[发明专利]基于MEMS开关矩阵的四维天线阵

说明书

本发明提供了一种基于MEMS开关矩阵的四维天线阵，数字层产生L路同源相参的中频基带信号，经上下变频层的上变频作用，变为射频信号，传输至功分馈电层，由功分器功分后，传输至TR组件层进行射频信号的放大作用后，传输至MEMS开关矩阵，开关矩阵与天线阵元相连，开关矩阵受数字层数字控制信号的控制，按时间参数进行不同导通状态的控制，从而实现天线阵面发射状态的四维控制。本发明各种参数随时间变化的灵活控制，从而实现阵面的四维控制，实现对阵面的灵活控制，常规三维空间参数随着时间维度的实时变化，通过对时间维度各参数的实时变化，可以实现阵面对不同空域、不同目标的不同发射或接收状态设置。

技术领域

本发明涉及天线领域，尤其是一种四维天线阵，主要应用于大规模低成本四维天线阵的工程实现。

背景技术

常规天线阵利用了发射或接收单元在空间中的一维、二维甚至三维分布。然而，即使阵元的所有三维空间分布都被利用起来，由于互耦等复杂因素的影响，这些苛刻的系统要求也不能完全实现。因此，在常规天线阵中引入新的一维设计自由度——时间自由度——就成为势在必行，由此而构成的天线阵被称为四维天线阵。

四维天线阵正是为了解决传统天线设计的种种不便而提出的新型天线设计理论。该方法突破传统天线设计的局限，创造性地将“时间”变量作为新的设计自由度引入常规天线设计中，以对天线工作时间的控制来取代或部分取代对天线激励幅相的控制，从而降低对天馈系统的要求，同时由于四维天线阵的时间调制特性，具有许多特有的辐射特性，可以满足当代对高性能，低成本天线系统的要求。

与常规天线阵相比，由于四维天线阵在综合低或超低副瓣方向图方面具有潜在的优势，近年来四维天线阵逐渐成为国内外的广泛关注和研究的热点。目前，这些研究内容主要集中在边带抑制、赋形波束、双向相位中心运动的线阵、互耦补偿、自适应波束形成以及雷达系统中的应用等。

R.W.Bickmore和W.LWeeks分别于1966年、1968年对四维天线的原理作了进一步总结。1983年美国海军研究实验室的B.L.Lewis等人提出了利用雷达天线阵的运动相位中心来实现通带内低或超低副瓣的概念。基于多普勒频移效应，天线阵的副瓣将被移至雷达通带外，从而实现通带内的低或超低副瓣，而天线阵相位中心的运动也是通过控制连接于每个阵元的高频开关来实现。该天线也被视为一种四维天线阵。杨仕文在2002-2004年期间对四维天线阵用于实现低副瓣或超低副瓣波束作了研究，并且在边带抑制、具有运动相位中心线阵静态激励的优化设计、功率波束合成以及四维天线阵的增益与方向性等理论研究方面取得了初步进展。设计、加工并测试了一套工作与L波段的16单元印刷偶极子四维天线线阵。提出了双向运动相位中心的概念并辅以实验验证。实验测得的工作频带内低副瓣绝对值电平为-20dBi.该副瓣电平按照文献的定义属于超低副瓣范畴。2004年，J.Fondevila、J.C.Brégains与F.AresandE.Moreno等通过时间调制方式优化均匀激励线阵的时间序列，在保持一定副瓣电平的基础上，减小边带辐射，并将之用于非均匀线阵，选择适当的阵元位置得到宽频带响应，测试结果比较满意。2007年，A.Tennant和B.Chambers将时间调制方式用于二元阵，该二元阵能够根据来波方向进行零点扫描，使其具有主动测向特性。

现阶段的研究主要集中于理论层面，所开发的原理样机多为验证四维天线阵的理论正确性，并利用时间调制方式优化天线阵面的低副瓣或宽频段效应，面向工程应用的低成本、小型化四维天线阵尚处于研究阶段，亟需开展相关研究。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于MEMS开关矩阵的四维天线阵。主要应用于大规模低成本四维天线阵的工程实现。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于MEMS开关矩阵的四维天线阵包括M个天线阵元、N入M出的MEMS开关矩阵、N通道的TR组件层、L路分N路的功分馈电层、L通道的上下变频层和L通道的数字层，其中N/L为正整数，且M＞N；