[发明专利]具有低成本和低剖面的二维宽角扫描可编程比特阵列天线

说明书

本发明公开了一种具有低成本和低剖面的二维宽角扫描可编程比特阵列天线，该阵列天线包含8*8个天线单元，每个天线单元由顺序排列的辐射层、第一金属地层、第一半固化片、直流偏置层、第二半固化片、第二金属地层、馈电层组成。其中辐射层上层为辐射贴片天线，是一种具有很宽半功率波束宽度的磁偶极子天线；直流偏置层上层和下层分别是第一直流偏置结构和第二直流偏置结构；馈电层下层是给辐射贴片天线激励的馈电结构。本发明的可编程比特阵列天线具有灵活的二维大角度波束扫描能力，并且具有低成本、低剖面、低复杂度和低功耗的特性。

技术领域

本发明属于低成本平面阵列天线、二维宽角扫描阵列天线以及相控阵天线领域，具体涉及一种具有低成本和低剖面的二维宽角扫描可编程比特阵列天线。

背景技术

同时实现二维宽角波束扫描以及高增益低副瓣是天线科学家以及工程师们的长期追求。另外，随着现代雷达和通信系统的快速发展，低成本和低剖面天线也受到了追捧。在众多竞争者中，相控阵天线由于其高增益、快速扫描以及宽的波束覆盖的特性饱受瞩目。然而，传统相控阵天线有几个缺陷，包括复杂度高，重量大以及成本昂贵。虽然上述限制可以用一些技术来缓解，例如平面交叉子阵技术，但这是以牺牲辐射和扫描性能为代价的。

可重构反射阵天线和可重构透射阵天线一直在不断发展中，以提供经济实惠的波束扫描方案。这些阵列天线的单元通常与可调器件相集成，如PIN二极管，变容二极管以及一些其他可调材料。另一方面，可编程超表面，作为一种特殊类型的可重构阵列，由于能够任意地调控电磁波也受到广泛关注。然而，无论是可重构反射阵、可重构透射阵，还是可编程超表面，它们都需要外部馈源来进行激励。因此，它们本质上是一种三维结构，难以应用于一些空间有限的场合。尽管研究者们提出了一些技术尝试去解决这个问题，例如相继提出了可重构折叠反射阵以及透镜阵列天线，但是这些天线的剖面还是很高，而且辐射和扫描性能都不令人满意。

基于此，研究者们在近几年提出了平面可编程比特阵列天线，它们采用了数字编码表征的方法，因此简化了控制逻辑以及降低了系统成本。首先被提出的是平面可编程1比特阵列天线，但由于1比特相位量化误差太大，导致它们的波束指向误差以及量化旁瓣很大。之后，为了提高相位量化精度、波束指向精度以及副瓣水平，平面可编程2比特以及4比特阵列天线被提出。然而，上述所有的平面可编程比特阵列天线都是线性孔径天线，它们都只具备一维波束扫角能力。到目前为止，在已报道的科研文献里，还未出现过具备二维大角度波束扫描能力的低剖面可编程比特阵列天线。

在这样的背景下，我们在此系统性地提出了一种低成本和低剖面的二维宽角扫描可编程比特阵列天线。所提出的阵列天线包含有8*8个天线单元，每一个单元集成了2个PIN二极管和4个变容二极管，通过控制相应的电压信号，它能够在337.5°相位范围内实现4比特相位可重构性能。精心设计的直流偏置层能够允许对每个单元进行实时控制，进而整个阵列能够实现二维波束扫描功能。仿真和实测结果都验证了该阵列的优越性能。因此，所提出的低成本和低剖面的二维宽角扫描可编程比特阵列天线可以在雷达和通信系统中找到重要的应用。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种可编程比特阵列天线，能在实现二维宽角扫描的同时，兼具低成本、低剖面、低功耗、低复杂度、高增益和低副瓣的特性。

技术方案：本发明的一种具有低成本和低剖面的二维宽角扫描可编程比特阵列天线包含8*8个天线单元，每个天线单元由顺序排列的辐射层、第一金属地层、第一半固化片、直流偏置层、第二半固化片、第二金属地层、馈电层组成；其中，在辐射层上层设有辐射贴片天线；直流偏置层上层和下层分别是给PIN二极管供电的第一直流偏置结构和给变容二极管供电的第二直流偏置结构；馈电结构和1分64功分网络位于馈电层的下层。