一种基于可重构天线和移相器的紧凑波束扫描天线

本发明属于天线，具体涉及一种基于可重构天线和移相器的紧凑波束扫描天线。

背景技术：

1、相控阵天线可以灵活控制波束扫描方向，快速识别目标，对目标进行搜索和跟踪，在军事国防，雷达探测，遥感测绘和生物医疗等领域都有广泛应用。随着各领域无线场景更加复杂多样，对相控阵天线有更高的应用指标要求，迫切需要设计出集成度高，加工简单，成本低，结构紧凑的相控阵天线系统。

2、目前对波束扫描天线的研究可概括为以下几个方面。

3、第一，面向高性能天线单元和组阵优化设计的研究，旨在扩大波束扫描角度，降低副瓣电平，提高增益等；第二，低成本高集成度的相控阵天线研究，旨在提高相控阵天线的集成度，降低剖面和成本造价；第三，基于可重构技术的波束扫描天线的研究，旨在利用电控可调结构或者结合超材料进行天线设计。

4、在目前已公开的文献中，一些工作致力于提高波束扫描天线的集成度和天线的小型化设计降低剖面的研究。专利《一种结构紧凑的可重构透射阵波束扫描天线》(cn202310082507.5)公开发表了一种结构紧凑的可重构透射阵波束扫描天线，由加载无源超透镜的矩形馈源喇叭和置于其口面上的小规模电可调透射阵列构成，置入喇叭口的无源超透镜的设计可改善口径面上的电磁场分布，使喇叭口面上实现平面波前，具有均匀的电磁场幅度和相位分布，减小阵列馈源距离同时缩减了系统体积、阵列规模以及阵列设计及控制难度，但可重构透射阵仍旧需要外部馈源，集成度较低。

5、一些研究致力于提高天线的相位分辨率来降低插损带来的增益损失，从而得到更高的孔径效率和更精确的波束控制。专利《一种2-bit可重构反射阵天线》(cn202111459859.5)公开了采用更多比特位数，提高相位分辨率的离散型波束扫描天线，相比于连续型波束扫描天线扫描角度离散，相位量化误差大。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于可重构天线和移相器的紧凑波束扫描天线，具有集成度高，低剖面，360°相位调谐能力，插损小，低成本的连续波束的特点。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种基于可重构天线和移相器的紧凑波束扫描天线，包括馈电网络和多个天线单元；

4、所述天线单元包括从下至上依次设置的天线单元的馈电结构和移相器层以及辐射层；

5、所述天线单元的馈电结构用于将基片集成波导内部的te10模转化为移相器输入端处的微带线上的tem模，从而将基片集成波导内部的能量等幅馈入天线单元；

6、所述移相器层用于控制天线单元的相位；

7、所述辐射层用于电磁波的辐射。

8、所述馈电网络用于能量的传输，将馈入系统的能量按需求等幅或不等幅的同相进入天线单元的馈电结构中。

9、所述馈电网络包括过渡结构和多级功率分配器，所述过渡结构的输出端与所述多级功率分配器的输入端连接；

10、两级功率分配器分为第一级功率分配器和第二级功率分配器；

11、第一级功率分配器为第一级t型分配器，第二级功率分配器为两个二级t型分配器，所述第一级t型分配器的输出端分别连接另外两个二级t型分配器的输入端，所述两个二级t型分配器的输出端输出四路等幅同相的信号进入天线单元的馈电结构。

12、其中第一级功率分配器、第一金属化通孔和第二金属化通孔共同构成一分二的第一级功分器；

13、第二级功率分配器、第三金属化通孔，第四金属化通孔和第五金属化通孔构成一分二的第二级功分器；

14、所述两级功率分配器共同构成一分四的基片集成波导功分器；

15、所述的第一金属化通孔位于第一级功率分配器的弯折处对角线上，第二金属化通孔位于第一级功率分配器的中心轴线处；第三金属化通孔位于第二级功率分配器沿+y弯折处对角线上，第四金属化通孔位于第二级功率分配器沿-y方向弯折处对角线上，第五金属化通孔位于第二级功率分配器的中心轴线处。

16、所述过渡结构包括接地共面波导(grounded coplanar waveguide，gcpw，gcpw)输出端连接基片集成波导的馈电微带线的输入端，基片集成波导的馈电微带线的输出端与功率分配器的输入端连接。

17、所述天线单元的馈电结构包括第三介质基板和第四介质基板，位于第三介质基板下表面的耦合贴片，连通耦合贴片和模拟移相器输入端的第六金属化通孔，以及连接移相器和第四介质基板下表面的金属化层的第七金属化通孔；

18、其中耦合贴片位于天线单元中轴线位置，第六金属化通孔中心位于耦合贴片中心位置，第七金属化通孔中心位于第六金属化通孔两侧且在y方向上有偏移，所述功率分配器与多个天线单元馈电的耦合贴片相连接。

19、所述耦合贴片位于两层介质基板的中间，两层介质基板粘合等效构成基片集成波导上下金属化表面的中间介质基板，等效的中间介质基板的上下表面进行金属化。

20、所述移相器置于第二介质基板上表面，包括模拟移相器、1bit数字移相器、模拟移相器中的变容二极管的偏置电压线和数字移相器中的pin二极管偏置电压线；

21、所述模拟型移相器和1bit数字型移相器串联；所述模拟型移相器的输入端与第六金属化通孔的输出端连接，所述模拟型移相器的输出端与1bit数字型移相器的输入端连接，变容二极管的偏置电压线与模拟移相器输入端连接延伸，与第六金属化通孔馈入处有偏移；pin二极管偏置电压线与1bit数字移相器的底部中轴线沿-x方向延伸设置。

22、所述第二介质基板下表面为金属化地，金属化地充当上述基片集成波导的上表面，此外多个连通第二介质基板上表面和第四介质基板下表面金属化表面的第八金属化通孔共同构成基片集成波导的金属壁。

23、所述辐射层包括第四介质基板和位于第四介质基板上表面的方形辐射贴片。

24、所述天线单元基于基片集成波导馈电的周期性排布，为4*6的阵面。

25、本发明的有益效果：

26、(1)本发明采用基片集成波导作为馈电网络和天线单元集成，整体系统具有结构紧凑，集成度高，剖面低，加工简单，成本低的特点。

27、(2)本发明采用连续可调型移相器，可以实现天线的连续波束扫描。

28、(3)本发明采用模拟移相器与数字移相器相结合，模拟移相器可以实现180°连续的相位补偿，数字移相器插损小，平坦度好。因此1bit数字移相器(电流反转机制)与180°模拟移相器相结合可以实现360°连续相位调谐能力，二者结合可以使得不同相位状态间的插损分布更加平坦，从而提高整个系统的方向性系数。相比于两个模拟移相器串联，插损小，也大大提高了系统的效率和增益。

29、(4)本发明采用在基片集成波导中加入耦合贴片和金属化通孔作为天线单元的馈电结构，可以将基片集成波导内部的te10模转化为移相器输入端处的微带线上的tem模，在耦合贴片两端加入连接基片集成波导上下金属化表面的第七金属化通孔，大大降低了由耦合贴片和第六金属化通孔加载基片集成波导内部造成的反射干扰。

30、(5)本发明中每个天线单元采用两路电压，分别对模拟移相器中的变容二极管和数字移相器中的pin管进行偏置，偏置电路与移相器均在第三介质板的上表面，偏置电路简单且容易安装。