一種雙頻雙極化波束可控微帶反射陣天線的製作方法

2023-05-30 02:44:31 1

本發明屬於通信技術領域，更進一步涉及電磁場與微波技術領域的一種雙頻雙極化波束可控微帶反射陣天線。本發明可用於微波波段，天線可以以雙頻雙極化方式工作，適用於現代化的多功能口徑復用天線系統。

背景技術：

微帶平面反射陣天線則結合了傳統拋物面天線和大型相控陣天線的部分優勢，具有結構簡單、損耗小、易集成、成本低，效率高，波束可精確調控等優點，可以廣泛地應用於雷達、衛星通信等領域。隨著電子無線通信技術的不斷發展和完善，雷達和通信系統都期望天線具有更多的功能性和自適應性。但是傳統的微帶反射陣列天線只能工作在單個工作頻率、單個極化模式，並且只能實現離散的波束掃描，因此實現雙頻雙極化和波束連續掃描是非常有意義的。

西北工業大學申請的專利「一種平面高增益微帶反射陣列天線」(申請號：201410625792.1，公開號：104362435A)中提出了一種微帶反射陣列天線，該天線由微帶貼片饋源、極化柵格和微帶反射面結構組成。微帶反射面由方形金屬貼片組成，用金屬柱的支架把極化柵格與反射面連結固定，使得極化柵格中偶極子極化方向與饋源極化方向一致，構成了微帶反射陣天線。該天線通過使用微帶天線的結構，降低了天線的設計和加工難度，製作成本低，同時實現了波束掃描。但是，該天線結構仍然存在的不足之處是，第一，因該天線結構固定，天線只能工作在單個工作頻率、單個極化模式，不能滿足雷達和通信系統對於多功能天線系統的需求。第二，該天線雖然實現了波束掃描，但是該天線只能實現離散的波束掃描，無法實現波束連續掃描。

中國科學院光電技術研究所申請的專利「一種基於旋轉相移表面技術的反射陣列天線波束掃描天線」(申請號：201410033925.6，公開號：103762423A)中提出了一種毫米波相控陣天線，該天線由饋源天線、偏波束微帶反射陣和高透過率相移表面層組成，高透過率相移表面層是能夠實現饋源波束偏轉的微帶反射陣平板，以反射陣列平板中心軸為軸分別旋轉兩層能實現天線波束的掃描。但是，該天線結構仍然存在的不足之處是，第一，該天線因結構固定，天線只能工作在單個工作頻率、單個極化模式，限制了天線的應用範圍，不能滿足雷達和通信系統對於多功能天線系統的需求。第二，該天線雖然實現了波束掃描，但是採用機械旋轉結構，只能實現離散的波束指向，無法實現波束連續掃描。

綜上所述，目前微帶反射陣天線面臨著兩個問題，其一是，現有微帶反射陣天線因結構固定，只能工作在單個工作頻率、單個極化模式，無法滿足雷達和通信系統對於多功能天線系統的需求。其二是，現有傳統的加載MEMS開關和數字移相器的波束掃描微帶反射陣天線，只能實現離散的波束掃描，無法實現波束連續掃描。

技術實現要素：

本發明的目的在於克服上述現有技術的不足，提供了一種雙頻雙極化波束可控微帶反射陣天線，通過控制兩個變容二極體的工作狀態，使得設計的天線能夠工作在兩個工作頻率和兩個極化模式，同時實現波束連續掃描。

實現本發明的具體思路是：由金屬貼片單元組成反射陣列。經喇叭天線發出的電磁波照射到反射陣列上，通過控制兩個變容二極體電容值的大小，實現了微帶反射陣天線的波束連續掃描，同時實現了微帶反射陣天線的雙頻雙極化。

為實現上述目的，本發明的技術方案如下。

本發明包括介質基板、反射結構及天線饋源，介質基板上表面蝕刻M×N個周期排列的金屬貼片單元，M、N的取值為整數，1<M<50，1<N<50，反射結構位於介質基板的下表面，採用金屬地板結構，天線饋源位於輻射結構的上半空間。

金屬貼片單元包括四個貼片單元、兩個變容二極體；其中，第一個變容二極體的一端與第一個貼片單元相連，第一個變容二極體的另一端與第三個貼片單元相連，第二個變容二極體的一端與第二個貼片單元相連，第二個變容二極體的另一端與第四個貼片單元相連。

本發明與現有技術相比具有以下優點：

第一，由於本發明採用金屬貼片單元結構，使得天線在不改變結構的情況下，能夠以雙頻雙極化模式工作，克服了現有技術存在的微帶反射陣天線因結構固定，只能工作在單個工作頻率、單個極化模式的缺點，使得本發明滿足了雷達和通信系統對於多功能天線系統的需求，擴大了微帶反射陣天線的應用範圍。

第二，由於本發明的金屬貼片單元包括兩個變容二極體，通過控制變容二極體電容值的大小，實現了動態控制微帶反射陣天線的波束掃描，克服了現有技術存在的無法實現波束連續掃描的缺點，實現了波束連續掃描。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖；

圖2為本發明金屬貼片單元的示意圖；

圖3為本發明狀態1下金屬貼片單元的反射相位曲線圖；

圖4為本發明狀態2下金屬貼片單元的反射相位曲線圖；

圖5為本發明狀態1下不同主波束方向的方向係數曲線；

圖6為本發明狀態2下不同主波束方向的方向係數曲線；

圖7為本發明狀態1下主波束方向為(0°，270°)的方向係數曲線；

圖8為本發明狀態2下主波束方向為(0°，270°)的方向係數曲線。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細的說明。

參照附圖1，對本發明的天線整體結構作進一步詳細的說明。

本發明包括介質基板2、反射結構3及天線饋源4；介質基板2的相對介電常數ε介於2-10之間，厚度h介於1mm-3mm之間，介質基板2上表面蝕刻M×N個周期排列的金屬貼片單元1，M、N的取值為整數，1<M<50，1<N<50，每兩個金屬貼片單元1的中心距離D介於18mm-25mm之間，金屬貼片單元1在xoy平面內周期排列，反射結構3位於介質基板2的下表面，採用金屬地板結構，天線饋源4位於輻射結構的上半空間，處於xoz平面內，採用喇叭天線。

參照附圖2，對本發明的金屬貼片單元1的結構作進一步詳細的說明。

金屬貼片單元1的形狀可選擇正方形、菱形、圓形其中之一，金屬貼片單元1包括四個貼片單元、兩個變容二極體；其中，第一個變容二極體51的一端與第一個貼片單元11相連，第一個變容二極體51的另一端與第三個貼片單元13相連，第二個變容二極體52的一端與第二個貼片單元12相連，第二個變容二極體52的另一端與第四個貼片單元14相連。

入射波電場極化方向為x軸方向時，天線的工作狀態記為狀態1，入射波電場極化方向為y軸方向時時，天線的工作狀態記為狀態2。

本發明的實施例1選擇的金屬貼片單元1的形狀選擇正方形，各結構尺寸參數如下。

介質基板2的相對介電常數ε為2.65，厚度h為2.1mm，尺寸為300×300mm，介質基板2上表面蝕刻15×15個金屬貼片單元1，反射結構3為300×300mm的方形金屬地板，每兩個金屬貼片單元1的中心距離D為20mm，金屬貼片單元1採用正方形結構，金屬貼片單元1線寬W為2.1mm，金屬貼片單元1外圈邊長L1為13.6mm，金屬貼片單元1內圈邊長L2為8.4mm，金屬貼片單元1開口長度W為2.1mm，金屬貼片單元1開口寬度gap為0.2mm。

在高頻電磁仿真軟體HFSS中對金屬貼片單元1的相移特性進行仿真分析，採用弗洛奎特埠和主從邊界條件，可以使用高頻電磁仿真軟體HFSS中的集總RLC邊界，電容值大小設為變量cap來等效的電容代替第一個變容二極體51與第二個變容二極體52。當入射波電場極化方向為x軸方向時，天線工作在f＝4.2GHz，當入射波電場極化方向為y軸方向時時，天線工作在f＝6.5GHz。假設入射波入射角度反射波主波束方向基於基本陣列理論，根據饋源的位置、工作頻率、所設主波束的方向、單元間距，就能求出每個單元所需要的補償相位。頻率可調波束可控微帶反射陣天線是通過改變第一個變容二極體51與第二個變容二極體52電容值的大小，調節各個金屬貼片單元1的反射相位，進而調節反射陣列表面相位分布，從而動態的控制微帶反射陣天線的主波束方向。

參照附圖3，對狀態1下金屬貼片單元1的反射相位作進一步詳細的說明。

圖3中的橫坐標為電容值，縱坐標為單元相移，圖3中的曲線為單元相移隨電容值變化曲線。狀態1下天線工作在f＝4.2GHz，金屬貼片單元1的反射相位隨變容二極體電容值大小變化，當第一個變容二極體51與第二個變容二極體52電容值在0.6pF-2.7pF間變化時，金屬貼片單元1的相移範圍可達到304°，反射相位曲線的線性度良好。說明本發明通過調節加載在金屬貼片單元1上的第一個變容二極體51與第二個變容二極體52電容大小，可以對金屬貼片單元1的反射相位進行調節。

參照附圖4，對狀態2下金屬貼片單元1的反射相位作進一步詳細的說明。

圖4中的橫坐標為電容值，縱坐標為單元相移，圖4中的曲線為單元相移隨電容值變化曲線。狀態2下天線工作在f＝6.5GHz，金屬貼片單元1的反射相位隨變容二極體電容值大小變化，當第一個變容二極體51與第二個變容二極體52電容值在0.6pF-2.7pF間變化時，金屬貼片單元1的相移範圍可達到318°，反射相位曲線的線性度良好。說明本發明通過調節加載在金屬貼片單元1上的第一個變容二極體51與第二個變容二極體52電容大小，可以對金屬貼片單元1的反射相位進行調節。

參照附圖5，對狀態1下不同主波束方向的方向係數作進一步詳細的說明。

圖5中的橫坐標為主波束的方向角度，縱坐標為天線的方向係數，圖5中的曲線為天線的方向係數隨主波束的方向角度變化曲線。狀態1下天線的方向係數隨主波束方向的不同而發生改變，天線工作頻率f＝4.2GHz，曲線d1為主波束方向為(0°，270°)時天線的方向係數曲線，曲線d2為主波束方向為(20°，270°)時天線的方向係數曲線，曲線d3為主波束方向為(30°，270°)時天線的方向係數曲線，曲線d4為主波束方向為(40°，270°)時天線的方向係數曲線，曲線d5為主波束方向為(50°，270°)時天線的方向係數曲線，曲線d6為主波束方向為(60°，270°)時天線的方向係數曲線，主波束掃描角度可以達到60°，本發明可以實現波束連續掃描。

參照附圖6，對狀態2下不同主波束方向的方向係數作進一步詳細的說明。

圖6中的橫坐標為主波束的方向角度，縱坐標為天線的方向係數，圖6中的曲線為天線的方向係數隨主波束的方向角度變化曲線。狀態2下天線的方向係數隨主波束方向的不同而發生改變，天線工作頻率f＝6.5GHz，曲線d1為主波束方向為(0°，270°)時天線的方向係數曲線，曲線d2為主波束方向為(20°，270°)時天線的方向係數曲線，曲線d3為主波束方向為(30°，270°)時天線的方向係數曲線，曲線d4為主波束方向為(40°，270°)時天線的方向係數曲線，曲線d5為主波束方向為(50°，270°)時天線的方向係數曲線，曲線d6為主波束方向為(60°，270°)時天線的方向係數曲線，主波束掃描角度可以達到60°，本發明可以實現波束連續掃描。

參照附圖7，對狀態1下天線的工作帶寬作進一步詳細的說明。

圖7中的橫坐標為頻率，縱坐標為天線的方向係數，圖7中的曲線為天線的方向係數隨頻率變化曲線。狀態1下天線工作頻率f＝4.6GHz，主波束方向為(0°，270°)，天線3dB相對帶寬約為4.8％。

參照附圖8，對狀態2下天線的工作帶寬作進一步詳細的說明。

圖8中的橫坐標為頻率，縱坐標為天線的方向係數，圖8中的曲線為天線的方向係數隨頻率變化曲線。狀態2下天線工作頻率f＝5.8GHz，主波束方向為(0°，270°)，天線3dB相對帶寬約為6.7％。

本發明的實施例2選擇的金屬貼片單元1的形狀選擇正方形菱形。

結合圖1中的結構圖，對實施例2進行進一步的描述，本發明中實施例2的天線的構成和結構與圖1相同。金屬貼片單元1採用菱形，其餘結構與實施例1中的一種頻率可調波束可控微帶反射陣天線一樣，各結構之間的關係也與實施例1中的一種頻率可調波束可控微帶反射陣天線一樣。

本發明的實施例3選擇的金屬貼片單元1的形狀選擇圓形。

結合圖1中的結構圖，對實施例2進行進一步的描述，本發明中實施例3的天線的構成和結構與圖1相同。金屬貼片單元1採用圓形，其餘結構與實施例1中的一種頻率可調波束可控微帶反射陣天線一樣，各結構之間的關係也與實施例1中的一種頻率可調波束可控微帶反射陣天線一樣。

以上是本發明的三個具體實例並不構成對本發明的任何限制。