一种辐射特性数字调控的天线的制作方法

本发明属于射频天线，具体涉及一种辐射特性数字调控的天线的设计。

背景技术：

1、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。

2、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。

3、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。

技术实现思路

1、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。

2、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。

3、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。

4、进一步地，数字相位控制移相器为半波长相位延迟微带线。

5、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。

6、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。

7、进一步地，数字极化控制电路包括pin二极管c1、pin二极管c2、pin二极管l11、pin二极管l12、pin二极管l21和pin二极管l22，pin二极管c1和pin二极管l11均设置于第一长缝隙上，pin二极管l12设置于第一短缝隙上，pin二极管c2和pin二极管l21设置于第二长缝隙上，pin二极管l22设置于第二短缝隙上。

8、进一步地，pin二极管直流偏置电路包括8条直流控制线，8条直流控制线与pin二极管p1、pin二极管p2、pin二极管c1、pin二极管c2、pin二极管l11、pin二极管l12、pin二极管l21和pin二极管l22一一对应连接。

9、进一步地，金属地板为双面敷铜板。

10、进一步地，f4bm介质基板的介电常数为2.2，损耗角正切为0.001。

11、进一步地，将辐射特性数字调控的天线作为一个天线阵元，多个天线阵元可排列组成天线阵列，天线阵列的阵元间距设置为0.5λ0，λ0为天线阵元的中心频率处的自由空间波长，天线阵元的金属地板的上表面均布设有铝板。

12、本发明的有益效果是：

13、(1)本发明实现了将新的调制自由度(极化)引入设计中，对电磁波的利用率超过了传统的数字编码阵列。

14、(2)本发明不仅实现了波束切换扫描，而且通过选择编码序列对辐射波进行数字调制，具有功能多、辐射波调制能力灵活的优点。

15、(3)本发明采用半波长相位延迟微带线作为1比特的数字相位控制移相器，有助于减小天线的尺寸，解决了经典相控阵机制天线阵元规模大、尺寸大的问题，实现了天线的小型化设计。

16、(4)不同于经典相控阵，本发明不需要昂贵的t/r组件，减小阵元规模的同时，实现了低成本。

17、(5)本发明引入了双槽馈电结构和半波长相位延迟微带线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，同时基于所提出的可重构单元和二进制数字编码方法，选择不同的编码序列，即可灵活地控制电磁波辐射状态，解决了可重构天线，如方向图可重构天线和极化可切换天线等的辐射口径小，可重构性能受限的问题，实现了对辐射电磁波的灵活调控。

18、(6)本发明采用了电磁超表面技术，在介质谐振器的顶部加载了超表面的贴片结构，实现天线的小型化和高效辐射，解决了有源超表面结构复杂且控制系统成本高昂等缺点，实现了低轮廓且低成本的目标。

19、(7)本发明通过加载环形金属贴片，引入额外的容性分量，因此可以降低介质谐振器的谐振频率，此外，获得了更均匀的电场分布和更大的辐射口径。

20、(8)本发明在馈电网络上设置了移相结构，仅通过使用两个pin二极管实现了宽带且稳定的1比特相位切换，具有低成本的优点。

21、(9)本发明在金属地板上通过双缝隙可重构耦合馈电结构，仅通过六个pin二极管实现了2比特四极化状态转换，具有低成本的优点。

22、(10)本发明基于所提出的相位和极化数字编码方法以及极化和相位数字可重构辐射天线结构，可以拓展出各种具有不同波束和极化调制特性的数字比特阵列，如一维阵列、平面阵列和圆形阵列，可以根据不同的智能物联网系统和5g/6g应用的需求，进行高自由度地设计和调整，使其能够完成多波束动态覆盖和数字信号直接传递。

技术特征：

1.一种辐射特性数字调控的天线，其特征在于，包括电磁超表面(1)、金属地板(10)和f4bm介质基板(11)，所述金属地板(10)设置在f4bm介质基板(11)上表面，且通过尼龙螺钉(12)与电磁超表面(1)固定连接，所述f4bm介质基板(11)的下表面印刷有馈电网络，所述馈电网络包括馈电微带线(8)，所述馈电微带线(8)的支路连接有数字相位控制移相器(4)，所述数字相位控制移相器(4)和馈电微带线(8)之间设置有数字相位直流偏置电路(5)，所述金属地板(10)上刻蚀有数字极化双槽馈电结构(6)，所述数字极化双槽馈电结构(6)和馈电网络之间设置有数字极化控制电路(7)，所述f4bm介质基板(11)的下表面还印刷有pin二极管直流偏置电路(9)，所述pin二极管直流偏置电路(9)分别与数字相位直流偏置电路(5)和数字极化控制电路(7)连接。

2.根据权利要求1所述的辐射特性数字调控的天线，其特征在于，所述电磁超表面(1)包括介质谐振器(3)以及附在介质谐振器(3)上表面的环形金属贴片(2)，所述环形金属贴片(2)采用多缝隙结构，所述介质谐振器(3)采用介质陶瓷材料。

3.根据权利要求1所述的辐射特性数字调控的天线，其特征在于，所述数字相位控制移相器(4)为半波长相位延迟微带线。

4.根据权利要求3所述的辐射特性数字调控的天线，其特征在于，所述数字相位直流偏置电路(5)包括pin二极管p1和pin二极管p2，所述pin二极管p1设置于馈电微带线(8)上，所述pin二极管p2设置在半波长相位延迟微带线和馈电微带线(8)之间。

5.根据权利要求4所述的辐射特性数字调控的天线，其特征在于，所述数字极化双槽馈电结构(6)包括相互垂直相交的第一缝隙(15)和第二缝隙(16)，所述第一缝隙(15)和第二缝隙(16)的交点将第一缝隙(15)分为第一长缝隙和第一短缝隙，将第二缝隙(16)分为第二长缝隙和第二短缝隙。

6.根据权利要求5所述的辐射特性数字调控的天线，其特征在于，所述数字极化控制电路(7)包括pin二极管c1、pin二极管c2、pin二极管l11、pin二极管l12、pin二极管l21和pin二极管l22，所述pin二极管c1和pin二极管l11均设置于第一长缝隙上，所述pin二极管l12设置于第一短缝隙上，所述pin二极管c2和pin二极管l21设置于第二长缝隙上，所述pin二极管l22设置于第二短缝隙上。

7.根据权利要求6所述的辐射特性数字调控的天线，其特征在于，所述pin二极管直流偏置电路(9)包括8条直流控制线，所述8条直流控制线与pin二极管p1、pin二极管p2、pin二极管c1、pin二极管c2、pin二极管l11、pin二极管l12、pin二极管l21和pin二极管l22一一对应连接。

8.根据权利要求1所述的辐射特性数字调控的天线，其特征在于，所述金属地板(10)为双面敷铜板。

9.根据权利要求1所述的辐射特性数字调控的天线，其特征在于，所述f4bm介质基板(11)的介电常数为2.2，损耗角正切为0.001。

10.根据权利要求1-9任一所述的辐射特性数字调控的天线，其特征在于，将所述辐射特性数字调控的天线作为一个天线阵元(14)，多个天线阵元(14)可排列组成天线阵列，所述天线阵列的阵元间距设置为0.5λ0，λ0为天线阵元(14)的中心频率处的自由空间波长，所述天线阵元(14)的金属地板(10)的上表面均布设有铝板(13)。

技术总结
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。

技术研发人员：董元旦,王崭,韩诗琦,柳嵩
受保护的技术使用者：成都频岢微电子有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11