本發(fā)明涉及無線通信，更進(jìn)一步涉及電磁場與微波中的一種基于多諧振結(jié)構(gòu)的寬帶1比特可重構(gòu)圓極化反射陣天線。本發(fā)明可用于微波、毫米波頻段，將來自饋源的圓極化波高強(qiáng)度反射，并能夠?qū)崿F(xiàn)反射波束指向的電調(diào)控，波束掃描角度可達(dá)±60°，適用于無線通信、衛(wèi)星通信等通信系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、反射陣天線作為一種由饋源天線和反射功能層構(gòu)成的高增益天線，因其具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、質(zhì)量輕、定向性高等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。無線通信、衛(wèi)星通信中的k波段相較于c波段和x波段，波長更短，設(shè)備體積更小，更容易實(shí)現(xiàn)小型化，能夠利用的頻譜資源也更為豐富，是衛(wèi)星通信中的主要頻段之一。在遠(yuǎn)距離通信中，波長長度越短的電磁波越容易受到電離層和雨衰效應(yīng)等干擾，線極化波容易出現(xiàn)極化旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，收發(fā)天線之間可能出現(xiàn)極化失配等問題，相比之下，圓極化天線能夠較好的避免這一問題，更適合應(yīng)用在遠(yuǎn)距離通信系統(tǒng)中。傳統(tǒng)的無源反射陣天線在設(shè)計(jì)時(shí)反射波束的指向是固定的，在后續(xù)的使用過程中不能靈活調(diào)整。在此基礎(chǔ)上加入可調(diào)器件，如pin二極管、變?nèi)荻O管、微型電子機(jī)械系統(tǒng)(mems傳感器)、微電機(jī)等，可實(shí)現(xiàn)反射陣天線單元反射相位的調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)反射功能層的重構(gòu)。在上述方法中，采用變?nèi)荻O管和微電機(jī)的方案雖然能夠?qū)崿F(xiàn)單元相位的連續(xù)可調(diào)，進(jìn)一步獲得更高精度的相位補(bǔ)償，但控制系統(tǒng)也相對復(fù)雜，成本更高。mems傳感器相較于pin二極管需要的開啟電壓較高，可靠性較低，加工成本也相對高昂，因此pin二極管是可重構(gòu)反射陣天線的設(shè)計(jì)中能夠同時(shí)兼顧加工成本、設(shè)計(jì)復(fù)雜度、工作帶寬等多方面因素的優(yōu)選方案。

2、由于pin二極管數(shù)量和尺寸的限制，目前可重構(gòu)圓極化反射陣天線的工作頻段大部分設(shè)計(jì)在x波段和ku波段。

3、東南大學(xué)在其申請的專利文獻(xiàn)“一種2比特圓極化波束電掃描反射陣天線”(專利申請?zhí)?02310842233.5，申請日2023.07.11申請公布號(hào)cn?117039452?a)中公開一種工作在x波段的2比特圓極化波束的反射陣天線。該天線采用4對領(lǐng)結(jié)型貼片為主要輻射結(jié)構(gòu)，通過控制四對pin二極管的開斷選擇工作的貼片，實(shí)現(xiàn)反射相位的2比特可控調(diào)節(jié)，工作頻率范圍為8.6到10.7ghz(21.76％)。該發(fā)明引入了8只pin二極管，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)2比特的調(diào)控精度，獲得21.76％的3-db增益帶寬，但是，該天線仍然存在的不足之處是，工作頻率受到pin二極管尺寸的限制，不能擴(kuò)展到頻率較高的頻段，如ku波段、k波段等。

4、清華大學(xué)在其申請的專利文獻(xiàn)“一種雙圓極化獨(dú)立掃描可重構(gòu)反射陣天線”(發(fā)明專利申請?zhí)?02310558542.x，申請日2023.05.17，申請公布號(hào)cn?116666978?a)中公開一種工作在ku波段的雙圓極化獨(dú)立掃描的可重構(gòu)反射陣天線。該天線采用十字圖形和圓弧為主要輻射結(jié)構(gòu)，通過控制4個(gè)pin二極管的開斷完成電流流動(dòng)路徑的重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了四個(gè)有效狀態(tài)的設(shè)計(jì)。其中，狀態(tài)00和狀態(tài)01之間、狀態(tài)01和狀態(tài)10之間旋轉(zhuǎn)角度相差90°，在相位調(diào)控中采用了旋轉(zhuǎn)相位；狀態(tài)01在狀態(tài)00的基礎(chǔ)上微帶延遲線的長度增加約半個(gè)波長，引入了180°的動(dòng)態(tài)相位，3-db增益帶寬和3-db軸比帶寬分別為6.1％(16.1到17.1ghz)和4.9％。該天線在單元設(shè)計(jì)時(shí)同時(shí)調(diào)用了動(dòng)態(tài)相位和旋轉(zhuǎn)相位，能夠?qū)崿F(xiàn)對左旋圓極化波和右旋圓極化波的獨(dú)立調(diào)控，但是，該天線仍然存在的不足之處是，由于動(dòng)態(tài)相位和頻率相關(guān)，動(dòng)態(tài)相位的引入，導(dǎo)致單元工作帶寬窄的問題，不適用于需要較寬工作頻段的應(yīng)用場景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提出一種基于多諧振結(jié)構(gòu)的寬帶1比特可重構(gòu)圓極化反射陣天線，旨在通過多諧振結(jié)構(gòu)解決滿足反射陣天線工作帶寬寬的前提下，解決多個(gè)pin二極管帶來的單元尺寸大、天線工作帶寬窄問題。

2、實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)思路是：本發(fā)明基于弧形電路圖形、矩形電路圖形、扇形電路圖形、方形電路圖形共同構(gòu)成的多諧振電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圓極化反射陣天線單元，在接收來自自由空間中的電磁波形成感應(yīng)電流后，電流將流經(jīng)不同的電路圖形，形成多條電流流動(dòng)路徑，并使te模式和tm模式平面入射產(chǎn)生的相位差穩(wěn)定在180°左右。本發(fā)明采用弧形電路圖形和扇形電路圖形的組合，在一定程度上延長了感應(yīng)電流的流動(dòng)路徑，電路圖形的等效電尺寸得到有效增長，以此解決現(xiàn)有技術(shù)的單元工作帶寬窄的問題，達(dá)到單元小型化的目的。本發(fā)明設(shè)計(jì)的輻射層的電路圖案在兩個(gè)正交的平面波入射后能夠形成兩條不同的電流流動(dòng)路徑，兩條電流流動(dòng)路徑下的相位差在較寬的頻帶內(nèi)能夠穩(wěn)定在180°，實(shí)現(xiàn)單元工作帶寬的擴(kuò)寬。本發(fā)明引入兩對pin二極管，pin二極管的一端通過接地盲孔連接到反射底板，另一端通過直流偏置通孔連接到直流偏置電路，通過直流偏置電路輸入的直流電平控制兩對pin二極管的開斷，實(shí)現(xiàn)反射陣天線單元反射相位的重構(gòu)。

3、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的天線包括可重構(gòu)圓極化反射功能層、圓極化喇叭天線和亞克力支架；所述可重構(gòu)圓極化反射功能層由m×n個(gè)結(jié)構(gòu)相同的圓極化反射陣天線單元，按照0.4125λ0的間隔周期性排列組成，λ0為天線中心頻率下的波長，m和n均為大于等于1的正整數(shù)；每個(gè)圓極化反射陣天線單元包括基于弧形電路圖形、矩形電路圖形，扇形電路圖形構(gòu)成多諧振結(jié)構(gòu)的輻射層和直流偏置結(jié)構(gòu)兩個(gè)部分；te模式和tm模式平面波入射時(shí)產(chǎn)生180°左右的線極化反射相位差；引入pin二極管控制圓極化反射陣天線單元(2)的工作狀態(tài)，通過1比特反射相位的調(diào)控以實(shí)現(xiàn)圓極化反射功能層的重構(gòu)。

4、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

5、第一，本發(fā)明設(shè)計(jì)了由輻射層和直流偏置層構(gòu)成的圓極化反射陣天線單元，采用弧形、扇形和矩形設(shè)計(jì)電路圖形，弧形和扇形圖形的組合能夠形成多諧振結(jié)構(gòu)，并在一定程度上延長電流的流動(dòng)路徑，單元等效微帶線長度得到有效增長，克服了現(xiàn)有技術(shù)中引入多個(gè)pin二極管帶來的單元尺寸大的問題，使得本發(fā)明設(shè)計(jì)的圓極化反射陣天線單元具有電尺寸小、物理尺寸小的優(yōu)點(diǎn)。

6、第二，本發(fā)明在te模式和tm模式平面波分別入射時(shí)能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的線極化反射相位差，從而能夠?qū)⒆笮?右旋圓極化波高強(qiáng)度反射，并在反射前后不改變電磁波的旋向。相位調(diào)控方式采用旋轉(zhuǎn)相位方案，兩個(gè)工作狀態(tài)對應(yīng)單元的相位差能夠穩(wěn)定在180°左右，從而實(shí)現(xiàn)工作帶寬的擴(kuò)寬。克服了現(xiàn)有技術(shù)的天線工作帶寬窄的問題，使得本發(fā)明的天線具有反射系數(shù)高、交叉極化水平低、工作帶寬寬等優(yōu)點(diǎn)。

7、第三，本發(fā)明采用空間饋電的形式饋電，相較于相控陣天線，避免了饋電網(wǎng)絡(luò)帶來較大的插入損耗。將反射相位離散化，引入pin二極管控制反射陣天線單元的工作狀態(tài)，僅通過1路直流偏置即可完成對一個(gè)圓極化反射陣天線單元工作狀態(tài)的控制功能，實(shí)現(xiàn)反射相位的1比特設(shè)計(jì)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)圓極化反射功能層的重構(gòu)，使得本發(fā)明具有控制方式簡單、結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、成本低的優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)特征：

1.一種基于多諧振結(jié)構(gòu)的寬帶1比特可重構(gòu)圓極化反射陣天線，包括可重構(gòu)圓極化反射功能層(1)、圓極化喇叭天線(3)和亞克力支架(4)；其特征在于，所述可重構(gòu)圓極化反射功能層(1)由m×n個(gè)結(jié)構(gòu)相同的圓極化反射陣天線單元，按照0.4125λ0的間隔周期性排列組成，λ0為天線中心頻率下的波長，m和n均為大于等于1的正整數(shù)；每個(gè)圓極化反射陣天線單元(2)包括基于弧形電路圖形、矩形電路圖形，扇形電路圖形構(gòu)成多諧振結(jié)構(gòu)的輻射層和直流偏置結(jié)構(gòu)兩個(gè)部分；te模式和tm模式平面波入射時(shí)產(chǎn)生180°左右的線極化反射相位差；通過控制四個(gè)pin二極管的開斷狀態(tài)可實(shí)現(xiàn)單元反射相位的1比特調(diào)控。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多諧振結(jié)構(gòu)的寬帶1比特可重構(gòu)圓極化反射陣天線，其特征在于，所述可重構(gòu)圓極化反射功能層(1)和圓極化喇叭天線(3)通過尼龍螺絲(5)固定在亞克力支架(4)上。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多諧振結(jié)構(gòu)的寬帶1比特可重構(gòu)圓極化反射陣天線，其特征在于，所述輻射層包括第一電路圖形(21)、第二電路圖形(22)、第三電路圖形(23)、第四電路圖形(24)、方形電路圖形(25)、第一pin二極管(31)、第二pin二極管(32)、第三pin二極管(33)、第四pin二極管(34)、輻射介質(zhì)層(46)和反射底板(47)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多諧振結(jié)構(gòu)的寬帶1比特可重構(gòu)圓極化反射陣天線，其特征在于，所述直流偏置結(jié)構(gòu)包括直流偏置介質(zhì)層(48)和直流偏置電路(49)。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于多諧振結(jié)構(gòu)的寬帶1比特可重構(gòu)圓極化反射陣天線，其特征在于，所述第一電路圖形(21)、第二電路圖形(22)、第三電路圖形(23)、第四電路圖形(24)與方形電路圖形(25)分別通過第一pin二極管(31)、第二pin二極管(32)第三pin二極管(33)第四pin二極管(34)連接；第一電路圖形(41)、第二電路圖形(42)、第三電路圖形(43)、第四電路圖形(44)分別通過第一接地盲孔(41)、第二接地盲孔(42)、第三接地盲孔(43)、第四接地盲孔(44)與反射底板(47)連接，方形電路圖形(25)通過直流偏置通孔(45)與直流偏置電路(49)連接。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于多諧振結(jié)構(gòu)的寬帶1比特可重構(gòu)圓極化反射陣天線，其特征在于，所述第一電路圖形(21)由第一弧形電路圖形(51)通過第一矩形電路圖形(52)和第一扇形電路圖形(53)連接構(gòu)成；第二電路圖形(22)由第二扇形電路圖形(56)通過第二矩形電路圖形(57)與第二弧形電路圖形(58)連接構(gòu)成；第三電路圖形(23)由第三弧形電路圖形(61)通過第三矩形電路圖形(62)和第三扇形電路圖形(63)連接構(gòu)成；第四電路圖形(24)由第四扇形電路圖形(66)通過第四矩形電路圖形(67)與第四弧形電路圖形(68)連接構(gòu)成。

7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于多諧振結(jié)構(gòu)的寬帶1比特可重構(gòu)圓極化反射陣天線，其特征在于，所述直流偏置電路(49)為正電壓和負(fù)電壓兩種模式，當(dāng)正電壓輸入時(shí)，第一pin二極管(31)和第二pin二極管(32)處于開啟狀態(tài)，第三pin二極管(33)和第四pin二極管(34)處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)的圓極化反射陣天線單元(2)的工作狀態(tài)為“0”；當(dāng)負(fù)電壓輸入時(shí)，第一pin二極管(31)和第二pin二極管(32)處于關(guān)閉狀態(tài)，第三pin二極管(33)和第四pin二極管(34)處于開啟狀態(tài)，此時(shí)的圓極化反射陣天線單元(2)的工作狀態(tài)為“1”；通過控制可重構(gòu)圓極化反射功能層(1)內(nèi)每個(gè)圓極化反射陣天線單元(2)的工作狀態(tài)調(diào)控反射波束方向，實(shí)現(xiàn)電可重構(gòu)。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多諧振結(jié)構(gòu)的寬帶1比特可重構(gòu)圓極化反射陣天線，其特征在于，所述圓極化喇叭天線(3)具有左旋圓極化和右旋圓極化兩種極化方式，通過空間饋電的形式對可重構(gòu)圓極化反射功能層(1)激勵(lì)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于多諧振結(jié)構(gòu)的寬帶1比特可重構(gòu)圓極化反射陣天線，包括可重構(gòu)圓極化反射功能層、圓極化喇叭天線和亞克力支架?？芍貥?gòu)圓極化反射功能層由M×N個(gè)結(jié)構(gòu)相同的圓極化反射陣天線單元按照0.4125λ<subgt;0</subgt;的間隔周期性排列組成。圓極化反射陣天線單元由輻射層和直流偏置層兩部分構(gòu)成，輻射層包括基于多諧振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的電路圖形、PIN二極管、輻射介質(zhì)層和反射底板，直流偏置結(jié)構(gòu)包括直流偏置介質(zhì)層和直流偏置電路。通過控制四個(gè)PIN二極管的開斷狀態(tài)可實(shí)現(xiàn)單元反射相位的1比特調(diào)控，調(diào)整每個(gè)圓極化反射陣天線單元的狀態(tài)可實(shí)現(xiàn)±60°的波束掃描功能，能夠應(yīng)用在無線通信和衛(wèi)星通信系統(tǒng)中。

技術(shù)研發(fā)人員：張志亞,張宇輝,左少麗,王碩
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西安電子科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9