光控微波天线阵列单元及阵列制造技术

本发明专利技术的一个技术方案是提供了一种光控微波天线阵列单元，其特征在于，包括图案化的金属层、至少一个光控开关二极管以及至少一个光敏电阻器件。本发明专利技术的另一个技术方案是提供了一种光控微波天线阵列，其特征在于，由上述的光控微波天线阵列单元组成。不同于波束扫描天线阵列技术中使用笨重的机械装置或与制造复杂且昂贵的半导体射频芯片，也有别于相控电磁超构表面采用的导线电控的方案，本发明专利技术采用光控方案，通过光路代替导线，实现低重量、低轮廓、低损耗、低成本、高增益、大扫描范围的新型波束扫描天线阵列，可以极大降低生产、研发和装配成本，规避芯片制程的影响。规避芯片制程的影响。规避芯片制程的影响。

【技术实现步骤摘要】
光控微波天线阵列单元及阵列


[0001]本专利技术涉及一种波束扫描天线阵列单元及由其组成的波束扫描天线阵列，属于基站天线、无线蜂窝通信、卫星通信、卫星地面终端、机/车载通信、机/车载雷达


技术介绍

[0002]现阶段实现波束扫描天线阵列的方式主要包括机械扫描和相控阵两个大类。机械扫描天线阵列通过机械转动天线阵面实现波束指向的变化，结构笨重、波束扫描速度慢。相控阵通过控制天线阵列中每个单元或子阵的幅度和相位分布来控制天线阵列辐射波束的指向和形状，在相位控制层面又主要分为三个子类，分别为：数字波束成形、模拟波束成形和数模混合波束成形，其技术方案简述为(1)在低频基带信号端通过数字信号合成后，再混频实现天线单元或子阵的相位变化；(2)在射频微波信号端，混频后，再通过射频移相器实现天线单元或子阵的相位变化；(3)在低频和射频端均做一部分移相处理的混合方案。三种方共同的特点是：(1)依赖于高精度半导体集成电路制程；(2)成本高；(3)制造复杂。因此，难以满足民用市场如基站、卫通终端对低剖面波束扫描天线阵列的低成本要求。
[0003]近期兴起的相控电磁超构表面有望避开对半导体集成电路的依赖，从而降低成本和大规模生产的复杂度。其基本架构是将“移相”功能从天线的馈线电路前移至辐射口面，即控制辐射口面的表面波相位分布而非辐射单元的馈电电路中的激励电压波的相位分布，从“电路”调控走向“电磁场”调控。实现该功能的基本方法包括以下几步：
[0004](1)设计均匀或非均匀分布的辐射单元组成的阵列；
[0005](2)在辐射单元中嵌入调控器件，包括开关二极管、变容二极管、微机电二极管；
[0006](3)在辐射单元之间嵌入调控器件，包括开关二极管、变容二极管、微机电二极管；
[0007](4)通过导线连接上述调控器件与外部控制电路，改变器件的电压或电流偏置状态，实现辐射口径的电磁特性的变化，进一步实现对辐射场的调控。
[0008]该方法存在以下限制和缺点：
[0009]1.最高方向性有限。每个调控器件需要单独的导线连接以实现外部控制，天线单元数量决定了需要的导线数量，但布线面积仅受单元之间的间距控制，为不变量，否则将引起大栅瓣、高副瓣、方向图畸变。因此，二者之间的矛盾导致有线控制调控器件的架构无法实现天线阵列规模的有效扩展，可实现的最高方向性有限，通常为15dBi以下。
[0010]2.工作频率受限。天线间的几何间距随频率升高而缩小，可容纳的布线面积和导线数量随该天线间距的减小而减小。对固定的单元数，天线最高工作频率受限，通常为18GHz以下。
[0011]3.无法实现双线极化和双圆极化。实现多极化需要至少双倍的布线面积，同以上原因，难以实现。

技术实现思路

[0012]本专利技术的目的是：提供一种低成本多波束扫描天线技术，可用于无线蜂窝通信、车
载雷达、车载通信、机载雷达、卫星通信等。
[0013]为了达到上述目的，本专利技术的一个技术方案是提供了一种光控微波天线阵列单元，其特征在于，包括图案化的金属层、至少一个开关二极管以及至少一个光敏器件，其中：
[0014]上述图案化的金属层、光敏器件、开关二极管之间，两两通过直接或间接或耦合方式相连。
[0015]所述直接相连指上述二者之间(图案化的金属层、光敏器件、开关二极管之间)通过电容、电阻、电感、导线等实体器件及至少两个相同或不同实体器件的任意组合相连接。
[0016]所述间接相连指上述二者之间通过具有电容、电阻或电感效应的物质发生联系，该物质包括具有前述效应的气态、液态、固态、等离子态、带电粒子束、阴极射线等实体物质或材料。
[0017]所述耦合相连是指上述二者之间近距离放置，通过近场电磁感应发生联系，二者之间可以存在或也可以不存在任何物质(即真空状态)。
[0018]优选地，所述光敏器件的电阻值由外部光强变化导致产生的变化范围大于20倍，该外部光照波长范围为10nm到1060nm。
[0019]优选地，所述直接连接方式包括通过电容、电阻、导线、电感及其任意组合相连。
[0020]优选地，所述间接连接方式包括通过电容、电阻、导线、电感及其任意组合相连。
[0021]优选地，所述光敏器件与所述开关二极之间的距离小于0.3mm。
[0022]优选地，所述光敏器件与所述图案化的金属层的任意部分之间的最小直线距离小于0.3mm。
[0023]本专利技术的另一个技术方案是提供了一种光控微波天线阵列，其特征在于，由上述的光控微波天线阵列单元组成。
[0024]不同于波束扫描天线阵列技术中使用笨重的机械装置或与制造复杂且昂贵的半导体射频芯片，也有别于相控电磁超构表面采用的导线电控的方案，本专利技术采用光控方案，通过光路代替导线，实现低重量、低轮廓、低损耗、低成本、高增益、大扫描范围的新型波束扫描天线阵列，可以极大降低生产、研发和装配成本，规避芯片制程的影响。
附图说明
[0025]图1为本专利技术涉及的阵列包括图案化的金属层的示意图；
[0026]图2示意了“光敏器件”、“开关二极管”与“图案化金属层的任一部分”的联系方式；
[0027]图3示意了本专利技术所涉及的天线阵列中的一个组成单元的第一种实施例(侧视图)；
[0028]图4为图3中三层图案化的金属层的俯视图；
[0029]图5示意了本专利技术所涉及的天线阵列中的一个组成单元的第二种实施例(侧视图)；
[0030]图6为图5中图案化的金属层的结构示意图；
[0031]图7和图8示意了间接连接光敏器件、开关二极管和图案化金属层的双层单元结构；
[0032]图9和图10示意了间接连接光敏器件、开关二极管和图案化金属层的单层单元结构；
[0033]图11和图12示意了耦合连接光敏器件、开关二极管和图案化金属层的双层单元结构；
[0034]图13和图14示意了耦合连接光敏器件、开关二极管和图案化金属层的单层单元结构；
[0035]图15示意了光控微波天线阵列。
具体实施方式
[0036]下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
[0037]实施例一：双层直连
[0038]如图3所示，本实施例所涉及的天线阵列中的一个组成单元包括两层介质基板——分别为介质基板1、介质基板2，三层图案化的金属层——图案化金属层3、4、5。开关二极管6与光敏器件7分别置于图案化金属层3和图案化金属层5。结合图4，位于图案化金属层3的光控开关二极管6与位于图案化金属层5的光敏器件7通过一个矩形金属贴片和一个金属化通孔8相互连接。图案化金属层3与图案化金属层4通过一个矩形金属贴片和一个金属化通孔9相互连接。
[0039本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光控微波天线阵列单元，其特征在于，包括图案化的金属层、至少一个开关二极管以及至少一个光敏器件，其中：图案化的金属层、光敏器件、开关二极管之间，两两通过直接或间接或耦合方式相连。2.如权利要求1所述的一种光控微波天线阵列单元，其特征在于，所述直接相连指图案化的金属层、至少一个开关二极管以及至少一个光敏器件二者之间通过实体器件或者至少两个相同或不同实体器件的任意组合相连接；所述间接相连指图案化的金属层、至少一个开关二极管以及至少一个光敏器件二者之间通过具有电容、电阻或电感效应的物质发生联系；所述耦合相连是指图案化的金属层、至少一个开关二极管以及至少一个光敏器件二者之间近距离放置，通过近场电磁感应发生联系，二者之间存在或不存在任何物质。3.如权利要求1所述的一种光控微波天线阵列单元，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：林丰涵，缪思羽，
申请(专利权)人：上海科技大学，
类型：发明
国别省市：