一種毫米波可重構天線的製作方法

2023-10-19 11:26:27 2

本發明屬於天線技術領域，具體涉及一種毫米波可重構天線，在無線通信系統、衛星通信系統、雷達系統等領域具有廣泛的應用。

背景技術：

天線作為一種用來發射或接收無線電磁波的組件，在無線通信系統中具有至關重要的作用。近年來，隨著無線通信領域的快速發展，對天線提出了多頻率和多模式工作的要求。為了滿足這些要求，在同一系統中人們通常會應用多個天線。這不僅會導致系統的重量的增加，還會產生天線間的相互幹擾，從而嚴重影響天線的正常工作。為了減少電磁幹擾，可以在多個天線之間加入隔離裝置，但這會增加系統的複雜性和影響信號強度。因此，為了減輕天線重量，實現良好的電磁兼容特性，希望能用一個天線來實現多個天線的功能，相當於多個天線共用一個物理口徑，這就是可重構天線。可重構天線按功能分類可以分為頻率可重構天線、方向圖可重構天線、極化可重構天線和多電磁參數可重構天線。其中，方向圖的可重構能有效避開幹擾源，達到充分高效利用用戶信號並抑制幹擾信號的目的。因此，在實際應用受到了更多的關注。

方向圖可重構天線分為兩種：一種是改變天線最大輻射方向；另一種是改變天線的增益大小和波束寬度。目前主要的實現方式包括：加載微電機開關、利用機械可控結構、可調開關器件或可控頻率選擇表面等。

華軍等人在專利「基於雙開口諧振環的多頻方向圖可重構天線」(申請號：201210202317.9，申請日期：2012.06.15，授權公告號：CN 102694277 A，申請公布日：2012.09.26)中提出了一種多頻方向圖可重構天線，通過控制加載在開口諧振環的變容二極體的通斷，同時實現了方向圖和頻率的可重構。該天線包括第一金屬片、圓金屬形饋電片、介質板、四個第二金屬片、四個金屬開口諧振環和八個開關。每個金屬開口諧振環由內環、外環和第二金屬片構成。內環和外環都包含兩個開口，分別在其中一個開口處安裝一個開關，並且每個開關都要單獨添加直流偏置，這使得天線結構複雜，同時直流偏置排布複雜且實現難度大。

吳邊等人在專利「基於石墨烯複合結構頻率選擇表面的方向圖可重構天線」(申請號：201510472420.4，申請日期：2015.08.05，授權公告號：CN 105006652 A，申請公布日：2015.10.28)中通過控制加載在石墨烯表面和石英晶體表面上的偏置電壓，改變石墨烯表面電阻率，實現了天線的輻射增益和波束寬度的可重構。該天線包括矩形波導饋線、矩形輻射單元、反射板、頻率選擇表面、直流偏壓、石墨烯複合結構、介質基板、正方形貼片陣列、矩形波導饋線等。由於採用多層結構，層與層之間有一固定距離需通過四個支撐柱固定，這使得該天線的工程實現難度大。

楊雪松等人在專利「基於開口諧振環的方向圖可重構天線」(申請號：201510185542.5，申請日期：2015.04.20，授權公告號：CN 104868238 A，申請公布日：2015.08.26)中，通過控制加載在貼片天線單元的開口諧振環上PIN二極體的開關狀態實現了多種方向圖模式之間的切換。由於組成天線的每個單元結構均需要加載二極體，使得天線的結構較為複雜，難以在大口徑天線上得到應用。同時，在毫米波段，PIN二極體損耗較大，難以實現高效率的天線的研製。

技術實現要素：

本發明提出了一種毫米波方向圖可重構天線，利用液晶材料在不同電壓控制下能表現出不同的等效介電常數值的特性，通過控制加載在各單元上的電壓，就能改變照射到天線單元上波束的出射相位，從而實現天線出射波束方向圖的改變。這種通過電壓來控制波束出射方向的方式，具有結構簡單、調整速度快、掃描角度範圍寬等優點。

本發明採取的技術方案是：一種毫米波可重構天線，包括饋源喇叭、從上至下依次設置的第一介質層、第一介質層下表面的輻射陣列反射面層、設置於輻射陣列反射面層下表面的第二介質層、設置於第二介質層下表面的接地板以及連接輻射陣列反射面層與接地板之間的直流偏置電壓。

所述饋源喇叭為矩形波導喇叭或圓波導喇叭，設置於輻射陣列反射面的上方，與輻射陣列反射面有一定的距離，用來將波束照射在每個輻射單元上。

所述第一介質層採用石英材料。

所述輻射陣列反射面層蝕刻於第一介質層下表面，由M×N個輻射單元周期排列組成，其中M≥2，N≥2，M、N的值由天線輻射效率、天線增益、以及加載不同天線輻射單元的形式決定。每一列輻射單元之間通過偏置線連接，且偏置線延伸至介質層邊緣。

所述第二介質層為液晶層，由支撐板隔離為n個液晶盒，每一列輻射單元分別緊貼在一個液晶盒的上表面。

所述接地板是一種金屬板，尺寸與第一介質層、第二介質層相同。

所述輻射陣列反射面層與接地板之間加載有N個直流偏置電壓，其正極分別與每一列輻射單元位於邊緣位置的偏置線相連。每個偏置電壓獨立控制每個液晶盒的電壓值。在饋源的照射下，通過調節每個偏置電壓，每列液晶材料的等效介電常數就會發生改變，從而使得相位發生延遲，進而實現了天線主輻射方向圖的改變。

進一步地，所述輻射單元為同心雙環結構。

進一步地，所述同心雙環結構為矩形環、圓環、十字環中任意兩兩組合的一種。

進一步地，輻射單元周期為0.4λ～0.6λ，其中λ為天線的工作波長。

本發明的有益效果是：

一、本發明利用多諧振環輻射單元的形式，實現了方向圖可重構的特性。與通過加載二極體開關等方式的方向圖可重構天線相比，結構單元簡單，容易加工，天線損耗小。

二、與傳統的相控陣天線相比，本發明天線沒有結構複雜的饋電網絡，結構簡單，體積小，重量輕，剖面低，易於集成。

三、方向轉換速度快。天線出射波束的方向是通過控制電壓來使得液晶材料的等效介電常數發生改變，從而使得不同單元的反射相位不同而改變的。這種電控制的方式使得天線可以按照需求在較寬的角度範圍內實現任意方向的出射。

附圖說明

圖1為本發明提供的毫米波可重構天線的整體結構示意圖；

圖2為本發明提供的毫米波可重構天線的輻射單元結構側視圖；

圖3為本發明提供的毫米波可重構天線的輻射陣列反射面的單元俯視圖；

圖4為本發明提供的毫米波可重構天線的歸一化後的E面仿真圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明。

實施例1：

參考圖1，本發明的毫米波可重構天線包括饋源喇叭7、從上至下的第一介質層1、第一介質層下表面的輻射陣列反射面層4、設置於輻射陣列反射面層4下表面的第二介質層2、設置於第二介質層下表面的接地板3。輻射陣列反射面層4是由M×N個輻射單元周期排列而成，M、N的值由天線輻射效率、天線增益、以及加載不同天線輻射單元的形式決定。在本實施例中M＝N＝5，單元輻射體採用雙方環結構，每一列輻射單元之間通過偏置線5連接，在偏置線5與接地金屬板之間加載直流偏置電壓6，在其之間形成電場。每一列的單元電壓由直流偏置電壓6獨立控制。饋源喇叭7是矩形波導喇叭，設置於輻射陣列反射面的上方。以輻射陣列反射面的中心為原點，則饋源喇叭的坐標位置為(0mm，-5mm，25mm)。饋源的口徑為7.112mm×3.556mm。

參考圖2，本發明天線輻射單元結構包括自上而下的石英層1，石英層1的介電常數為3.78，介質損耗正切值為0.002，厚度h1為0.55mm；蝕刻在石英層1下表面的輻射單元8，設置於輻射單元8下表面的液晶層2、設置於液晶層2下表面的接地板3。液晶層2包括用於支撐並隔離液晶層的環氧墊片9和10。液晶層2的型號為MDA-03-2838，其等效介電常數隨電壓的變化而變化，電壓變化範圍為0～20V。當工作頻率為35GHz時，其等效介電常數介於2.3～3.1之間，等效介質損耗正切值介於0.004～0.011之間。液晶層2的厚度h2為0.2mm，環氧墊片9、10的高度與液晶的高度相同。

參考圖3，本發明的輻射單元為雙方環形。單元結構周期L為5mm，輻射單元結構外環長度L1為2.6mm，環寬度為0.25mm，內環長度L2為1.6mm，環與環之間的間距為0.25mm，連接輻射單元之間的偏置線的寬度為0.1mm。輻射單元及偏置線材料為金屬銅，覆銅厚度為18um。

本發明基於平面反射陣列天線的工作原理：

本發明的饋電方式分為正饋和偏饋，其工作原理相同，為了減少遮擋效應，本發明採用偏饋方式對陣面進行饋電，工作頻率為35GHz，分析了平面波入射角對單元結構相移曲線的影響，實施例最終選用入射角為15deg，口徑為25mm×25mm，將陣列反射面的中心設置為原點坐標，則饋源喇叭11的相位中心坐標取為(0mm，-5mm，25mm)，焦經比f/D為1。輻射陣列反射面層4由5行×5列相同的雙方環輻射單元組成，每一列輻射單元之間通過偏置線5連接。5個相同的直流偏置電壓6的正極分別與連接每一列輻射單元的偏置線相連，負極分別與接地金屬板3相連，在其之間形成一個正向偏置電壓。該正向偏置電壓的改變會控制液晶材料的等效介電常數。由於液晶材料在不同電壓控制下能表現出不同的等效介電常數，通過改變加載在偏置線與接地金屬板間的電壓，就能控制各單元的等效介電常數，從而使得饋源發射出來的波束經天線反射後具有不同的相位差。因此，通過合理控制天線單元的偏置電壓就能迅速改變反射波束的方向，實現波束的掃描。

以下結合仿真計算對本發明的技術效果作進一步描述：

圖4為工作頻率為35GHz時天線主輻射方向在0deg、10deg、20deg、30deg、35deg歸一化後的E面方向圖。每個主輻射方向都是通過改變各列加載的電壓值而實現的，由圖可知，天線的主輻射方向在0deg、10deg、20deg、30deg處具有低副瓣特性，副瓣分別為-4.6dBi、-5.7dBi、-8.6dBi、-6dBi。而當主輻射方向在35deg時，副瓣較高，其副瓣為-2.2dBi。這是由於輻射陣列反射面的口徑面比較小，饋源喇叭對天線有一定的遮擋。當饋源發射出來的波束照射在陣列反射面上，各個單元不能很好的實現相位補償，從而導致出射波束的副瓣偏高。

由實施例可見，饋源喇叭通過偏饋方式對本發明天線進行饋電，使得天線在0deg～30deg範圍內實現任意方向的出射。由於饋電是採用偏饋方式，運用相同的原理能讓本發明天線在-30deg～0deg範圍內實現任意方向的出射。可見本發明天線能靈活控制主輻射方向圖，可以實現天線主輻射方向圖可重構。