一种微带阵列天线及二维波束控制方法与流程

本发明涉及天线，具体涉及一种微带阵列天线及二维波束控制方法。

背景技术：

1、天线作为无线通讯系统的接收与发射装置，是无线通讯系统的重要组成部分。天线性能的好坏将直接影响整体通讯系统的性能。因此，研究者们对天线各方面的性能提出了更多更新的要求。

2、微带阵列天线得到了广泛应用。微带阵列天线主要由接地层、馈电网络和单元辐射贴片三部分组成。由馈电网络对各阵列单元进行馈电，辐射贴片接收和发射电磁波。微带相控阵天线便于实现波束控制，通过在馈电网络中插入有源移相器、控制阵列单元的馈电相位，从而实现波束控制，这种波束控制方式损耗增加、功耗增大。

3、作为主要用于光学领域进行精确的光束控制的平面risleyprisms(楔形棱镜)被引入了天线系统，业界通过使用risleyprisms来减少微带阵列天线复杂的电子相位控制系统。平面risleyprisms技术因其独特的波束控制能力，在雷达、卫星通信、无线网络和其他高频应用中都展现出了巨大的潜力。

4、传统risleyprisms由两片楔形介质棱镜组成，通过对两个楔形介质棱镜的分别同轴旋转，实现对波束的二维(俯仰和方位)连续控制。该系统利用risleyprisms的无源特性来代替传统的有源器件，降低了天线系统成本和复杂性。但同时该系统棱镜比较笨重具有一定的局限性。在其后的发展过程中，随着相位梯度超表面研究的深入，业界发现使用两层共轴的更为轻薄、厚度小于波长的超表面，通过对两个相位梯度超表面的分别同轴旋转，可以实现对波束的二维(俯仰和方位)连续控制(如图1)，这为微带阵列天线的发展起到了很大的推动作用。然而这种方式因为需要用到两个相位梯度超表面，中间使用空气隔开，明显增加了天线的剖面。因此研究一种可以减小天线剖面的risleyprisms微带阵列天线具有重要的意义。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种微带阵列天线及二维波束控制方法，只需要使用一层单纯的相位梯度超表面，与集成相位梯度超表面功能的微带阵列天线，共同实现连续二维波束控制。

2、为了解决上述技术问题，本发明的一种微带阵列天线，包括辐射层、相位梯度超表面层和驱动装置；

3、所述辐射层包括第一介质基板、矩形阵列设于所述第一介质基板上的若干微带贴片天线单元和设于所述第一介质基板上的馈电网络；每列中的所述微带贴片天线单元的出射电磁波具有相同的相位，每排中的所述微带贴片天线单元的出射电磁波具有不同的相位，且沿排列方向形成相位梯度；

4、所述相位梯度超表面层包括平行正对设于所述第一介质基板顶部的第二介质基板，所述第二介质基板上矩形阵列设置有金属结构单元，每列中的所述金属结构单元对透射电磁波具有相同的相移，每排中的所述金属结构单元对透射电磁波具有不同相移，且沿排列方向形成与所述微带贴片天线单元相同的相位梯度；

5、所述驱动装置用于驱动所述辐射层和所述相位梯度超表面层绕同一轴线分别转动，使该微带阵列天线能够进行连续二维波束扫描。

6、优选的，第一层介质基板与第二层介质基板之间有空气隔开，一般2～10mm。微带贴片天线单元阵列设于第一介质基板的顶面上。

7、在上述微带阵列天线中，通过使每列中的所述微带贴片天线单元的出射电磁波具有相同的相位，每排中的所述微带贴片天线单元的出射电磁波具有不同的相位，且沿排列方向形成相位梯度，使所述辐射层形成具有辐射功能的相位梯度超表面，进而使微带阵列天线具有了相位梯度的能力，从而成为了典型的平面risleyprisms两个相位梯度超表面中的一个，减少了一个相位梯度超表面，不但降低了损耗，提高了天线增益，同时还降低了天线剖面。

8、作为本发明微带阵列天线的改进，所述微带贴片天线单元的结构尺寸和在所述第一介质基板上的方位均相同；每列中的所述微带贴片天线单元接收的所述馈电网络信号的相位相同，每排中的所述微带贴片天线单元接收的所述馈电网络信号的相位沿排列方向梯度变化。

9、优选的，通过无源移相器的作用来排布微带贴片天线单元的相位。

10、作为本发明微带阵列天线的另一种改进，所述微带贴片天线单元的结构尺寸相同，每列中的所述微带贴片天线单元在所述第一介质基板上的方位均相同，每排中的所述微带贴片天线单元在所述第一介质基板上的方位沿排列方向梯度变化。

11、优选的，微带贴片天线单元通过绕过中心且垂直所述第一介质基板顶面的轴线旋转实现方位改变。

12、作为本发明微带阵列天线的又一种改进，所述微带贴片天线单元在所述第一介质基板上的方位均相同，每列中的所述微带贴片天线单元的结构尺寸均相同，每排中的所述微带贴片天线单元的结构尺寸沿排列方向不断变化。

13、作为本发明微带阵列天线的还一种改进，每排中的所述金属结构单元的相位差均为一定值。优选的，每排的所述微带贴片天线单元的相位差均为一定值，且与所述金属结构单元相同为90°。

14、作为本发明微带阵列天线的再一种改进，所述第一介质基板呈圆形板状，所述微带贴片天线单元沿x向和y向矩形阵列布置，且沿x向构成排，沿y向构成列；所述第一介质基圆心与所述微带贴片天线单元阵列的中心重合。

15、优选的，最外侧的两排和两列各自有六个所述微带贴片天线单元。

16、进一步的，所述第二介质基板呈圆形板状，所述金属结构单元沿x向和y向矩形阵列布置，且沿x向构成排，沿y向构成列；所述第二介质基板圆心与所述金属结构单元阵列的中心重合。

17、作为本发明微带阵列天线的还有一种改进，所述微带贴片天线单元包括第一正方形围框，所述第一正方形围框的各边框条中点处均开有宽度相同的第一缺口；所述第一正方形围框的内部同心且四边相互平行的设置有第二正方形围框，所述第二正方形围框一组相对的两个角上分别设置有一第二缺口，所述第二缺口呈等腰直角三角形状，且两腰分别位于所述第二正方形围框的两个边框条的外侧边上；所述第二正方形围框的内部设置有一字条，所述一字条从所述第二正方形围框一边条框的内侧中点处一直延伸到所述第二正方形围框的中心。

18、所述第二正方形围框的四个边框条分别与所述第一正方形围框的一边框条对应平行布置。

19、作为本发明微带阵列天线的再有一种改进，所述第一介质基板的中部设有接地板，所述接地板将所述第一介质基板分为上介质基板和下介质基板两层，所述下介质基板的底面上设置有所述馈电网络；所述第一介质基板在各个所述微带贴片天线单元处设置有第一过孔，所述第一过孔内填充有导电材料，用于连接所述馈电网络与相应的所述微带贴片天线单元。

20、作为本发明微带阵列天线的又有一种改进，所述金属结构单元包括设于所述第二介质基板上表面的上贴片、对应所述上贴片设于所述第二介质基板下表面上的设有下贴片，以及导通所述上贴片和下贴片的金属化过孔，所述金属化过孔贯穿所述第二介质基板。

21、进一步的，所述上贴片和所述下贴片的结构尺寸相同，且对应正对设置，所述上贴片包括十字条，所述十字条所分四个区域内分别设有一环形条，每排中的所述金属结构单元沿排列方向所述十字条的结构尺寸不断变化，所述十字条的四条边上距离中心的等距离处各设置有一个连接点，所述连接点通过所述金属化过孔与所述下金属贴片上的对应连接点导通。

22、为了解决上述技术问题，本发明的一种基于上述微带阵列天线的二维波束控制方法，包括如下步骤：

23、步骤一：给定波束的目标方位角和目标俯仰角；

24、步骤二：分别控制辐射层和相位梯度超表面层旋转，使辐射层上的微带贴片天线单元排列方向与相位梯度超表面层上的金属结构单元排列方向均对齐目标方位角的方向，且朝向目标方位角方向：每排的微带贴片天线单元相移与金属结构单元相移均递增；

25、步骤三：控制辐射层和相位梯度超表面层以相同的速度往相反的方向同时旋转，使俯仰角连续变化，从而可以使波束具有目标俯仰角。

26、综上所述，采用该微带阵列天线及二维波束控制方法，通过对原有微带阵列和相位梯度超表面的结构改进，使微带阵列天线在作为基础天线辐射平面波的同时，兼具相位梯度超表面的功能，在只需外加一层相位梯度超表面的情况下，也可完成连续二维波束控制，降低了天线的剖面，同时设计简单、成本低廉、功耗小。为天线应用中需要产生任意辐射波束的低剖面天线设计提供了可行性方案，具有很强的实际用途。