[发明专利]波束扫描阵列天线

说明书

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别是一种波束扫描阵列天线，可应用于无线通信系统的移动终端。

背景技术

随着近几年国内外的智能天线研究火热，大多数的研究是针对基站用智能天线进行的。因为基站所用的智能天线安装在移动通信的基站上，其体积受到的限制比较小，因而天线的一些机械参数，例如阵元个数，阵形安排，阵元间距及阵元尺寸等，都可以在较宽松的范围内进行设计，较易使天线达到预期的性能指标。而移动终端用智能天线的设计则相对非常困难，比如一些移动终端的便携性限制了其体积，也就同时限制了天线的许多机械参数，阵元个数不能过多，阵元间距不能过大，阵形也受到一定限制，这就同时限制了天线的增益，指向等性能。

国内外针对移动终端用智能天线所作的研究中，较突出的是日本ATR研究所研究的电激励单端口天线ESPAR。该天线是通过电抗加载来控制方向图主瓣指向的天线称为电控无源阵列天线，主要由一个馈电辐射振子和围绕其周围的寄生振子组成，即为7单元λ/4单极子的六边形阵，均匀分布在以中心振子为圆心，半径为λ/4的圆周上并固定在有限尺寸的金属地板上，通过改变加载在寄生振子末端的电抗值，包括电容和电感控制天线的辐射方向图的主瓣指向，形成对准目标的波束和对准干扰的零点，实现波束扫描。参见“Seven-Element Ground Skirt Monopole ESPAR Antenna Design From a Genetic Algorithm and the Finite Element Method，”IEEE Trans.Antennas Propag.，vol.51，no.4，pp.3033-3038，November 2003。这种天线由于实际加工比较复杂，并且各个振子的加载电抗值随频率的改变而改变，特别在频率高端一些未知的状况，例如电抗特性的跳变等会影响到天线的性能和波束扫描；此外，由于寄生振子的存在，使得位于中心的有源阵子阻抗失配且难以单纯通过调整天线结构或尺寸获得匹配。

申请号为：200580016384.5的切换多波束天线装置，公开了在天线组件中使用公用反射器，通过开关控制周围单极子的馈电，从而实现多波束扫描功能，然而这对于公用反射器的结构，尺寸提出了要求，增加了天线的加工难度及成本。又如申请号为：01801254.X的方向性切换装置，公开了发射振子采用折叠型及寄生振子加载电抗元件的方式，尽管采用折叠型发射振子可以实现良好的阻抗匹配，但寄生振子仍需要加载电抗元件，这给天线的实际加工仍带来一定的困难，并且由于频率较高时电抗元件的不稳定性，将影响到天线的性能及波束的切换。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种无需电抗元件加载，无需公用反射器的无源波束扫描阵列天线的组件，以简化天线结构，降低加工成本，在不影响天线性能的前提下增强波束切换的可控性和稳定性。

本发明的设计思路是：以微带形式的等功率分配馈电网络为基本框架，将具有不同工作状态组合的振子单元，等效电感加载及二极管开关控制电路结合在一起，利用二极管的开关特性，实现天线的波束切换。其整个波束扫描阵列天线包括：振子单元和介质板，介质板的一面设有微带馈电网络，另一面作为地板，其特征在于微带馈电网络采用十字交叉结构，馈电点位于十字交叉点，实现等功率分配馈电；每个馈电微带线的一端固定一个振子单元；每个馈电微带线的延长线上连接有控制电路，控制馈电微带延长线与地板之间的通与断。

所述的微带馈电网络的每一条微带馈线的特性阻抗为70.7欧姆；微带馈电网络中的每一条微带馈线长度Fl为四分之一波长，与微带馈电延长线的长度Ll之比为8∶1，以保证天线结构的对称性；

所述的天线振子单元为金属圆柱单极子，高度为四分之一波长，与介质板垂直连接；控制电路由开关二极管，扼流电感，隔直电容组成，该开关二极管的正极经过隔直电容与微带馈电延长线连接，同时与扼流电感相连，该开关二极管的负极与介质板背面的地板连接，该二极管导通时，馈电微带延长线与介质板背面的地板连通，该二极管截止时，馈电微带延长线与介质板背面的地板断开；

所述的微带馈电延长线与介质板背面地板相连接，微带馈电延长线作为加载电感，等效为振子的长度延长，使振子成为反向器；固定在十字交叉形微带馈线上的振子单元，以每两个相邻振子单元为一组，分别作为天线的主辐射体和寄生体，通过控制二极管开关的导通与截止改变振子单元的不同工作状态，实现四个不同方向的宽波束扫描；

本发明与现有的无源波束扫描天线相比有以下优点：