一種數(shù)字式可重構(gòu)雷達天線的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種數(shù)字式可重構(gòu)雷達天線。該雷達天線采用空間饋電方式，由饋源喇叭和數(shù)字式人工反射面組成。饋源喇叭遠離反射面放置，在分析和設(shè)計過程中，饋源用平面波模擬。反射面由周期排布的人工單元結(jié)構(gòu)組成，每個人工單元集成4個開關(guān)二極管。每個人工單元由單獨的直流偏置所控制，從而動態(tài)呈現(xiàn)兩種反射相位，即當(dāng)二極管全導(dǎo)通時，反射相位為0；當(dāng)二極管全截止時，反射相位為π。將反射相位為0的一類單元記為“0”，反射相位為π的一類單元記為“1”，通過編程控制每個單元的直流偏置，使整個反射表面上“0”和“1”的分布可以實現(xiàn)實時數(shù)字編程控制，進而實現(xiàn)可重構(gòu)的雷達天線。利用本發(fā)明構(gòu)建不同的編碼，可以實現(xiàn)更多其它的功能。
【專利說明】一種數(shù)字式可重構(gòu)雷達天線
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于新型人工電磁媒質(zhì)以及雷達天線領(lǐng)域，具體涉及一種數(shù)字式可重構(gòu)雷 達天線。
【背景技術(shù)】
[0002] 雷達是利用目標(biāo)對電磁波的反射(或者成為二次散射）現(xiàn)象來發(fā)現(xiàn)并測定目標(biāo)位 置的設(shè)備。雷達天線是雷達設(shè)備中用來輻射和接收電磁波的器件，在雷達測量目標(biāo)位置的 三個坐標(biāo)(方位、仰角和距離）中，有兩個坐標(biāo)(方位和仰角）的測量與雷達天線的性能有關(guān)， 因此雷達天線在雷達設(shè)備中占有極其重要的地位。按照天線掃描的方式，可將雷達天線分 為機械掃描天線、電子掃描天線和機電掃描天線。當(dāng)今主流的相控陣?yán)走_天線中即采用了 電子掃描方式，在這種天線中每個雷達天線單元連接一個移相器，移相器和天線工作于同 一個頻段，通過控制每個移相器，可以控制每個雷達天線單元的輻射相位，從而控制天線波 束的指向。
[0003] 新型人工電磁媒質(zhì)通常由周期或準(zhǔn)周期排布的亞波長人工單元結(jié)構(gòu)所組成，利用 這種人工媒質(zhì)，人們可以控制甚至設(shè)計電磁波的行為，這種能力使得新型人工電磁媒質(zhì)在 過去的十幾年中吸引了來自各界的廣泛關(guān)注。數(shù)字式可編程人工電磁媒質(zhì)由發(fā)明人所在課 題組首次提出，與媒質(zhì)參數(shù)梯度變化的人工電磁媒質(zhì)相比，數(shù)字式可編程人工電磁媒質(zhì)的 組成僅需兩種媒質(zhì)參數(shù)值，簡化了媒質(zhì)的構(gòu)造過程，避免了在理論上存在而實際中無法實 現(xiàn)的媒質(zhì)參數(shù)，并且媒質(zhì)參數(shù)可以由數(shù)字電路實時控制。
[0004] 本項目基于數(shù)字式可編程人工電磁媒質(zhì)，提出了一種數(shù)字式可重構(gòu)雷達天線，這 種天線采用空間饋電方式，由饋源喇叭和數(shù)字式可編程人工反射面所構(gòu)成。數(shù)字式可編程 人工表面提供了對雷達天線波束形狀和掃描方向的實時控制。相對于傳統(tǒng)相控陣?yán)走_天 線，本發(fā)明省略了每個單元在射頻段的移相處理，天線的輻射特性可以直接由數(shù)字電路實 時控制，具有功能可重構(gòu)，設(shè)計簡單，應(yīng)用靈活，易于加工和成本低廉等優(yōu)點，在雷達天線的 軍事和商業(yè)應(yīng)用中都有重要的前景。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 技術(shù)問題：本發(fā)明的目的是提供一種數(shù)字式可重構(gòu)雷達天線，實現(xiàn)雷達天線的 功能可重構(gòu)和波束的電子掃描。
[0006] 技術(shù)方案：本發(fā)明的一種數(shù)字式可重構(gòu)雷達天線采用空間饋電方式，由饋源喇 叭和數(shù)字式可編程人工反射面兩部分構(gòu)成，所述饋源喇叭遠離數(shù)字式可編程人工反射面放 置，距離滿足遠場條件，來近似平面波照射；所述數(shù)字式可編程人工反射面由周期排布的人 工單元結(jié)構(gòu)組成；通過控制數(shù)字式可編程人工反射面上不同的"0"和" 1"分布實現(xiàn)多種功 能的雷達天線。
[0007] 所述的人工單元結(jié)構(gòu)為：單元結(jié)構(gòu)共三層，頂層由中間金屬片和四片旁置金屬片 構(gòu)成，中間層為金屬接地層，底層為直流饋電層；每個人工單元集成4個開關(guān)二極管，4個開 關(guān)二極管的一端分別對應(yīng)與頂層的四片旁置金屬片相連，另一端與中間金屬片相連，整個 單元結(jié)構(gòu)在水平面內(nèi)90度旋轉(zhuǎn)對稱；每個單元由數(shù)字控制電路單獨提供偏置電壓，從而可 以動態(tài)呈現(xiàn)兩種反射相位，即當(dāng)二極管全導(dǎo)通時，反射相位為〇 ;當(dāng)二極管全截止時，反射 相位為π。
[0008] 所述的反射相位為0的一類單元記為"0"，反射相位為π的一類單元記為"1"，通 過編程控制每個單元的直流偏置，整個反射表面上的"0"和"1"的分布利用數(shù)字編程的 方式實時控制，從而實現(xiàn)可重構(gòu)的雷達天線。
[0009] 有益效果：相對于傳統(tǒng)相控陣?yán)走_天線，本發(fā)明省略了每個單元在射頻段的移 相處理，天線的輻射特性可以直接由數(shù)字電路實時控制，具有功能可重構(gòu)，設(shè)計簡單，應(yīng)用 靈活，易于加工和成本低廉等優(yōu)點，在雷達天線的軍事和商業(yè)應(yīng)用中都有重要的前景。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010] 圖1給出了數(shù)字式人工反射表面的實物圖； 圖2給出了其理論模型示意圖； 圖3給出了人工單元的結(jié)構(gòu)示意圖，其中（a)為單元結(jié)構(gòu)的頂視圖，（b)為單元結(jié)構(gòu)的 側(cè)視圖，（c)為單元結(jié)構(gòu)的斜視圖；其中有：頂層a，中間金屬片P0,四片旁置金屬片P1、P2、 P3、P4,中間層M，底層B，開關(guān)二極管Dl、D2、D3、D4,旁置金屬片PI、P2、P3、P4,中間金屬片 P0 ; 圖4給出了人工單元結(jié)構(gòu)的相位曲線，虛線表示二極管導(dǎo)通，實線表示二極管截止； 圖5中，（a)給出了在網(wǎng)格的編碼方式為000000…/000000···時，人工表面的散射場圖， (b)給出了當(dāng)網(wǎng)格的編碼方式為010101···/010101…時，人工表面的散射場圖，（c)給出了 當(dāng)網(wǎng)格編碼方式為010101···/101010…時，人工表面的散射場圖； 圖6中，（a)給出了當(dāng)編碼方式為010101…/010101...，且D=69mm時，人工表面的三維 散射場圖，（b)顯示了對應(yīng)的極坐標(biāo)下場圖； 圖7中，（a)給出了當(dāng)編碼方式為010101…/010101...，且D=41. 4mm時，人工表面的三 維散射場圖，（b)顯示了對應(yīng)的極坐標(biāo)下場圖； 圖8中，（a)給出了當(dāng)編碼方式為010101…/010101...，且D=20. 7mm時，人工表面的三 維散射場圖，（b)顯示了對應(yīng)的極坐標(biāo)下場圖。
【具體實施方式】
[0011] 本發(fā)明中，采用空間饋電方式，由饋源喇叭和數(shù)字式可編程人工反射面兩部分構(gòu) 成，所述饋源喇叭遠離數(shù)字式可編程人工反射面放置，距離滿足遠場條件，來近似平面波照 射；所述數(shù)字式可編程人工反射面由周期排布的人工單元結(jié)構(gòu)組成；通過控制數(shù)字式可編 程人工反射面上不同的"0"和"1"分布實現(xiàn)多種功能的雷達天線。數(shù)字式可編程超表面中 的人工單元結(jié)構(gòu)集成了四個開關(guān)二極管，當(dāng)二極管全導(dǎo)通時，單元結(jié)構(gòu)的反射相位為0,記 此類單元為"0"，當(dāng)二極管全截止時，單元結(jié)構(gòu)的反射相位為η，記此類單元為"1"。數(shù)字 控制單元提供每個人工單元結(jié)構(gòu)的偏置電壓，不同的偏置電壓使相應(yīng)單元結(jié)構(gòu)可以在"0 " 和"1"間實時切換，從而實現(xiàn)人工表面反射相位的可編程控制，利用不同的反射相位分布 (即"0"和"1"的分布)，可以實現(xiàn)不同的電磁功能。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0012] 圖1給出了數(shù)字式人工反射表面的實物圖，圖2給出了其理論模型示意圖，整個反 射表面由多個矩形網(wǎng)格組成，0(m，η)表示每個網(wǎng)格的反射相位，其值為0或者π。將反 射相位為〇的一類單元記為"〇"，反射相位為η的一類單元記為"1"。在平面波垂直入射 下，散射場的方向圖函數(shù)可以表示為 ：
【權(quán)利要求】
1. 一種數(shù)字式可重構(gòu)雷達天線，其特征在于采用空間饋電方式，由饋源喇叭和數(shù)字式 可編程人工反射面兩部分構(gòu)成，所述饋源喇叭遠離數(shù)字式可編程人工反射面放置，距離滿 足遠場條件，來近似平面波照射；所述數(shù)字式可編程人工反射面由周期排布的人工單元結(jié) 構(gòu)組成；通過控制數(shù)字式可編程人工反射面上不同的"0"和" 1"分布實現(xiàn)多種功能的雷達 天線。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字式可重構(gòu)雷達天線，其特征在于，所述的人工單元結(jié)構(gòu) 為：單元結(jié)構(gòu)共三層，頂層（a)由中間金屬片（P0)和四片旁置金屬片（P1、P2、P3、P4)構(gòu)成， 中間層（M)為金屬接地層，底層（B)為直流饋電層；每個人工單元集成4個開關(guān)二極管（D1、 D2、D3、D4)，4個開關(guān)二極管的一端分別對應(yīng)與頂層的四片旁置金屬片（PI、P2、P3、P4)相 連，另一端與中間金屬片（P0)相連，整個單元結(jié)構(gòu)在水平面內(nèi)90度旋轉(zhuǎn)對稱；每個單元由 數(shù)字控制電路單獨提供偏置電壓，從而可以動態(tài)呈現(xiàn)兩種反射相位，即當(dāng)二極管全導(dǎo)通時， 反射相位為〇 ;當(dāng)二極管全截止時，反射相位為η。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字式可重構(gòu)雷達天線，其特征在于，所述的反射相位為0的 一類單元記為"0"，反射相位為η的一類單元記為"1"，通過編程控制每個單元的直流偏 置，整個反射表面上的"〇"和"1"的分布利用數(shù)字編程的方式實時控制，從而實現(xiàn)可重 構(gòu)的雷達天線。
【文檔編號】H01Q15/14GK104269648SQ201410510873
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月28日
【發(fā)明者】崔鐵軍, 萬向, 齊美清 申請人:東南大學(xué)