[发明专利]基于缝隙耦合结构的可重构反射阵天线

说明书

本发明公开基于缝隙耦合结构的可重构反射阵天线，包括反射阵列、第一介质基板、第一地板、第二介质板、相移延迟线、直流偏置线、第二地板、控制电路。反射阵列由M×N个相同的金属辐射体以半波长为周期组成，其中，M、N为1<M<50，1<N<50中的任意一个整数。本发明在相移延迟线上加载一个PIN二极管，利用控制电路控制PIN二极管的导通与截止，将每个天线单元所需的补偿相位离散成0°和180°两种状态，用于控制天线的主波束方向。本发明解决了传统微带反射阵天线阵列过大时偏置电路设计难度大的问题，具有设计过程简单，应用灵活简便，易于加工等优点。

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及电磁场与微波技术领域的基于缝隙耦合结构的可重构反射阵天线。本发明可用于微波波段的卫星通信和雷达信号的发射与接收端，实现对通信信号的波束扫描。

背景技术

可重构微带反射阵天线因为结合了抛物面天线和相控阵天线的部分优点，具有结构简单、损耗小、易集成、成本低、效率高、波束可精确调控等优点，可以广泛地应用于雷达、卫星通信等领域。随着电子无线通信技术的不断发展和完善，雷达和通信系统都期望天线具有更多的功能性和自适应性。抛物面天线虽然具有高增益、高定向性、设计结构简单、工作频带较宽等优点，但是天线自身弯曲的抛物面结构使得天线体积庞大、重量大、加工和安装困难等缺点。相比抛物面天线，相控阵天线虽然体积小，可以通过精确调控天线后端的馈电网络实现波束扫描，但是馈电网络需要加载大量的移相器和放大器，传输损耗大，价格昂贵。可重构微带反射阵天线是由空间馈源以及具有可重构功能的反射面组成。其中，馈源部分一般是采用喇叭天线进行空间照射馈电；而反射面部分一般是利用加工简便、价格低廉的印刷电路板PCB技术制作在平面介质板上。这样使得天线的剖面降低，避免了抛物面天线的多种缺点。相比于相控阵天线的复杂性，可重构反射阵天线大大降低了设计难度，而且由于有源器件的减少，传输损耗也有很大程度的降低。

北京机电工程研究所在其申请的专利文献“一种大角度扫描微带相控阵天线”(申请号201710481203.0，申请公布号CN 109119756A)中公开了一种波束可扫的微带相控阵天线。该天线包括若干个分形结构形式的微带天线单元、上层微波介质板和下层微波介质板，所述的每个微带天线单元包括微带辐射贴片、耦合馈电微带线、射频连接器和天线地板。该天线采用分形微带天线单元结构形式和地板修形技术，有效拓展了传统微带相控阵天线的扫描范围(主波束可实现大于±70°的扫描)，微带天线单元利用耦合馈电方式，通过控制下层微波介质板上耦合馈电微带线的宽度和长度调节输入阻抗，实现耦合馈电微带线与射频连接器间的阻抗匹配。无需额外的周期结构覆层或去耦网络，降低了设计复杂度和制造成本，保持了传统微带天线的低剖面优势。但是，该天线仍然存在的不足之处是，该天线在对通信信号的波束扫描时，每个天线单元还需要额外再设计相应的移相网络，最终导致馈电网络比较复杂。

西安电子科技大学在其申请的专利文献“一种双频双极化波束可控微带反射阵天线”(申请号201610496392.4，申请公布号CN 106207468A)中公开了一种可重构反射阵天线。该天线包括介质基板、反射结构及天线馈源。介质基板上表面蚀刻M×N个周期排列的金属贴片单元，M、N的取值为整数，1<M<50，1<N<50，反射结构位于介质基板下表面，采用金属地板结构，天线馈源位于辐射结构的上半空间。通过使用金属贴片单元和变容二极管，解决了传统微带反射阵天线只能以单频带或者单极化模式工作、不能实现连续波束扫描的问题。但是，该天线仍然存在的不足之处是，每个单元结构在对通信信号的波束扫描时还需要额外加载两个变容二极管，而且每个变容二极管对控制电路要求较高，增加了系统的复杂度。

综上所述，目前通信信号波束扫描天线面临着一个问题，传统微带相控阵天线，阵列过大时需要加载大量的相移控制结构、调控天线每个单元的相移的工作量很大、天线设计难度大，极大地限制了其应用范围，目前的可重构天线结构复杂，加工成本高，装配繁琐。

发明内容