一种基于近场空馈机制的低剖面新型相控阵天线制造技术

本发明专利技术涉及一种基于近场空馈机制的低剖面新型相控阵天线，属于天线技术领域。该天线包括：初级馈源，用于发射或者接收电磁波；匹配层，用于将调整馈源发出的电磁波，或者将接收的电磁波汇聚到所述初级馈源内；辐射层，用于将匹配层发出的电磁波转换为平面波，或者将平面波接收并汇到所述匹配层。初级馈源、匹配层和辐射层依次空间级联，且具有一定的空间间距。本发明专利技术天线与传统相控阵天线技术相比，具有集成度高、易共形、低剖面、低成本的特点。

A new type of low profile phased array antenna based on near-field space feed mechanism

【技术实现步骤摘要】
一种基于近场空馈机制的低剖面新型相控阵天线
本专利技术属于天线
，涉及一种基于近场耦合机制的低剖面透射式平面相控天线。
技术介绍
高增益波束扫描天线在无线技术中是非常具有吸引力和实用性的，特别是在5G无线通信、无线功率传输和卫星通信等系统。最具有代表性的高增益波束扫描天线是传统相控阵天线，它是由多个辐射单元，多个移相器以及馈电网络组成，通过改变每个辐射单元的相位，在指定方向形成了聚焦波束。因具有灵活的波束扫描及波束捷变等功能，传统相控阵天线的应用较为广泛。然而，随着单元数目的增加，馈电网络的复杂度和损耗在高增益的应用中是不可忽视的，此外，收发组件的使用也导致了高成本和额外的损失。因此，高成本、低效率、系统复杂成为了传统相控阵天线的技术局限，突破传统相控阵天线的技术局限成了目前炙热的研究方向。另一方面，电磁表面技术作为一种新型电磁调控技术，近年来得到了广泛的研究。该技术通过改变电磁表面单元的尺寸，在单元结构上实现了不同的电磁响应。为了进一步实现灵活的波束扫描性能，在电磁表面结构中加入可控元件或可调谐材料，构成了可重构电磁表面，该技术具有低成本、轻薄易共形的优点。为了突破传统相控阵天线的技术局限，基于可重构电磁表面技术的空馈相控阵天线作为一种高增益波束扫描天线技术，近年来得到了广泛的研究。该技术通过在电磁表面单元结构中加入可控元件或可调谐材料，构成了相控电磁表面单元。在空馈相控阵天线系统中，为了实现较大效率的空间馈电，馈源是被放置在天线的远场辐射区。而对于空馈系统，通常采用增大口面尺寸的方法，实现高增益波束。空馈系统的焦径比通常是固定的，因此口面尺寸的增大会提高空馈系统的剖面，导致体积增大，而庞大的体积又会限制其推广应用。另外，天线系统根据波束出射方向分为反射式和透射式。相比于反射式系统，透射式系统没有馈源遮挡，系统集成度高，容易实现共形。因此，亟需一种集成度高、易共形、低剖面、低成本的透射式平面相控天线。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于近场空馈机制的低剖面透射式平面相控天线，用于突破传统相控阵天线的技术局限，实现天线的高性能、低成本、平面易共形。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于近场空馈机制的低剖面新型相控阵天线，包括依次空间级联的初级馈源(100)、匹配层(200)和辐射层(300)；所述匹配层(200)包括多个匹配单元(210)；所述辐射层(300)包括多个相控单元(310)，每个相控单元(310)包括相控模块(311)、偏置模块(312)和辐射模块(313)；所述初级馈源(100)用于发射和接收电磁波；所述匹配层(200)用于将从初级馈源(100)上接收到的电磁波转化为辐射层(300)的入射电磁波或从辐射层(300)上接收电磁波转化为初级馈源接收的电磁波；所述辐射层(300)用于将匹配层发出的电磁波转换为平面波，或者将平面波接收并汇到匹配层；所述辐射模块(313)用于提供能量辐射，所述偏置模块(312)用于为辐射模块(313)提供偏置电流，所述相控模块(311)用于控制相控单元(310)的相位；所述初级馈源(100)与匹配层(200)的空间距离为D1,匹配层(200)和辐射层(300)的空间距离为D2，通过合理选择D1和D2的值，能够获得最佳的天线性能。进一步，所述初级馈源(100)由馈电端口(110)、传输模块(120)和多个辐射单元(130)组成；所述馈电端口(110)用于给初级馈源提供射频能量和将初级馈源接收到的电磁波转化为射频能量；所述传输模块(120)包括多路传输支路，用于将射频能量进行多路分配，实现射频能量的多路传输；所述辐射单元(130)用于将传输支路上的射频能量转化为自由空间的电磁波，或者将自由空间的电磁波转化为传输支路上的射频能量。进一步，所述初级馈源(100)的极化形式为线极化或圆极化形式。进一步，所述多个匹配单元(210)是周期性排列的，每个匹配单元由多层介质板组成，在每一个介质板上开方形空气孔，通过改变空气孔的尺寸来改变匹配层的相位和透射幅度。进一步，所述相控模块(311)通过集成数字控制器件实现相位的数字控制；所述数字控制器件包括PIN二极管、变容二极管或MEMS二极管等集总控制元件，以及微马达等电机控制器件。进一步，所述相控单元(310)自上而下具体包括：第一介质板(1)、第一金属层(2)、第二介质板(3)、第二金属层(4)、第三介质板(5)、第三金属层(6)、第四介质板(7)、第四金属层(8)、第五层介质板(9)和第五金属层(10)；所述第二金属层(4)通过第一导体连接杆与第三金属层(6)相连，通过第三导体连接杆与第五金属层(10)相连；所述第四金属层(8)通过第二导体连接杆与第五金属层(10)相连。进一步，所述第二金属层(4)设置有L形微带耦合传输线(221)和两条多边形金属线(222)；所述L形微带耦合传输线(221)呈矩形，远离多边形金属线(222)的矩形边中间处设有宽边耦合线；靠近多边形金属线(222)的矩形边与两条多边形金属线(222)的一端连接，且在连接点之间设置有数字控制器件(223)，用于控制相位；所述多边形金属线(222)的另一端与第一导体连接杆相连，靠近多边形金属线(222)的矩形边的中点处连接有第三导体连接杆。进一步，所述第一金属层(2)设置有矩形贴片(211)；所述第三金属层(6)为金属地(231)，用于与电压源的地相连，同时起到降低发射和接收的能量互耦的作用；所述第三金属层(6)为第三导体连接杆预留有通孔。进一步，所述第四金属层(8)为偏置电路，由扇形金属片(242)和金属线(241)组成；所述扇形金属片(242)的圆点与第二导体连接杆相连；所述金属线(241)一端与扇形金属片(242)连接，另一端与电压源的输出电压相连。进一步，所述第五金属层(10)设置有U形槽贴片(251)和多边形金属线(252)；所述多边形金属线(252)一端连接U形槽贴片的金属边缘，另一端连接第二导体杆。本专利技术的有益效果在于：本专利技术采用传统阵列天线作馈源，提高辐射效率；利用匹配层作为空间级联的枢纽，降低系统剖面和提高传输效率；利用辐射层，实现灵活的波束扫描和波束切换等功能；在辐射层集成数字控制器件，实现相位的数字控制，通过数字控制的方式调节每个辐射单元的相位，从而获得高增益聚焦的动态扫描波束、捷变波束或者多波束，具有馈电损耗小、波束扫描速度快、阵列规模拓展性强、结构简单、剖面低、平面易共形、成本低的优点，具体体现为：(1)采用阵列天线作馈源，提高照射效率；(2)馈源通过近场照射的方式实现能量的馈入，降低系统的剖面；(3)基于可重构电磁表面技术的相控单元通过集成数字控制器件实现相位量化，降低系统成本和复杂度；(4)在馈源与辐射层之间设计一层匹配层，提高空间传输的匹配度，提高传输效率。(5)匹配层的相位分布可以有效地抑制相位量化引入的栅瓣效应；(6)辐射采用透射设计本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于近场空馈机制的低剖面新型相控阵天线，其特征在于，该天线包括依次空间级联的初级馈源(100)、匹配层(200)和辐射层(300)；所述匹配层(200)包括多个匹配单元(210)；所述辐射层(300)包括多个相控单元(310)，每个相控单元(310)包括相控模块(311)、偏置模块(312)和辐射模块(313)；/n所述初级馈源(100)用于发射和接收电磁波；所述匹配层(200)用于将从初级馈源(100)上接收到的电磁波转化为辐射层(300)的入射电磁波或从辐射层(300)上接收电磁波转化为初级馈源接收的电磁波；所述辐射层(300)用于将匹配层发出的电磁波转换为平面波，或者将平面波接收并汇到匹配层；所述辐射模块(313)用于提供能量辐射，所述偏置模块(312)用于为辐射模块(313)提供偏置电流，所述相控模块(311)用于控制相控单元(310)的相位；/n所述初级馈源(100)与匹配层(200)的空间距离为D

【技术特征摘要】
1.一种基于近场空馈机制的低剖面新型相控阵天线，其特征在于，该天线包括依次空间级联的初级馈源(100)、匹配层(200)和辐射层(300)；所述匹配层(200)包括多个匹配单元(210)；所述辐射层(300)包括多个相控单元(310)，每个相控单元(310)包括相控模块(311)、偏置模块(312)和辐射模块(313)；
所述初级馈源(100)用于发射和接收电磁波；所述匹配层(200)用于将从初级馈源(100)上接收到的电磁波转化为辐射层(300)的入射电磁波或从辐射层(300)上接收电磁波转化为初级馈源接收的电磁波；所述辐射层(300)用于将匹配层发出的电磁波转换为平面波，或者将平面波接收并汇到匹配层；所述辐射模块(313)用于提供能量辐射，所述偏置模块(312)用于为辐射模块(313)提供偏置电流，所述相控模块(311)用于控制相控单元(310)的相位；
所述初级馈源(100)与匹配层(200)的空间距离为D1,匹配层(200)和辐射层(300)的空间距离为D2，通过合理选择D1和D2的值，能够获得最佳的天线性能。


2.根据权利要求1所述的基于近场空馈机制的低剖面新型相控阵天线，其特征在于，所述初级馈源(100)由馈电端口(110)、传输模块(120)和多个辐射单元(130)组成；
所述馈电端口(110)用于给初级馈源提供射频能量和将初级馈源接收到的电磁波转化为射频能量；所述传输模块(120)包括多路传输支路，用于将射频能量进行多路分配，实现射频能量的多路传输；所述辐射单元(130)用于将传输支路上的射频能量转化为自由空间的电磁波，或者将自由空间的电磁波转化为传输支路上的射频能量。


3.根据权利要求1所述的基于近场空馈机制的低剖面新型相控阵天线，其特征在于，所述初级馈源(100)的极化形式为线极化或圆极化形式。


4.根据权利要求1所述的基于近场空馈机制的低剖面新型相控阵天线，其特征在于，所述多个匹配单元(210)是周期性排列的，每个匹配单元由多层介质板组成，在每一个介质板上开方形空气孔，通过改变空气孔的尺寸来改变匹配层的相位和透射幅度。


5.根据权利要求1所述的基于近场空馈机制的低剖面新型相控阵天线，其特征在于，所述相控模块(311)通过集成数字控制器件实现相位...

【专利技术属性】
技术研发人员：王敏，陈正川，胡南，谢文青，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，北京星英联微波科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：重庆;50