CN101814657B

CN101814657B - 有限带宽内大角度扫描的低损耗微带贴片频扫天线阵列

Info

Publication number: CN101814657B
Application number: CN 201010133909
Authority: CN
Inventors: 王昊; 葛平; 马晓峰; 盛卫星
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2030-03-26
Also published as: CN101814657A

Abstract

本发明公开了一种有限带宽内大角度扫描的低损耗微带贴片频扫天线阵列，包括E面弯曲波导、金属地板、介质基板、波导缝隙微带贴片混合馈电结构、微带贴片单元，E面弯曲波导的一端为馈电端口，另一端为接匹配负载的波导端口，设置有矩形缝隙的金属地板放置在E面弯曲波导上，在金属地板上设置介质基板，在介质基板上放置两排微带贴片单元，每排微带贴片单元的数量与缝隙的数量相等，所有的微带贴片单元构成微带贴片天线阵列；在介质基板上与每个缝隙对应的位置设置耦合微带贴片，在每个耦合微带贴片的两边分别对称连接微带传输线，该微带传输线的端口分别与对应的微带贴片单元连接。本发明显著降低频率扫描慢波线的损耗，改善了频率扫描天线的性能。

Description

有限带宽内大角度扫描的低损耗微带贴片频扫天线阵列

技术领域

本发明属于频率扫描天线阵列，特别是一种有限带宽内大角度扫描的低损耗微带贴片频扫天线阵列。

背景技术

电扫描天线克服了传统机械扫描中扫描速度慢的缺点，目前已在雷达、通信、移动电视等军用和民用领域有着广泛的应用，并得到快速发展。现有的天线电扫描技术主要有四种：相位扫描、频率扫描、时延扫描和电子馈电开关扫描。其中用的最多的是相位扫描和频率扫描。相位扫描是通过改变阵元输入信号的相位实现波束扫描；频率扫描通过改变信号频率的方式来改变天线单元之间的“阵内相位差”，从而实现波束的扫描。另外数字波束形成天线阵列和可重构天线也可以实现电子波束扫描。但是与频扫天线相比，相控阵天线和数字波束形成天线的成本和复杂度在许多应用中都是一个问题。可重构天线虽然在成本和复杂度上可以和频扫天线相比拟，但是它不适合制作成大型阵列。因而频率扫描天线作为电扫描天线的一种，因其结构简单、可靠性高，实现成本低而受到关注。

在已使用的频率扫描阵列中，用得比较多的是矩形波导窄边裂缝行波阵天线，慢波线结构也是由波导构成。但是它们的体积和重量都比较大，并且剖面也比较高，因而限制了它们的应用范围。七十年代末开始陆续有人提出了具有波束扫描能力的微带天线阵列，其中主要分为两大类，一类是利用漏波模式进行频率扫描，漏波天线结构简单、效率高，但是扫描角度受到限制，无法实现宽角度扫描；另一类是利用微带慢波线来进行扫描，但是微带线的损耗较大，限制了天线的性能。如M.Danielesen提出的微带频扫天线，其慢波线和天线都是由微带构成，在+300MHz的范围内实现了+30°扫描，副瓣均在-12dBi以下，不过天线效率很低，不到20％(M.Danielesen and R.Jorgensen.Frequencyscanning microstrip antennas.IEEE Trans.Antennas and Propagat，vol.27，pp.146-150，March1979)。此外还有辐射单元用阵子天线的，阵子天线的带宽大，增益平坦，比较适合用于频扫天线阵列的设计。最近有用介质镜像线作慢波线的频扫天线，采用口径耦合方式给上层微带贴片单元馈电，实现了大角度扫描，并且频带内增益起伏不大。此外还有其它形式的慢波线：同轴型慢波线，带状线慢波线等，另外用SIW作慢波线也是一种选择。最近十几年，国内相关单位已经成功设计了波导裂缝频扫天线(李建瀛，梁昌洪.波导窄边纵缝的理论分析及频扫缝阵.西安电子科技大学学报，vol.25，1998(5)10：690-692)，达到了大角度一维扫描、高增益、低副瓣的要求，但对低剖面、小体积、小重量的轻便型频扫天线的研究寥寥无几。

在频率扫描阵列设计中，带宽、扫描角和损耗三者是一个互相制约的关系。带宽越窄，要实现大角度的扫描，则所使用的慢波线就越长，而相应的损耗就会增加。而传统的波导慢波线损耗较低，但其构成的频率扫描阵列通常有体积大、重量大的缺点。如果不采用波导慢波线，则会面临结构复杂和损耗较大的缺点，如微带慢波线。由于存在着介质损耗、金属损耗和辐射损耗，则消耗在微带慢波线上的能量是巨大的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种有限带宽内低损耗、大角度的频率扫描天线阵列，该阵列采用波导作频率扫描慢波线和微带贴片单元作频率扫描辐射天线，同时结合了波导低损耗和微带低剖面的优点，实现了有限带宽内低损耗、大角度频率扫描。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种有限带宽内大角度扫描的低损耗微带贴片频扫天线阵列，包括E面弯曲波导、金属地板、介质基板、波导缝隙微带贴片混合馈电结构、微带贴片单元，E面弯曲波导的一端为馈电端口，另一端为接匹配负载的波导端口，设置有矩形缝隙的金属地板放置在E面弯曲波导上，并连接在一起，在金属地板上设置介质基板，在介质基板上放置两排微带贴片单元，每排微带贴片单元的数量与缝隙的数量相等，所有的微带贴片单元构成微带贴片天线阵列；在介质基板上与每个缝隙对应的位置设置耦合微带贴片，在每个耦合微带贴片的两边分别对称连接微带传输线，该微带传输线的端口分别与对应的微带贴片单元连接，E面弯曲波导、金属地板、介质基板、缝隙、耦合微带贴片、微带传输线形成波导缝隙微带贴片混合馈电结构；E面弯曲波导顶部开口，金属地板作为该顶部开口波导的一个窄壁。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)采用波导慢波线结构，显著降低频率扫描慢波线的损耗，改善了频率扫描天线的性能；(2)采用微带贴片单元作为频率扫描辐射天线，具有结构简单、低剖面的优点；(3)采用波导缝隙微带贴片混合馈电结构，方便地实现了能量从波导慢波线至微带线的耦合，不仅可以方便地控制天线阵列的口径分布，同时使得该频率扫描天线阵列便于实现二维大阵列的扩展。Ansoft HFSS11仿真结果表明：该天线在8.86GHz-9.88GHz频带内可实现一维(-48°，45°)的频率扫描，工作频带内天线增益均在21.6dBi以上，最大增益可达23.3dBi，扫描频带内天线副瓣电平可控制-15dBi以下。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明的有限带宽内大角度扫描的低损耗微带贴片频率扫描天线阵列的俯视结构图。

图2为本发明的有限带宽内大角度扫描的低损耗微带贴片频扫天线阵列中波导缝隙微带贴片混合馈电结构图。

图3为本发明的有限带宽内大角度扫描的低损耗微带贴片频扫天线阵列中微带辐射贴片俯视结构图。

图4为本发明的有限带宽内大角度扫描的低损耗微带贴片频扫天线阵列的等效传输线模型图。

图5为本发明的有限带宽内大角度扫描的低损耗微带贴片频扫天线阵列采用25dB泰勒幅度加权时，各单元的归一化导纳曲线。

图6为本发明的有限带宽内大角度扫描的低损耗微带贴片频扫天线阵列的仿真方向图。

图7为本发明的有限带宽内大角度扫描的低损耗微带贴片频扫天线阵列中各频点处副瓣大小的仿真变化曲线。

具体实施方式

结合图1，本发明有限带宽内大角度扫描的低损耗微带贴片频扫天线阵列，利用E面弯曲波导作频率扫描慢波线，微带贴片作为频率扫描辐射天线，能在有限带宽内实现低损耗、大角度波束扫描，包括E面弯曲波导1、金属地板4、介质基板5、波导缝隙微带贴片混合馈电结构6、微带贴片单元7，E面弯曲波导1的一端为馈电端口2，另一端为接匹配负载的波导端口3，设置有矩形缝隙12的金属地板4放置在E面弯曲波导1上，并连接在一起，E面弯曲波导1顶部开口，金属地板4作为该顶部开口波导的一个窄壁。在金属地板4上设置介质基板5，在介质基板5上放置两排微带贴片单元7，每排微带贴片单元的数量与缝隙12的数量相等，所有的微带贴片单元7构成微带贴片天线阵列；在介质基板5上与每个缝隙12对应的位置设置耦合微带贴片13，在每个耦合微带贴片13的两边分别对称连接微带传输线14，该微带传输线14的端口10、11分别与对应的微带贴片单元7连接。其中，每个缝隙12、耦合微带贴片13和微带传输线14分别与E面弯曲波导1、金属地板4、介质基板5形成相应的波导缝隙微带贴片混合馈电结构6。

本发明缝隙12的倾斜角度θ可在10°～60°范围内变化，θ为缝隙与每排微带贴片单元7平行线形成的夹角。缝隙12的矩形宽度为1mm，长度在7mm～14mm范围内变化。耦合微带贴片13的宽度为3mm，长度在7mm～9mm范围内变化。微带贴片单元7通过一段带有90°圆弧弯角的高阻抗微带传输线15与混合馈电结构6连接。

实施例

图2是波导缝隙微带贴片混合馈电网络，是从图1中有限带宽内大角度扫描的低损耗微带贴片频扫天线阵列的一个组成部分，由金属地板4、介质基板5、波导端口8、9、微带线端口10、11、倾斜矩形缝隙12、耦合微带贴片13、微带传输线14构成，波导端口8、9与其前后的弯曲波导慢波线相连接，微带线端口10、11连接至微带贴片单元7。E面弯曲波导1放置在阵列的最底层，设置有矩形缝隙12的金属地板4放置在E面弯曲波导1上，并连接在一起。在金属地板4上设置介质基板5，在介质基板5上与每个缝隙12对应的位置设置耦合微带贴片13，在每个耦合微带贴片13的两边分别对称连接微带传输线14，该微带传输线14的端口10、11分别与对应的微带贴片单元7连接，这种结构使该金属地板4也用作微带贴片天线阵列的接地板。该介质基板5上放置两排微带贴片单元7，每排微带贴片单元的数量与缝隙12的数量相等，所有的微带贴片单元7构成微带贴片天线阵列。E面弯曲波导1、金属地板4、介质基板5、缝隙12、耦合微带贴片13、微带传输线14形成波导缝隙微带贴片混合馈电结构6。倾斜的矩形缝隙开在波导的窄壁，即金属地板上，缝隙的上面是微带介质基板和耦合微带贴片。倾斜矩形缝隙扰乱了波导窄壁上的电流，产生缝隙电场，该电场激励上层的微带贴片，实现能量从波导至微带的耦合。微带传输线成中心对称放置在耦合微带贴片的两侧，分别连接至辐射天线单元，将耦合到得能量馈电给辐射天线。通过改变缝隙的大小、缝隙的倾斜角和中间耦合贴片的大小，可以在微带线端口获得不同的能量耦合系数。

结合图3，本发明的有限带宽内大角度扫描的低损耗微带贴片频扫天线阵列中微带贴片俯视结构，该结构放置在介质基板上，包括介质基板5、高阻抗微带传输线15和微带贴片单元7。高阻抗微带传输线15有一个90°圆弧弯角，方便给微带贴片进行馈电，同时也用于实现微带贴片单元与微带传输线14之间的阻抗变换。

结合图4，本发明的有限带宽内大角度扫描的低损耗微带贴片频扫天线阵列的等效传输线模型。

结合图5，本发明阵列中22个单元的归一化导纳曲线，此时阵列口径采用25dB泰勒幅度加权。

所述天线的工作频带是8.86-9.88GHz，波束沿X方向扫描，同时沿X方向应用25dB泰勒幅度加权，沿Y方向波束不扫描，各单元同分布。天线阵列的总尺寸为380×170×25mm³，所用波导型号为WR-90，波导内口径为22.86×10.16mm²，弯曲波导顶部金属地板厚1mm。所用的介质基板型号Arlon Diclad880，介电常数为2.2，厚度为1mm，损耗角为0.0009。

所述的天线阵列结构是由44个微带贴片单元构成，阵列为22×2的排列。为了避免波束扫描时栅瓣的产生，沿X方向，单元间距16.74mm(0.52λ_9.35GHz)。为了实现大角度扫描，采用低损耗的波导慢波线结构，单元间波导慢波线长158.3mm(约5λ_9.35GHz)。波导慢波线和微带贴片天线共用金属地板，通过波导缝隙微带贴片混合馈电结构，实现能量从下层慢波线至微带辐射天线的传输。波导慢波线采用普通蛇形线结构，在单元之间形成一定的相位滞后，从而实现波束随频率变化在空间进行扫描。22×2个微带贴片单元分别放置在混合馈电结构的两侧，通过一段高阻抗微带传输线与混合馈电结构相连。由于混合馈电结构中两个微带线端口所输出得电流等幅反相，为了保证各微带贴片单元能形成相同的电流方向，故所述的22对微带贴片分别在相对边馈电，与耦合微带贴片成中心对称放置在混合馈电结构的两侧。所述的22单元天线阵列采用沿X方向应用25dB泰勒幅度加权，根据等效传输线模型可得各个缝隙单元的导纳值，将导纳值进行归一化，缝隙单元的归一化导纳可由混和馈电结构的归一化耦合系数来表征。通过改变混合馈电结构中的缝隙大小、缝隙倾斜角和中间耦合贴片大小，可以在微带线端口获得不同的能量耦合系数。仔细设计各个单元的耦合系数，可以满足25dB泰勒幅度加权时对应的归一化导纳曲线，理论上可以实现所需要的阵列口径分布。

结合图6，本发明的有限带宽内大角度扫描的低损耗微带贴片频扫天线阵列的仿真方向图，在8.86-9.88GHz工作频带上，所述的天线阵列扫描角为-48°～45°，天线增益均在21.6dBi以上，最大增益为23.2dBi。

结合图7，本发明的有限带宽内大角度扫描的低损耗微带贴片频率扫描天线阵列中各频点处副瓣大小的仿真变化曲线，除几个频点外，该阵列扫描范围内副瓣电平均在-15dBi以下。

从仿真结果来看，所述本发明的有限带宽内大角度扫描的低损耗微带贴片频扫天线阵列的扫描角和增益都达到满意水平。

Claims

1.一种有限带宽内大角度扫描的低损耗微带贴片频扫天线阵列，其特征在于包括E面弯曲波导[1]、金属地板[4]、介质基板[5]、波导缝隙微带贴片混合馈电结构[6]和微带贴片单元[7]，E面弯曲波导[1]的一端为馈电端口[2]，另一端为接匹配负载的波导端口[3]，设置有矩形缝隙[12]的金属地板[4]放置在E面弯曲波导[1]上，并连接在一起，E面弯曲波导[1]顶部开口，金属地板[4]作为该顶部开口波导的一个窄壁；在金属地板[4]上设置介质基板[5]，在介质基板[5]上放置两排微带贴片单元[7]，每排微带贴片单元的数量与缝隙[12]的数量相等，所有的微带贴片单元[7]构成微带贴片天线阵列；在介质基板[5]上与每个缝隙[12]对应的位置设置耦合微带贴片[13]，在每个耦合微带贴片[13]的两边分别对称连接微带传输线[14]，该微带传输线[14]的端口[10、11]分别与对应的微带贴片单元[7]连接，E面弯曲波导[1]、金属地板[4]、介质基板[5]、缝隙[12]、耦合微带贴片[13]、微带传输线[14]形成波导缝隙微带贴片混合馈电结构[6]。

2.根据权利要求1所述的有限带宽内大角度扫描的低损耗微带贴片频扫天线阵列，其特征在于缝隙[12]的倾斜角度θ为10°～60°，该倾斜角度θ为缝隙与每排微带贴片单元[7]平行线形成的夹角。

3.根据权利要求1所述的有限带宽内大角度扫描的低损耗微带贴片频扫天线阵列，其特征在于缝隙[12]的宽度为1mm，长度为7mm～14mm。

4.根据权利要求1所述的有限带宽内大角度扫描的低损耗微带贴片频扫天线阵列，其特征在于耦合微带贴片[13]的宽度为3mm，长度为7mm～9mm。

5.根据权利要求1所述的有限带宽内大角度扫描的低损耗微带贴片频扫天线阵列，其特征在于微带贴片单元[7]通过一段带有90°圆弧弯角的高阻抗微带传输线[15]与混合馈电结构[6]连接。