一种一比特数字编码天线单元以及数字式相控阵天线系统技术方案

本发明专利技术提供了一种一比特数字编码天线单元以及数字式相控阵天线系统。本发明专利技术给出的直接辐射式数字编码天线单元，在其辐射贴片上集成了PIN二极管，通过对PIN二极管施加不同的偏置，可使天线单元的辐射波束呈现出0度和180度两种相位，分别对应于数码“0”和“1”。将单元周期性排列组阵，并通过功分网络进行馈电，即构成一种新型的相控阵天线；其中，通过优化算法控制阵列上单元的编码分布，可生成不同指向的扫描波束或者不同形状的赋形波束。与传统的相控阵天线相比，本发明专利技术降低了系统成本和复杂度；与基于数字编码超表面的相控阵天线相比，本发明专利技术降低了系统的剖面和体积，避免了空间照射馈电带来的能量泄露，提高了天线的整体效率。

One bit digital coding antenna unit and digital phased array antenna system

【技术实现步骤摘要】
一种一比特数字编码天线单元以及数字式相控阵天线系统
本专利技术涉及微波天线及新型相控阵系统
，特别是一种一比特数字编码天线单元以及由其构成的新型数字式相控阵天线系统。
技术介绍
相控阵天线通过电控扫描代替机械扫描，从而使得天线具有跟踪波束的快速扫描能力、波束形状的快速变化能力、空间功率合成能力、优异的空间定向与空域滤波能力。传统的相控阵天线系统中，为了实现波束的动态扫描等功能，在T/R组件中需要使用大量的移相器和相应的复杂控制网络，通过移相器来改变天线单元的相位，进而控制天线方向图使其波束指向特定目标，系统整体的复杂度和成本极高。近年来提出的基于反射式或透射式编码超表面的相控阵天线，通过编码超表面对入射电磁波的调控功能，同样可以实现动态波束扫描，且有效降低了天线成本；该种类型相控阵天线的一个显著特点，是在距离超表面的一定位置上放有空间照射馈源天线，用于发射入射波至超表面或者接收超表面上的调制波束，馈源天线的引入也使得系统的整体剖面显著升高，无法满足共形、集成化等设计需求，并极大地限制了天线的使用场景，降低了该类天线的实用性，同时馈源空间照射馈电所带来的能量泄露也降低了天线的整体效率。
技术实现思路
本专利技术提供了一种直接辐射式一比特数字编码天线单元以及由其构成的新型数字式相控阵天线系统，解决了上述技术问题。本专利技术采用的技术方案如下：直接辐射式一比特数字编码天线单元中集成了两个PIN二极管，单元结构中包含了交替排列的4层金属结构和3层介质层，其构成包括：PIN二极管Ⅰ、PIN二极管Ⅱ、外层辐射金属贴片、内层辐射金属贴片、上层介质基板、偏置控制层、半固化粘结片、金属地板、下层介质基板、馈电网络层。其中，PIN二极管Ⅰ和PIN二极管Ⅱ位于外层辐射金属贴片与内层辐射金属贴片交界处；上层介质基板的相对介电常数及厚度分别为εr1＝3.55和h1＝1.524mm，半固化粘结片的相对介电常数及厚度分别为εr2＝3.52和h2＝0.101mm，下层介质基板的相对介电常数及厚度分别为εr3＝3.55和h3＝0.508mm。外层辐射金属贴片形状呈现为“O”型，并通过位于水平中心线上对称放置的两个金属化过孔与金属地板相连接。内层辐射金属贴片形状呈现为“Φ”型，即由环形结构和带状结构组合构成，环形结构部分通过中心线上对称放置的两个金属化过孔与偏置控制层相连接，带状结构部分通过位于中心处的金属化过孔与馈电网络层相连接。偏置控制层与金属地板的距离非常近(距离为0.101mm)，从而极大减小了控制线对外层辐射金属贴片和内层辐射金属贴片的影响；同时，为了进一步提高射频信号与偏置直流之间的隔离度，在偏置控制层上还集成了对称排布的曲折线分布电感和“扇形”分布电容。在实际工作中，通过偏置控制层对PIN二极管Ⅰ和PIN二极管Ⅱ施加预设的偏置电压，即可使得编码天线单元的辐射波束呈现出0度和180度两种不同的相位，分别用于对应数码“0”和数码“1”。进一步地，将该天线单元按照周期性方形网格分布排列组阵，并通过功分网络进行馈电，即构成一种新型的数字编码式相控阵天线系统。其中，用于单元馈电的功分网络，可采用微带功分网络、波导功分网络、基片集成波导(SIW)功分网络、间隙波导功分网络(GWG)等多种形式；优选地，可采用不等分串并联混合馈电网络，并通过在单元间引入初始相位差和施加单元幅度加权，有效减低扫描波束的旁瓣。在该新型数字式相控阵天线系统的实际工作过程中，信号处理板可施加不同的预设偏置电压来控制阵列上每一个单元的PIN二极管的导通与闭合状态，使得天线单元的辐射波束处于不同的编码态，进一步通过优化算法来控制阵列上单元的编码分布，即可生成具有不同指向的扫描波束、各种形状的赋形波束或实现多波束辐射。与现有技术方案相比，本专利技术的有益效果如下：1、与传统的相控阵天线系统相比，本专利技术所涉及的新型数字式相控阵天线不再需要使用移相器和相应的移相控制网络，仅需要单路T/R组件，从而极大降低了系统的成本和设计复杂度；2、与现有基于反射式或者透射式数字编码超表面的相控阵天线相比，本专利技术所涉及的新型数字式相控阵天线无需额外的空间照射馈源，从而有效降低了系统的剖面和体积，可满足易共形、集成化等设计需求，同时也避免了空间照射馈电带来的能量泄露，提高了天线的整体效率；3、本专利技术所涉及的一种直接辐射式一比特数字编码天线单元，直接在天线单元的辐射金属贴片上集成PIN二极管，实现了对天线辐射波束的一比特数字编码；4、本专利技术所涉及的一种直接辐射式一比特数字编码天线单元，通过电流反转原理实现了两种编码态稳定的180度相差，单元还具有结构简洁、易于偏置控制等优点；5、本专利技术所涉及的一种新型数字式相控阵天线，采用常规的PCB工艺，易于加工，便于量产，具有厚度小、成本低和集成度高等优点。附图说明图1是本专利技术给出的基于一比特数字编码天线单元的新型数字式相控阵天线之系统框架示意图。图2(a)是本专利技术中新型一比特数字编码天线单元之结构示意图。图2(b)是本专利技术中新型一比特数字编码天线单元之辐射层金属贴片结构尺寸图。图2(c)是本专利技术中新型一比特数字编码天线单元之偏置层结构尺寸图。图3是本专利技术中一比特数字编码天线单元在表征数码“1”和数码“0”两种编码态时端口VSWR特性图。图4是本专利技术中一比特数字编码天线单元表征数码“1”和数码“0”两种编码态时在中心工作频率7.5GHz的远场辐射方向图。图5是本专利技术中一比特数字编码天线单元表征数码“1”和数码“0”两种编码态时在中心工作频率7.5GHz的远场辐射相位方向图。图6为实施例二中由一比特数字编码天线单元构成的16×16元新型数字式相控阵天线的示意图。图7为实施例二中16×16元新型数字式相控阵天线所采用的不等分串并联混合馈电网络之结构示意图。图8为实施例二中16×16元新型数字式相控阵天线经馈电网络在阵列各单元间引入的初始相位图。图9为实施例三中16×16元新型数字式相控阵天线在波束指向为(0°,0°)时所对应的单元编码分布图。图10为实施例三中16×16元新型数字式相控阵天线在波束指向为(0°,0°)时中心频率f＝7.5GHz处的3D空间辐射方向图。图11为实施例三中16×16元新型数字式相控阵天线在波束指向为(0°,0°)时中心频率f＝7.5GHz处的2D空间辐射方向图。图12为实施例三中16×16元新型数字式相控阵天线在波束指向为(-30°,0°)时所对应的单元编码分布图。图13为实施例三中16×16元新型数字式相控阵天线在波束指向为(-30°,0°)时中心频率f＝7.5GHz处的3D空间辐射方向图。图14为实施例三中16×16元新型数字式相控阵天线在波束指向为(-30°,0°)时中心频率f＝7.5GHz处的2D空间辐射方向图。图15为实施例四中16×16元新型数字式相控阵天线在生成模态l＝+1涡旋电磁波时所对应的单元编码分布。图16为实施例四中1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种一比特数字编码天线单元，其特征在于，包括从上至下依次交替排列的四层金属结构和三层介质层；第一层金属结构包括外层辐射金属贴片和内层辐射金属贴片，内层辐射金属贴片连接在外层辐射金属贴片内部，第二层金属结构为偏置控制层，第三层金属结构为金属地板，第四层金属结构为馈电网络层；第一层介质层为上层介质基板，第二层介质层为半固化粘结片，第三层介质层为下层介质基板。/n

【技术特征摘要】
1.一种一比特数字编码天线单元，其特征在于，包括从上至下依次交替排列的四层金属结构和三层介质层；第一层金属结构包括外层辐射金属贴片和内层辐射金属贴片，内层辐射金属贴片连接在外层辐射金属贴片内部，第二层金属结构为偏置控制层，第三层金属结构为金属地板，第四层金属结构为馈电网络层；第一层介质层为上层介质基板，第二层介质层为半固化粘结片，第三层介质层为下层介质基板。


2.如权利要求1所述的一种一比特数字编码天线单元，其特征在于，外层辐射金属贴片与内层辐射金属贴片之间分别集成有PIN二极管Ⅰ和PIN二极管Ⅱ。


3.如权利要求1所述的一种一比特数字编码天线单元，其特征在于，所述外层辐射金属贴片的形状呈现为“O”型，通过位于水平中心线上对称放置的两个金属化过孔与金属地板相连接。


4.如权利要求1所述的一种一比特数字编码天线单元，其特征在于，所述内层辐射金属贴片的形状呈现为“Φ”型，即由环形结构和带状结构组合构成；其中，环形结构部分通过中心线上对称放置的两个金属化过孔与偏置控制层相连接，带状结构部分通过位于中心处的金属化过孔与馈电网络层相连接。


5.如权利要求1所述的一种一比特数字编码天线单元，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：白旭东，孔凡伟，钱婧怡，孙朦朦，吕艳亭，宋云卓，徐晟阳，贺冲，
申请(专利权)人：上海航天电子有限公司，上海科学仪器厂有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31