等离子体的空间波束扫描平面反射阵列天线，其特征在于：所述馈源喇叭的工作频段为X波段，其位于单层反射阵列一侧中心的正上方距反射阵列表面291mm处，与Z轴夹角为10°。
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