一种多bit位量化的数字相控阵天线制造技术

本发明专利技术涉及一种多bit位量化的数字相控阵天线，包括矩阵排布的多个天线子阵，以及设置在天线子阵下方的多个馈电结构层，每个所述馈电结构层对相邻的多个天线子阵馈电，每个天线子阵只接收一个馈电结构层的馈电，所述天线子阵从上到下依次包括180°相移单元层，90°相移单元层和45°相移单元层，所述180°相移单元层和90°相移单元层、90°相移单元层和45°相移单元层依次通过各自的金属通孔结构连接。本发明专利技术通过上下层叠、级联的方式集成了三个开关移相器（其中辐射层同时也能实现相移功能），既实现了3bit量化数字的相位控制，又有效降低了级联损耗。

【技术实现步骤摘要】
一种多bit位量化的数字相控阵天线
本专利技术涉及一种多bit位量化的数字相控阵天线，属于相控阵天线

技术介绍
无线通信技术的快速发展极大便利了人们的生活，同时也刺激了更多的创新应用，使得人们对数据业务的需求不断增加。下一代移动通信无线技术将进一步把地面无线通信网络与星载天基宽带全球移动互联网络相结合，达到全域覆盖、全时可用。其中，低轨道（LowEarthOrbit,LEO)卫星星座已经成为大国无线通信技术竞争的又一个重要领域。例如，美国SpaceX公司提出了星链计划，中国航天科技集团提出了鸿雁星座计划，中国航天科工集团则给出了虹云工程计划。星通信系统的核心技术之一就是天线技术，卫星天线的形式包括反射面天线、平板波导阵列天线、透镜天线（Lensantenna）和有源相控阵天线等。在地面上要跟踪快速运动的低轨道卫星，尤其是在地面上高速移动的载体上保证通信质量，不仅仅要求天线有很高的增益，同时要求系统有极高的寻星速度和对星精度。传统的反射面天线的主要缺点是体积和重量较大，高速移动状态下风阻很大、对星速度慢；平板波导阵列天线和透镜扫描天线也都依赖于相应的机械伺服系统，难以做到极低剖面和极轻重量。相控阵卫星天线是从雷达天线设计技术延伸出来的天线实现技术，是用电子方法实现天线波束指向在空间转动或扫描。相控阵卫星天线的外形结构可根据运动平台要求进行设计, 高度极低，响应速度快，辐射波束可赋形, 满足各种辐射方向图设计要求。但因为要用到调幅调相的发射/接收（T/R）组件，技术复杂，实现成本相对最高。>目前的相控阵卫星天线有全模拟相控阵、全数字相控阵，以及模拟和数字混合的天线子阵架构。其中，全模拟相控阵的每个天线单元仅支持模拟调幅和调相，移相值可在0°～360°范围内连续变化，而模拟调幅和调相采用逐步扫描的方式来对齐目标，实际过程既耗时且精度又低。全数字相控阵的每个天线单元都接有数模转换(DigitaltoAnalogConverter，DAC)和模数转换(AnalogtoDigitalConverter，ADC)单元，在数字域实现天线单元的调幅和调相，能够实现快速连续扫描。数字式移相器的移相值是跃变的，只能是360°/(2^n)的整数倍，其中n即是数字式移相器的位数（bit数），扫描精度与bit位数密切相关。数字位数越高，扫描精度越高，相应的DAC、ADC单元的成本也越高，因此，全数字相控阵的成本很高。模拟和数字混合的卫星天线子阵架构综合了全模拟相控阵和全数字相控阵的优点，将若干模拟调幅调相的天线单元组成一个子阵，然后在子阵上基础上再用T/R组件实现幅度和相位的调节，若干个这样的子阵再构成总的天线阵列。但该方案存在子阵的模拟部分会被统一的T/R组件数字部分影响的问题，有可能导致天线阵列方向图出现严重栅瓣。另外，模拟部分的权重设置完成后，T/R数字部分无法准确估计目标信号和干扰信号的方向，从而难以达到很好的干扰抑制效果。华为技术有限公司在2017年的PCT专利(WO/2017/066903)中公开了一种模拟数字混合阵列天线，该阵列天线的每个空间的维度上包括至少三个天线单元，每一天线单元分别与一个对应的模拟收发通道连接，相邻的天线单元与一个对应的子数字接收通道连接。该方案在扫描精度、干扰抑制方面有很大进步，但是技术复杂度更高，成本也更高。2015年中国专利技术专利CN104716418A公开了一种基于十字形PIN二极管的可编程控制的可重构天线，包括伺服电路、可编程直流偏置电压源，以及天线阵，实现了可编程控制的频率可重构、方向图可重构，以及可编程控制的直线阵或平面阵天线。该方案利用二极管的通断实现了天线有效长度或有效面积的改变，但是无法实现相控阵天线的波束连续扫描功能。华为技术有限公司在2017年的中国专利技术专利CN106684562A公开了一种可重构天线，包括馈电层和两层介质板，其主要贡献是通过寄生单元、寄生贴片，以及开关组件实现了更好的单元隔离度，但其只实现了频率及方向图的小范围内可重构。清华大学的专利技术专利CN106848588A公开了一种基于数字相控电磁表面的相控阵天线，包括进行空馈的馈源天线和数字相控电磁表面，数字控制器件集成在辐射表面上，但其只能实现0°/180°的1bit的数字切换，相位调控精度不足以支持精确的波束扫描。厦门大学的专利技术专利CN107565228A公开了一种基于FPGA控制的计划可编程天线与设计方案，包括圆形辐射贴片和可切换馈电网络，通过控制馈电网络中7个PIN管的通断实现天线的极化方向调控，但是不能实现波束方向调控。综上所述，传统的全模拟阵列和全数字阵列天线在成本或者扫描精度方面不尽人意，而混合模拟和数字子阵架构也在干扰抑制方面存在问题，因此，设计出成本、扫描精度、干扰抑制方面都更优的阵列天线，是目前亟待解决的问题。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种多bit位量化的数字相控阵天线，尤其适用于固定或者移动载体（如车载、机载、船载等）装配的卫星通信天线，其具体技术方案如下：一种多bit位量化的数字相控阵天线，包括矩阵排布的多个天线子阵，以及设置在天线子阵下方的多个馈电结构层，每个所述馈电结构层对相邻的多个天线子阵馈电，每个天线子阵只接收一个馈电结构层的馈电，所述天线子阵从上到下依次包括180°相移单元层，90°相移单元层和45°相移单元层，所述180°相移单元层和90°相移单元层、90°相移单元层和45°相移单元层依次通过各自的金属通孔结构连接。进一步的，所述90°相移单元层朝向45°相移单元层一侧形成空气腔Ⅰ，所述45°相移单元层朝向90°相移单元层一侧形成空气腔Ⅱ，所述90°相移单元层和45°相移单元层之间通过与其垂直的射频信号传输结构连接，所述空气腔Ⅰ和空气腔Ⅱ叠置于射频信号传输结构旁边。进一步的，所述180°相移单元层包括介质板，所述介质板的一面朝上，另一面与90°相移单元层贴合，介质板朝上一面的中心铺设有“回”字形的辐射贴片，所述辐射贴片包括“口”字形的封闭的边框贴片和位于边框中心的中心贴片，中心贴片的一组相对边和与其邻近的边框贴片之间连接铺设有集总元件，所述中心贴片的另一组相对边邻近的边框贴片的中心贯穿介质板开设有偏置线连接通孔，所述中心贴片的中心贯穿介质板开通有射频信号传输孔，所述介质板朝向90°相移单元层的一侧表面从内到外依次为金属接地层、直流偏置线板材，所述直流偏置线板材朝向90°相移单元层的一侧表面印制有直流偏置线，所述直流偏置线与偏置线连接通孔连接。进一步的，所述90°相移单元层包括介质板，所述介质板朝向180°相移单元层一侧铺设金属接地层，金属接地层与180°相移单元层之间印制有直流偏置线，所述介质板朝向45°相移单元层一面印制有90°移相器，所述90°移相器中印制有集总元件；所述介质板开设金属化通孔，90°移相器通过金属化通孔与金属接地层连接，所述金属接地层和介质板的中心开设有射频信号传输孔，所述射频信号传输孔中设置有射频信号传输结构，所述射频信号传输结构的上端延伸到180本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多bit位量化的数字相控阵天线，其特征在于：包括矩阵排布的多个天线子阵，以及设置在天线子阵下方的多个馈电结构层（4），每个所述馈电结构层（4）对相邻的多个天线子阵馈电，每个天线子阵只接收一个馈电结构层（4）的馈电，所述天线子阵从上到下依次包括180°相移单元层（1）、90°相移单元层（2）和45°相移单元层（3），所述180°相移单元层（1）和90°相移单元层（2）、90°相移单元层（2）和45°相移单元层（3）依次通过各自的金属通孔结构连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种多bit位量化的数字相控阵天线，其特征在于：包括矩阵排布的多个天线子阵，以及设置在天线子阵下方的多个馈电结构层（4），每个所述馈电结构层（4）对相邻的多个天线子阵馈电，每个天线子阵只接收一个馈电结构层（4）的馈电，所述天线子阵从上到下依次包括180°相移单元层（1）、90°相移单元层（2）和45°相移单元层（3），所述180°相移单元层（1）和90°相移单元层（2）、90°相移单元层（2）和45°相移单元层（3）依次通过各自的金属通孔结构连接。


2.根据权利要求1所述的多bit位量化的数字相控阵天线，其特征在于：所述90°相移单元层（2）朝向45°相移单元层（3）一侧形成空气腔Ⅰ（23），所述45°相移单元层（3）朝向90°相移单元层（2）一侧形成空气腔Ⅱ（33），所述90°相移单元层（2）和45°相移单元层（3）之间通过与其垂直的射频信号传输结构（203）连接，所述空气腔Ⅰ（23）和空气腔Ⅱ（33）叠置于射频信号传输结构（203）旁边。


3.根据权利要求1所述的多bit位量化的数字相控阵天线，其特征在于：所述180°相移单元层（1）包括介质板（12），所述介质板（12）的一面朝上，另一面与90°相移单元层（2）贴合，介质板（12）朝上一面的中心铺设有“回”字形的辐射贴片（11），所述辐射贴片（11）包括“口”字形的封闭的边框贴片和位于边框中心的中心贴片，中心贴片的一组相对边和与其邻近的边框贴片之间连接铺设有集总元件（10），
所述中心贴片的另一组相对边邻近的边框贴片的中心贯穿介质板（12）开设有偏置线连接通孔（13），
所述中心贴片的中心贯穿介质板（12）开通有射频信号传输孔，
所述介质板（12）朝向90°相移单元层（2）的一侧表面从内到外依次为金属接地层（14）、直流偏置线板材（15），所述直流偏置线板材（15）朝向90°相移单元层（2）的一侧表面印制有直流偏置线（16），所述直流偏置线（16）与偏置线连接通孔（13）连接。


4.根据权利要求1所述的多bit位量化的数字相控阵天线，其特征在于：所述90°相移单元层（2）包括介质板（22），所述介质板（22）朝向180°相移单元层（1）一侧铺设金属接地层（26），金属接地层（26）与180°相移...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鹏程，朱劼，叶明星，王正斌，
申请(专利权)人：南京星腾通信技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32