专利名称：一种波控系统简单的单板微带缝隙相控阵天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于单板系统集成技术、结构紧凑且波控系统非常简单的单板微带缝隙相控阵天线，这种天线可用于便携式低成本毫米波实时成像和雷达系统。
背景技术：
天线是雷达、毫米波成像以及无线通信等系统中必不可少的重要组成部分，天线发射或接收电磁波的波束指向在很多应用场合(例如目标搜索雷达或毫米波扫描成像系统)需要有规律的运动，即扫描。天线波束的扫描可以通过机械驱动的方式实现，也可以采用电气控制的方式实现。机械扫描是天线按指令作机械运动实现的波束扫描，天线的扫描速率不高，影响数据传输率，并且波束的精确扫描还需克服机械运动的惯性作用，尤其是尺寸和质量较大的天线更是如此。电扫描天线不作机械运动，天线发射或接收波束可在设定空域无惯性地改变指向，扫描速率也大大提高。电扫描天线的上述固有优点使其在雷达和毫米波成像系统中起着举足轻重的作用。以毫米波成像为例，除了电扫描成像方式外，还有机械扫描成像和凝视焦面阵成像等成像方式，但这两种成像方式都有难以克服的缺点。机械扫描成像通过机械装置驱动传感器在成像天线的焦平面扫描，或者驱动整副天线对远场进行扫描，这种扫描方式的主要缺点是机械装置的移动速率难以保证实时成像，并且机械扫描装置的存在降低了系统的便携性；而凝视焦面阵类似于家用数码相机的CCD，理论上，这种系统中需要有与焦面阵元数相等的多个接收机，从而使得整个焦面阵成像系统的造价相当昂贵。如果采用电扫描成像则可以大幅降低接收机的数量甚至只用一个接收机，有效控制成本，并且做到实时成像。在雷达系统中，电扫描天线的杰出代表相控阵天线更是发挥着无可替代的作用，目前各个国家最高水平的军用雷达都是相控阵雷达。传统的相控阵天线系统通过将数目众多的移相器(Phase shifter-PS)和天线(Antenna)相互连接组成，这些移相器都是独立的器件，除了连接射频(RadioFrequency-RF)线外,还分别连接有自己的波束控制线(Control Line-CL),并与波束控制器(BeamController)相连，这使得传统相控阵的系统复杂、集成度低、便携性差，并且造价
曰虫印贝ο利用铁电体材料(例如钛酸锶钡BaxSivxTiO3 — BST)在直流电压作用下的介电可调性，可以制作性能优良的电调谐元件，相比半导体管、铁氧体以及MEMS器件，这种基于BST的电调元件有具有功耗小、成本低、可靠性高的特点。BST的介电可调性用于相控阵设计，可以设计出结构和性能出色的新型相控阵。本发明基于BST材料，结合可集成的天线阵列，提出一种新颖、简洁的相控阵结构，利用这种结构设计的相控阵天线的波束控制系统非常简单，整个系统都集成在一块PCB板上(System onBoard-SoB)，集成度高，有利于将整个成像或雷达系统的体积小型化并减轻重量。
发明内容
本发明涉及一种基于单板系统集成技术、结构紧凑且波控系统简单的单板微带缝隙相控阵天线，该天线可用于便携式、低成本毫米波实时成像和雷达系统。这种相控阵天线的特点是系统中的移相器与天线阵有机地结合到一起，使得整个天线系统可以集成于单块PCB上，波束扫描的控制系统非常简单。本发明采用如下技术方案一种波控系统简单的单板微带缝隙相控阵天线，包括介质基板，在介质基板的一个表面上设有接地金属板，在介质基板的另一个表面上设有至少两条行向微带线和一条列向微带线，在接地金属板上沿着与每条行向微带线相对应的直线刻蚀等间距的缝隙一微带缝隙天线，列向微带线通过隔直电容分别与行向微带线的一端连接，行向微带线的另一端通过隔直电容分别连接匹配负载，所述列向微带线的一端通过隔直电容连接匹配负载，列向微带线的另一端通过隔直电容连接到射频端，在每条行向微带线与介质基板之间分别设有行向钛酸锶钡BST条，在列向微带线与介质基板之间设有列向钛酸锶钡BST条。微带线与接地板之间不加载电压时，每两条相邻的行向微带线的电磁信号之间存在一个初始的列向相位差δ y，同时，沿着每条行向微带线传播并耦合到接地板相应直线上的两个相邻微带缝 隙天线之间的电磁信号也有一个初始的行向相位差Sx，使得天线阵产生一个与6丨和δχ对应的波束指向。当在每条行向微带线与接地金属板之间施加直流电压V2且在列向微带线与接地金属板之间施加直流电压V1后，行向钛酸锶钡BST条和列向钛酸锶钡BST条的介电常数发生改变，电磁信号的传播速度随之改变，使得\和S ,发生相应的变化，分别变化至δχ+Λ δ,Λ 5y, Δ δχ是行向相位差的变化量，Δ δ y是列向相位差的变化量，这时天线产生与δχ+Λ δ,Λ 3丨对应的波束指向，从而达到波束扫描的目的。与现有技术相比，本发明具有如下优点具有极其简单的波束控制系统，对于一个MXN阵列，无论其M和N值为多少，要实现波束的二维扫描只需要两路波束控制线一即两路电压控制线，而一个传统的MXN阵列相控阵天线则需要MXN路波束控制线(例如图I所示的3X3阵列共需9路波束控制线)。通常，相控阵有成千甚至上万个单元，也就是说需要成千上万路波束控制线，对系统的简易度和成本构成严重影响；而本发明中相控阵结构中对波束的扫描控制只需要两路电压控制线，系统简单并节约成本。另外，本发明中位于BST薄膜上的微带线部分既是移相电路结构的一部分，同时又起到连接天线的作用，从而使得整个相控阵结构形成一种准无缝连接，有利于减少系统体积和重量，并使本发明结构紧凑。而普通的相控阵系统中，每个移相器都需要有各自独立的控制线，各个移相器不能像本发明中的移相部分那样连接成一体，并与天线形成准无缝连接。本发明涉及的内容不仅可用于发展低成本、便携式的电扫描毫米波成像系统有重要意义，也可以用于研制低成本、紧凑型电扫描雷达天线。
四
图I是现有普通相控阵的波束控制示意图。图2是本发明的二维相控阵原理图。图3是本发明的结构示意图。图4是接地板上的微带缝隙天线示意图。五具体实施例方式一种波控系统简单的单板微带缝隙相控阵天线，包括介质基板1，在介质基板I的一个表面上设有接地金属板6，在介质基板I的另一个表面上设有至少两条行向微带线3和一条列向微带线2，在接地金属板6上沿着与每条行向微带线相对应的直线刻蚀等间距的缝隙一微带缝隙天线12，列向微带线2通过隔直电容8分别与行向微带线3的一端连接，行向微带线3的另一端通过隔直电容8分别连接匹配负载9，所述列向微带线2的一端通过隔直电容8连接匹配负载9，列向微带线2的另一端通过隔直电容8连接到射频端10，在每条行向微带线3与介质基板I之间分别设有行向钛酸锶钡BST条4，在列向微带线2与介质基板I之间设有列向钛酸锶钡BST条11。微带线与接地板之间不加载电压时，每两条相邻的行向微带线的电磁信号之间存在一个初始的列向相位差Sy，同时，沿着每条行向微带线3传播并耦合到接地板6相应直线上的两个相邻微带缝隙天线I之间的电磁信号也有一个初始的行向相位差Sx，使得天线阵产生一个与6丨和δχ对应的波束指向。当在每条行向微带线3与接地金属板6之间施加直流电压V2且在列向微带线2与接地金属板6之间施加直流电压V1后，行向钛酸锶钡BST条4和列向钛酸锶钡BST条11的介电常数发生改变，电磁信号的传播速度随之改变，使得\和S ,发生相应的变化，分别变化至δχ+Λ δχ和δ,Λ 5y, Δ δχ是行向相位差的变化量，Δ 3丨是列向相位差的变化量，这时天线产生与δχ+Δ δ,Λ 3丨对应的波束指向，从而达到波束扫描的目的。实现这种二维相控阵结构的关键是实现交、直流信号的隔离，直流电源V1与列向微带线2之间、不同行向微带线3之间的并联以及行微带线3并联后与直流电源V2的连接线采用通直流阻高频的蛇行线7，以防止行向微带线3之间传输的交流信号互相影响以及交流信号泄露到直流电路；行向微带线3与射频端10之间、行向微带线3与匹配负载9之间、行向微带线3与列向微带线2之间以及列向微带线与匹配负载9之间则设置隔直流通高频的隔直电容8，以免直流信号泄露到交流电路。匹配负载9用于吸收未辐射出去的少量电磁波，防止末端反射波产生不良影响。
权利要求
1. 一种波控系统简单的单板微带缝隙相控阵天线，包括介质基板，在介质基板的一个表面上设有接地金属板(6)，在介质基板的另一个表面上设有至少两条行向微带线(3)和一条列向微带线(2)，在接地金属板(6)上沿着与每条行向微带线相对应的直线刻蚀等间距的缝隙一微带缝隙天线(12)，列向微带线(2)通过隔直电容(8)分别与行向微带线(3)的一端连接，行向微带线(3)的另一端通过隔直电容(8)分别连接匹配负载(9)，所述列向微带线(2)的一端通过隔直电容(8)连接匹配负载(9)，列向微带线(2)的另一端通过隔直电容(8)连接到射频端(10)，在每条行向微带线(3)与介质基板(I)之间分别设有行向钛酸锶钡BST条(4 )，在列向微带线(2 )与介质基板(I)之间设有列向钛酸锶钡BST条(11)，微带线与接地板之间不加载电压时，每两条相邻的行向微带线的电磁信号之间存在一个初始的列向相位差δ y，同时，沿着每条行向微带线(3)传播并耦合到接地板(6)相应直线上的两个相邻微带缝隙天线(I)之间的电磁信号也有一个初始的行向相位差δ χ，使得天线阵产生一个与\和\对应的波束指向；当在每条行向微带线(3)与接地金属板(6)之间施加直流电压V2且在列向微带线(2)与接地金属板(6)之间施加直流电压V1后，行向钛酸锶钡BST条(4)和列向钛酸锶钡BST条(11)的介电常数发生改变，电磁信号的传播速度随之改变，使得\和S ,发生相应的变化，分别变化至δχ+Λ SjP δ,Λ Sy，Λ δχ是行向相位·差的变化量，Δ δ y是列向相位差的变化量，这时天线产生与δ χ+ Λ δ χ和δ y+ Λ δ y对应的波束指向，从而达到波束扫描的目的。
全文摘要
一种基于单板系统集成技术、结构紧凑且波控系统简单的单板微带缝隙相控阵天线，包括介质基板，在介质基板的一个表面上设有接地金属板，在介质基板的另一个表面上设有至少两条行向微带线和一条列向微带线，在接地金属板上沿着与每条行向微带线相对应的直线刻蚀等间距的缝隙－微带缝隙天线；列向微带线通过隔直电容分别与行向微带线的一端连接，行向微带线另一端通过隔直电容分别连接匹配负载；列向微带线的一端通过隔直电容连接匹配负载，另一端通过隔直电容连接到射频端；在每条行向微带线与介质基板之间分别设有行向钛酸锶钡BST条，在列向微带线与介质基板之间也设有列向钛酸锶钡BST条。
文档编号H01Q3/34GK102938504SQ20121048918
公开日2013年2月20日 申请日期2012年11月26日 优先权日2012年11月26日
发明者王宗新, 杨非, 褚家美 申请人:东南大学