基于多谐振结构的宽带1比特可重构圆极化反射阵天线

本发明涉及无线通信，更进一步涉及电磁场与微波中的一种基于多谐振结构的宽带1比特可重构圆极化反射阵天线。本发明可用于微波、毫米波频段，将来自馈源的圆极化波高强度反射，并能够实现反射波束指向的电调控，波束扫描角度可达±60°，适用于无线通信、卫星通信等通信系统。

背景技术：

1、反射阵天线作为一种由馈源天线和反射功能层构成的高增益天线，因其具有结构简单、成本低、质量轻、定向性高等特点被广泛应用。无线通信、卫星通信中的k波段相较于c波段和x波段，波长更短，设备体积更小，更容易实现小型化，能够利用的频谱资源也更为丰富，是卫星通信中的主要频段之一。在远距离通信中，波长长度越短的电磁波越容易受到电离层和雨衰效应等干扰，线极化波容易出现极化旋转现象，收发天线之间可能出现极化失配等问题，相比之下，圆极化天线能够较好的避免这一问题，更适合应用在远距离通信系统中。传统的无源反射阵天线在设计时反射波束的指向是固定的，在后续的使用过程中不能灵活调整。在此基础上加入可调器件，如pin二极管、变容二极管、微型电子机械系统(mems传感器)、微电机等，可实现反射阵天线单元反射相位的调整，进而实现反射功能层的重构。在上述方法中，采用变容二极管和微电机的方案虽然能够实现单元相位的连续可调，进一步获得更高精度的相位补偿，但控制系统也相对复杂，成本更高。mems传感器相较于pin二极管需要的开启电压较高，可靠性较低，加工成本也相对高昂，因此pin二极管是可重构反射阵天线的设计中能够同时兼顾加工成本、设计复杂度、工作带宽等多方面因素的优选方案。

2、由于pin二极管数量和尺寸的限制，目前可重构圆极化反射阵天线的工作频段大部分设计在x波段和ku波段。

3、东南大学在其申请的专利文献“一种2比特圆极化波束电扫描反射阵天线”(专利申请号202310842233.5，申请日2023.07.11申请公布号cn 117039452 a)中公开一种工作在x波段的2比特圆极化波束的反射阵天线。该天线采用4对领结型贴片为主要辐射结构，通过控制四对pin二极管的开断选择工作的贴片，实现反射相位的2比特可控调节，工作频率范围为8.6到10.7ghz(21.76％)。该发明引入了8只pin二极管，虽然能够实现2比特的调控精度，获得21.76％的3-db增益带宽，但是，该天线仍然存在的不足之处是，工作频率受到pin二极管尺寸的限制，不能扩展到频率较高的频段，如ku波段、k波段等。

4、清华大学在其申请的专利文献“一种双圆极化独立扫描可重构反射阵天线”(发明专利申请号202310558542.x，申请日2023.05.17，申请公布号cn 116666978 a)中公开一种工作在ku波段的双圆极化独立扫描的可重构反射阵天线。该天线采用十字图形和圆弧为主要辐射结构，通过控制4个pin二极管的开断完成电流流动路径的重构，实现了四个有效状态的设计。其中，状态00和状态01之间、状态01和状态10之间旋转角度相差90°，在相位调控中采用了旋转相位；状态01在状态00的基础上微带延迟线的长度增加约半个波长，引入了180°的动态相位，3-db增益带宽和3-db轴比带宽分别为6.1％(16.1到17.1ghz)和4.9％。该天线在单元设计时同时调用了动态相位和旋转相位，能够实现对左旋圆极化波和右旋圆极化波的独立调控，但是，该天线仍然存在的不足之处是，由于动态相位和频率相关，动态相位的引入，导致单元工作带宽窄的问题，不适用于需要较宽工作频段的应用场景。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出一种基于多谐振结构的宽带1比特可重构圆极化反射阵天线，旨在通过多谐振结构解决满足反射阵天线工作带宽宽的前提下，解决多个pin二极管带来的单元尺寸大、天线工作带宽窄问题。

2、实现本发明目的的技术思路是：本发明基于弧形电路图形、矩形电路图形、扇形电路图形、方形电路图形共同构成的多谐振电路结构设计圆极化反射阵天线单元，在接收来自自由空间中的电磁波形成感应电流后，电流将流经不同的电路图形，形成多条电流流动路径，并使te模式和tm模式平面入射产生的相位差稳定在180°左右。本发明采用弧形电路图形和扇形电路图形的组合，在一定程度上延长了感应电流的流动路径，电路图形的等效电尺寸得到有效增长，以此解决现有技术的单元工作带宽窄的问题，达到单元小型化的目的。本发明设计的辐射层的电路图案在两个正交的平面波入射后能够形成两条不同的电流流动路径，两条电流流动路径下的相位差在较宽的频带内能够稳定在180°，实现单元工作带宽的扩宽。本发明引入两对pin二极管，pin二极管的一端通过接地盲孔连接到反射底板，另一端通过直流偏置通孔连接到直流偏置电路，通过直流偏置电路输入的直流电平控制两对pin二极管的开断，实现反射阵天线单元反射相位的重构。

3、为实现上述目的，本发明的天线包括可重构圆极化反射功能层、圆极化喇叭天线和亚克力支架；所述可重构圆极化反射功能层由m×n个结构相同的圆极化反射阵天线单元，按照0.4125λ0的间隔周期性排列组成，λ0为天线中心频率下的波长，m和n均为大于等于1的正整数；每个圆极化反射阵天线单元包括基于弧形电路图形、矩形电路图形，扇形电路图形构成多谐振结构的辐射层和直流偏置结构两个部分；te模式和tm模式平面波入射时产生180°左右的线极化反射相位差；引入pin二极管控制圆极化反射阵天线单元(2)的工作状态，通过1比特反射相位的调控以实现圆极化反射功能层的重构。

4、本发明与现有技术相比具有以下优点：

5、第一，本发明设计了由辐射层和直流偏置层构成的圆极化反射阵天线单元，采用弧形、扇形和矩形设计电路图形，弧形和扇形图形的组合能够形成多谐振结构，并在一定程度上延长电流的流动路径，单元等效微带线长度得到有效增长，克服了现有技术中引入多个pin二极管带来的单元尺寸大的问题，使得本发明设计的圆极化反射阵天线单元具有电尺寸小、物理尺寸小的优点。

6、第二，本发明在te模式和tm模式平面波分别入射时能够产生稳定的线极化反射相位差，从而能够将左旋/右旋圆极化波高强度反射，并在反射前后不改变电磁波的旋向。相位调控方式采用旋转相位方案，两个工作状态对应单元的相位差能够稳定在180°左右，从而实现工作带宽的扩宽。克服了现有技术的天线工作带宽窄的问题，使得本发明的天线具有反射系数高、交叉极化水平低、工作带宽宽等优点。

7、第三，本发明采用空间馈电的形式馈电，相较于相控阵天线，避免了馈电网络带来较大的插入损耗。将反射相位离散化，引入pin二极管控制反射阵天线单元的工作状态，仅通过1路直流偏置即可完成对一个圆极化反射阵天线单元工作状态的控制功能，实现反射相位的1比特设计，进一步实现圆极化反射功能层的重构，使得本发明具有控制方式简单、结构简单、功耗低、成本低的优点。

技术特征：

1.一种基于多谐振结构的宽带1比特可重构圆极化反射阵天线，包括可重构圆极化反射功能层(1)、圆极化喇叭天线(3)和亚克力支架(4)；其特征在于，所述可重构圆极化反射功能层(1)由m×n个结构相同的圆极化反射阵天线单元，按照0.4125λ0的间隔周期性排列组成，λ0为天线中心频率下的波长，m和n均为大于等于1的正整数；每个圆极化反射阵天线单元(2)包括基于弧形电路图形、矩形电路图形，扇形电路图形构成多谐振结构的辐射层和直流偏置结构两个部分；te模式和tm模式平面波入射时产生180°左右的线极化反射相位差；通过控制四个pin二极管的开断状态可实现单元反射相位的1比特调控。

2.根据权利要求1所述的基于多谐振结构的宽带1比特可重构圆极化反射阵天线，其特征在于，所述可重构圆极化反射功能层(1)和圆极化喇叭天线(3)通过尼龙螺丝(5)固定在亚克力支架(4)上。

3.根据权利要求1所述的基于多谐振结构的宽带1比特可重构圆极化反射阵天线，其特征在于，所述辐射层包括第一电路图形(21)、第二电路图形(22)、第三电路图形(23)、第四电路图形(24)、方形电路图形(25)、第一pin二极管(31)、第二pin二极管(32)、第三pin二极管(33)、第四pin二极管(34)、辐射介质层(46)和反射底板(47)。

4.根据权利要求1所述的基于多谐振结构的宽带1比特可重构圆极化反射阵天线，其特征在于，所述直流偏置结构包括直流偏置介质层(48)和直流偏置电路(49)。

5.根据权利要求3所述的基于多谐振结构的宽带1比特可重构圆极化反射阵天线，其特征在于，所述第一电路图形(21)、第二电路图形(22)、第三电路图形(23)、第四电路图形(24)与方形电路图形(25)分别通过第一pin二极管(31)、第二pin二极管(32)第三pin二极管(33)第四pin二极管(34)连接；第一电路图形(41)、第二电路图形(42)、第三电路图形(43)、第四电路图形(44)分别通过第一接地盲孔(41)、第二接地盲孔(42)、第三接地盲孔(43)、第四接地盲孔(44)与反射底板(47)连接，方形电路图形(25)通过直流偏置通孔(45)与直流偏置电路(49)连接。

6.根据权利要求5所述的基于多谐振结构的宽带1比特可重构圆极化反射阵天线，其特征在于，所述第一电路图形(21)由第一弧形电路图形(51)通过第一矩形电路图形(52)和第一扇形电路图形(53)连接构成；第二电路图形(22)由第二扇形电路图形(56)通过第二矩形电路图形(57)与第二弧形电路图形(58)连接构成；第三电路图形(23)由第三弧形电路图形(61)通过第三矩形电路图形(62)和第三扇形电路图形(63)连接构成；第四电路图形(24)由第四扇形电路图形(66)通过第四矩形电路图形(67)与第四弧形电路图形(68)连接构成。

7.根据权利要求4所述的基于多谐振结构的宽带1比特可重构圆极化反射阵天线，其特征在于，所述直流偏置电路(49)为正电压和负电压两种模式，当正电压输入时，第一pin二极管(31)和第二pin二极管(32)处于开启状态，第三pin二极管(33)和第四pin二极管(34)处于关闭状态，此时的圆极化反射阵天线单元(2)的工作状态为“0”；当负电压输入时，第一pin二极管(31)和第二pin二极管(32)处于关闭状态，第三pin二极管(33)和第四pin二极管(34)处于开启状态，此时的圆极化反射阵天线单元(2)的工作状态为“1”；通过控制可重构圆极化反射功能层(1)内每个圆极化反射阵天线单元(2)的工作状态调控反射波束方向，实现电可重构。

8.根据权利要求1所述的基于多谐振结构的宽带1比特可重构圆极化反射阵天线，其特征在于，所述圆极化喇叭天线(3)具有左旋圆极化和右旋圆极化两种极化方式，通过空间馈电的形式对可重构圆极化反射功能层(1)激励。

技术总结
本发明公开了一种基于多谐振结构的宽带1比特可重构圆极化反射阵天线，包括可重构圆极化反射功能层、圆极化喇叭天线和亚克力支架。可重构圆极化反射功能层由M×N个结构相同的圆极化反射阵天线单元按照0.4125λ<subgt;0</subgt;的间隔周期性排列组成。圆极化反射阵天线单元由辐射层和直流偏置层两部分构成，辐射层包括基于多谐振结构设计的电路图形、PIN二极管、辐射介质层和反射底板，直流偏置结构包括直流偏置介质层和直流偏置电路。通过控制四个PIN二极管的开断状态可实现单元反射相位的1比特调控，调整每个圆极化反射阵天线单元的状态可实现±60°的波束扫描功能，能够应用在无线通信和卫星通信系统中。

技术研发人员：张志亚,张宇辉,左少丽,王硕
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2025/1/9