CN107342456B

CN107342456B - 一种小型化宽带波束可重构雷达天线

Info

Publication number: CN107342456B
Application number: CN201710475876.5A
Authority: CN
Inventors: 翟会清; 薛坤
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2017-06-21
Filing date: 2017-06-21
Publication date: 2020-07-03
Anticipated expiration: 2037-06-21
Also published as: CN107342456A

Abstract

本发明涉及一种小型化宽带波束可重构雷达天线，包括圆形介质基板，金属地板，馈电圆盘；馈电圆盘外围饶有与其同心的圆形贴片；圆形贴片的外围设有双锥形辐射单元，双锥形辐射单元是四个，该四个双锥形辐射单元环形均匀分布在圆形介质基板上；金属基板与馈电圆盘通过设在圆形介质基板中心的同轴馈线连接；双锥形辐射单元与圆形贴片通过第一PIN开关接通，双锥形辐射单元两侧的地板上分别设有开口矩形槽，所述的开口矩形槽内加载有第二PIN开关。通过地板开缝加载PIN开关的方法解决目前平面型方向图可重构天线在实现覆盖某一平面的扫描时只能进行大角度扫描而不能对每种可重构状态下的波束方向进行小角度调整的技术问题。

Description

一种小型化宽带波束可重构雷达天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种小型化宽带波束可重构雷达天线，可用于无线通信，智能交通，雷达识别与探测等系统中。

背景技术

在无线系统中，波束可调天线的需求越来越多，例如卫星通讯，遥感，基站，车载及机载雷达等。实现天线波束可调的传统方式是使用相控阵天线技术。虽然相控阵天线技术可以实现大的波束扫描角度和高的方向性，但是相控阵天线需要复杂的馈电网络，体积庞大，不利于安装在汽车，飞机等移动通讯设备上和实现系统的小型化。而且随着通信频段的升高，以及5G高速通信等技术的发展，雷达频段如Ku，Ka愈发受到通信行业的青睐，传统相控阵天线的移相器等电路部件随着频率的升高价格越来越昂贵，使得整个系统的成本增加。

“可重构天线”于20世纪80年代被提出，直到近些年高性能的微波PIN开关，电子机械（MEMS）开关和电抗元件的发展，可重构天线才得到进一步的深入研究。可重构天线可分为三类，即频率可重构，方向图可重构和极化可重构天线。其中方向图可重构天线，可以在不改变天线自身结构和工作频率的情况下，通过控制集成于天线中可控器件的状态来控制天线辐射体上的电流分布，从而控制天线的波束方向或者波束宽度，实现波束可调或者波束在一定空间内的扫描。因此波束可重构天线相比于相控阵天线，无需复杂的馈电网络，具有体积小，重量轻，低成本，易于应用于移动载体等优点。

目前平面型方向图可重构天线实现波束在一定空间内全覆盖的扫描主要是利用八木天线的原理，通过PIN开关控制各个辐射体和地板之间的连接状态（即开路或短路），使辐射体作为引向单元或反射单元，从而改变天线的主辐射方向，实现波束的扫描。例如文献M. Jusoh, T. Aboufoul, T. Sabapathy, A. Alomainy, M. Kamarudin, “Pattern-reconfigurable microstrip patch antenna with multidirectional beam for WiMAXapplication,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 13, pp. 860–863, April 2014，天线由中心馈电圆盘和周围四个对称分布的圆形辐射体组成，通过控制周围辐射体与地板的连接状态，可以实现方向图在θ=22º平面内，φ分别在45 º，135º，225 º，315 º四个方向的扫描。但是该天线工作频带较窄，相对带宽仅为1.2%，而且五个圆形的辐射贴片半径较大，不利于天线的小型化。又如文献M. S. Alam and A. Abbosh,‘‘Planar pattern reconfigurable antenna with eight switchable beams for WiMaxand WLAN applications,’’ IET Microw., Antennas Propag., vol. 10, no. 10, pp. 1030–1035, Jul. 2016，该天线由中心馈电圆盘和围绕圆盘的八个锥形枝节构成，通过控制锥形底部和地板之间的连接状态，实现θ=36º平面内，φ分别在0 º，45 º，90 º，135 º，180º，225 º，270 º，315 º八个方向的波束扫描。但是该天线工作在2.35-2.61GHz，相对带宽仅为5.2%，且增益仅为4.5dBi。并且以上两个例子中，天线只能实现一定平面内大角度的扫描，不能在每种可重构状态下进行小范围的扫描角度调整，无法实现更为精确的目标探测。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出通过给地板开缝加载PIN开关的方法，解决了目前平面型方向图可重构天线在实现覆盖某一平面的扫描时只能进行大角度扫描而不能对每种可重构状态下的波束方向进行小角度调整的技术问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案，一种小型化宽带波束可重构雷达天线，包括圆形介质基板，设在圆形介质基板下表面的金属地板，设在圆形介质基板上表面且位于圆形介质基板中心的馈电圆盘；所述的馈电圆盘外围饶有与其同心的环形贴片；所述的环形贴片的外围设有双锥形辐射单元，所述的双锥形辐射单元是四个，该四个双锥形辐射单元环形均匀分布在圆形介质基板上，且该四个双锥形辐射单元相互中心对称；所述的金属基板与馈电圆盘通过设在圆形介质基板中心的同轴馈线连接；所述的双锥形辐射单元与环形贴片通过第一PIN开关接通。

所述的双锥形辐射单元的两侧的地板上分别设有开口矩形槽，所述的开口矩形槽内加载有第二PIN开关，通过控制第二PIN开关的通断，使天线分别在每个可重构状态下实现波束的小范围偏转。

所述的双锥形辐射单元是由两个锥形辐射单元相对组成。

所述的第二PIN开关位于开口矩形槽的一条侧边上，且位于双锥形辐射单元两侧的开口矩形槽中的第二PIN开关相互对称设置。

本发明的有益效果是：

1、本发明由于在馈电圆盘外加载了与其同心的匹配圆环，与现有的可在一定平面内进行全方位扫描的平面型方向图可重构天线相比相对带宽提高到51.7%。

2、本发明采用在地板开开口矩形槽并在槽内安装PIN开关的方法，使天线可以在每个波束大角度扫描的可重构状态下实现波束的小范围偏转。

附图说明

图1为本发明实施例的整体结构图正视图；

图2为本发明实施例的整体结构图侧视图；

图3为本发明实施例的PIN开关状态及其对应的最大辐射方向；

图4为本发明实施例的驻波特性仿真图；

图5为本发明实施例的四个大角度扫描可重构状态MODE1-MODE4的辐射方向图；

图6-1为本发明实施例的可重构状态MODE1及其对应的小角度波束偏转的辐射方向图；

图6-2为本发明实施例的扫描可重构状态MODE2及其对应的小角度波束偏转的辐射方向图；

图6-3为本发明实施例的可重构状态MODE3及其对应的小角度波束偏转的辐射方向图；

图6-4为本发明实施例的可重构状态MODE4及其对应的小角度波束偏转的辐射方向图,。

图中：1.馈电圆盘；2.环形贴片；3.双锥形辐射单元；4.圆形介质基板；5.金属地板；6.开口矩形槽；7.同轴馈线；8.第一PIN开关；9.第二PIN开关。

具体实施方式

下结合附图和具体实施例，对本发明的目的、技术方案和技术效果作进一步描述，应该理解此处描述的具体实施例仅用于对本发明的解释，不视为对本发明的限制。

实施例

如图1和2所示的一种小型化宽带波束可重构雷达天线，包括圆形介质基板4，设在圆形介质基板4下表面的金属地板5，设在圆形介质基板4上表面且位于圆形介质基板4中心的馈电圆盘1；所述的馈电圆盘1外围饶有与其同心的环形贴片2；所述的环形贴片2的外围设有双锥形辐射单元3，所述的双锥形辐射单元3是四个，该四个双锥形辐射单元3环形均匀分布在圆形介质基板4上，且该四个双锥形辐射单元3相互中心对称；所述的金属基板5与馈电圆盘1通过设在圆形介质基板4中心的同轴馈线7连接；所述的双锥形辐射单元3与环形贴片2通过第一PIN开关8接通。所述馈电圆盘1外围绕与其同心的细圆环状的环形贴片2实现了天线的宽频带特性，相对带宽约为57.1%。

所述的双锥形辐射单元3是由两个锥形辐射单元相对组成。

所述的双锥形辐射单元3的两侧的地板上分别设有开口矩形槽6，所述的开口矩形槽6内加载有第二PIN开关9，通过控制第二PIN开关9的通断，使天线分别在每个可重构状态下实现波束的小范围偏转。

所述的第二PIN开关9位于开口矩形槽6的一条侧边上，且位于双锥形辐射单元3两侧的开口矩形槽6中的第二PIN开关9相互对称设置。所述的开口矩形槽6刻蚀在双锥形辐射单元3两侧的圆形介质基板4上；四个PIN开关P1-P4用于控制四个双锥形辐射单元与环形贴片的连接状态，实现四个方向的大角度波束扫描。开口矩形槽缝位于每个双锥形单元下方对应的地板两侧，八个PIN开关P（1-4）-1和P（1-4）-2分别位于每个矩形开口槽的一边，用来实现波束的小角的扫描。具体的是如图3所示的PIN开关状态及其对应的最大辐射方向。

以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：

1、仿真条件和内容

1.1利用商业仿真软件（High Frequency Structure Simulator HFSS ver. 15)对S参数在8-18GHz范围内进行仿真计算，结果如图4所示。

1.2利用商业仿真软件（High Frequency Structure Simulator HFSS ver. 15)对本实施例远场辐射方向图在14GHz处进行仿真计算，实施例小型化宽带波束可重构雷达天线在θ=23º时，四种可重构状态MODE1-MODE4的 E面辐射方向图如图5所示。

1.3利用商业仿真软件（High Frequency Structure Simulator HFSS ver. 15)对本实施例远场辐射方向图在14GHz处进行仿真计算，实施例小型化宽带波束可重构雷达天线在θ=23º时，四种可重构状态MODE1-MODE4及其对应的小角度波束偏转的E面辐射方向图如图6-1、图6-2、图6-3和图6-4所示。

2.仿真结果

参见图4，本发明一种小型化宽带波束可重构雷达天线的电压驻波比VSWR≤2的频率范围在9.2-16.56GHz，相对带宽约为51.7%。

参见图5，本发明一种小型化宽带波束可重构雷达天线在14GHz，θ=23︒平面内天线最大辐射方向可实现四种状态的重构，分别为φ=95º， φ=182º，φ=267º和φ=354º。

参见图图6-1、图6-2、图6-3和图6-4，本发明一种小型化宽带波束可重构雷达天线在14GHz，θ=23︒平面内，天线在大角度扫描的四种可重构状态下，可以再次实现波束6-17º的小范围偏转。

以上仿真结果说明，本发明一种小型化宽带波束可重构雷达天线工作在9.2-16.56GHz频段，工作相对带宽为约51.7%，实现在14GHz，θ=23︒平面内四种大角度波束可重构状态以及其对应的小角度波束偏转。且整个天线的高度仅为3.15mm，具有小型化低剖面的特性，便于应用于移动载体。

以上实施例仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。。

Claims

1.一种小型化宽带波束可重构雷达天线，其特征在于，包括圆形介质基板（4），设在圆形介质基板（4）下表面的金属地板（5），设在圆形介质基板（4）上表面且位于圆形介质基板（4）中心的馈电圆盘（1）；所述的馈电圆盘（1）外围绕有与其同心的环形贴片（2）；所述的环形贴片（2）的外围设有双锥形辐射单元（3），所述的双锥形辐射单元（3）有四个，该四个双锥形辐射单元（3）呈环形均匀分布在圆形介质基板（4）上，且该四个双锥形辐射单元（3）沿圆形介质基板（4）的圆心对称；所述的金属地板（5）与馈电圆盘（1）通过设在圆形介质基板（4）中心的同轴馈线（7）连接；所述的双锥形辐射单元（3）与环形贴片（2）通过第一PIN开关（8）连接;

所述双锥形辐射单元（3）下方地板两侧上分别设有开口矩形槽（6），所述的开口矩形槽（6）内加载有第二PIN开关（9）;

所述的第二PIN开关（9）位于开口矩形槽（6）的一条侧边上，且位于双锥形辐射单元（3）两侧的开口矩形槽（6）中的第二PIN开关（9）相互对称设置；

四个第一PIN开关（8）用于控制四个双锥形辐射单元与环形贴片的连接状态，实现四个方向的大角度波束扫描；

通过控制第二PIN开关（9）的通断，使天线在每个波束大角度扫描的可重构状态下实现波束的小范围偏转。

2.根据权利要求1所述的一种小型化宽带波束可重构雷达天线，其特征在于，所述的双锥形辐射单元（3）是由两个锥形辐射单元相对组成。