三维频率选择结构的1-bit电控可重构透射阵天线

本发明涉及雷达通信，具体涉及三维频率选择结构的1-bit电控可重构透射阵天线。

背景技术：

1、具有高增益、波束扫描/赋形等特点的天线/天线阵在卫星通信、点对点通信、雷达探测等领域受到越来越多人的关注。为了实现波束可控，研究人员提出机械转动型的焦平面天线或者相控阵天线，可以在具备高增益的优势同时，实现灵活的波束扫描。但是这些技术采用的设计通常比较复杂，特别是基于复杂的多通道移相器和收/发组件的相控阵天线，系统复杂，成本昂贵，阻碍了微波/毫米波可重构天线技术在实际工程中的广泛应用。

2、可重构透射阵天线技术通过在空间中设计基于印刷电路板工艺的低成本透射阵天线阵列，并在其中融合可电调的有源器件或材料，实现对透射电磁波的实时调相控制。常见的可重构透射阵天线主要是基于平面型阵列单元来构建，单元的类型包括谐振型单元、收/发移相型单元和频率选择结构单元。然后加载有源控制器件或材料，如微波开关管、变容二极管和mems开关，或采用液晶材料等。通过外加偏置网络控制有源器件的工作特性，进而改变透射阵单元的工作状态，使得透射电磁波在幅度和相位上发生改变；进一步地，通过实时调控阵列中各单元的相位分布，最终实现阵面波束的扫描功能。基于传统二维频率选择表面的可重构透射阵天线已有报道和实验验证，但是在电调器件的偏置网络设计及天线的高性能实现方面还存在一定的欠缺。

3、三维频率选择结构是近年来新兴的一种频率选择结构，通常由具有一定厚度的三维腔体/传输线式结构单元周期排布而成。由于周期单元结构在空间维度上的增加，其对电磁波的调控手段更丰富、自由度更大，可极大改善电磁波的调控效果。其中，基于平面槽线的三维频率选择结构具有结构简单、易于加工和集成的特点，将其与可调器件结合实现可重构透射阵天线，设计原理清晰，设计过程简单，可重构透射天线的结构复杂度低、性能优异。

技术实现思路

1、本发明目的：在于提供三维频率选择结构的1-bit电控可重构透射阵天线，在良好辐射性能的同时，波束指向可以实时调控。此外，结构简单、便于加工和实现。

2、为实现以上功能，本发明设计三维频率选择结构的1-bit电控可重构透射阵天线，包括馈源1、透射阵列2，所述馈源1放置于透射阵列2的移相焦点处。

3、建立基于x轴、y轴、z轴的三维坐标系，以水平面为x轴、z轴所构成的xoz面，由x轴、y轴所构成的xoy面与xoz面相垂直，馈源1的底面位于xoy面，所述透射阵列2由预设数量的透射单元3组成，各透射单元3在xoy面上分别沿x轴和y轴按照二维周期排布。

4、各透射单元3结构、尺寸相同，透射单元3包括矩形的介质基板4，以及位于介质基板4上的正极直流馈线5、公共负极直流馈线6、第一微波开关管7-1、第二微波开关管7-2、第一宽槽8、短窄槽9、第二宽槽10、长窄槽11、上金属贴片12、下金属贴片15、中间金属贴片13。

5、以三维坐标系原点向z轴正方向为入射波的传播方向，第一宽槽8、短窄槽9、第二宽槽10沿入射波的传播方向依次相联，第一宽槽8、长窄槽11、第二宽槽10沿入射波的传播方向依次相联，长窄槽11和短窄槽9在y轴上并列放置。

6、在各透射单元3的介质基板4上，以x轴正向所指向的面为介质基板4的正面，第一宽槽8、短窄槽9、第二宽槽10、长窄槽11均位于介质基板4的正面，且在介质基板4的正面所构成的形状沿y轴呈轴对称，介质基板4的正面还包括上金属贴片12和下金属贴片15；上金属贴片12和下金属贴片15相隔预设间距平行放置于介质基板4的正面，该预设间距构成第一宽槽8、第二宽槽10；上金属贴片12和下金属贴片15之间还包括中间金属贴片13，第一宽槽8、第二宽槽10分别位于中间金属贴片13两侧，中间金属贴片13为轴对称形状，以y轴为对称轴，中间金属贴片13上端边缘与上金属贴片12平行且相隔预设间距，该预设间距构成短窄槽9，中间金属贴片13下端边缘以预设间距嵌入下金属贴片15中，该预设间距构成长窄槽11；在各透射单元3的二维周期排布中，相邻透射单元3的上金属贴片12和下金属贴片15相互连接。

7、第一微波开关管7-1位于短窄槽9和第一宽槽8的级联处，第二微波开关管7-2位于短窄槽9和第二宽槽10的级联处，第一微波开关管7-1的负极和第二微波开关管7-2的负极均与上金属贴片12相连，第一微波开关管7-1的正极和第二微波开关管7-2的正极均与中间金属贴片13相连。

8、公共负极直流馈线6、正极直流馈线5位于介质基板4的背面，公共负极直流馈线6通过开设于上金属贴片12，且贯穿介质基板4的第一金属化通孔14-1与上金属贴片12相连，正极直流馈线5通过开设于中间金属贴片13，且贯穿介质基板4的第二金属化通孔14-2与中间金属贴片13相连；在y轴上位于同一列的所有透射单元3共用公共负极直流馈线6，各透射单元3的正极直流馈线5依次排开。

9、作为本发明的一种优选技术方案：各透射单元3按照二维周期排布的方式为各透射单元3垂直于xoy面，在x轴上各透射单元3周期排布，在y轴上相邻透射单元3相互连接。

10、作为本发明的一种优选技术方案：各透射单元3按照二维周期排布的方式在xoy面上交替排布，具体为各透射单元3垂直于xoy面，各透射单元3保持介质基板4的法向沿x轴方向进行周期排布，构成y轴方向的极化的透射阵列2，保持介质基板4的法向沿y轴方向进行周期排布，构成x轴方向的极化的透射阵列2。

11、作为本发明的一种优选技术方案：第一宽槽8和短窄槽9的级联处的输入阻抗与第一宽槽8和长窄槽11的级联处的输入阻抗相等，短窄槽9的长度为四分之一导波波长。

12、作为本发明的一种优选技术方案：透射阵列2的阵面大小根据工作频率、天线所需的性能指标、馈源1与阵面之间的距离，并基于聚焦天线理论共同决定。

13、有益效果：相对于现有技术，本发明的优点包括：本发明设计了三维频率选择结构的1-bit可重构透射阵天线，在保证天线良好辐射性能的同时，可以实现对波束实时调控的功能；此外，天线结构简单、性能优异，便于加工和实现。

技术特征：

1.三维频率选择结构的1-bit电控可重构透射阵天线，其特征在于，包括馈源（1）、透射阵列（2），所述馈源（1）放置于透射阵列（2）的移相焦点处；

2.根据权利要求1所述的三维频率选择结构的1-bit电控可重构透射阵天线，其特征在于，各透射单元（3）按照二维周期排布的方式为各透射单元（3）垂直于xoy面，在x轴上各透射单元（3）周期排布，在y轴上相邻透射单元（3）相互连接。

3.根据权利要求1所述的三维频率选择结构的1-bit电控可重构透射阵天线，其特征在于，各透射单元（3）按照二维周期排布的方式在xoy面上交替排布，具体为各透射单元（3）垂直于xoy面，各透射单元（3）保持介质基板（4）的法向沿x轴方向进行周期排布，构成y轴方向的极化的透射阵列（2），保持介质基板（4）的法向沿y轴方向进行周期排布，构成x轴方向的极化的透射阵列（2）。

4.根据权利要求1所述的三维频率选择结构的1-bit电控可重构透射阵天线，其特征在于，第一宽槽（8）和短窄槽（9）的级联处的输入阻抗与第一宽槽（8）和长窄槽（11）的级联处的输入阻抗相等，短窄槽（9）的长度为四分之一导波波长。

5.根据权利要求1所述的三维频率选择结构的1-bit电控可重构透射阵天线，其特征在于，透射阵列（2）的阵面大小根据工作频率、天线所需的性能指标、馈源（1）与阵面之间的距离，并基于聚焦天线理论共同决定。

技术总结
本发明公开了三维频率选择结构的1‑bit电控可重构透射阵天线，包括馈源和透射阵列，透射阵列由多个周期排布的透射单元组成；透射单元包括第一微波开关管、第二微波开关管、第一宽槽、短窄槽、第二宽槽和长窄槽；第一宽槽和第二宽槽之间具有两条不同的传输路径，一条经过短窄槽，另一条经过长窄槽，两条传输路径所传输的电磁波的相移值相差180°；改变第一微波开关管、第二微波开关管的偏置电压，可以让电磁波在这两条路径之间进行自由切换；本发明所设计的天线，不仅可以实现高增益特性，而且还具有多波束、波束扫描等功能。

技术研发人员：常玉梅,朱涛,李波,张万平,祝雷
受保护的技术使用者：南京邮电大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13