本发明专利技术公开了一种基于平面口径空间馈电的二维菲涅尔区板天线。包括球面波馈源天线和二维菲涅尔区板，二维菲涅尔区板包括多个可调相单元在平面二维排列；可调相单元包括上层、三层PCB结构和下层，上层从上到下依次分为金属层和介质基板层，金属层包括布置在介质基板层上表面上的两个矩形金属贴片，两个矩形金属贴片间具有缝隙，缝隙处焊接一个变容二极管；三层PCB结构包括上接地金属层、上介质层、中间金属层、下介质层和下接地金属层，下层是由上层以三层PCB结构对称镜像布置构成。本发明专利技术可在180度范围内独立控制每个单元的传输相位，在空间二维方向实现较大范围的波束扫描等波束可重构，同时实现工作频率可重构。
A two-dimensional Fresnel zone plate antenna based on plane aperture space feed
【技术实现步骤摘要】
一种基于平面口径空间馈电的二维菲涅尔区板天线
本专利技术属于二维波束可重构扫描天线
的一种菲涅尔结构天线，尤其是涉及了一种基于平面口径空间馈电的二维菲涅尔区板天线。
技术介绍
随着现代雷达和通信系统的迅速发展，为实现通信、导航等多重目的，飞机、轮船、卫星等所需的天线数量越来越多。这使得天线重量不断增加，同时，各天线之间的电磁下扰也非常大，严重影响天线的正常工作。为了减轻平台上所负载的天线重量、降低成本、减小平台的雷达散射截面实现良好的电磁兼容特性，希望能用一个天线来实现多个天线的功能采用同一个天线或天线阵，通过动态改变其口径或尺寸，使其具有多个天线的功能，相当于多个天线共用一个物理口径，这种天线就称为可重构天线。可重构天线包括波束可重构天线以及频率可重构天线。传统的相控阵天线可以看成是波束可重构天线的一种。相控阵天线虽然具有灵活的波束控制能力，但其需要复杂的功分馈电网络和数字或者模拟移相网络，这导致其成本较高，功耗较大。可重构天线的提出为动态控制波束开辟了新的道路，其实现波束扫描不再需要复杂的数字或者模拟移相网络。同时可重构波束扫描天线保留了相控阵天线诸多特有功能。在众多天线类型中，菲涅尔区板天线是基于衍射效应而设计的一种高定向性天线。与阵列天线和抛物面天线相比，菲涅尔区板天线具有结构简单、成本低的优点，可用在微波以及毫米波通信和成像系统中。传统的菲涅尔区板天线由多条金属条纹及馈源组成，其波束指向为单一特定方向。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术公开了基于平面口径空间馈电的二维菲涅尔区板天线，其波束可实现动态的重构，即可实现类似相控阵的波束扫描效果，并且所提出的新型波束扫描天线不需要射频移相器。本专利技术采用的技术方案是：本专利技术包括球面波馈源天线和二维菲涅尔区板，使用球面波馈源天线照射二维菲涅尔区板；所述的二维菲涅尔区板是由多个可调相单元在平面二维排列组成；每个可调相单元包括从上到下依次分别布置的上层、三层PCB结构和下层，上层从上到下依次分为金属层和介质基板层，金属层包括布置在介质基板层上表面上的两个矩形金属贴片，两个矩形金属贴片间隔布置，在两个矩形金属贴片相邻的两个平行长边之间具有缝隙，缝隙处中间位置焊接一个变容二极管，变容二极管的两端分别焊接到两个矩形金属贴片；三层PCB结构包括从上到下依次分别布置的上接地金属层、上介质层、中间金属层、下介质层和下接地金属层，由上接地金属层、中间金属层和下接地金属层形成一个三层PCB结构，三层PCB结构的各层中央设有埋孔，上接地金属层和下接地金属层之间通过埋孔连接；下层为上层的镜像，下层是由上层以三层PCB结构对称镜像布置构成；上层和下层的金属层相对镜像布置的两个矩形金属贴片之间通过过孔连接，过孔穿设过三层PCB结构，通过隔离缝隙与三层PCB结构中的上接地金属层和下接地金属层形成隔离，中间金属层采用为一根导线，导线一端连接到变容二极管负极端所连接金属层的一个矩形金属贴片对应连接的过孔处，导线一端连接到直流源；导线将直流源的直流反偏电压加载到每个单元的变容二极管的负极端上；通过调节加载在变容二极管上的直流反偏电压，在180度相位范围内控制可调相单元的传输相位。二维菲涅尔区板的后方布置球面波馈源天线，球面波馈源天线位于二维菲涅尔区板中心O的法线方向上，通过采用动态相位补偿方式设置菲涅尔区板表面形成相位分布。对于每个波束扫描方向，由球面波馈源天线的相位中心A沿波束扫描方向的射线与菲涅尔区板表面的交点作为参考点B，以球面波馈源天线的相位中心A和参考点B之间的连线作为参考路径AB，计算获得二维菲涅尔区板上任意点C与参考点B之间的相位差，即二维菲涅尔区板上任意点处的可调相单元相位与参考点B处的可调相单元相位之间的相位差；然后对二维菲涅尔区板上每一处可调相单元的相位根据相位差采用动态相位补偿方式设置：在波束扫描方向沿球面波馈源天线的相位中心A和二维菲涅尔区板中心O之间的连线情况下，将二维菲涅尔区板上对相位差满足[0+2mπ,π+2mπ]区域中的每个可调相单元施加反向相位差补偿，具体是将每个可调相单元对应的相位差取相反数后相加到该可调相单元原有的相位作为该可调相单元新相位；在波束扫描方向不沿球面波馈源天线的相位中心A和二维菲涅尔区板中心O之间的连线情况下，将二维菲涅尔区板上对相位差满足[0+2mπ,π+2mπ]区域中的每个可调相单元施加反向相位差补偿，具体是将每个可调相单元对应的相位差取相反数后相加到该可调相单元原有的相位作为该可调相单元新相位；对所有点位置的可调相单元相位差进行两类区分，相位差分为满足[–π/2+2mπ,π/2+2mπ]与满足[π/2+2mπ,3π/2+2mπ]，m＝0,1,2,…，m表示整数；对相位差满足[–π/2+2mπ,π/2+2mπ]区域中的每个可调相单元施加反向相位补偿，使可调相单元与参考点的可调相单元之间的相位差变成0°，具体是将每个可调相单元对应的相位差取相反数后相加到该可调相单元原有的相位作为该可调相单元新相位；对相位差满足[π/2+2mπ,3π/2+2mπ]区域中的每个可调相单元施加180°反向相位补偿，具体是对取得的相位差取相反数，然后与2π相除取余数。所述的相位差采用以下公式计算：k＝2πf/c其中，是二维菲涅尔区板上任意点C与参考点B之间的相位差，(x,y,d)是平面二维菲涅尔区板上任意点C的三维坐标，d是球面波馈源天线的相位中心A到二维菲涅尔区板的垂直间距AO，α是水平扫描角度，γ是垂直扫描角度，f是二维菲涅尔区板天线的工作频率，c是光速。所述的二维菲涅尔区板的各层统一加工成相同表面为曲面的共形形状。所述的变容二极管替换为PIN二极管。所述的二维菲涅尔区板天线应用于微波以及毫米波的电磁波传输领域。本专利技术具有的有益效果：本专利技术可实现在较宽工作频段内选择工作频点在空间二维方向实现较大范围的波束扫描等波束可重构，同时可以实现工作频率可重构。本专利技术可以通过设计区板、馈源等，实现在微波以及毫米波段工作。附图说明图1是本专利技术二维菲涅尔区板天线示意图。图2是本专利技术二维菲涅尔区板天线使用的可调相多层PCB结构单元示意图。图3是可调相多层PCB结构单元上接地金属层示意图。图4是可调相多层PCB结构单元下接地金属层示意图。图5是可调相多层PCB结构单元中间金属层示意图。图6是多层PCB结构单元幅度调制结果。图7是多层PCB结构单元相位调制结果。图8是本专利技术二维菲涅尔区板天线的5.5GHz波束扫描结果。图9是本专利技术二维菲涅尔区板天线的6GHz波束扫描结果。图10是本专利技术二维菲涅尔区板天线的6.5GHz波束扫描结果。图中：1.二维菲涅尔区板天线，2.球面波馈源天线，3.二维菲涅尔区板，4.可调相单元，5.金属层，6.矩形金属贴片，7.缝隙，8.变容二极管，9.介质基板层，10.上接地金属层，11.上介质本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于平面口径空间馈电的二维菲涅尔区板天线，其特征在于：/n包括球面波馈源天线(2)和二维菲涅尔区板(3)，使用球面波馈源天线(2)照射二维菲涅尔区板(3)；所述的二维菲涅尔区板(3)是由多个可调相单元(4)在平面二维排列组成；每个可调相单元(4)包括从上到下依次分别布置的上层、三层PCB结构和下层，上层从上到下依次分为金属层(5)和介质基板层(9)，金属层(5)包括布置在介质基板层(9)上表面上的两个矩形金属贴片(6)，两个矩形金属贴片(6)间隔布置，在两个矩形金属贴片(6)相邻的两个平行长边之间具有缝隙(7)，缝隙(7)处中间位置焊接一个变容二极管(8)，变容二极管(8)的两端分别焊接到两个矩形金属贴片(6)；/n三层PCB结构包括从上到下依次分别布置的上接地金属层(10)、上介质层(11)、中间金属层(12)、下介质层(13)和下接地金属层(14)，由上接地金属层(10)、中间金属层(12)和下接地金属层(14)形成一个三层PCB结构，三层PCB结构的各层中央设有埋孔(15)，上接地金属层(10)和下接地金属层(14)之间通过埋孔(15)连接；下层为上层的镜像，下层是由上层以三层PCB结构对称镜像布置构成；上层和下层的金属层(5)相对镜像布置的两个矩形金属贴片(6)之间通过过孔(17)连接，过孔(17)穿设过三层PCB结构，通过隔离缝隙(18)与三层PCB结构中的上接地金属层(10)和下接地金属层(14)形成隔离，中间金属层(12)采用为一根导线(16)，导线(16)一端连接到变容二极管(8)负极端所连接金属层(5)的一个矩形金属贴片(6)对应连接的过孔(17)处，导线(16)一端连接到直流源；导线(16)将直流源的直流反偏电压加载到每个单元(4)的变容二极管(8)的负极端上；通过调节加载在变容二极管(8)上的直流反偏电压，在180度相位范围内控制可调相单元(4)的传输相位。/n...
【技术特征摘要】
1.一种基于平面口径空间馈电的二维菲涅尔区板天线，其特征在于：
包括球面波馈源天线(2)和二维菲涅尔区板(3)，使用球面波馈源天线(2)照射二维菲涅尔区板(3)；所述的二维菲涅尔区板(3)是由多个可调相单元(4)在平面二维排列组成；每个可调相单元(4)包括从上到下依次分别布置的上层、三层PCB结构和下层，上层从上到下依次分为金属层(5)和介质基板层(9)，金属层(5)包括布置在介质基板层(9)上表面上的两个矩形金属贴片(6)，两个矩形金属贴片(6)间隔布置，在两个矩形金属贴片(6)相邻的两个平行长边之间具有缝隙(7)，缝隙(7)处中间位置焊接一个变容二极管(8)，变容二极管(8)的两端分别焊接到两个矩形金属贴片(6)；
三层PCB结构包括从上到下依次分别布置的上接地金属层(10)、上介质层(11)、中间金属层(12)、下介质层(13)和下接地金属层(14)，由上接地金属层(10)、中间金属层(12)和下接地金属层(14)形成一个三层PCB结构，三层PCB结构的各层中央设有埋孔(15)，上接地金属层(10)和下接地金属层(14)之间通过埋孔(15)连接；下层为上层的镜像，下层是由上层以三层PCB结构对称镜像布置构成；上层和下层的金属层(5)相对镜像布置的两个矩形金属贴片(6)之间通过过孔(17)连接，过孔(17)穿设过三层PCB结构，通过隔离缝隙(18)与三层PCB结构中的上接地金属层(10)和下接地金属层(14)形成隔离，中间金属层(12)采用为一根导线(16)，导线(16)一端连接到变容二极管(8)负极端所连接金属层(5)的一个矩形金属贴片(6)对应连接的过孔(17)处，导线(16)一端连接到直流源；导线(16)将直流源的直流反偏电压加载到每个单元(4)的变容二极管(8)的负极端上；通过调节加载在变容二极管(8)上的直流反偏电压，在180度相位范围内控制可调相单元(4)的传输相位。
2.根据权利要求1所述的基于平面口径空间馈电的二维菲涅尔区板，其特征在于：二维菲涅尔区板(3)的后方布置球面波馈源天线(2)，球面波馈源天线(2)位于二维菲涅尔区板(3)中心O的法线方向上，通过采用动态相位补偿方式设置菲涅尔区板(3)表面形成相位分布。
3.根据权利要求2所述的基于平面口径空间馈电的二维菲涅尔区板，其特征在于：对于每个波束扫描方向，由球面波馈源天线(2)的相位中心A沿波束扫描方向的射线与菲涅尔区板(3)表面的交点作为参考点B，以球面波馈源天线(2)的相位中心A和参考点B之间的连线作为参考路径AB，计算获得二维菲涅尔区板(3)上任意点C与参考点B之间的相位差，即二维菲涅尔区板(3)上任意点处的可调相单元(4)相位与参考点B处的可调相单元(4)相位...
【专利技术属性】
技术研发人员：马超，冉立新，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33
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