一种基于数字相控电磁表面的新型相控阵天线的制作方法

本发明设计天线技术领域，具体涉及一种基于数字相控电磁表面的新型相控阵天线。

背景技术：

具有高增益波束扫描特性的相控阵天线在卫星通信、遥感成像、导航引导等领域具有广泛的应用。现有的高增益波束扫描天线主要有机械旋转抛物面天线和电控相控阵天线两大类。其中，旋转抛物面天线具有结构简单、成本低、效率高等优点，但其外形为特殊的曲面、体积庞大、重量沉且波束扫描速度慢、伺服系统要求高。电扫相控阵天线可以较好地克服上述不足，其不仅扫描速度快、性能更加灵活，平面或共形结构也更有利于与载体保持共形，但其馈电网络设计复杂，尤其当天线口径增大时，馈电损耗较高，天线的辐射效率较低，可实现的增益受限。虽然在单元中引入固态收发组件可以减小馈电损耗，但系统的成本、重量将大幅提高，这些都限制了现有相控阵天线的大规模应用。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种基于数字相控电磁表面的新型相控阵天线，以较低的成本获得快速波束扫描性能。

为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种基于数字相控电磁表面的新型相控阵天线，包括：馈源和数字相控电磁表面，其中，所述馈源用于为所述数字相控电磁表面提供空间照射源和接收所述数字相控电磁表面的散射电磁波；所述数字相控电磁表面包括多个数字相控辐射单元，每个所述数字相控辐射单元包括：辐射模块；直流偏置电路，与所述辐射模块连接，用于为所述辐射模块提供偏置电流；数字控制器件，集成在所述辐射模块上，用于在不同直流偏置情况下调节辐射模块的相位。

进一步地，当所述馈源置于所述数字相控电磁表面前方，且所述数字相控电磁表面处于所述馈源的远场照射区时，所述新型相控阵天线处于反射式工作状态，所述数字相控辐射单元还包括自上而下包括金属贴片层、第一介质板、金属地和第二介质板，其中，所述金属贴片层设置有所述辐射模块和所述数字控制器件；所述直流偏置电路层设置有扇形金属线和与电压源连接的金属线，所述与电压源连接的金属线与所述扇形金属线连接；在所述金属贴片层和所述金属地之间设置有第一导电连接件，所述扇形金属线和所述金属贴片层之间设置有第二导电连接件，所述第二导电连接件与所述金属地规避隔开，所述第二导电连接件分别与所述辐射单元和所述扇形金属线连接。

进一步地，所述馈源置于所述数字相控电磁表面后方，且所述数字相控电磁表面处于所述馈源的远场照射区时，所述新型相控阵天线处于远场透射式工作状态，所述数字相控辐射单元还包括自上而下包括第一金属贴片层、第一介质板、第二金属贴片层和第二介质板，其中，所述第一金属贴片层设置有所述辐射模块和所述数字控制器件；所述直流偏置电路层设置有扇形金属线和与电压源连接的金属线，所述与电压源连接的金属线与所述扇形金属线连接；在所述第一金属贴片层通过第一导电连接件与电压源的地相接，所述扇形金属线和所述金属贴片层之间设置有第二导电连接件，所述第二导电连接件与所述第二金属贴片层规避隔开，所述第二导电连接件分别与所述辐射单元和所述扇形金属线连接。

进一步地，当所述馈源为阵列天线，如微带阵列天线时，不限于微带阵列天线，所述馈源置于所述数字相控电磁表面后方，且所述数字相控电磁表面处于所述馈源的近场照射区时，所述新型相控阵天线处于近场透射式工作状态，所述馈源为阵列馈源，所述新型相控阵天线具有低剖面特征。

进一步地，所述第一金属连接件和所述第二金属连接件均为圆筒体结构。

进一步地，所述扇形金属线的圆心与所述第二金属连接件的圆心重合，所述扇形电源线的张角为60度。

进一步地，所述数字控制器件包括PIN二极管、变容二极管和MEMS二极管。

根据本发明实施例的基于数字相控电磁表面的新型相控阵天线，利用数字控制器件调节电磁表面每个单元的反射相位或者透射相位，并采用喇叭馈源从空间照射整个表面，通过数字控制的方式调节表面每个单元的相位，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、重量轻、易共形、成本低的优点。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明实施例的基于数字相控电磁表面的新型相控阵天线的结构框图；

图2是本发明一个实施例馈源前置反射式相控阵天线示意图；

图3是本发明一个实施例馈源后置远场透射式相控阵天线示意图；

图4是本发明一个实施例阵列馈源后置近场透射式相控阵天线示意图；

图5是本发明一个实施例的数字相控辐射单元结构图；

图6是本发明一个实施例的基于数字相控电磁表面的新型相控阵天线工作在X频段的扫描波束结果图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

以下结合附图描述本发明。

图1是本发明实施例的基于数字相控电磁表面的新型相控阵天线的结构框图。如图1所示，一种基于数字相控电磁表面的新型相控阵天线，包括馈源100和数字相控电磁表面200。

其中，馈源100用于为数字相控电磁表面200提供空间照射源和接收所述数字相控电磁表面的散射电磁波。

具体地，如图2所示，馈源100及馈电方式采用置于所述数字相控电磁表面200前方的远区反射式馈电，即所述数字相控电磁表面200接收馈源的远场照射，本实例馈源100为普通的商用喇叭，但并不局限于喇叭天线，也可以是其他形式的天线，如微带天线。如图3所示，在本发明的另一个示例中，馈源100置于数字相控电磁表面200的后方，馈源100远场照射数字相控电磁表面200，相控阵天线工作于远场透射式状态。如图4所示，在本发明的另一个示例中，馈源100为微带阵列天线，且数字相控电磁表面200置于馈源100的近场区，数字相控电磁表面200工作于近场透射式状态。

数字相控电磁表面200包括多个数字相控辐射单元，每个数字相控辐射单元包括：辐射模块；直流偏置电路，与所述辐射模块连接，用于为所述辐射模块提供偏置电流；数字控制器件，集成在所述辐射模块上，用于在不同直流偏置情况下调节辐射模块的相位。

具体地，数字相控电磁表面200包括多个数字相控辐射单元210。在本发明的一个示例中，数字相控电磁表面200为n×m个数字相控辐射单元210构成的阵列，n、m的取值根据应用需要确定。每个数字相控辐射单元210包括辐射模块211、直流偏置电路212和数字控制器件213。数字控制器件213一端与辐射模块211连接，另一端接地。直流偏置电路212与辐射模块211连接，用于为数字控制器件提供偏置电流。

图5是本发明一个实施例的数字相控辐射单元结构图，如图5所示，在本发明的一个实施例中，馈源100和数字相控电磁表面200处于反射式工作状态(如图2所示)。此时，数字相控辐射控制单元210包括自上而下包括金属贴片层1、第一介质板2、金属地3、第二介质板4和直流偏置电路层5。其中，金属贴片层1设置有辐射贴片11和多边形贴片12、矩形贴片13和PIN二极管14。

直流偏置电路5包括扇形金属线51和多边形金属线52。扇形金属线51的圆心与第二圆筒体的圆心重合，张角为60度。多边形金属线52一端与扇形金属线51的圆心重合，另一端可沿任意走向任意边沿位置，仅需与电压源连接即可。

根据等效电路理论，当PIN二极管正极加载开关电压时，其可等效为不同的电路，因此整个单元的等效电路将相应改变，单元对照射波的反射响应也将变化。利用这一特点，适当优化参数，参数包括矩形辐射贴片11的第一边长px和第二边长py，矩形贴片13的长度bx和宽度w，金属贴片层1与金属地3之间的距离h1和金属地3和直流偏置电路层5之间的距离h2有关。通过设置上述参数即可在需要的频率得到两个数字可控的反射相位值。

在本发明的另一个实施例中，馈源100和数字相控电磁表面200处于远场透射式工作状态(如图3所示)。此时，数字相控辐射单元还包括自上而下包括第一金属贴片层、第一介质板、第二金属贴片层和第二介质板。其中，第一金属贴片层设置有辐射模块和数字控制器件；直流偏置电路层设置有扇形金属线和与电压源连接的金属线，与电压源连接的金属线与扇形金属线连接；在第一金属贴片层通过第一导电连接件与电压源的地相接，扇形金属线和金属贴片层之间设置有第二导电连接件，第二导电连接件与第二金属贴片层规避隔开，第二导电连接件分别与辐射单元和扇形金属线连接。

需要说明的是，当馈源100和数字相控电磁表面200处于远场透射式工作状态时，与馈源100和数字相控电磁表面200处于反射式工作状态相比，数字相控电磁表面200的数字相控辐射单元用第二贴片层替代金属地3，其他结构相同，同样可以在需要的频率得到两个数字可控的反射相位值。

在本发明的另一个实施例中，馈源100和数字相控电磁表面200处于近场透射式工作状态时，馈源100为阵列馈源，与数字相控电磁表面200的距离大概三个波长，此时由阵列馈源和数字相控电磁表面200组成的新型相控阵天线具有低剖面特征。

在本发明的一个实施例中，PIN二极管14为MACOM公司生产的MADP-000907-14020，但不局限于该公司的该型号产品。其工作状态包括：导通、截止。

在本发明的一个实施例中，第一介质板2为Taconic TLX-8，相对介电常数为2.55，但不局限于该电磁参数的板材。

在本发明的一个实施例中，第二介质板4为FR-4，相对介电常数为4.4，但不局限于该电磁参数的板材。

本发明实施例中的数字控制单元，矩形辐射贴片11的边长决定了工作频率，通过调整第一边长px，可使该单元工作在需要的频率。

图6是本发明一个实施例的基于数字相控电磁表面的新型相控阵天线工作在X频段的扫描波束结果图。其中，天线包含40×40个数字控制单元，工作在11.1GHz。从图5中可以看出：该实施例实现了高增益聚焦波束的空间扫描，其中，图5示的天线实现了±60°扫描，波束由0°扫描至60°时，增益下降3.4dB。

本发明实施例的数字相控电磁表面的新型相控阵天线，利用集成的数字控制器件直接调节数字相控电磁表面中每个数字相控辐射单元的辐射相位，并采用馈源从空间照射整个表面，通过数字控制的方式调节表面所有单元的相位，从而获得高增益聚焦的动态扫描波束和捷变波束。这种高增益波束扫描天线设计方法，结合了常见抛物面天线和相控阵天线的优点，同时克服了两者的不足，具有非常突出的性能、成本及推广使用优势。具体表现为：馈电损耗小、辐射效率高、波束扫描速度快、阵列规模拓展性强、结构简单、重量轻、易共形、成本低等。

另外，本发明实施例的基于数字相控电磁表面的新型相控阵天线的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。