[发明专利]一种4比特电子波束扫描平面天线阵列

说明书

本发明公开了一种4比特电子波束扫描平面天线阵列。该阵列的整体分为辐射层、金属地层(9)以及馈电层底层；其中辐射层顶层的每一排为两个并联使用的1比特磁电偶极子(1)，在1比特磁电偶极子下面顺序设置上层介质基板(5)、半固化片(6)、中层介质基板(7)、半固化片(8)、金属地层(9)、下层介质基板(10)；馈电层底层的单刀双掷开关结构(2)、小型化反射式移相器(3)以及1分16功率分配器(4)设置在下层介质基板上面。由于阵列具有很好的扫描特性和辐射特性，并且具有轻重量，低成本以及低剖面的优点，因此它在雷达以及无线通信系统中有重要的应用。

技术领域

本发明属于电子波束扫描天线阵列以及相控阵天线领域，具体涉及一种4比特电子 波束扫描平面天线阵列。

背景技术

具有高增益和低副瓣的电子波束扫描天线阵在雷达，测绘，通信等领域非常有用。传统的相控阵由于在电子速度，无惯性扫描以及多目标搜寻等方面具有突出优势，在这 些应用领域通常被认为是强有力的竞争者。但是，传统相控阵需要在子阵列级别甚至每 个单元上使用收发组件，而且还需要使用复杂的馈电以及波束形成架构。这些因素无疑 给整个系统带来了成本高，重量大以及复杂度高等问题，这限制了相控阵在一些需要低 成本和轻重量的场景中的应用。

可重构比特阵列是一种有效的降低成本和重量的解决方案，这种阵列是利用数字单 元在空间中形成并控制波束。可重构比特反射阵和透射阵，因其波束敏捷性和高增益已经广泛被人们所接受。近年来，可编程超表面，作为一种特殊的可重构比特阵，已经在 无线通信系统中取得了重要应用。但是，这些阵列都是采用空间馈电的方式，所以它们 的本质上是一种三维阵列结构，在一些空间有限的场景中，它们的应用还是非常困难。 在低剖面和简单结构的驱使下，可重构比特平面阵列应运而生。但是目前，所提出的可 重构比特平面阵都只做到了低比特层面，因此它们的扫描性能和辐射性能都不太理想， 而且现有的可重构比特平面阵的带宽都很窄。

本发明基于数字式可编程辐射单元结构，提出了一种4比特电子波束扫描平面天线 阵列。所设计的辐射单元由两个并联使用的1比特磁电偶极子级联上一种小型化反射式移相器所组成，它们整体能为天线阵列提供16种不同的数字编码状态，相邻状态之间 相位间隔为22.5°。另外，为了实现低副瓣水平，一种符合泰勒孔径分布的1:16功率分 配器被设计来给阵列进行馈电。所设计的4比特电子波束扫描平面天线阵列的每个辐射 单元都能独立调控，给定不同角度的编码序列，阵列可以实现波束的实时扫描。相对于 传统的相控阵，本发明在保证了良好的扫描性能和辐射性能的前提下，简化了阵列架构， 降低了结构成本和重量，因此在雷达和通信系统中具有重要的应用前景。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种4比特电子波束扫描平面天线阵列，能同时兼顾低成本，轻重量，低剖面，以及良好的扫描和辐射性能的优点。

技术方案：本发明的一种4比特电子波束扫描平面天线阵列的整体分为辐射层、金属地层以及馈电层底层；其中辐射层顶层的每一排为两个并联使用的1比特磁电偶极子，在1比特磁电偶极子下面顺序设置上层介质基板、半固化片、中层介质基板、半固化片、 金属地层、下层介质基板；馈电层底层的单刀双掷开关结构、小型化反射式移相器以及 1分16功率分配器设置在下层介质基板上面。

所述的1比特磁电偶极子由四片微带金属贴片，四个金属通孔以及一个π型探针所组成；其中π型探针由一段微带线以及上面的两个中心对称的金属探针所构成，并与馈 电层的单刀双掷开关结构相连。

所述的单刀双掷开关结构是将两个PIN二极管集成在鱼叉型微带线结构中所形成， 通过切换两个PIN二极管的通断状态，单刀双掷开关结构分别给两个中心对称的金属探 针进行馈电，进而实现1比特磁电偶极子的0°和180°两种相位状态，这两种相位状 态被命名为“0”状态和“1”状态。