相量波束可调天线及其组成的共形天线阵

摘要

本发明提供了一种相量波束可调天线及其组成的共形天线阵，包括寄生层、驱动层、馈电层、空气层及金属外壳；所述驱动层位于所述寄生层的下方，所述寄生层和所述驱动层之间形成所述空气层；所述馈电层位于所述驱动层的下方，所述驱动层和所述馈电层设置在所述金属外壳内部。本发明实现了天线相量波束调节，为阵列天线波束合成注入新的自由度，提升了阵列天线性能，能够广泛应用移动通信等领域。

权利要求

1.一种相量波束可调天线，其特征在于，包括寄生层(1)、驱动层(2)、馈电层(3)、空气层(4)及金属外壳(5)；

所述驱动层(2)位于所述寄生层(1)的下方，所述寄生层(1)和所述驱动层(2)之间形成所述空气层(4)；

所述馈电层(3)位于所述驱动层(2)的下方，所述驱动层(2)和所述馈电层(3)设置在所述金属外壳(5)内部；

还包括设置在所述寄生层(1)上的第一加载PIN二极管的寄生贴片(6)、第二加载PIN二极管的寄生贴片(7)、第一偏置线(15)、第二偏置线(16)、第三偏置线(17)、第四偏置线(18)、第五偏置线(19)、FPC连接器(20)及隔交电感(21)；

所述第一偏置线(15)、所述第二偏置线(16)、所述第三偏置线(17)、所述第四偏置线(18)及所述第五偏置线(19)均被划分为多个部分，相邻两部分通过所述隔交电感(21)相连；

所述第一偏置线(15)、所述第二偏置线(16)、所述第三偏置线(17)、所述第四偏置线(18)及所述第五偏置线(19)均与所述FPC连接器(20)相连；

所述FPC连接器(20)与所述第一加载PIN二极管的寄生贴片(6)、第二加载PIN二极管的寄生贴片(7)相连。

所述第一加载PIN二极管的寄生贴片(6)和第二加载PIN二极管的寄生贴片(7)位于所述寄生层(1)上表面且对称放置。

2.根据权利要求1所述的相量波束可调天线，其特征在于，所述第一加载PIN二极管的寄生贴片(6)包括第一寄生贴片(22)、第二寄生贴片(23)、第三寄生贴片(24)、第一PIN二极管(28)及第二PIN二极管(29)；

所述第一PIN二极管(28)两端与第一寄生贴片(22)和第二寄生贴片(23)相连，第二PIN二极管(29)两端与第二寄生贴片(23)和第三寄生贴片(24)相连；

所述第一偏置线(15)连接在所述第一寄生贴片(22)上，所述第二偏置线(16)连接在所述第三寄生贴片(24)上，所述第五偏置线(19)连接在所述第二寄生贴片(23)上。

3.根据权利要求1所述的相量波束可调天线，其特征在于，第二加载PIN二极管的寄生贴片(7)包括第四寄生贴片(25)、第五寄生贴片(26)、第六寄生贴片(27)、第三PIN二极管(30)及第四PIN二极管(31)；

第三PIN二极管(30)两端与第四寄生贴片(25)和第五寄生贴片(26)相连，第四PIN二极管(31)两端与第五寄生贴片(26)和第六寄生贴片(27)相连；

所述第三偏置线(17)连接在上所述第四寄生贴片(25)上，所述第四偏置线(18)连接在所述第六寄生贴片(27)上，所述第五偏置线(19)连接在所述第五寄生贴片(26)上。

4.根据权利1要求所述的相量波束可调天线，其特征在于，还包括设置在所述驱动层(2)上的驱动贴片(8)，所述驱动贴片(8)用于激励所述第一加载PIN二极管的寄生贴片(6)和所述第二加载PIN二极管的寄生贴片(7)。

5.根据权利要求4所述的相量波束可调天线，其特征在于，还包括设置在所述馈电层(3)上的地板(9)、耦合缝隙(11)、第一馈电微带线(12)、第二馈电微带线(13)及第三馈电微带线(14)；

所述耦合缝隙(11)设置在所述地板(9)上，所述第一馈电微带线(12)、第二馈电微带线(13)及所述第三馈电微带线(14)设置在所述馈电层(3)上；

所述耦合缝隙(11)、所述第一馈电微带线(12)、所述第二馈电微带线(13)及所述第三馈电微带线(14)用于共同为所述驱动贴片(8)供电；

所述第一馈电微带线(12)位于所述耦合缝隙(11)下方，所述第二馈电微带线(13)与所述第一馈电微带线(12)相连，所述第三馈电微带线(14)与所述第二馈电微带线(13)相连。

6.根据权利要求1所述的相量波束可调天线，其特征在于，还包括塑料支撑螺柱(10)，所述寄生层(1)和所述驱动层(2)之间设置通过所述塑料支撑螺柱(10)连接，构建所述空气层(4)。

7.一种共形天线阵，其特征在于，包括四个天线单元，所述天线单元为权利要求1至6任一项所述的相量波束可调天线；

四个所述天线单元沿着半径为R的圆弧摆放，相邻所述天线单元之间的旋转角度为α。

8.根据权利要求7所述的共形天线阵，其特征在于，四个所述天线单元均为同时等幅同相馈电。

说明书

相量波束可调天线及其组成的共形天线阵

技术领域

[0001] 本发明涉及天线技术领域，具体地，涉及一种相量波束可调天线及其组成的共形天线阵，尤其是一种相量波束可调堆叠贴片天线及其组成的高口径效率圆弧共形天线阵。

背景技术

[0002] 无线自组织网络与以基站为固定设施的蜂窝移动通信技术的主要区别为无中心、自组织等，在军事、灾后救援、野外作业等场景下具有广阔的应用前景。传统的无线自组网多采用全向天线，存在通信距离有限、抗干扰能力差等缺点。近几年，随着天线技术的发展，多波束切换圆形共形天线阵已成为无线自组网的核心技术之一。这种天线阵中每个天线单元沿圆周共形摆放，通过射频开关快速切换多个具有不同波束指向的定向天线工作，具有全向天线的波束覆盖能力和定向天线阵的高增益特性，同时结构简单、成本低，在提升系统容量、传输距离、抗干扰能力等方面具有显著优势。然而，传统多波束切换共形天线阵只能选择单个天线单元工作。当选择多个天线单元(大于2个)合成一个波束时，多波束切换圆形共形天线阵可简化为一个由多个单元组成圆弧共形天线阵。该圆弧共形阵的等相位面不是平面，每个天线单元距离阵列投影口面有一定的距离，导致不同单元之间存在空间相位差。同时，不同天线波束指向不同，导致边缘处的天线对阵列轴向波束增益贡献较小。这两方面共同导致共形阵列的口径效率比平面阵低。因此，相位补偿和波束指向的调节对提高共形阵口径效率尤为重要。

[0003] 经文献检索，范海军等人2016年在IEEE Transaction  on Antennas and Propagation(天线与传播会刊)期刊上发表的文章“Switched Multibeam Circular Array With a Reconfigurable Network(基于可重构网络的多波束切换圆形阵列)”提出一种基于可重构功分器的多波束切换圆形共形天线阵，与传统多波束切换圆形共形阵相比，该共形阵利用可重构功分器选择相邻两个天线单元同时工作，可以在原有相邻波束之间增加一个新的波束，以弥补波束交叠处的增益滚降，当选择一个或两个天线单元工作时，对应实测口径效率分别为32.06％和17.78％。

[0004] Pablo Sanchez‑Olivares等人2019在IEEE Antennas and Propagation Magazine期刊上发表的文章“Circular Conformal  Array Antenna With 
Omnidirectional and Beamsteering Capabilities for 5G Communications in 
the3.5‑GHz Range(面向5G(3.5GHz频段)通信的全向波束切换圆形共形阵列天线)”提出了一种全向波束覆盖的多波束切换圆形共形天线阵，该天线阵利用射频开关选择多个天线单元进行波束合成，当选择两个天线工作时，增益约为9dBi，对应口径效率为84.24％；当选择四个天线工作时，增益约为4.65dBi，对应口径效率为15.47％；当选择八个天线工作时，增益约为1.5dBi，对应口径效率为3.74％。

[0005] 现有研究表明，多波束切换共形天线阵选择不超过两个天线单元同时工作时，可实现较高的口径效率较高；当选择多个天线单元(大于两个)同时工作时，由于单元之间存在空间相位差，导致共形阵口径效率较低，此外，现有研究均没有考虑共形天线阵中边缘天线对阵列轴向波束增益贡献小的问题，进一步导致共形阵口径效率的降低。

[0006] 公开号为CN202905954U的专利文献公开了一种共形微带多波束切换天线，由4组天线组成，4组天线固定在飞行器上形成圆环形整体，每组天线占90°安装空间。每组天线包括2个发射天线模块和1个接收天线模块，接收天线模块在2个发射天线模块的中间。其中，接收天线模块包括接收天线阵、合成器和低噪放，接收天线阵包括两个横向天线单元，天线单元为微带天线；发射天线模块包括发射天线阵、馈电网络和功分移相器，发射天线阵采用微带天线单元组阵。公开号为CN112711016A的专利文献公开了一种多波束切换圆柱阵列天线结构及雷达系统，包括：在俯仰向上相对设置的发射模块和接收模块；其中，所述发射模块和所述接收模块之间设置有金属缝隙；所述发射模块包括多个在方位向上呈圆周分布的发射阵元，所述接收模块包括在所述方位向上多个呈圆周分布的接收阵元；所述发射阵元和所述接收阵元的数量相同，在所述俯仰向上一一对应设置。但是上述专利文献仍然存在口径效率低的缺陷。

发明内容

[0007] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种相量波束可调天线及其组成的共形天线阵。

[0008] 根据本发明提供的一种相量波束可调天线，包括寄生层、驱动层、馈电层、空气层及金属外壳；

[0009] 所述驱动层位于所述寄生层的下方，所述寄生层和所述驱动层之间形成所述空气层；

[0010] 所述馈电层位于所述驱动层的下方，所述驱动层和所述馈电层设置在所述金属外壳内部。

[0011] 优选的，还包括设置在所述寄生层上的第一加载PIN二极管的寄生贴片、第二加载PIN二极管的寄生贴片、第一偏置线、第二偏置线、第三偏置线、第四偏置线、第五偏置线、FPC连接器及隔交电感；

[0012] 所述第一偏置线、所述第二偏置线、所述第三偏置线、所述第四偏置线及所述第五偏置线均被划分为多个部分，相邻两部分通过所述隔交电感相连；

[0013] 所述第一偏置线、所述第二偏置线、所述第三偏置线、所述第四偏置线及所述第五偏置线均与所述FPC连接器相连；

[0014] 所述FPC连接器与所述第一加载PIN二极管的寄生贴片、第二加载PIN二极管的寄生贴片相连。

[0015] 优选的，所述第一加载PIN二极管的寄生贴片和第二加载PIN二极管的寄生贴片位于所述寄生层上表面且对称放置。

[0016] 优选的，所述第一加载PIN二极管的寄生贴片包括第一寄生贴片、第二寄生贴片、第三寄生贴片、第一PIN二极管及第二PIN二极管；

[0017] 所述第一PIN二极管两端与第一寄生贴片和第二寄生贴片相连，第二PIN二极管两端与第二寄生贴片和第三寄生贴片相连；

[0018] 所述第一偏置线连接在所述第一寄生贴片上，所述第二偏置线连接在所述第三寄生贴片上，所述第五偏置线连接在所述第二寄生贴片上。

[0019] 优选的，第二加载PIN二极管的寄生贴片包括第四寄生贴片、第五寄生贴片、第六寄生贴片、第三PIN二极管及第四PIN二极管；

[0020] 第三PIN二极管两端与第四寄生贴片和第五寄生贴片相连，第四PIN二极管两端与第五寄生贴片和第六寄生贴片相连；

[0021] 所述第三偏置线连接在上所述第四寄生贴片上，所述第四偏置线连接在所述第六寄生贴片上，所述第五偏置线连接在所述第五寄生贴片上。

[0022] 优选的，还包括设置在所述驱动层上的驱动贴片，所述驱动贴片用于激励所述第一加载PIN二极管的寄生贴片和所述第二加载PIN二极管的寄生贴片。

[0023] 优选的，还包括设置在所述馈电层上的地板、耦合缝隙、第一馈电微带线、第二馈电微带线及第三馈电微带线；

[0024] 所述耦合缝隙设置在所述地板上，所述第一馈电微带线、第二馈电微带线及所述第三馈电微带线设置在所述馈电层上；

[0025] 所述耦合缝隙、所述第一馈电微带线、所述第二馈电微带线及所述第三馈电微带线用于共同为所述驱动贴片供电；

[0026] 所述第一馈电微带线位于所述耦合缝隙下方，所述第二馈电微带线与所述第一馈电微带线相连，所述第三馈电微带线与所述第二馈电微带线相连。

[0027] 优选的，还包括塑料支撑螺柱，所述寄生层和所述驱动层之间设置通过所述塑料支撑螺柱连接，构建所述空气层。

[0028] 本发明还提供一种共形天线阵，其特征在于，包括四个天线单元，所述天线单元为权利要求至任一项所述的相量波束可调天线；

[0029] 四个所述天线单元沿着半径为R的圆弧摆放，相邻所述天线单元之间的旋转角度为α。

[0030] 优选的，四个所述天线单元均为同时等幅同相馈电。

[0031] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

[0032] 1、本发明提出了具有幅度和相位方向图调节能力的相量波束可调天线，可实现波束指向为‑33°、0°和33°，波束指向角度对应相位分别为32.3°、‑26.3°和31.9°；

[0033] 2、本发明将相量波束可调天线应用于共形天线阵，弥补了由于共形结构引入的空间相位差，提高了边缘天线对阵列轴向波束增益的贡献，最终提升了共形天线阵的口径效率；

[0034] 3、本发明中基于相量波束可调堆叠贴片天线的共形天线阵增益为11.9dBi，对应口径效率为52.01％，副瓣电平为‑8.0dB，实现了比基于相位补偿网络的共形天线阵更高的口径效率。

附图说明

[0035] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

[0036] 图1为本发明相量波束可调堆叠贴片天线的侧视图；

[0037] 图2为本发明相量波束可调堆叠贴片天线驱动层的俯视图；

[0038] 图3为本发明相量波束可调堆叠贴片天线馈电层的俯视图；

[0039] 图4为本发明相量波束可调堆叠贴片天线馈电层的后视图；

[0040] 图5为本发明相量波束可调堆叠贴片天线寄生层的俯视图；

[0041] 图6为本发明相量波束可调堆叠贴片天线的原理图；

[0042] 图7为本发明相量波束可调堆叠贴片天线阵因子Fa的幅度方向图，其中寄生单元感应电流相位滞后于驱动单元；

[0043] 图8为本发明相量波束可调堆叠贴片天线阵因子Fa的相位方向图，其中寄生单元感应电流相位滞后于驱动单元；

[0044] 图9为本发明实施例相量波束可调堆叠贴片天线的反射系数随频率变化图；

[0045] 图10为本发明实施例相量波束可调堆叠贴片天线在5.77GHz不同工作模式下的幅度方向图，其中实线为主极化，虚线为交叉极化；

[0046] 图11为本发明实施例相量波束可调堆叠贴片天线在5.77GHz不同工作模式下的相位方向图；

[0047] 图12为本发明实施例基于相量波束可调堆叠贴片天线的圆弧共形天线阵的正视图；

[0048] 图13为本发明实施例基于相量波束可调堆叠贴片天线的圆弧共形天线阵的俯视图；

[0049] 图14为本发明实施例基于相量波束可调堆叠贴片天线的圆弧共形天线阵在5.77GHz的方向图。

[0050] 图中示出：

[0051] 寄生层1                              第三偏置线12

[0052] 驱动层2                              第四偏置线18

[0053] 馈电层3                              第五偏置线19

[0054] 空气层4                              FPC连接器20

[0055] 金属外壳5                            隔交电感21

[0056] 第一加载PIN二极管的寄生贴片6         第一寄生贴片22

[0057] 第二加载PIN二极管的寄生贴片7         第二寄生贴片23

[0058] 驱动贴片8                            第三寄生贴片24

[0059] 地板9                                第四寄生贴片25

[0060] 塑料支撑螺柱10                       第五寄生贴片26

[0061] 耦合缝隙11                           第六寄生贴片27

[0062] 第一馈电微带线12                     第一PIN二极管28

[0063] 第二馈电微带线13                     第二PIN二极管29

[0064] 第三馈电微带线14                     第三PIN二极管30

[0065] 第一偏置线15                         第四PIN二极管31

[0066] 第二偏置线16

具体实施方式

[0067] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

[0068] 如图1～5所示，本发明提供的一种相量波束可调天线，包括寄生层1、驱动层2、馈电层3、空气层4及金属外壳5，驱动层2位于寄生层1的下方，寄生层1和驱动层2之间形成空气层4，馈电层3位于驱动层2的下方，驱动层2和馈电层3设置在金属外壳5内部。

[0069] 还包括设置在寄生层1上的第一加载PIN二极管的寄生贴片6、第二加载PIN二极管的寄生贴片7、第一偏置线15、第二偏置线16、第三偏置线17、第四偏置线18、第五偏置线19、FPC连接器20及隔交电感21，第一偏置线15、第二偏置线16、第三偏置线17、第四偏置线18及第五偏置线19均被划分为多个部分，相邻两部分通过隔交电感21相连，第一偏置线15、第二偏置线16、第三偏置线17、第四偏置线18及第五偏置线19均与FPC连接器20相连，FPC连接器20与第一加载PIN二极管的寄生贴片6、第二加载PIN二极管的寄生贴片7相连。第一加载PIN二极管的寄生贴片6和第二加载PIN二极管的寄生贴片7位于寄生层1上表面且对称放置。

[0070] 第一加载PIN二极管的寄生贴片6包括第一寄生贴片22、第二寄生贴片23、第三寄生贴片24、第一PIN二极管28及第二PIN二极管29，第一PIN二极管28两端与第一寄生贴片22和第二寄生贴片23相连，第二PIN二极管29两端与第二寄生贴片23和第三寄生贴片24相连，第一偏置线15连接在第一寄生贴片22上，第二偏置线16连接在第三寄生贴片24上，第五偏置线19连接在第二寄生贴片23上。第二加载PIN二极管的寄生贴片7包括第四寄生贴片25、第五寄生贴片26、第六寄生贴片27、第三PIN二极管30及第四PIN二极管31，第三PIN二极管30两端与第四寄生贴片25和第五寄生贴片26相连，第四PIN二极管31两端与第五寄生贴片
26和第六寄生贴片27相连，第三偏置线17连接在上第四寄生贴片25上，第四偏置线18连接在第六寄生贴片27上，第五偏置线19连接在第五寄生贴片26上。

[0071] 包括设置在驱动层2上的驱动贴片8，驱动贴片8用于激励第一加载PIN二极管的寄生贴片6和第二加载PIN二极管的寄生贴片7。还包括设置在馈电层3上的地板9、耦合缝隙11、第一馈电微带线12、第二馈电微带线13及第三馈电微带线14，耦合缝隙11设置在地板9上，第一馈电微带线12、第二馈电微带线13及第三馈电微带线14设置在馈电层3上，耦合缝隙11、第一馈电微带线12、第二馈电微带线13及第三馈电微带线14用于共同为驱动贴片8供电，第一馈电微带线12位于耦合缝隙11下方，第二馈电微带线13与第一馈电微带线12相连，第三馈电微带线14与第二馈电微带线13相连。还包括塑料支撑螺柱10，寄生层1和驱动层2之间设置通过塑料支撑螺柱10连接，构建空气层4。

[0072] 本发明还提供一种共形天线阵，包括四个天线单元，天线单元为权利要求至任一项的相量波束可调天线；

[0073] 四个天线单元沿着半径为R的圆弧摆放，相邻天线单元之间的旋转角度为α。四个天线单元均为同时等幅同相馈电。

[0074] 实施例1：

[0075] 一种相量波束可调堆叠贴片天线，相量波束可调堆叠贴片天线包括寄生层、驱动层、馈电层、空气层和金属外壳。寄生层包括加载PIN二极管的寄生贴片、偏置线、FPC连接器和隔交电感，通过改变偏置线上的电压，从而改变PIN二极管工作状态，进而改变寄生贴片表面感应电流的幅度和相位，实现相量波束的调节。相量波束调节为幅度和相位方向图调节。

[0076] 寄生层和驱动层通过塑料支撑螺柱连接，构建空气层，驱动层和馈电层位于金属外壳内部。驱动层由驱动贴片组成，用于激励第一加载PIN二极管的寄生贴片和第二加载PIN二极管的寄生贴片。馈电层位于驱动层下方，包括地板、耦合缝隙、第一馈电微带线、第二馈电微带线和第三馈电微带线，耦合缝隙位于地板上，第一馈电微带线至第三馈电微带线位于驱动层背面，与耦合缝隙共同为驱动贴片馈电，其中第一馈电微带线位于耦合缝隙下方，第二馈电微带线与第一馈电微带线相连，第三馈电微带线与第二馈电微带线相连。

[0077] 寄生层位于驱动层上方，包括第一加载PIN二极管的寄生贴片、第二加载PIN二极管的寄生贴片、第一偏置线、第二偏置线、第三偏置线、第四偏置线、第五偏置线、FPC连接器和隔交电感。第一偏置线至第五偏置线被划分为多个部分，相邻两部分通过隔交电感相连，以减少偏置线的寄生辐射。第一偏置线至第五偏置线与FPC连接器相连，实现对PIN二极管偏置电压的控制。第一加载PIN二极管的寄生贴片和第二加载PIN二极管的寄生贴片位于寄生层上表面且对称放置。

[0078] 第一加载PIN二极管的寄生贴片包括第一寄生贴片、第二寄生贴片、第三寄生贴片、第一PIN二极管、第二PIN二极管。第二加载PIN二极管的寄生贴片包括第四寄生贴片、第五寄生贴片、第六寄生贴片、第三PIN二极管和第四PIN二极管。第一PIN二极管两端与第一寄生贴片和第二寄生贴片相连，第二PIN二极管两端与第二寄生贴片和第三寄生贴片相连，第三PIN二极管两端与第四寄生贴片和第五寄生贴片相连，第四PIN二极管两端与第五寄生贴片和第六寄生贴片相连。

[0079] 第一寄生贴片通过隔交电感与第一偏置线相连为第一PIN二极管提供偏置电压，第二寄生贴片通过隔交电感与第五偏置线相连以接地，第三寄生贴片通过隔交电感与第二偏置线相连为第二PIN二极管提供偏置电压，第四寄生贴片通过隔交电感与第三偏置线相连为第三PIN二极管提供偏置电压，第五寄生贴片通过隔交电感与第五偏置线相连以接地，第六寄生贴片通过隔交电感与第四偏置线相连为第四PIN二极管提供偏置电压。

[0080] 通过改变第一偏置线至第四偏置线的偏置电压，控制第一PIN二极管至第四PIN二极管的通断，从而改变第一加载PIN二极管的寄生贴片和第二加载PIN二极管的寄生贴片上感应电流的幅度和相位，实现幅度和相位方向图共计四种模式(模式1至模式4)的调节。

[0081] 一种基于相量波束可调堆叠贴片天线的圆弧共形天线阵，圆弧共形天线阵的天线单元为相量波束可调堆叠贴片天线。

[0082] 圆弧共形天线阵包含四个天线单元(天线1，天线2，天线3和天线4)，四个天线单元沿着半径为R的圆弧摆放，相邻天线单元之间的旋转角度为α。四个天线单元均为同时等幅同相馈电，天线1至天线4的工作状态分别为模式3、模式2、模式2和模式4。

[0083] 圆弧共形天线阵中天线1和天线4自身辐射场的相位超前于天线2和天线3的相位，与共形结构引起的空间相位差可以抵消。圆弧天线阵中边缘天线1和4的波束指向可向阵列轴向偏转，增加对阵列轴向波束增益的贡献。最终，提升了共形天线阵口径效率。

[0084] 实施例2：

[0085] 本实施例提供一种相量波束可调堆叠贴片天线，工作频率为5.77GHz。寄生层采用的介质板为Arlon AD350(相对介电常数3.5，厚度2mm)，驱动层采用的介质板为Arlon AD350(相对介电常数3.5，厚度3mm)，馈电层采用的介质板为Rogers4350B(相对介电常数3.48，厚度0.762mm)，空气层高度为10mm，地板尺寸为40mm×40mm。加载PIN二极管的寄生贴片尺寸为15mm×4mm，驱动贴片尺寸为11mm×11mm。

[0086] 本发明中相量波束可调堆叠贴片天线的工作原理如下：

[0087] 如图6所示为本实施例的等效模型，其中驱动贴片8对应模型中驱动单元1，第一加载PIN二极管的寄生贴片6对应模型中寄生单元2，第二加载PIN二极管的寄生贴片7对应模型中寄生单元3。得到由驱动单元1、寄生单元2和3组成的3单元阵列的阵因子Fa(θ)表达式为：

[0088]

[0089] 其中k0表示自由空间波数，d表示寄生单元与驱动单元沿y轴方向间距，h表示寄生单元与驱动单元沿z轴方向间距，θ表示俯仰角，e是自然对数的底，j是虚数单位；表示驱动单元馈电的复电流，A1表示幅值，φ1表示相位； 和 分别表示寄
生单元2和3表面感应的复电流，A2和A3表示幅度，φ2和φ3表示相位。

[0090] 如图7和图8所示是根据上式计算得到的阵因子Fa的幅度和相位方向图，其中寄生单元感应电流相位滞后于驱动单元且为引向器。寄生单元2和寄生单元3分别工作时(A2＝0或A3＝0)，天线的波束指向发生偏转，在波束指向处的相位为‑21.2°。当寄生单元2和3同时工作时(A2＝A3＝1)，天线的波束指向为轴向，在波束指向处的相位为‑49°。因此，在加载寄生单元基础上，改变寄生单元感应电流的幅度和相位，不仅使天线的波束指向发生了变化，而且对应的相位也发生了改变，从而实现了幅度和相位方向图的改变。本实施例中控制寄生贴片上加载PIN二极管的工作状态，改变寄生贴片的等效电长度，进而改变寄生贴片感应电流的幅度和相位，最终实现幅度和相位方向图的调节。

[0091] 本实施例所述天线的四种工作模式对应PIN二极管状态如下表所示：

[0092]

[0093]

[0094] 如图9所示是本实施例相量波束可调堆叠贴片天线仿真得到的反射系数。从图中可以看出，工作模式3和模式4的反射系数基本一致，但与模式2之间存在一定的频率偏差。模式2的|S11|≤‑10dB工作频带为5.72GHz至5.87GHz。模式3和模式4的|S11|≤‑10dB工作频带为5.63GHz至5.85GHz。四种模式共同的|S11|≤‑10dB工作频带为5.72GHz至5.85GHz。

[0095] 如图10和图11所示是本实施例相量波束可调堆叠贴片天线仿真得到的在5.77GHz幅度和相位方向图。

[0096] 模式1：当第一PIN二极管28至第四PIN二极管31均反偏时，加载PIN二极管的寄生贴片不工作，增益为7.58dBi，相位方向图接近于常数。该模式的相位方向图作为其他模式相位方向图的基准。

[0097] 模式2：当第二PIN二极管29和第四PIN二极管31正偏时，加载PIN二极管的寄生贴片6和7同时工作，为引向器，天线波束指向为轴向，增益为6.88dBi，波束指向对应的相位为‑26.3°。

[0098] 模式3：当第一PIN二极管28和第二PIN二极管29正偏时，只有第一加载PIN二极管的寄生贴片6工作，为反射器，波束指向为‑33°，增益为5.54dBi，波束指向对应的相位为32.3°。

[0099] 模式4：当第三PIN二极管30和第四PIN二极管31正偏时，只有第二加载PIN二极管的寄生贴片7工作，为反射器，波束指向为33°，增益为5.56dBi，波束指向对应的相位为31.9°。

[0100] 实施例3：

[0101] 本实施例提供一种基于相量波束可调堆叠贴片天线的圆弧共形天线阵，其结构正视图和俯视图分别如图12和图13所示。当波束指向阵列轴向时，由于共形结构的原因，边缘天线辐射场的相位滞后于中间天线辐射场的相位，并且边缘天线波束指向偏离阵列轴向较大，对阵列增益的贡献相比中间单元小，所以需要调节边缘天线的馈电相位与波束指向以提高阵列增益。实施例一种相量波束可调堆叠贴片天线的工作模式2、模式3和模式4具有不同的波束指向和辐射相位，且模式3和4的相位超前于模式2，适用于解决上述问题。本实施例中圆弧共形天线阵包含四个天线单元(天线1，天线2，天线3和天线4)，四个天线单元沿着半径R为2.44λ0(工作频率5.77GHz频点对应的自由空间波长为51.99mm)的圆弧摆放，相邻天线单元之间的旋转角度α＝20°。四个天线单元同时等幅同相馈电，天线1至天线4的工作状态分别为模式3、模式2、模式2和模式4。此时，基于相量波束可调天线的共形天线阵中天线1和天线4自身辐射场的相位超前于天线2和天线3的相位，与共形结构引起的空间相位差可以抵消。此外，相量波束可调天线还可以实现不同的波束指向，因此圆弧共形阵中边缘天线1和4的波束指向可向阵列轴向偏转，增加对阵列轴向波束增益的贡献。最终，提升了共形天线阵口径效率。

[0102] 如图14所示是本实施例基于相量波束可调堆叠贴片天线的圆弧共形天线阵仿真得到的在5.77GHz的方向图，并与基于无耗相位补偿网络和没有相位补偿的圆弧共形天线的仿真结果进行了对比。对于多波束切换共形天线阵，当选择多个天线单元(大于两个)进行波束合成时，可利用由移相器组成的相位补偿网络进行相位补偿，但这种方式会带来额外的插入损耗，从而减少发射通道的增益、增加接收通道的噪声系数。基于相量波束可调堆叠贴片天线的共形阵的增益为11.9dBi，对应口径效率为52.01％，副瓣电平为‑8dB。基于无耗相位补偿网络的共形阵增益为11.9dBi，对应口径效率为52.01％，副瓣电平为‑11.4dB。没有进行相位补偿的共形阵增益为8.4dBi，对应口径效率为22.7％，副瓣电平为‑0.1dB。基于相量波束可调天线的共形阵实现了与基于无耗相位补偿网络的共形阵相同的口径效率。
当考虑相位补偿网络的插入损耗，利用相量波束可调天线进行相位补偿比相位补偿网络的方式具有更高的口径效率。

[0103] 本发明的天线驱动贴片上方堆叠了两个加载PIN二极管的寄生贴片，通过控制PIN二极管工作状态以改变寄生贴片感应电流的幅度和相位，实现了共计四种模式的相量波束调节。利用该相量波束可调天线组成圆弧共形天线阵，既可以弥补由于共形结构引入的空间相位差，又可以提高边缘天线对阵列轴向波束增益的贡献，最终提高了共形天线阵口径效率。

[0104] 本发明的相量波束可调天线可以实现幅度和相位方向图的调节，这种相量波束调节的特性适合应用于多波束共形天线阵中。当选择多个单元进行波束合成时，该天线既可以弥补由于共形结构引入的空间相位差，又可以提高边缘天线对阵列轴向波束增益的贡献，最终提高共形天线阵口径效率。

[0105] 在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

[0106] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。