[发明专利]一种辐射特性数字调控的天线

说明书

本发明公开了一种辐射特性数字调控的天线，利用电磁超表面加载的介质谐振器作为辐射体，引入双槽馈电结构和半波长相位延迟微带线来完成极化和相位可重构，进而实现极化和相位的数字离散化。本发明可通过选择不同的编码序列，从而灵活地控制电磁波辐射状态。同时，基于本发明的天线结构排布而成的辐射特性数字调控阵列天线，具有体积小、成本低、带宽宽、功能多、多波束动态扫描和设计自由度高等优点，在实现灵活的波束和极化转换的同时，还可以通过控制各元件的编码序列对辐射波进行数字调制，适用于未来波束可控智能通信或直接信号调制通信应用。

技术领域

本发明属于射频天线技术领域，具体涉及一种辐射特性数字调控的天线的设计。

背景技术

随着无线通信技术的发展，对射频系统提出更高的要求：需要小型化和多功能的天线，以实现更高的数据传输速率和更稳定、更智能的通信服务。而传统的单功能天线由于辐射模式固定，不适合复杂场景和高速通信应用，尤其是智能物联网系统和5G/6G应用。辐射特性可控天线阵列作为一类新颖的波束扫描阵列，不仅具有多个可切换的辐射波束和辐射模式，还可以有效改善多径效应，避免极化失配，增加信道容量，增强抗干扰能力。上述特点使其能够满足多波束动态覆盖的需求，成为5G/6G系统应用的潜力候选者。

辐射特性可控天线在过去的十年里快速发展，引起了广泛的关注。它们一般可分为三大类：相控阵、可重构天线和有源超表面天线。经典相控阵虽然能实现强大的波束成形和波束扫描功能，但其尺寸大(元件多)、成本高(T/R组件昂贵)；近年来提出了各种可重构天线，如方向图可重构天线、极化可切换天线、频率可调谐天线，但它们的辐射口径小，可重构性能受到限制，而且很难避免额外的欧姆损失；有源超表面天线通过引入PIN二极管、变容器、MEMS开关和液晶等电子元件，可以灵活地操控辐射电磁波，然而它们通常属于散射机制而非传统的有源辐射机制，因此具有高剖面和结构复杂等缺点。综上所述，辐射特性可控天线仍存在一些不足：(1)体积大，(2)成本高，(3)辐射可控性能有限。

到目前为止，关于低成本相位极化可重构数字天线/阵列的研究较少，因此设计相位和极化独立可调的数字比特天线/阵列仍然是一个巨大的挑战。由于具有多功能的辐射波调控能力，数字比特天线不仅适用于经典载波通信下的多波束可控应用，而且适用于新型的直接数字信号调制通信。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有数字调控天线难以同时实现波束和极化独立可调的局限问题，提出了一种辐射特性数字调控的天线，具有体积小、成本低、带宽宽、功能多、辐射波调制能力灵活等优点，为未来多波束扫描智能通信或直接信号调制通信应用提供一种新的解决方案。

本发明的技术方案为：一种辐射特性数字调控的天线，包括电磁超表面、金属地板和F4BM介质基板，金属地板设置在F4BM介质基板上表面，且通过尼龙螺钉与电磁超表面固定连接，F4BM介质基板的下表面印刷有馈电网络，馈电网络包括馈电微带线，馈电微带线的支路连接有数字相位控制移相器，数字相位控制移相器和馈电微带线之间设置有数字相位直流偏置电路，金属地板上刻蚀有数字极化双槽馈电结构，数字极化双槽馈电结构和馈电网络之间设置有数字极化控制电路，F4BM介质基板的下表面还印刷有PIN二极管直流偏置电路，PIN二极管直流偏置电路分别与数字相位直流偏置电路和数字极化控制电路连接。

进一步地，电磁超表面包括介质谐振器以及附在介质谐振器上表面的环形金属贴片，环形金属贴片采用多缝隙结构，介质谐振器采用介质陶瓷材料。

进一步地，数字相位控制移相器为半波长相位延迟微带线。

进一步地，数字相位直流偏置电路包括PIN二极管P1和PIN二极管P2，PIN二极管P1设置于馈电微带线上，PIN二极管P2设置在半波长相位延迟微带线和馈电微带线之间。

进一步地，数字极化双槽馈电结构包括相互垂直相交的第一缝隙和第二缝隙，第一缝隙和第二缝隙的交点将第一缝隙分为第一长缝隙和第一短缝隙，将第二缝隙分为第二长缝隙和第二短缝隙。