《电子技术应用》
您所在的位置：首页 > 微波|射频 > 设计应用 > 基于可重构PRS的一维电子波束转向Fabry-Perot天线设计
基于可重构PRS的一维电子波束转向Fabry-Perot天线设计
电子技术应用
张海燕，石喜玲，高丽珍，赵俊梅
中北大学 电气与控制工程学院
摘要： 设计了一种具有一维电子波束转向的新型Fabry-Perot（F-P）谐振腔天线。该天线由同轴探针馈电的方形微带贴片天线作为辐射源，并采用加载PIN二极管的可重构部分反射表面（Partially Reflective Surface， PRS）实现波束转向。所设计的可重构PRS由6×6个花瓣型单元组成，并均分为相等的两部分Part 1和Part 2，分别由两个控制信号独立控制，因此可以有选择地调节每部分PIN二极管的开关状态。所设计的天线具有三种不同的辐射模式。测量结果表明，天线主波束能够在+9°、0°、-9°三种离散状态下自由切换。所有状态下重叠的阻抗带宽（|S_11 |<-10 dB）为5.5% （5.43~5.74 GHz），最大增益达到14.2 dBi。
中图分类号：TN823+.27 文献标志码：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.245194
中文引用格式： 张海燕，石喜玲，高丽珍，等. 基于可重构PRS的一维电子波束转向Fabry-Perot天线设计[J]. 电子技术应用，2024，50(9)：52-58.
英文引用格式： Zhang Haiyan，Shi Xiling，Gao Lizhen，et al. Design of one-dimensional electronic beam-steering Fabry-Perot antenna based on reconfigurable PRS[J]. Application of Electronic Technique，2024，50(9)：52-58.
Design of one-dimensional electronic beam-steering Fabry-Perot antenna based on reconfigurable PRS
Zhang Haiyan，Shi Xiling，Gao Lizhen，Zhao Junmei
School of Electrical and Control Engineering， North University of China
Abstract： In this paper, a novel Fabry-Perot (F-P) resonator antenna with one-dimensional electronic beam-steering is designed. The antenna uses a square microstrip patch antenna fed by a coaxial probe as the radiator, and uses a reconfigurable partially reflective surface (PRS) loaded with PIN diodes to realize beam-steering. The designed reconfigurable PRS consists of 6×6 petal-type unit cells that are divided into two equal parts, Part 1 and Part 2, which are independently controlled by two control signals. Therefore, the switching state of each part of the PIN diode can be selectively adjusted. The designed antenna has three different radiation modes. The proposed antenna is designed and measured, and the measurement results show that the main beam of the antenna can be switched freely in +9°, 0° and -9° discrete states. The overlap impedance bandwidth (|S_11 |<-10 dB) in all states is 5.5% (5.43~5.74 GHz), with a maximum gain of 14.2 dBi.
Key words : Fabry-Perot （F-P） resonator antenna；electronic beam-steering；reconfigurable PRS；PIN diodes；discrete states

引言

随着无线通信系统的快速发展，现代天线研究正朝着多功能、高度集成化、智能化方向发展[1]。一些传统天线仅具有固定的工作性能，已不能满足复杂的通信系统和多任务处理的需求。由于这一问题，多功能可重构天线引起了研究者的广泛关注[2-4]。早在1983年，Schaubert等人就提出了可重构天线的概念[5]。而波束可重构天线由于在移动卫星通信、军事战争等方面的应用需求愈发强烈，因此对波束可重构天线的研究显得更加迫切和重要。 Fabry-Perot(F-P)谐振腔天线因其具有高增益、低剖面、馈电方式简单、低成本等特性而备受关注[6-11]。它通常由辐射馈源、接地板和部分反射表面(Partially Reflective Surface, PRS)三部分组成，从馈源发射出的电磁波在腔体内不断反射和传输，根据射线理论，当透射出PRS的射线全部同相时，可以增强辐射电场，从而获得高增益特性。除了高增益特性外，波束转向能力也是F-P天线的一个特别有用的特性。它可以提高系统容量和天线的利用效率，并扩大电磁辐射区域范围。因此，近年来国内外学者对波束转向的F-P谐振腔天线进行了一系列研究[12-15]。

目前，最常用的波束控制方式包括机械调控和电子控制技术。机械调控技术是指相对天线中心轴机械旋转PRS或将液态金属注入天线结构实现波束可重构。例如，2017年，Afzal等人[12]采用一对完全无源的超表面作为F-P谐振腔天线的PRS，它们围绕天线轴独立或同步旋转以改变天线近场的相位分布，使天线波束可以在一个大的锥形区域内(顶角为102°)转向任何方向。2020年，Yang等人[13]通过将液态金属注入PRS的特定区域来控制辐射模式。所设计天线波束可以在、中切换。采用机械方式实现波束调控，所设计的天线结构简单且不需要任何偏置网络，但机械方式较难快速而又准确地对波束实时进行调控。电子技术在提供快速切换和可重构性方面非常有效。2022年，悉尼大学Huang等人[14]设计了加载PIN二极管的可重构PRS，通过调节PRS上每列单元中二极管参数，获得了7种工作模式，天线波束在仰角平面上分别偏转0°、、。2022年，Zhang等人[15]提出了一种具有可重构散射波束的高增益F-P谐振腔天线。该天线利用加载在有源超表面上的变容二极管，实现了可调谐的散射波束。通过控制二极管电容，天线散射波束重构的角度域为-40°~40°。所设计的天线具有良好的动态散射特性和辐射性能，在雷达探测领域具有广阔的应用前景。

本文利用电子技术设计了一种新型波束可重构F-P谐振腔天线。首先设计了一种花瓣型单元结构，在单元中引入PIN二极管进行电子调谐，单元具有两种不同反射相位状态。其次，以该单元组成6×6阵列设计可重构PRS，将PRS结构划分为两个区域。通过控制两个区域内PIN二极管的开/关(ON/OFF)状态以改变口径面的相位分布，从而对波束进行调节。


本文详细内容请下载：

https://www.chinaaet.com/resource/share/2000006142


作者信息：

张海燕，石喜玲，高丽珍，赵俊梅

（中北大学 电气与控制工程学院，山西 太原 030051）


Magazine.Subscription.jpg

此内容为AET网站原创，未经授权禁止转载。

相关内容