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CN107403993A - 一种基于射频开关的电扫描平面反射阵天线单元 - Google Patents

一种基于射频开关的电扫描平面反射阵天线单元 Download PDF

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CN107403993A
CN107403993A CN201710417401.0A CN201710417401A CN107403993A CN 107403993 A CN107403993 A CN 107403993A CN 201710417401 A CN201710417401 A CN 201710417401A CN 107403993 A CN107403993 A CN 107403993A
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CN
China
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side length
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CN201710417401.0A
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English (en)
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马炳
周怀安
齐哲
徐明明
蔺祥宇
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Beijing Institute of Spacecraft System Engineering
Original Assignee
Beijing Institute of Spacecraft System Engineering
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Publication date
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/30—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array
    • H01Q3/34—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means

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Abstract

本发明提供一种基于射频开关的电扫描平面反射阵天线单元，其特征在于，主要由贴片层、介质层和接地板层组成；其中，所述贴片层包括金属贴片和至少1个射频开关，所述金属贴片由外环贴片和中心贴片构成，所述射频开关连接于外环贴片和中心贴片之间。该天线单元利用射频开关的通断来实现单元的相移，因此将其按照一定的排列顺序构成阵列即可实现波束电扫描。

Description

一种基于射频开关的电扫描平面反射阵天线单元
技术领域
本发明属于微波天线技术领域，具体涉及一种基于射频开关的电扫描平面反射阵天线单元。
背景技术
具有波束电扫描能力的相控阵天线在高轨卫星数据通信方面得到了应用。然而，其高成本、高损耗、高重量和高复杂度等特点限制了部分应用。与之相比，采用射频开关的可波束电扫描的平面反射阵天线在重量、功耗和成本方面与一般的星载相控阵天线相比有很大的优势，它简化了相控阵天线的结构，无需复杂的馈电网络和高成本的T/R模块，仅需低损耗的相移单元，这使得具有电扫描能力的平面反射阵天线在深空探测、卫星通信等广阔的领域得到推广应用成为可能。
平面反射阵天线是用馈源照射一组平的、或任意形状的表面，在该表面上人为分布一些辐射单元，每个精确设计的单元提供不同的反射相位，而这些反射相位刚好可以补偿由馈源发出的朝各个方向的波束经平面反射后到达指定方向的相位差异，这样就可以在该方向上形成平面波前，以达到增强辐射的目的。也就是说，平面反射阵是用精确设计的平面来达到抛物面天线上曲面效果的天线。平面反射阵天线的形式多样，例如安文星等人申请的《平面反射阵天线》国家发明专利(专利号：ZL201410090071.5)和孙科等人申请的《Ku频段双频双极化微带平面反射阵天线》国家发明专利申请(申请号：CN201310486023.3)。前者设计了一种固定波束的平面反射阵天线，通过调节各个金属贴片单元中的金属枝节组合的形状和尺寸来实现相位调节，从而在金属平面反射阵列上形成一个等相位面。后者设计了一种工作于Ku频段的双频双极化固定波束平面反射阵天线，通过调节介质基板上每个微带单元尺寸，补偿馈源到阵面各个单元的空间相位差，使得反射波在特定方向上实现同相位叠加，形成笔形波束，达到高增益的目的。当前，未见有控制反射单元的相移来实现电扫描的平面反射阵天线相关技术。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种基于射频开关的电扫描平面反射阵天线单元，该天线单元利用射频开关的通断来实现单元的相移，因此将其按照一定的排列顺序构成阵列即可实现波束电扫描。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于射频开关的电扫描平面反射阵天线单元，主要由贴片层、介质层和接地板层组成；其中，所述贴片层包括金属贴片和至少1个射频开关，所述金属贴片由外环贴片和中心贴片构成，所述射频开关连接于外环贴片和中心贴片之间。
进一步的，本发明所述外环贴片和中心贴片为正方形环，外环贴片的外边长不超过介质层的边长，中心贴片外边长小于外环贴片的内边长；外环贴片和中心贴片之间形成环形缝隙，射频开关等间距或不等间距设于环形缝隙之间，连接外环贴片和中心贴片。
进一步的，本发明所述外环贴片为正方形环，中心贴片为正方形，外环贴片的外边长不超过介质层的边长，中心贴片的边长小于外环贴片的内边长；外环贴片和中心贴片之间形成环形缝隙，射频开关等间距或不等间距设于环形缝隙之间，连接外环贴片和中心贴片。
进一步地，本发明所述外环贴片的外边长为介质层边长的0.5～0.95倍。
进一步地，本发明所述贴片层位于介质层的上方，接地板层位于介质层的下方。
进一步地，本发明所述介质层为2层以上，贴片层位于介质层之间，接地板层位于介质层的下方。
进一步的，本发明所述介质层为2层，上层介质横截面为正方形，边长为中心工作频点的0.4～0.7倍，相对介电常数不小于2；下层介质横截面为正方形，边长与上层介质边长相等，相对介电常数小于2。
进一步的，本发明所述接地板横截面为正方形，边长与下层介质边长相等。
进一步地，本发明所述射频开关为RF MEMS开关、PIN开关或FET开关。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
第一，普通天线单元是通过尺寸的改变或形状的变化来实现相移，当天线单元确定后，天线单元相移即是固定的，因而只能实现固定波束天线。本发明天线单元通过射频开关的通断来实现单元相移，相对带宽可以达到5％以上，具有良好的宽带性能。对于每个确定的天线单元可提供2N个相移态(N为射频开关个数)。当多个单元组合成天线阵列后，通过多组预设好的相移态可实现多个波束指向，也即实现电扫描平面反射阵天线。
第二，本发明天线单元随着射频开关的通断，反射相位由-180°变化到180°，并且相位变化比较平滑，相对带宽可以达到5％以上，这有助于电扫描平面反射阵天线的精确设计。
附图说明
图1为本发明基于射频开关的电扫描平面反射阵天线单元的示意图。
图2为本发明基于射频开关的电扫描平面反射天线单元的俯视图。
图3为天线单元上射频开关的状态与反射相移的变化关系曲线。
图4为采用本发明天线单元设计的一个16×16元阵列示意图。
图5为采用本发明天线单元设计的16×16元阵列的增益方向图。
其中，1-射频开关、2-上层贴片、3-上层介质、4-下层介质、5-和接地板。
具体实施方式
下面将结合附图和具体的实施例，对本发明的技术方案进行详细说明。
以下是本发明所述的一种基于射频开关的电扫描平面反射阵天线单元的最佳实例，并不因此限定本发明的保护范围。
实施例一：
一种基于射频开关的电扫描平面反射阵天线单元，主要由贴片层、介质层和接地板层组成；其中，所述贴片层包括金属贴片和至少1个射频开关，所述金属贴片由外环贴片和中心贴片构成，所述射频开关连接于外环贴片和中心贴片之间。
本发明所述外环贴片和中心贴片为正方形环，外环贴片的外边长不超过介质层的边长，同时，还可以是外环贴片为正方形环，中心贴片为正方形，外环贴片的外边长不超过介质层的边长；外环贴片和中心贴片之间形成环形缝隙，射频开关等间距或不等间距设于环形缝隙之间，连接外环贴片和中心贴片。同时，较佳的选取外环贴片的外边长为介质层边长的0.5～0.95倍。
同时，贴片层可以处于介质层的上方，当介质层为2层以上时，贴片层还可以处于介质层的中间。较佳的选用介质层为2层，上层介质横截面为正方形，边长为中心工作频点的0.4～0.7倍，相对介电常数不小于2；下层介质横截面为正方形，边长与上层介质边长相等，相对介电常数小于2。
本发明所述射频开关为RF MEMS开关、PIN开关或FET开关。
实施例二：
如图1所示，一种基于射频开关的电扫描平面反射阵天线单元的示意图，包括了射频开关1、上层贴片2、上层介质3、下层介质4和接地板5。其中射频开关采用5个，单元设计工作于14GHz，单元为正方形，边长等于0.5λ0，λ0为自由空间中的波长。贴片上层介质厚度为0.762mm，相对介电常数为3.66；贴片下层介质厚度为2mm，相对介电常数为1.05；最下层为接地板。
图2示出了天线单元的俯视图，5个射频开关安装于上层贴片2的两个正方形环之间，5个开关不等间距分布。
图3示出了单元的开关状态与反射相移的变化关系曲线。通过控制射频开关的通断，5个开关共有25＝32个状态，每个状态分别对应一个相移，通过合理地优化开关的位置进而形成平滑连续的状态——相移曲线。随着5个射频开关的通断，反射相位由-180°变化到180°，并且相位变化比较平滑，这有助于天线的精确设计。
图4示出了采用该单元设计的一个16×16元阵列示例，天线中心频率为14GHz，线极化工作，阵列采用方形布局。
图5示出了采用该单元设计的16×16元阵列的增益方向图设计结果，设计平面反射阵天线的扫描角度为0°、15°、30°、40°和45°，随着波束指向角的增大，增益有所降低，旁瓣电平升高，当波束指向为45°时，增益下降约2.4dB，旁瓣电平略有升高。采用该单元的电扫描平面反射阵天线具有良好的宽角度波束扫描能力，波束扫描角度可以达到45°以上，证明了所发明的单元具有良好性能。
以上所述的实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为详细具体，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于射频开关的电扫描平面反射阵天线单元，其特征在于，主要由贴片层、介质层和接地板层组成；其中，所述贴片层包括金属贴片和至少1个射频开关，所述金属贴片由外环贴片和中心贴片构成，所述射频开关连接于外环贴片和中心贴片之间。
2.根据权利要求1所述基于射频开关的电扫描平面反射阵天线单元，其特征在于，所述外环贴片和中心贴片为正方形环，外环贴片的外边长不超过介质层的边长，中心贴片外边长小于外环贴片的内边长。
3.根据权利要求1所述基于射频开关的电扫描平面反射阵天线单元，其特征在于，所述外环贴片为正方形环，中心贴片为正方形，外环贴片的外边长不超过介质层的边长，中心贴片的边长小于外环贴片的内边长。
4.根据权利要求2或3所述基于射频开关的电扫描平面反射阵天线单元，其特征在于，所述外环贴片的外边长为介质层边长的0.5～0.95倍。
5.根据权利要求1所述基于射频开关的电扫描平面反射阵天线单元，其特征在于，所述贴片层位于介质层的上方，接地板层位于介质层的下方。
6.根据权利要求1所述基于射频开关的电扫描平面反射阵天线单元，其特征在于，所述介质层为2层以上，贴片层位于介质层之间，接地板层位于介质层的下方。
7.根据权利要求6所述基于射频开关的电扫描平面反射阵天线单元，其特征在于，所述介质层为2层，上层介质横截面为正方形，边长为中心工作频点的0.4～0.7倍，相对介电常数不小于2；下层介质横截面为正方形，边长与上层介质边长相等，相对介电常数小于2。
8.根据权利要求7所述基于射频开关的电扫描平面反射阵天线单元，其特征在于，所述接地板横截面为正方形，边长与下层介质边长相等。
9.根据权利要求1所述基于射频开关的电扫描平面反射阵天线单元，其特征在于，所述射频开关为RF MEMS开关、PIN开关或FET开关。
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