相控阵天线单元及二维扫描相控阵列

1.本技术涉及天线工程技术领域，特别涉及一种相控阵天线单元及二维扫描相控阵列。


背景技术：

2.太赫兹频段处于从宏观电子学到微观光子学的过渡阶段，它的波长低于电波长，高于光波长，在通信领域可以有效缓解日益紧张的频谱资源和无线系统的容量限制，具有独特的优势，是人们值得探索的频段。
3.随着6g网络技术的发展，卫星通信也已从单卫星到星座再到网络发展，在6g天地一体化网络中，人们普遍认为，未来的网络是太赫兹、激光、微波共同组网。在高轨卫星通信中，使用激光通信进行远距离通信，激光通信容量大，但是，激光通信是点对点通信，跟瞄和对准还需要伺服系统。在低轨卫星星地通信中，使用微波频段相控阵通信可进行灵活跟瞄和波束捷变，但是微波频段的通信速率低、通信容量低。要实现波束灵活捷变，同时通信容量又大的网络化卫星通信，太赫兹相控阵天线是最合适的选择，其可应用在多用户接入和卫星组网、空间站伴飞等。
4.在相关技术中，受到移相器的限制没有基于传统天线设计的大规模的相控阵，仅有基于电磁表面的一维相控阵扫描天线，而一维相控阵天线本身无法实现精确测角，使其在应用中受到限制；其次，基于电磁表面的逐行控制一维扫描相控阵天线由于其原理的限制容易发生波瓣分裂，导致副瓣高、增益降低。
5.因此，需要建立一个波束灵活捷变，同时通信容量又大的网络化卫星通信，以通过独立控制每个相控阵天线单元实现太赫兹二维扫描且可以大规模布阵，易于工程化。


技术实现要素：

6.本技术提供一种相控阵天线单元及二维扫描相控阵列，以解决一维相控阵扫描天线无法实现精确测角且易发生波瓣分裂，导致副瓣高、增益低等问题，基于gaas(gallium arsenide，砷化镓)的hemt(high electron mobility transistor,高电子迁移率晶体管)调相器件集成于天线单元中，通过独立控制每个单元实现太赫兹二维扫描且宽带宽、结构简单、可以实现大规模布阵，标准的流片工艺使其易于工程化。
7.本技术第一方面实施例提供一种相控阵天线单元，包括：
8.金属辐射层、基于gaas的调相hemt、半绝缘衬底、金属反射板和通孔，其中，所述金属辐射层、所述调相hemt、所述半绝缘衬底、所述金属反射板和所述通孔均呈中心线对称；所述金属辐射层由两个预设形状相连且设置有槽结构对称辐射片、直流电压控制线、2个对称阻抗匹配线和t形直流接地线组成；
9.其中，所述直流电压控制线和所述t形直流接地线用于所述基于gaas的调相hemt提供控制电压，当控制电压为0v时，所述调相hemt导通，所述相控阵天线单元为第一状态；当所述控制电压为-5v时，所述调相hemt截止，所述相控阵天线单元为第二状态。
10.根据本技术的一个实施例，所述基于gaas的调相hemt，包括：本征gaas、本征algaas(铝砷化镓)、提供载流子的参杂algaas、2个欧姆接触贴片和1个控制栅极贴片。
11.根据本技术的一个实施例，所述对称辐射片为长方形或半圆形。
12.根据本技术的一个实施例，所述半绝缘衬底的厚度为100um。
13.根据本技术的一个实施例，所述半绝缘衬底为gaas衬底。
14.根据本技术的一个实施例，所述金属反射板为au。
15.根据本技术的一个实施例，所述通孔为锥形通孔，使得每个独立控制的所述相控阵天线单元的控制线实现多层布线。
16.本技术第二方面实施例提供一种二维扫描相控阵列，采用如上述权利要求所述的相控阵天线单元，包括：
[0017]2n
个单元、金丝键合线、连接每个相控阵天线单元的hemt的直流地线、相控阵天线单元单独控制的布线层和连接波控电路的接口；
[0018]
其中，每个子阵由16
×
16个所述相控阵天线单元构成，n为正整数，所述二维扫描相控阵列用于方位和/或俯仰二维扫描。
[0019]
根据本技术的一个实施例，将每一行相邻子阵的直流地线连起来，并设置金丝键合点。
[0020]
根据本技术的一个实施例，所述金丝键合线包括相邻子阵之间的金丝键合线，以及子阵与所述布线层之间的金丝键合线，用于接地。
[0021]
根据本技术的一个实施例，所述相控阵天线单元单独控制的布线层与所述相控阵天线单元通过预设个数的圆形球栅焊点连接，用于独立控制所述相控阵天线单元。
[0022]
根据本技术的一个实施例，所述相控阵天线单元单独控制的布线层为多层fr-4板材。
[0023]
根据本技术的一个实施例，所述相控阵天线单元的第一状态和第二状态的相位差为180
°
。
[0024]
由此，解决了一维相控阵扫描天线无法实现精确测角且易发生波瓣分裂，导致副瓣高、增益低等问题。本技术的相控阵天线可实现大规模布阵，标准的流片工艺使其易于工程化。
[0025]
本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。
附图说明
[0026]
本技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0027]
图1为根据本技术实施例提供的一种相控阵天线单元的结构示意图；
[0028]
图2为根据本技术一个实施例的调相hemt的结构示意图；
[0029]
图3为根据本技术一个实施例提供的调相hemt导通和截止时单元幅度特性图；
[0030]
图4为根据本技术一个实施例提供的调相hemt导通和截止时单元相位特性图；
[0031]
图5为根据本技术实施例的二维扫描相控阵列的结构示意图；
[0032]
图6为根据本技术一个实施例的提供的二维扫描相控阵列的子阵示意图；
[0033]
图7为根据本技术一个实施例的提供的子阵的圆形球栅焊点示意图；
[0034]
图8为根据本技术一个实施例的提供的扫描方向示意图；
[0035]
图9为根据本技术一个实施例的提供的子阵的e面和h面的方向示意图。
具体实施方式
[0036]
下面详细描述本技术的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。
[0037]
下面参考附图描述本技术实施例的相控阵天线单元。针对上述背景技术中心提到的一维相控阵扫描天线无法实现精确测角且易发生波瓣分裂，导致副瓣高、增益低等问题，本技术提供了一种相控阵天线单元，其包括的金属辐射层、基于gaas的调相hemt、半绝缘衬底、金属反射板和通孔均呈中心线对称，其中，金属辐射层由两个预设形状相连且设置有槽结构对称辐射片、2个对称阻抗匹配线和用于提供控制电压的直流电压控制线及t形直流接地线组成，当控制电压为0v时，调相hemt导通，相控阵天线单元为第一状态；当控制电压为-5v时，调相hemt截止，相控阵天线单元为第二状态，两个状态相位相差180
°
，可进行1bit调相。通过独立控制每个单元实现太赫兹二维扫描，解决了一维相控阵扫描天线在应用中无法实现精确测角且易发生波瓣分裂，导致副瓣高、增益降低等问题，基于gaas的hemt集成于天线单元中，通过独立控制每个单元实现太赫兹二维扫描，且宽带宽、结构简单、可以实现大规模布阵，标准的流片工艺使其易于工程化。
[0038]
具体而言，图1为本技术实施例所提供的一种相控阵天线单元的结构示意图。
[0039]
如图1所示，该相控阵天线单元10包括：金属辐射层100、基于gaas的调相hemt200、半绝缘衬底300、金属反射板400和通孔500。
[0040]
其中，金属辐射层100、基于gaas的调相hemt200、半绝缘衬底300、金属反射板400和通孔500均呈中心线对称；金属辐射层100由两个预设形状相连且设置有槽结构对称辐射片101、直流电压控制线102、2个对称阻抗匹配线103和t形直流接地线104组成；直流电压控制线102和t形直流接地线104用于提供控制电压，当控制电压为0v时，基于gaas的调相hemt200导通，相控阵天线单元为第一状态；当控制电压为-5v时，调相hemt截止，相控阵天线单元为第二状态。
[0041]
进一步地，在一些实施例中，基于gaas的调相hemt200，包括：本征gaas、本征algaas、提供载流子的参杂algaas、2个欧姆接触贴片和1个控制栅极贴片。
[0042]
具体而言，如图1所示，金属辐射层100包括2个形状为“e”的连在一起的带槽的对称辐射片101，在相应的频率形成谐振辐射电磁波、直流电压控制线102、2个对称阻抗匹配线103和t形直流接地线104。其中，对称辐射片101的整体外形不限于长方形形状，可以是半圆形。基于gaas的调相hemt200的放大图可以如图2所示半绝缘衬底300为gaas衬底，其厚度为100um，gaas作为衬底基板可以生长gaas/algaas/gan/algan等材料，便于制作hemt，其不像蓝宝石那样易碎，可以加工高密度通孔；金属反射板400为au；通孔500为锥形通孔，顶层直径40um，底层直径70um，锥形通孔主要用来使得每个独立控制的单元的控制线可以多层布线；直流电压控制线102和t形直流接地线104主要用于为hemt200提供控制电压。
[0043]
进一步地，在本技术实施例中，当直流电压控制线102和t形直流接地线104所提供
的控制电压为0v时，基于gaas的调相hemt200导通，对应显示为“状态1”(即第一状态)；当直流电压控制线102和所t形直流接地线104所提供的控制电压为-5v时，基于gaas的调相hemt200截止，对应显示为“状态0”(即第二状态)。
[0044]
具体而言，如图3、图4所示，分别为hemt导通和截止时单元幅度特性和单元相位特性图。由图可知，两个状态单元的相位差经过180
°
，可以实现1bit的精准调相，相位带宽为18ghz@180
°±
30
°
。
[0045]
根据本技术实施例提出的相控阵天线单元，可以通过直流电压控制线和t形直流接地线用于基于gaas的调相hemt提供控制电压，当控制电压为0v时，调相hemt导通，相控阵天线单元为第一状态；当控制电压为-5v时，调相hemt截止，相控阵天线单元为第二状态。由此，采用基于gaas的hemt调相，不仅结构简单，而且可以高密度打孔实现大规模布阵，易于工程化。
[0046]
其次参照附图描述根据本技术实施例提出的二维扫描相控阵列。
[0047]
图5是本技术实施例的二维扫描相控阵列的结构示意图。
[0048]
如图5所示，二维扫描相控阵列20可以采用图1实施例所示的相控阵天线单元，该二维扫描相控阵列20包括：2n个单元(如单元601)、金丝键合线700、连接每个相控阵天线单元的hemt的直流地线800、相控阵天线单元单独控制的布线层900和连接波控电路的接口1000。
[0049]
具体地，单元的具体实施方案可以如图6所示，每个单元由16
×
16个相控阵天线单元10构成，单元两边把每一行的直流地线800连起来，即每一行的t形直流地线104与每一行的直流地线800相连接，如图6所示的实线圆框内t形直流接地线与虚线方框中的直流接地线800相连，并在其相连处的任意位置设置金丝键合点，如图6中虚线椭圆框所示。二维扫描相控阵列20所采用的单元可以为2的指倍数，如2n个单元，n为正整数；金丝键合线700包括相邻单元之间的金丝键合线701以扩展更多的单元，以及单元与布线层之间的金丝键合线702，用于接地，；相控阵天线单元10单独控制的布线层900与相控阵天线单元10通过预设个数(如16
×
16个)圆形球栅焊点连接，用于独立控制相控阵天线单元10，子阵的圆形球栅焊点如图7所示，其中，相控阵天线单元10单独控制的布线层900可以为多层fr-4板材；连接波控电路的接口1000共有16
×
16个插针组成，每个插针供0v或-5v电压以独立控制每个单元的相位。二维扫描相控阵列20可以用于进行方位和/或俯仰二维扫描，如图8所示，可以实现
±
60
°
的二维扫描，定位精度可以达到1
°
(方位)
×1°
(俯仰)。
[0050]
进一步地，基于上述二维扫描相控阵列20，本技术一个实施例的单元的e面和h面的方向示意图可以如图9所示，其中，e平面是指平行于电场方向的方向平面；h平面是指平行于磁场方向的方向平面。
[0051]
根据本技术实施例提出的二维扫描相控阵列，通过上述的相控阵天线单元，解决了一维相控阵扫描天线在应用中无法实现精确测角且易发生波瓣分裂，导致副瓣高、增益降低等问题，基于gaas的hemt集成于天线单元中，通过独立控制每个单元实现太赫兹二维扫描，且宽带宽、结构简单、可以实现大规模布阵，易于工程化。
[0052]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不
必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或n个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0053]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本技术的描述中，“n个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0054]
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更n个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本技术的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本技术的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
[0055]
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或n个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)，可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得程序，然后将其存储在计算机存储器中。
[0056]
应当理解，本技术的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，n个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
[0057]
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
[0058]
此外，在本技术各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
[0059]
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本技术的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本技术的限制，本领域的普通技术人员在本技术的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。