本发明属于二维波束可重构扫描天线技术领域的一种菲涅尔结构天线，尤其是涉及了一种基于平面口径空间馈电的二维菲涅尔区板天线。
背景技术：
随着现代雷达和通信系统的迅速发展，为实现通信、导航等多重目的，飞机、轮船、卫星等所需的天线数量越来越多。这使得天线重量不断增加，同时，各天线之间的电磁下扰也非常大，严重影响天线的正常工作。为了减轻平台上所负载的天线重量、降低成本、减小平台的雷达散射截面实现良好的电磁兼容特性，希望能用一个天线来实现多个天线的功能采用同一个天线或天线阵，通过动态改变其口径或尺寸，使其具有多个天线的功能，相当于多个天线共用一个物理口径，这种天线就称为可重构天线。可重构天线包括波束可重构天线以及频率可重构天线。
传统的相控阵天线可以看成是波束可重构天线的一种。相控阵天线虽然具有灵活的波束控制能力，但其需要复杂的功分馈电网络和数字或者模拟移相网络，这导致其成本较高，功耗较大。可重构天线的提出为动态控制波束开辟了新的道路，其实现波束扫描不再需要复杂的数字或者模拟移相网络。同时可重构波束扫描天线保留了相控阵天线诸多特有功能。
在众多天线类型中，菲涅尔区板天线是基于衍射效应而设计的一种高定向性天线。与阵列天线和抛物面天线相比，菲涅尔区板天线具有结构简单、成本低的优点，可用在微波以及毫米波通信和成像系统中。传统的菲涅尔区板天线由多条金属条纹及馈源组成，其波束指向为单一特定方向。
技术实现要素：
为了解决背景技术中存在的问题，本发明公开了基于平面口径空间馈电的二维菲涅尔区板天线，其波束可实现动态的重构，即可实现类似相控阵的波束扫描效果，并且所提出的新型波束扫描天线不需要射频移相器。
本发明采用的技术方案是：
本发明包括球面波馈源天线和二维菲涅尔区板，使用球面波馈源天线照射二维菲涅尔区板；所述的二维菲涅尔区板是由多个可调相单元在平面二维排列组成；每个可调相单元包括从上到下依次分别布置的上层、三层pcb结构和下层，上层从上到下依次分为金属层和介质基板层，金属层包括布置在介质基板层上表面上的两个矩形金属贴片，两个矩形金属贴片间隔布置，在两个矩形金属贴片相邻的两个平行长边之间具有缝隙，缝隙处中间位置焊接一个变容二极管，变容二极管的两端分别焊接到两个矩形金属贴片；三层pcb结构包括从上到下依次分别布置的上接地金属层、上介质层、中间金属层、下介质层和下接地金属层，由上接地金属层、中间金属层和下接地金属层形成一个三层pcb结构，三层pcb结构的各层中央设有埋孔，上接地金属层和下接地金属层之间通过埋孔连接；下层为上层的镜像，下层是由上层以三层pcb结构对称镜像布置构成；上层和下层的金属层相对镜像布置的两个矩形金属贴片之间通过过孔连接，过孔穿设过三层pcb结构，通过隔离缝隙与三层pcb结构中的上接地金属层和下接地金属层形成隔离，中间金属层采用为一根导线，导线一端连接到变容二极管负极端所连接金属层的一个矩形金属贴片对应连接的过孔处，导线一端连接到直流源；导线将直流源的直流反偏电压加载到每个单元的变容二极管的负极端上；通过调节加载在变容二极管上的直流反偏电压，在180度相位范围内控制可调相单元的传输相位。
二维菲涅尔区板的后方布置球面波馈源天线，球面波馈源天线位于二维菲涅尔区板中心o的法线方向上，通过采用动态相位补偿方式设置菲涅尔区板表面形成相位分布。
对于每个波束扫描方向，由球面波馈源天线的相位中心a沿波束扫描方向的射线与菲涅尔区板表面的交点作为参考点b，以球面波馈源天线的相位中心a和参考点b之间的连线作为参考路径ab，计算获得二维菲涅尔区板上任意点c与参考点b之间的相位差，即二维菲涅尔区板上任意点处的可调相单元相位与参考点b处的可调相单元相位之间的相位差；然后对二维菲涅尔区板上每一处可调相单元的相位根据相位差采用动态相位补偿方式设置：
在波束扫描方向沿球面波馈源天线的相位中心a和二维菲涅尔区板中心o之间的连线情况下，将二维菲涅尔区板上对相位差满足[0 2mπ,π 2mπ]区域中的每个可调相单元施加反向相位差补偿，具体是将每个可调相单元对应的相位差取相反数后相加到该可调相单元原有的相位作为该可调相单元新相位；
在波束扫描方向不沿球面波馈源天线的相位中心a和二维菲涅尔区板中心o之间的连线情况下，将二维菲涅尔区板上对相位差满足[0 2mπ,π 2mπ]区域中的每个可调相单元施加反向相位差补偿，具体是将每个可调相单元对应的相位差取相反数后相加到该可调相单元原有的相位作为该可调相单元新相位；
对所有点位置的可调相单元相位差进行两类区分，相位差分为满足[–π/2 2mπ,π/2 2mπ]与满足[π/2 2mπ,3π/2 2mπ]，m＝0,1,2,…，m表示整数；
对相位差满足[–π/2 2mπ,π/2 2mπ]区域中的每个可调相单元施加反向相位补偿，使可调相单元与参考点的可调相单元之间的相位差变成0°，具体是将每个可调相单元对应的相位差取相反数后相加到该可调相单元原有的相位作为该可调相单元新相位；
对相位差满足[π/2 2mπ,3π/2 2mπ]区域中的每个可调相单元施加180°反向相位补偿，具体是对取得的相位差取相反数，然后与2π相除取余数。
所述的相位差采用以下公式计算：
k＝2πf/c
其中，
所述的二维菲涅尔区板的各层统一加工成相同表面为曲面的共形形状。
所述的变容二极管替换为pin二极管。
所述的二维菲涅尔区板天线应用于微波以及毫米波的电磁波传输领域。
本发明具有的有益效果：
本发明可实现在较宽工作频段内选择工作频点在空间二维方向实现较大范围的波束扫描等波束可重构，同时可以实现工作频率可重构。
本发明可以通过设计区板、馈源等，实现在微波以及毫米波段工作。
附图说明
图1是本发明二维菲涅尔区板天线示意图。
图2是本发明二维菲涅尔区板天线使用的可调相多层pcb结构单元示意图。
图3是可调相多层pcb结构单元上接地金属层示意图。
图4是可调相多层pcb结构单元下接地金属层示意图。
图5是可调相多层pcb结构单元中间金属层示意图。
图6是多层pcb结构单元幅度调制结果。
图7是多层pcb结构单元相位调制结果。
图8是本发明二维菲涅尔区板天线的5.5ghz波束扫描结果。
图9是本发明二维菲涅尔区板天线的6ghz波束扫描结果。
图10是本发明二维菲涅尔区板天线的6.5ghz波束扫描结果。
图中：1.二维菲涅尔区板天线，2.球面波馈源天线，3.二维菲涅尔区板，4.可调相单元，5.金属层，6.矩形金属贴片，7.缝隙，8.变容二极管，9.介质基板层，10.上接地金属层，11.上介质层，12.中间金属层，13.下介质层，14.下接地金属层，15.埋孔，16.导线，17.过孔，18.隔离缝隙。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明做进一步说明。
如图1所示，具体实施的二维菲涅尔区板天线1包括球面波馈源天线2和二维菲涅尔区板3，使用球面波馈源天线2照射二维菲涅尔区板3；二维菲涅尔区板3是由多个可调相单元4在平面二维排列组成，通过多层印制电路板层压工艺实现。
如图2所示，每个可调相单元4包括从上到下依次分别布置的上层、三层pcb结构和下层，上层从上到下依次分为金属层5和介质基板层9，金属层5包括布置在介质基板层9上表面上的两个矩形金属贴片6，两个矩形金属贴片6间隔布置，在两个矩形金属贴片6相邻的两个平行长边之间具有缝隙7，缝隙7等效形成电容结构，缝隙7处中间位置焊接一个变容二极管8，变容二极管8的两端分别焊接到两个矩形金属贴片6；具体实施中，金属层5的矩形金属贴片6是刻蚀形成。
介质基板层9为低损耗介质基板，低损耗是指介质基板工作频率处的损耗正切角一般低于0.01。
如图3-图5所示，三层pcb结构包括从上到下依次分别布置的上接地金属层10、上介质层11、中间金属层12、下介质层13和下接地金属层14，由上接地金属层10、中间金属层12和下接地金属层14形成一个三层pcb结构，三层pcb结构的各层中央设有埋孔15，上接地金属层10和下接地金属层14之间通过埋孔15连接，采用埋孔15工艺实现为电感等效的贯通金属化孔。
下层为上层的镜像，下层是由上层以三层pcb结构中心平面对称镜像布置构成；上层和下层的金属层5的矩形金属贴片6对应开设有过孔17，上层和下层的金属层5相对镜像布置的两个矩形金属贴片6之间通过过孔17连接，过孔17穿设过三层pcb结构，通过隔离缝隙18与三层pcb结构中的上接地金属层10和下接地金属层14形成隔离，中间金属层12采用为一根导线16，导线16一端连接到变容二极管8负极端所连接金属层5的一个矩形金属贴片6对应连接的过孔17处，导线16一端连接到直流源，这样导线16经通孔17、金属层5的一个矩形金属贴片6与变容二极管8连接；导线16将直流源的直流反偏电压加载到每个单元4的变容二极管8的负极端上；通过调节加载在变容二极管8上的直流反偏电压，在180度相位范围内控制可调相单元4的传输相位。
由此，上述九层金属和介质组成的层压结构在厚度方向形成等效可调电容和电感组成的分布参数电路。通过调节每个可调相单元4中加载在变容二极管8/二极管8上的反偏电压，在180度范围内独立控制每个可调相单元4的传输相位设置。
天线基本结构是将平面菲涅尔区板放置在馈源天线的菲涅尔区。馈源天线发射的球面波照射到平面菲涅尔区板进行调制，然后通过远场叠加实现波束扫描。
二维菲涅尔区板3的后方布置球面波馈源天线2，球面波馈源天线2位于二维菲涅尔区板3中心o的法线方向上，通过采用动态相位补偿方式设置菲涅尔区板3表面形成相位分布。
对于每个波束扫描方向，由球面波馈源天线2的相位中心a沿波束扫描方向的射线与菲涅尔区板3表面的交点作为参考点b，以球面波馈源天线2的相位中心a和参考点b之间的连线作为参考路径ab，使用相位计算处理公式或相位扫描方法计算获得二维菲涅尔区板3上任意点c与参考点b之间的相位差，即二维菲涅尔区板3上任意点处的可调相单元4相位与参考点b处的可调相单元4相位之间的相位差；然后对二维菲涅尔区板3上每一处可调相单元4的相位根据相位差采用动态相位补偿方式设置：
在波束扫描方向沿球面波馈源天线2的相位中心a和二维菲涅尔区板3中心o之间的连线情况下，即接近0°波束扫描情况，将二维菲涅尔区板3上对相位差满足[0 2mπ,π 2mπ]区域中的每个可调相单元4施加反向相位差补偿，具体是将每个可调相单元4对应的相位差取相反数后相加到该可调相单元4原有的相位作为该可调相单元4新相位。
在波束扫描方向不沿球面波馈源天线2的相位中心a和二维菲涅尔区板3中心o之间的连线情况下，即大角度扫描情况，将二维菲涅尔区板3上对相位差满足[0 2mπ,π 2mπ]区域中的每个可调相单元4施加反向相位差补偿，具体是将每个可调相单元4对应的相位差取相反数后相加到该可调相单元4原有的相位作为该可调相单元4新相位。
对所有点位置的可调相单元4相位差进行两类区分，相位差分为满足[–π/2 2mπ,π/2 2mπ]与满足[π/2 2mπ,3π/2 2mπ]，m＝0,1,2,…，m表示整数。
对相位差满足[–π/2 2mπ,π/2 2mπ]区域中的每个可调相单元4施加反向相位补偿，使可调相单元4与参考点的可调相单元4之间的相位差变成0°，具体是将每个可调相单元4对应的相位差取相反数后相加到该可调相单元4原有的相位作为该可调相单元4新相位。
对相位差满足[π/2 2mπ,3π/2 2mπ]区域中的每个可调相单元4施加180°反向相位补偿，具体是对取得的相位差取相反数，然后与2π相除取余数，即为可调相单元4的移相幅度。
满足[–π/2 2mπ,π/2 2mπ]的点c辐射的电磁波与参考路径辐射的波具有叠加增强效果，满足[π/2 2mπ,3π/2 2mπ]的点c辐射的电磁波与参考路径辐射的波具有叠加减弱效果。本发明对叠加减弱位置的电磁波进行相位补偿，使之满足[–π/2 2mπ,π/2 2mπ]，能够提升辐射效果。
相位差采用以下公式计算：
其中，
具体实施中，可调相单元4的三层pcb结构中的中间金属层、介质层数量可以增加，满足两端均为金属层，且相邻两个金属层之间均具有一层介质层，位于中央的金属层采用导线结构，位于中央金属层以外的其他金属层均为平板结构，这样能满足直流馈电导线布线的需要。
本发明的实施例及其实施情况如下：
如图1所示，整个基于平面口径空间馈电的二维菲涅尔区板天线包括平面菲涅尔区板与馈源天线，放置方式是将二维菲涅尔区板放置在馈源天线的菲涅尔区。馈源天线发射的球面波辐射到二维菲涅尔区板。
其中a点是馈源天线的相位中心点，o点是二维菲涅尔区板的中心点，并且有ao与二维菲涅尔区板垂直，距离为d。c点是二维菲涅尔区板的任意一点，a点到c点距离是p，b点参考出射方向与二维菲涅尔区板所在平面的相交点。也就是路径ab代表了参考出射方向。路径ab在水平面的投影是ae，在垂直面的投影是ad，那么就有∠oae＝a为水平张角，∠oad＝γ为垂直张角，同时a点到b点的距离d1就有
此时连接b、c两点，并在bc上取点h，使得bc⊥ah。此时就有ch＝r,bh＝s以及ah＝g。并且有：
由此就可以得到b点与c点的相位差
其中
此时，相同
因此图1中所有的亮条纹以及暗条纹分别满足
根据c点处的
为实现相位调制功能，二维菲涅尔区板使用的多层pcb结构可调相单元如图2所示。二维菲涅尔区板是由可调相单元沿着二维方向按照周期排列的方式组成。可调相单元是由电容结构，电感结构等结构组成，通过改变电容结构的参数实现移相。
为实现对二维方向扫描，每一个可调相单元均使用单独的控制线控制。为容纳控制线，电感结构使用包含带状线结构的多层金属结构代替单层金属结构，控制线在上接地金属层与下接地金属层间布设，形成带状线结构，同时使用埋孔工艺代替单层接地金属结构的刻蚀区域，可保证控制线的形状不影响可调相单元的工作性能。
为了进一步说明其相位调制原理，现提供一实例来说明。
现在选择天线工作频段5-7ghz，天线极化方式是水平极化，可调相单元的边长为21mm，水平方向与垂直方向分别延拓形成16×16阵列组成二维菲涅尔区板。介质基板选用f4b-350，相对介电常数是3.5。结构单元组成空间二阶带通滤波器。
电容结构是由1.5mm厚的基板上的容性矩形金属贴片组成，容性矩形金属贴片的边长是17.3mm，中间有一条1mm宽的纵向缝隙，上面安装有一变容二极管ma46h120。
如图3-图5所示，电感结构是由一个三层板组成，中间的两层上介质层与下介质层厚度为0.2mm。三层板的顶层与底层是上接地金属层与下接地金属层，中间使用埋孔连接。这种使用埋孔连接上接地金属层与下接地金属层可以取代单层接地金属层。上接地金属层与下接地金属层中间的中间金属层是控制单元工作状态的导线。上接地金属层与下接地金属层与中间金属层的导线构成了带状线结构。这一结构的优点在于导线的数量与形状变化不会影响到上接地金属层与下接地金属层的工作性能。控制线使用通孔连接到两个变容二极管，可以给变容二极管施加可变的反偏电压，变容二极管的反偏电容会发生变化，调整结构的电磁参数，进而调整整个可调相单元的带通滤波器的通带，实现移相功能。
图2所示的可调相单元相位调制结果如图6与图7所示。根据仿真结果，可以看到，当变容二极管的反偏电容是1.2pf时，此时滤波器的通带是4.3-4.8ghz。随着反偏电容值减小到0.2pf，通带移动到6.2-6.6ghz。相对应的可以实现180°移相频率区间是4.8-6.1ghz。也就是说当工作频点设定为4.8ghz时，当反偏电容是1.2pf时，相位是-200°，当反偏电容变化到0.6pf时，相位是15°，移相幅度超过了180°。利用此结构，结合上述计算方法。就可以计算出不同工作频率下针对不同的出射方向，二维菲涅尔区板各个可调相单元所需要的移相幅度。并根据此移相幅度调整各可调相单元控制线输入的反偏电压，实现波束扫描、工作频率可重构等功能。
图8-图10是工作频率分别设定为5.5ghz、6ghz以及6.5ghz时的波束扫描结果，可以看到当馈源天线与二维菲涅尔区板间距设为200mm时，可实现水平方向与垂直方向±45°的扫描。充分验证了此方法可实现较宽工作频段不同工作频率下二维大角度扫描等功能。
本发明的工作频率为5-7ghz，如果要工作在其他频段，则需要根据工作波长适当调整。
1.一种基于平面口径空间馈电的二维菲涅尔区板天线，其特征在于：
包括球面波馈源天线(2)和二维菲涅尔区板(3)，使用球面波馈源天线(2)照射二维菲涅尔区板(3)；所述的二维菲涅尔区板(3)是由多个可调相单元(4)在平面二维排列组成；每个可调相单元(4)包括从上到下依次分别布置的上层、三层pcb结构和下层，上层从上到下依次分为金属层(5)和介质基板层(9)，金属层(5)包括布置在介质基板层(9)上表面上的两个矩形金属贴片(6)，两个矩形金属贴片(6)间隔布置，在两个矩形金属贴片(6)相邻的两个平行长边之间具有缝隙(7)，缝隙(7)处中间位置焊接一个变容二极管(8)，变容二极管(8)的两端分别焊接到两个矩形金属贴片(6)；
三层pcb结构包括从上到下依次分别布置的上接地金属层(10)、上介质层(11)、中间金属层(12)、下介质层(13)和下接地金属层(14)，由上接地金属层(10)、中间金属层(12)和下接地金属层(14)形成一个三层pcb结构，三层pcb结构的各层中央设有埋孔(15)，上接地金属层(10)和下接地金属层(14)之间通过埋孔(15)连接；下层为上层的镜像，下层是由上层以三层pcb结构对称镜像布置构成；上层和下层的金属层(5)相对镜像布置的两个矩形金属贴片(6)之间通过过孔(17)连接，过孔(17)穿设过三层pcb结构，通过隔离缝隙(18)与三层pcb结构中的上接地金属层(10)和下接地金属层(14)形成隔离，中间金属层(12)采用为一根导线(16)，导线(16)一端连接到变容二极管(8)负极端所连接金属层(5)的一个矩形金属贴片(6)对应连接的过孔(17)处，导线(16)一端连接到直流源；导线(16)将直流源的直流反偏电压加载到每个单元(4)的变容二极管(8)的负极端上；通过调节加载在变容二极管(8)上的直流反偏电压，在180度相位范围内控制可调相单元(4)的传输相位。
2.根据权利要求1所述的基于平面口径空间馈电的二维菲涅尔区板，其特征在于：二维菲涅尔区板(3)的后方布置球面波馈源天线(2)，球面波馈源天线(2)位于二维菲涅尔区板(3)中心o的法线方向上，通过采用动态相位补偿方式设置菲涅尔区板(3)表面形成相位分布。
3.根据权利要求2所述的基于平面口径空间馈电的二维菲涅尔区板，其特征在于：对于每个波束扫描方向，由球面波馈源天线(2)的相位中心a沿波束扫描方向的射线与菲涅尔区板(3)表面的交点作为参考点b，以球面波馈源天线(2)的相位中心a和参考点b之间的连线作为参考路径ab，计算获得二维菲涅尔区板(3)上任意点c与参考点b之间的相位差，即二维菲涅尔区板(3)上任意点处的可调相单元(4)相位与参考点b处的可调相单元(4)相位之间的相位差；然后对二维菲涅尔区板(3)上每一处可调相单元(4)的相位根据相位差采用动态相位补偿方式设置：
在波束扫描方向沿球面波馈源天线(2)的相位中心a和二维菲涅尔区板(3)中心o之间的连线情况下，将二维菲涅尔区板(3)上对相位差满足[0 2mπ,π 2mπ]区域中的每个可调相单元(4)施加反向相位差补偿，具体是将每个可调相单元(4)对应的相位差取相反数后相加到该可调相单元(4)原有的相位作为该可调相单元(4)新相位；
在波束扫描方向不沿球面波馈源天线(2)的相位中心a和二维菲涅尔区板(3)中心o之间的连线情况下，将二维菲涅尔区板(3)上对相位差满足[0 2mπ,π 2mπ]区域中的每个可调相单元(4)施加反向相位差补偿，具体是将每个可调相单元(4)对应的相位差取相反数后相加到该可调相单元(4)原有的相位作为该可调相单元(4)新相位；
对所有点位置的可调相单元(4)相位差进行两类区分，相位差分为满足[–π/2 2mπ,π/2 2mπ]与满足[π/2 2mπ,3π/2 2mπ]，m＝0,1,2,…，m表示整数；
对相位差满足[–π/2 2mπ,π/2 2mπ]区域中的每个可调相单元(4)施加反向相位补偿，使可调相单元(4)与参考点的可调相单元(4)之间的相位差变成0°，具体是将每个可调相单元(4)对应的相位差取相反数后相加到该可调相单元(4)原有的相位作为该可调相单元(4)新相位；
对相位差满足[π/2 2mπ,3π/2 2mπ]区域中的每个可调相单元(4)施加180°反向相位补偿，具体是对取得的相位差取相反数，然后与2π相除取余数。
4.根据权利要求3所述的基于平面口径空间馈电的二维菲涅尔区板，其特征在于：所述的相位差采用以下公式计算：
k＝2πf/c
其中，
5.根据权利要求1所述的基于平面口径空间馈电的二维菲涅尔区板，其特征在于：所述的二维菲涅尔区板(3)的各层统一加工成相同表面为曲面的共形形状。
6.根据权利要求1所述的基于平面口径空间馈电的二维菲涅尔区板，其特征在于：所述的变容二极管(8)替换为pin二极管。
7.权利要求1-6任一所述的基于平面口径空间馈电的二维菲涅尔区板的应用，其特征在于：所述的二维菲涅尔区板天线(1)应用于微波以及毫米波的电磁波传输领域。
技术总结