一种基于微带线结构的可重构波束扫描阵的制作方法

本发明属于天线技术领域，特别涉及一种基于微带线结构的可重构波束扫描阵。

背景技术：

大多数无线系统的工作频段都是给定的一段很窄的频率范围，固定频点波束扫描的应用领域非常广泛，比如汽车雷达系统、高分辨率成像系统和卫星通信系统等。最常见的波束扫描天线是给天线阵列的每个单元引入一个有连续相位调节能力的相移器，但是连续相移器有很多缺陷，比如连续电压/电流控制很复杂、对温度的变化比较敏感、在不同相移状态下插入损耗不同等等。

可重构比特阵可以解决连续相位扫描阵存在的这些缺陷，可重构比特阵把每个天线单元所需的理想相位进行了量化，以牺牲天线性能为代价来降低系统复杂性。对于一个n比特阵，每个辐射单元有2ⁿ个可用的相位，单元实际激励相位用最接近理想相位的量化相位代替。可重构单元通常与不同类型的可调节比特器件相集成，比如二进制开关、pin管和数字相移器等，以便于在不同的相位状态之间进行切换。与连续相位扫描阵相比，比特阵有效地降低了偏置电路和控制逻辑的复杂性、减小了插入损耗、缩减了成本。

可重构比特阵可以分为三类。第一类是可重构反射阵和透射阵，大部分比特阵都属于这一类。其优点是设计方法成熟、空馈的馈电方式不需要考虑阻抗匹配问题，但是馈源和天线阵面构成三维结构，难以应用于空间受限的场景。第二类可重构比特阵是给每个天线单元加载一个数字相移器，这类比特阵为平面结构，但缺点是阵列在不同状态下输入阻抗变化剧烈，调节阻抗匹配很困难，设计没有任何规律、十分复杂。第三类可重构比特阵是给行波天线加载周期性可调节比特器件，它克服了第二类比特阵阻抗匹配调节困难的问题，同时也保持了平面结构。这一类比特阵中最常见的是基于半模波导漏波天线的可重构比特阵，通过开关来控制周期性集总电容或短路壁是否加载于半模波导的开口边，以此方式来调节固定频点处的散射特性，获得扫描波束。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于微带线结构的可重构波束扫描阵，基于传输行波的微带线具有连续360°相位的特性，提出了具有任意比特数目的可重构比特阵解决方案；并以十单元可重构2比特阵来验证该方案的可行性，仿真结果表明该可重构2比特阵在中心频点的主波束扫描范围达到了94°，且扫描域内的波束质量和一致性均很好。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于微带线结构的可重构波束扫描阵，包括作为比特相位源的行波微带线，在行波微带线两侧设置对称两个的天线单元，该对称的两个天线单元构成一个天线对，每个天线单元通过2^n-1个并联的二元开关与所述行波微带线连接，且n＞1时，同一个天线单元与行波微带线的连接点中，相邻连接点间距为λg/(2ⁿ)，使得每个天线对利用2ⁿ个二元开关产生n比特阵所需的2ⁿ个相位状态，构成一个可重构n比特单元，将所述可重构n比特单元沿行波微带线两侧周期性排列，即得可重构n比特阵列，其中，λg为介质波长。

所述二元开关闭合时，相应的天线单元与行波微带线相连，被有效激励；二元开关断开时，相应的天线单元与微带线相互隔离互不影响；每个天线对每次仅有一个天线单元被有效激励，另一个天线单元被隔离。

所述n＝1，每个天线对中的两个天线单元馈电方式相同但位置呈镜像关系，因而能得到0°和-180°两个相位状态，构成一个可重构1比特单元，将这种1比特单元沿行波微带线两侧周期性排列，便得到了可重构1比特阵列。

所述n＝2，每个天线对中的两个天线单元馈电方式相同但位置呈镜像关系，因而能得到0°、-90°、-180°和-270°四个相位状态，构成一个可重构2比特单元，将这种2比特单元沿行波微带线两侧周期性排列，便得到了可重构2比特阵列。

所述n＝3，每个天线对中的两个天线单元馈电方式相同但位置呈镜像关系，因而能得到0°、-45°、-90°、-135°、-180°、-225°、-270°和-315°八个相位状态，构成一个可重构3比特单元，将这种3比特单元沿行波微带线两侧周期性排列，便得到了可重构3比特阵列。

所述可重构n比特阵列通过选择每个天线单元的量化相位，实现固定频点波束扫描。

所述固定频点波束扫描中，不同扫描波束所对应的口面量化补偿相位分布的计算方法如下：

假设目标波束指向为θm，所需理想激励相位分布为：

φreq＝-k0×dp×sin(θm)×n

k0为电磁波自由空间波数，dp为可重构n比特单元的分布周期，由于周期性比特单元先后与行波微带线连接，因此相邻辐射单元之间存在一个与单元间距有关的固有相位差

其中λg表示介质波长，由这个固有相差产生的固有口面相位分布为：

阵列所需要的理想补偿相位分布为：

φobj＝φreq-φinh+φ0

其中ф0为相位调节项，用来优化口面相位分布以得到质量最优的扫描波束，将理想补偿相位归一化到-360°～0°范围内再进行量化便即得口面量化补偿相位分布，

至此便得到所有扫描波束所对应的口面量化补偿相位分布，每一种分布对应一种阵列状态。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

通过在行波传输线上直接获取不同的相位激励，用单个简单结构实现了现有相控阵天线中的馈电网络和移相器两种功能组件的集成。大幅度简化了相控阵天线的结构复杂度，可以显著降低相控阵天线的成本。

附图说明

图1为本发明所涉及的基于行波微带线结构的具有任意比特数目的可重构比特波束扫描阵，包括(a)1比特阵、(b)2比特阵、(c)3比特阵原理。

图2为本发明实现的十单元可重构2比特波束扫描阵。

图3为本发明的一个工作于5ghz的具体实施例。

表1为该实施例在中心频点5ghz处，不同目标扫描角度所对应的阵列状态以及所实现的主波束角度(十个2比特单元从左到右分别称为单元1～单元10，每个比特单元的四个相位状态0°、-90°、-180°、-270°分别称为1、2、3、4)。

图4为该实施例在-50°～+50°角度域内在中心频点5ghz处的扫描性能，包括(a)实现的12个h面方向性方向图，(b)和(c)以5°为间隔进行波束扫描时所对应的21个阵列状态在5ghz处的反射系数、透射系数、峰值方向性和峰值增益。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

基于传输行波的微带线上具有任意相位的特点，本发明首次提出利用行波微带线作为比特相控阵天线的相位源，以此为基础来构造具有任意比特数目的可重构比特阵的设计思想，图1以三种比特阵为例来详细说明基于微带线结构的可重构比特阵解决方案。

图1(a)为1比特阵原理图。传输行波的微带线两侧对称地分布着周期性(周期为dp)天线单元，对称的两个单元构成一个天线对(如天线1和天线2、天线3和天线4等)。每个单元上有一个二元开关来控制其是否与微带线连接：开关闭合时，该天线单元与微带线相连，可以被有效激励；开关断开时，该天线单元与微带线相互隔离互不影响；每个天线对每次仅有一个开关闭合，另一开关断开。每个天线对中的两个天线单元馈电方式相同但位置呈镜像关系，因此它们的空间辐射场存在180°相位差，这样便得到了两个相位状态0°和-180°，构成一个可重构1比特单元。将这种1比特单元沿行波微带线两侧周期性排列，便得到了可重构1比特阵列。

图1(b)为2比特阵原理图。阵列整体结构与1比特阵相同，只是每个天线单元与微带线的连接方式发生了变化：每个单元与微带线有两个间距为四分之一波长的潜在连接点，通过两个二元开关来控制每个单元的接入点。以天线1为例，当开关1闭合开关2断开时，天线1在a点与微带线连接，当开关2闭合开关1断开时，天线1在b点与微带线连接，而b点比a点滞后四分之一波长，因此在b点馈电比在a点馈电得到的相位滞后90°，这样天线1便提供了0°和-90°两个相位状态；处于微带线另一侧的天线2由于位置镜像，可以提供-180°和-270°两个相位状态；这样便得到了2比特阵所需的四个相位状态，构成一个可重构2比特单元。将这种2比特单元沿行波微带线两侧周期性排列，便得到了可重构2比特阵列。

图1(c)为3比特阵原理图。此时每个天线单元与微带线有四个两两相距八分之一波长的潜在连接点，通过四个二元开关来控制接入点可以提供0°、-45°、-90°和-135°四个相位状态。每个天线对通过八个二元开关可以产生3比特阵所需的八个相位状态，构成一个可重构3比特单元。将这种3比特单元沿行波微带线两侧周期性排列，便得到了可重构3比特阵列。

以此类推，每个天线对利用2ⁿ个二元开关可以产生n比特阵所需的2ⁿ个相位状态，构成一个可重构n比特单元。因此，基于行波微带线可以构造具有任意比特数目的可重构比特阵。

可重构比特阵通过调节阵列状态，即选择每个天线单元的量化相位，实现固定频点波束扫描。本小节介绍不同扫描波束所对应的口面量化补偿相位分布的计算方法。假设目标波束指向为θm，所需理想激励相位分布为：

φreq＝-k0×dp×sin(θm)×n(n＝1,...,n)(式1)

由于周期性比特单元先后与行波微带线连接，因此相邻辐射单元之间存在一个与单元间距有关的固有相位差

其中λg表示介质波长，由这个固有相差产生的固有口面相位分布为：

阵列所需要的理想补偿相位分布为：

φobj＝φreq-φinh+φ0(式4)

其中ф0为相位调节项，用来优化口面相位分布以得到质量最优的扫描波束。将理想补偿相位归一化到-360°～0°范围内再进行量化便可得到口面量化补偿相位分布。以2比特阵为例，相位量化准则如下：

至此便可以得到所有扫描波束所对应的口面量化补偿相位分布，每一种分布对应一种阵列状态。

参阅图2，是十单元可重构2比特波束扫描阵的一种具体形式，采用单层板结构，包括一块基于双面印刷电路板工艺的基板2，其正面和反面上分别印刷着金属层1和3。正面金属层包括传输行波的微带线13、匹配微带线14和15和位于微带线两侧的天线单元等，微带线两侧对称分布着二十个天线单元(如11和12)，每个天线单元上有两个潜在馈电枝节(如天线单元11有111和112两个馈电枝节，天线单元121有121和122两个馈电枝节)；每一个天线单元通过金属化过孔与反面的地板3连接(如天线单元11通过金属化过孔21、天线单元12通过金属化过孔22与反面地板3连接起来)，构成三边短路一边开路的矩形开口谐振腔。每一个天线单元的两个潜在馈电枝节与微带线之间的间隙(如天线单元11存在的间隙113和114，天线单元12存在的间隙123和124)用来容纳比特开关，通过比特开关的通断来控制该单元是否被有效激励以及激励相位。

位于微带线两侧每对称的两个天线单元构成一个可重构2比特单元，如天线单元11和12构成一个可重构2比特单元。控制比特开关，当位于间隙113的开关接通其它间隙位置处的开关断开时，天线单元11在113位置处被有效激励而天线单元12与微带线相互隔离没有被有效激励，此时该2比特单元的激励相位为0°；当位于间隙114的开关接通其它间隙位置处的开关断开时，天线单元11在114位置处被有效激励而天线单元12与微带线相互隔离没有被有效激励，此时该2比特单元的激励相位为-90°；同理，当位于间隙123或者124的开关接通其它间隙位置处的开关断开时，天线单元12在123或者124位置处被有效激励而天线单元11与微带线相互隔离没有被有效激励，此时该2比特单元的激励相位为-180°或者-270°。这样便构成一个可重构2比特单元，二十个这样的单元沿行波微带线两侧对称分布便构成了十单元可重构2比特波束扫描阵。天线从左侧进行馈电，右侧接匹配负载或衰减器吸收剩余能量。

图3给出了中心频点为5ghz的十单元可重构2比特波束扫描阵具体实施例。介质基板2沿x方向的长度为264毫米，沿y方向的宽度为32.8毫米，沿z方向的厚度为2.54毫米；正面的行波微带线13沿x方向的长度为248毫米，沿y方向的宽度为1.5毫米，匹配微带线14和15沿x方向的长度均为8毫米，沿y方向的宽度均为3毫米；所有天线单元尺寸相同，沿x方向的长度均为23毫米，沿y方向的宽度均为9.6毫米，相邻天线单元间距为25毫米；所有潜在馈电枝节尺寸相同，沿x方向的长度均为2毫米，沿y方向的宽度均为3毫米，每个天线单元上的两个枝节间距为10毫米；用来容纳比特开关的间隙沿x方向的长度均为2毫米，沿y方向的宽度均为2毫米；所有金属化过孔尺寸相同，通孔直径均为0.5毫米，孔间距0.8毫米，孔心与介质板边缘距离为0.4毫米。介质基板2所采用的是taconictlx-8板材，介电常数2.55，损耗角0.0019。天线从端口1馈电，端口2接匹配负载或衰减器吸收剩余能量。为了简单起见，可调器件的“on”状态用延长枝节到与微带线相接的方式来代替，“off”状态保持枝节不变化即可。

采用该参数设计的实施例的仿真结果由表1和图4给出。

表1给出在中心频点5ghz时五个目标扫描角度(-50°，-25°，0°，25°，50°)所对应的阵列状态和所实现的主波束角度。表中，十个2比特单元从左到右分别称为单元1～单元10，每个比特单元的四个相位状态0°、-90°、-180°、-270°分别称为1、2、3、4。所实现的最大方向分别为(-48°，-25°，-1°，26°，46°)，最大角度误差不大于4°。

图4研究在中心频点5ghz处的扫描性能，以不带首尾两段匹配枝节的天线为研究对象，用方向性方向图的质量(峰值方向性和旁瓣)作为标准来衡量扫描范围。图4(a)为在-50°～+50°角度域内，该2比特阵在5ghz处实现的12个h面(xz面)方向性方向图。所实现的扫描范围为从负方向的-48°跨越边射方向扫描到正方向的46°，峰值方向性介于12.25～13.79dbi之间，波动不大于1.54db。超过-48°或+46°的低仰角区方向图存在很大的旁瓣，峰值方向性急剧减小。

该2比特阵具有较为理想的阻抗特性：不同阵列状态的输入阻抗围绕110ω在一个有限的范围内变化，而110ω恰好是行波微带线的特征阻抗，表明周期性2比特辐射单元的加载对于微带线的传输模式影响很小。因此在首尾两端用两段相同的阻抗变换微带线即可获得较为良好的匹配，如图2所示。

图4(b)和(c)给出当该2比特阵在-50°～+50°角度域内，以5°为间隔进行波束扫描时所对应的21个阵列状态在5ghz处的反射系数、透射系数、峰值方向性和峰值增益。观察图4(b)，波束指向0°时的匹配最差，反射系数值为-6.95db，这是由行波天线特有的带阻现象造成，而其余阵列状态下的反射系数均优于-10db。透射系数在-5.37～-17.66db之间变化，低仰角波束所对应的透射系数较大，阵列的辐射能力较弱。扫描域内端口2的吸收率介于1.7％～29％之间，表明大部分能量产生了有效辐射。观察图4(c)，峰值方向性介于12.25～13.79dbi之间，波动范围不大于1.54db；峰值增益介于10.43～12.92dbi之间，波动范围不大于2.49db。综上，该2比特阵在中心频点有较优的波束扫描性能。