一种方向图可重构的相控阵天线的制作方法

1.本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种方向图可重构的相控阵天线。


背景技术：

2.相控阵天线是无线和通信系统的关键技术之一，由于其波束扫描和高增益的特点而吸引了许多研究人员的注意力。众所周知，相控阵天线的扫描范围受到诸如阵列元件的相互耦合效应，方向图和阻抗匹配等因素的限制，所以传统平面相控阵天线的扫描范围通常在
±
60
°
以内。但现有技术的相控阵天线只能实现单模式下的有效扫描，对于应用场景复杂、需要多模式有效扫描的情形，正是无线通信技术领域急需要解决的问题。
3.例如，suyang shi等人在论文《wideband planar phased array antenna based on artificial magnetic conductor surface》中提出一种在雷达上应用的相控阵天线，成功的实现了相扫功能但其扫描角度范围仅在
±
45
°
，对于在雷达上应用的相控阵天线来说，扫描角度不能满足实际需求。基于这个问题，本发明提出了一种方向图可重构的相控阵天线。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供了一种方向图可重构的相控阵天线，该相控阵天线由四个天线单元并列间隔排布构成，在辐射单元的正下方和正上方有谐振器，起到引向器和反射器的作用，接地面的通断由两个pin二极管开关控制，使天线具有两种不同的工作模式，能够实现方向图可重构的功能；在两种工作模式下，该相控阵天线均能实现平面角度范围为
±
58
°
的扫描。
5.本发明采用如下技术方案：设计一种方向图可重构的相控阵天线，其特征在于，该相控阵天线由四个天线单元等间距并列排布构成，每个天线单元包括介质基板、辐射单元、同轴探针、偶极子臂、谐振器、接地面和pin二极管开关，所述辐射单元、偶极子臂、谐振器均设置在介质基板的正面，接地面和pin二极管开关设置在介质基板的背面；同轴探针设置在介质基板的通孔内，使辐射单元与接地面导通；
6.所述辐射单元设置于介质基板的正面的正中间的位置，为两个带矩形缺口的矩形环沿介质基板上下方向的对称线左右对称设置的结构，且矩形缺口位于矩形环外侧侧边的中部位置；在右侧矩形环的内侧侧边的中部的中间位置设置有贯穿介质基板的同轴通孔，同轴通孔的直径小于该侧边的宽度，用于安装同轴探针；两个矩形环的外侧侧边的上部与下部的外侧顶角设置为切角，在两个矩形环的内侧侧边的上部与下部的外侧靠近介质基板上下方向的对称线的边缘处均向外衔接有一个第一竖直条形贴片，上部的一组第一竖直条形贴片与下部的一组竖直条形贴片均为沿介质基板上下方向的对称线左右对称设置，两组第一竖直条形贴片形成天线单元的偶极子臂；
7.在上部的一组第一竖直条形贴片的正上方设置有一个谐振器，在下部的一组竖直条形贴片的正下方也设置有一个谐振器，两个谐振器均为沿介质基板上下方向的对称线左
右对称设置的结构；每一个谐振器均为两行四列、等间隔排布的“h”型贴片阵列结构；两个谐振器与偶极子臂之间以相同的间隔设置；
8.接地面由一个矩形贴片与两个分支贴片构成，同轴通孔位于矩形贴片的中心，两个分支贴片以上下对称的方式设置在矩形贴片的上方与下方，在上方的分支贴片与矩形贴片之间以及下方的分支贴片与矩形贴片之间均连接有一个pin二极管开关；分支贴片由一个第二竖直贴片、一个水平贴片、一个第三竖直贴片依次衔接而成，且第二竖直贴片较第三竖直贴片长度长；位于上方的分支贴片的结构为第二竖直贴片的上部右侧水平衔接在水平贴片的左侧，该水平贴片的右侧衔接在第三竖直贴片的左侧上部，三者的顶端平齐，且第二竖直贴片的上部的左侧顶角与第三竖直贴片的上部的右侧顶角为切角；
9.位于上方的分支贴片的第二竖直贴片的下端与上方的pin二极管开关的输出端连接，该pin二极管开关的输入端与矩形贴片的顶端的中部连接；
10.同轴探针的一端与辐射单元的右侧导通，其另一端与接地面的矩形贴片导通，矩形贴片的两端与分别与两个pin二极管开关的输入端导通，两个pin二极管开关的输出端分别与两个分支贴片导通；
11.所述pin二极管开关是一个含有pin二极管的电路，pin二极管的输入端分别连接有一个一号电容与一个一号电感，pin二极管的输出端分别连接有一个电阻和一个二号电容，电阻的另一端连接有一个二号电感，一号电容的另一端与接地面的矩形贴片连接，二号电容的另一端与一个分支贴片的第二竖直贴片的靠近矩形贴片的一侧连接，一号电感的另一端与二号电感的另一端分别与电源的正负极相连，通过改变pin二极管两端的电压来控制pin二极管开关的通断。
12.与现有技术相比，本发明天线的有益效果是：本发明相控阵天线由四个天线单元并列间隔排布构成，每个天线单元结构相同；天线单元的辐射单元为两个带矩形缺口的矩形环，在辐射单元的正下方和正上方有谐振器，起到增大天线的前后比和方向性的作用；接地面的通断由两个pin二极管开关控制，使天线具有两种不同的工作模式，能够实现方向图可重构的功能；该相控阵天线结构简单，工作性能良好，在同一个相控阵天线上实现了多种工作模式，且每种工作模式下均能实现平面角度范围为
±
58
°
的扫描，能够满足复杂应用场景的需求。
附图说明
13.图1是本发明方向图可重构相控阵天线单元一种实施例的正面结构示意图。
14.图2是本发明方向图可重构相控阵天线单元一种实施例的背面结构示意图。
15.图3是本发明方向图可重构相控阵天线单元一种实施例的pin二极管开关电路结构示意图。
16.图4是本发明方向图可重构相控阵天线一种实施例的正面结构示意图。
17.图5是本发明方向图可重构相控阵天线一种实施例的背面结构示意图。
18.图6是本发明实施例1的方向图可重构相控阵天线单元的回波损耗曲线图。
19.图7是本发明实施例1的方向图可重构相控阵天线的回波损耗曲线图。
20.图8是本发明实施例1的方向图可重构相控阵天线单元在3.5ghz工作模式1的辐射方向图。
21.图9是本发明实施例1的方向图可重构相控阵天线单元在3.5ghz工作模式2的辐射方向图。
22.图10是本发明实施例1的方向图可重构的相控阵天线在3.5ghz工作模式1的波束扫描结果图。
23.图11是本发明实施例1的方向图可重构的相控阵天线在3.5ghz工作模式2的波束扫描结果图。
24.图1中，1.介质基板、2.辐射单元、3.同轴探针、4.偶极子臂、5.谐振器；
25.图2中，1.介质基板、3.同轴探针、8.接地面、9.pin二极管开关。
具体实施方式
26.下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明。
27.本发明提供的方向图可重构的相控阵天线，该相控阵天线由四个天线单元等间距并列排布构成，每个天线单元包括介质基板、辐射单元、同轴探针、偶极子臂、谐振器、接地面和pin二极管开关，所述辐射单元、偶极子臂、谐振器均设置在介质基板的正面，接地面和pin二极管开关设置在介质基板的背面；同轴探针设置在介质基板的通孔内，使辐射单元与接地面导通。
28.所述辐射单元设置于介质基板的正面的正中间的位置，为两个带矩形缺口的矩形环沿介质基板上下方向的对称线左右对称设置的结构，且矩形缺口位于矩形环外侧侧边(以介质基板的中心为内)的中部位置；在右侧矩形环的内侧侧边的中部的中间位置设置有贯穿介质基板的同轴通孔，同轴通孔的直径小于该侧边的宽度，用于安装同轴探针。两个矩形环的外侧侧边的上部与下部的外侧顶角设置为切角，在两个矩形环的内侧侧边的上部与下部的外侧靠近介质基板上下方向的对称线的边缘处均向外衔接有一个第一竖直条形贴片，上部的一组第一竖直条形贴片与下部的一组竖直条形贴片均为沿介质基板上下方向的对称线左右对称设置，两组第一竖直条形贴片形成天线单元的偶极子臂；
29.在上部的一组第一竖直条形贴片的正上方设置有一个谐振器，在下部的一组竖直条形贴片的正下方也设置有一个谐振器，两个谐振器均为沿介质基板上下方向的对称线左右对称设置的结构；每一个谐振器均为两行四列、等间隔排布的“h”型贴片阵列结构。两个谐振器与偶极子臂之间以相同的间隔设置。
30.接地面由一个矩形贴片与两个分支贴片构成，同轴通孔位于矩形贴片的中心，两个分支贴片以上下对称的方式设置在矩形贴片的上方与下方，在上方的分支贴片与矩形贴片之间以及下方的分支贴片与矩形贴片之间均连接有一个pin二极管开关；分支贴片由一个第二竖直贴片、一个水平贴片、一个第三竖直贴片依次衔接而成，且第二竖直贴片较第三竖直贴片长度长；位于上方的分支贴片的结构为第二竖直贴片的上部右侧水平衔接在水平贴片的左侧，该水平贴片的右侧衔接在第三竖直贴片的左侧上部，三者的顶端平齐，且第二竖直贴片的上部的左侧顶角与第三竖直贴片的上部的右侧顶角为切角。
31.位于上方的分支贴片的第二竖直贴片的下端与上方的pin二极管开关的输出端连接，该pin二极管开关的输入端与矩形贴片的顶端的中部连接。
32.同轴探针的一端与辐射单元的右侧导通，其另一端与接地面的矩形贴片导通，矩形贴片的两端与分别与两个pin二极管开关的输入端导通，两个pin二极管开关的输出端分
别与两个分支贴片导通。
33.所述辐射单元和接地面上的切角均为圆切角。
34.所述偶极子臂与辐射单元相连的长度与偶极子臂的宽度之比为1：2。
35.所述pin二极管开关是一个含有pin二极管的电路，pin二极管的输入端分别连接有一个一号电容与一个一号电感，pin二极管的输出端分别连接有一个电阻和一个二号电容，电阻的另一端连接有一个二号电感，一号电容的另一端与接地面的矩形贴片连接，二号电容的另一端与一个分支贴片的第二竖直贴片的靠近矩形贴片的一侧连接，一号电感的另一端与二号电感的另一端分别与电源的正负极相连，通过改变pin二极管两端的电压来控制pin二极管开关的通断。
36.所述的辐射单元、偶极子臂、谐振器和接地面的形状可以由腐蚀得到。
37.实施例1
38.本实施例提供一种方向图可重构的相控阵天线(简称相控阵天线，参见图1
‑
4)，该相控阵天线由四个天线单元等间距横向并列排布构成，每个天线单元(参见图1
‑
2)包括介质基板1、辐射单元2、同轴探针3、偶极子臂4、谐振器5、接地面8和pin二极管开关9，所述辐射单元2、偶极子臂4、谐振器5均设置在介质基板1的正面，接地面8和pin二极管开关9设置在介质基板1的背面；同轴探针3设置在介质基板1的通孔内，使辐射单元2与接地面8导通。
39.所述辐射单元2设置于介质基板1的正面的正中间的位置，为两个带矩形缺口的矩形环沿介质基板1上下方向的对称线左右对称设置的结构，且矩形缺口位于两个矩形环外侧侧边(以介质基板1的中心为内)的中部位置；在右侧矩形环的内侧侧边的中部的中间位置设置有贯穿介质基板1的同轴通孔，同轴通孔的直径小于该侧边的宽度，用于安装同轴探针3。在两个矩形环的外侧侧边的上部与下部的外侧顶角设置为切角，在两个矩形环的内侧侧边的上部与下部的外侧靠近介质基板1上下方向的对称线的边缘处均向外衔接有一个第一竖直条形贴片，上部的一组第一竖直条形贴片与下部的一组竖直条形贴片均为沿介质基板1上下方向的对称线左右对称设置，两组第一竖直条形贴片形成天线单元的偶极子臂4；
40.在上部的一组第一竖直条形贴片的正上方设置有一个谐振器5，在下部的一组竖直条形贴片的正下方也设置有一个谐振器5，两个谐振器5均为沿介质基板1上下方向的对称线左右对称设置的结构；每一个谐振器5均为两行四列、等间隔排布的“h”型贴片阵列结构。两个谐振器5与偶极子臂4之间以相同的间隔设置。
41.接地面8由一个矩形贴片与两个分支贴片构成，同轴通孔位于矩形贴片的中心，两个分支贴片以上下对称的方式设置在矩形贴片的上方与下方，在上方的分支贴片与矩形贴片之间以及下方的分支贴片与矩形贴片之间均连接有一个pin二极管开关9；分支贴片由一个第二竖直贴片、一个水平贴片、一个第三竖直贴片依次衔接而成，且第二竖直贴片较第三竖直贴片长度长，位于上方的分支贴片的结构为第二竖直贴片的上部右侧水平衔接在水平贴片的左侧，该水平贴片的右侧衔接在第三竖直贴片的左侧上部，三者的顶端平齐，且第二竖直贴片的上部的左侧顶角与第三竖直贴片的上部的右侧顶角为切角。
42.位于上方的分支贴片的第二竖直贴片的下端与上方的pin二极管开关9的输出端连接，该pin二极管开关9的输入端与矩形贴片的顶端的中部连接。
43.同轴探针3的一端与辐射单元2的右侧导通，其另一端与接地面8的矩形贴片导通，矩形贴片的两端与分别与两个pin二极管开关9的输入端导通，两个pin二极管开关9的输出
端分别与两个分支贴片导通。
44.所述辐射单元和接地面上的切角均为圆切角。
45.所述偶极子臂4与辐射单元2相连的长度与偶极子臂的宽度之比为1：2。
46.本实施例中天线单元的介质基板1的形状为矩形，其材料是聚四氟乙烯(ptfe)，介电常数为3.5，介质基板的尺寸为65mm
×
35mm
×
1.524mm。
47.所述辐射单元2的两个矩形环之间距离为4mm，矩形环的内尺寸为25mm
×
8.2mm，矩形环的厚度为2mm，矩形环上的矩形缺口为2mm
×
2mm，矩形环上的切角均为圆切角，圆切角的半径均为1mm。
48.所述偶极子臂4的第一竖直条形贴片的尺寸是4mm
×
2mm，第一竖直条形贴片与辐射单元2的矩形环的相连的长度为1mm。
49.所述谐振器5的“h”型贴片的两个侧边贴片与中心贴片的宽度均为1mm，两个侧边贴片的长度均为4.5mm，中心贴片的长度为3mm，在“h”型贴片阵列中左右、上下的“h”型贴片之间的间距均为1mm。
50.下方的偶极子臂4与下部的谐振器5的距离为2mm。
51.接地面8的矩形贴片尺寸为2mm
×
2mm，其分支贴片的第二竖直贴片尺寸为8mm
×
2mm，第三竖直贴片的尺寸为4mm
×
2mm，水平贴片的尺寸为2mm
×
2mm；接地面8上的圆切角的半径为1mm。矩形贴片与第二竖直贴片的距离为8mm。
52.所述pin二极管开关9是一个含有pin二极管的电路，pin二极管的输入端分别连接有一个一号电容a与一个一号电感c，pin二极管的输出端分别连接有一个电阻d和一个二号电容b，电阻d的另一端连接有一个二号电感e，一号电容a的另一端与接地面8的矩形贴片连接，二号电容b的另一端与一个分支贴片的第二竖直贴片的靠近矩形贴片的一侧连接，一号电感c的另一端与二号电感e的另一端分别与电源的正负极相连，通过改变pin二极管两端的电压u
fg
来控制pin二极管开关9的通断。
53.本实施例的相控阵天线由上述四个天线单元按照等间距4mm线性排布组成。
54.图6为本实施例的单个天线单元的回波损耗曲线，从图6中看出单个天线单元在3.13ghz
‑
3.61ghz频段内回波损耗小于
‑
10db，这使得单个天线单元能够工作在在这个频段。
55.图7为本实施例的相控阵天线的回波损耗曲线，从图中可以看出相控阵天线在3.3ghz
‑
3.6ghz频段内回波损耗小于
‑
10db，满足工程要求。
56.图8和图9分别是本实施例的单个天线单元在频率3.5ghz不同工作模式下(上部的pin二极管开关9开、下部的pin二极管开关9关为模式1；上部的pin二极管开关9关、下部的pin二极管开关9开是模式2；其余地方的模式均如上所述)对应的方向图，图中黑色指电场，蓝色指磁场，从图中可以看出本实施例的单个天线单元辐射方向为定向，并且在不同的工作模式下单个天线单元的辐射方向不同，该单个天线单元均表现出较好地方向性，满足工程要求。
57.图10和图11是本实施例的相控阵天线在频率3.5ghz不同工作模式下对应的波束扫描图，从图中可以看出本实施例的相控阵天线通过施加不同的相位可以在平面
±
58
°
的范围内实现扫描，并且在不同的工作模式下相控阵天线均表现良好，满足工程要求。
58.本发明相控阵天线具有结构简单，方向性良好，具有两个工作模式，将相控阵天线
与方向图可重构技术联合在一起可改变方向图方向，扫描范围大，低副瓣等优点。
59.上述实例为本发明较佳的实施方式，另外在本实施例的基础上，改变谐振器、接地面、切去的矩形的大小及位置、圆切角结构的大小，都应包含在本技术的保护范围内。
60.本发明未述及之处适用于现有技术。