CN102117972B - 一种基于耦合线左右手复合传输线的频扫天线阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于耦合线左右手复合传输线的频扫天线阵列，属于微波技术领域。该天线阵列由馈电网络和单元天线两部分组成。其中馈电网络包含左右手复合传输线和匹配网络，均由介质覆铜板制成；在介质板上表面的金属层上制作耦合线、λ/4阻抗变换器以及单短截线，通过金属化过孔与介质板下表面接地板相连接。单元天线为微带馈电型准八木天线，由介质覆铜板制成，包含一个半波偶极天线和两根引向器。本发明通过耦合线实现了左右手复合传输线结构，可以大幅降低馈电网络的漏波辐射并增大天线阵列的扫描范围。通过匹配网络实现对单元天线的非均匀馈电，使得天线阵列具有高增益，低旁瓣的特点。
Description
技术领域
本发明属于微波技术领域，涉及一种频扫天线阵列，尤其是基于耦合线左右手复合传输线的低泄露、低旁瓣频扫天线阵列。
背景技术
左手材料(Left-Hand Material)，也被称为双负媒质或者负折射率物质，是一类在一定的频段下同时具有负的介电常数和负的磁导率的材料。左手材料的思想最早由前苏联人V.G.Veselago提出(V.G.Veselago，Theelectrodynamics of substances with simultaneously negative value of ε and μ.Soviet Physics，1968，10(4)：509-514)，电磁波在左手材料中传播时，电场、磁场和波矢量满足左手螺旋关系，同时相速度与能流方向相反。左手材料的特殊性质使得一些常规的物理规律在其中表现出反常特性，如逆Doppler效应、逆snell效应、逆Vavilov-Cerenkov效应等。但迄今为止，自然界中从未发现过ε和μ同时为负的物质，即左手材料在自然界中并不存在。2000年UCSD大学的Smith等人基于金属棒(ROD)和开口谐振环(SRR)的阵列结构制成世界上第一块人工左手材料(Smith D R，Willie J P，Vier D C，et al.CompositeMedium with Simultaneously Negative Permeability and Permittivity.Phys.Rev.Lett.，2000，84：4184-4187)，并用实验证实了负折射现象的存在，从而促使左手材料成为物理学和电磁学领域的研究热点。2002年，一种利用传输线(Transmission Line，TL)理论制造左手材料的思想被提出。C.Caloz和T.Itoh利用微波元件(交指型电容和螺旋型电感)制成了人工的左手传输线(CalozC.，Itoh T.Application of the transmission line theory of left-handed materials tothe realization of a microstrip LH transmission line.IEEE-ASP Int Symp Dig，2002，2：412-415)，这种结构具有较低的插入损耗和较宽的带宽，易于与其它微波电路结合使用。
随着左手材料研究的发展，有多种结构的左右手复合传输线结构被提出。2009年，Amr M.E.Safwat提出了一种基于微带耦合线的左右手复合传输线(A.M.E.Safwat，Microstrip coupled line composite right/left handed unit cell.IEEE Micro.Wireless Compon.Lett.vol.19.no.7，2009，7：434-436)，这种传输线相比较常规的交指电容和短微带线电感左右手传输线结构，具有更宽的频率范围，能够提供更多的相位超前，损耗更小，结构简单易于实现。
相控阵雷达是雷达技术发展一个极为重要的方向，而频扫天线技术是相控阵雷达技术最为关键的部分之一。具有波束扫描能力的微带天线阵列主要有两种类型，一类是利用漏波单元进行频率扫描，漏波天线扫描角度受到限制，不能进行大角度的扫描(I.J.Bahl and K.C.GuPta.Frequency scanning byleaky-wave antennas using artificial dielectrics.IEEE Trans.Antennas andPropagat，vol.23，1975，7：PP.584-589.)；第二类是利用慢波线来进行扫描，但是微带线损耗较大，很大的影响了天线的增益(B.R.Vishvakarma andR.P.Sharma.A New Series Parallel Microstrip Array Antenna Provides BeamScanning.The 3rd Asia-Pacific Microwave Conference Proceedings，1990：177-180)。据美国UCLA的Itoh教授等已有的研究证明，利用左右手复合传输线代替慢波线实现串行功分器具有带宽宽、体积小、插入损耗小的优点(Antoniades M A and Eleftheriades G V.A Broadband Series Power DividerUsing Zero-Degree Metamaterial Phase-Shifting Lines[J].IEEE Microwave andWireless)。但是常规的利用交指电容结构的左右手复合传输线，交指电容的电容值很难做大，限制了这种传输线在低频部分的使用(Caloz C.Sanada A.Itoh T.Microwave application of transmission-line based negative refractiveindex structures.Proc of Asia-Pacific Microwave Conf.Piscatway，IEEE，2003，3：1708-1713)。而且利用交指电容和短微带线电感的左右手传输线结构作为天线阵馈电网络会有较大的漏波辐射，降低了天线阵的增益。
本专利基于耦合线左右手复合传输线的原理提出一种新型的频扫天线阵列，此天线阵列相比传统的漏波天线阵以及慢波结构频扫阵列具有体积小，角度扫描范围大的优点。与利用交指电容和短微带线电感的左右手传输线结构作为天线阵馈电网络相比，大大降低了馈电网络的漏波辐射，增大天线阵的增益，改善低频性能扩展带宽。本专利提出的频扫天线阵列，各个单元天线采用非均匀馈电，与均匀阵列相比大幅降低了天线阵的旁瓣电平。
发明内容
本发明的技术目的：为了解决传统的慢波结构频扫天线阵列体积大、插入损耗大、扫描角度小的问题；也为了解决利用交指电容构成左右手传输线结构作为天线阵的馈电网络漏波辐射大、低频特性差的问题；并提高天线阵的增益、降低旁瓣电平，本发明提供一种新型的基于耦合线左右手复合传输线的频扫天线阵列。
本发明的技术方案如下：一种基于耦合线左右手复合传输线的八单元天线频扫天线阵列，包括一个馈电网络与八个单元天线。馈电网络与单元天线通过SMA接头连接在一起，并保持馈电网络与单元天线所在平面垂直。
馈电网络包括一个覆铜箔的微波介质基板，通过刻蚀铜箔在该微波介质基板上表面形成元件，并且通过金属化过孔壁形成短路元件，以及接地板。其中：
所述的微波介质基板为厚度为1.5mm的高频低损耗介质板，介电常数为2.65。
所述上表面元件由8段左右手复合传输线、9个λ/4阻抗变换器、8个单短截线匹配枝节以及一段微带线组成。其中8段左右手复合传输线结构相同。左右手复合传输线采用周期排列的耦合线和微带线相连的结构，周期排列的耦合线数为7。在单短截线末端采用金属化过孔与介质基板下表面连接，介质基板下表面为完整接地板。
介质基板上表面元件与下表面接地板均为覆铜，覆铜厚度0.035mm。
单元天线为微带馈电的准八木天线，包括一个覆铜箔的微波介质基板和通过刻蚀在该微波介质基板上下表面形成的元件。八个单元天线结构相同。
所述的微波介质基板为厚度为1.5mm的高频低损耗介质板，介电常数为2.65。
所述的微波介质基板上表面为半波偶极天线右臂以及两根引向器，下表面为半波偶极天线的左臂和接地板。介质基板上下表面均为覆铜，厚度为0.035mm。
本发明的有益效果：与现有发明相比较，本发明设计了一种结构简单、带宽更大、扫描角度更大，低泄露、高增益、低旁瓣的频扫天线阵列。馈电网络中采用耦合线左右手复合传输线，克服了传统慢波结构体积大、插入损耗大的缺点。左右手复合传输线提供非线性的相位变化，增大了工作频带内相位的变化率，增大了天线阵的扫描范围。耦合线左右手复合传输线相比较交指电容结构的左右手复合传输线漏波辐射更小，增大了天线阵的增益。馈电网络输出端口采用单短截线进行匹配，克服了高功率配比时λ/4阻抗变换器线宽太窄难以制造的缺点。馈电网络各端口采用非等幅输出，与等幅输出的馈电方式相比，大大降低了天线阵的旁瓣电平。单元天线采用微带馈电的准八木天线，将半波偶极天线的两臂分别印制在介质基板上下表面可以省去巴伦结构，减小天线的体积。在偶极天线前端加上引向器可以提高天线的增益、改善天线的方向性并扩展天线的工作带宽。
附图说明
图1为本发明基于耦合线复合左右手传输线的频扫天线阵列示意图。
图2为本发明频扫天线阵列中馈电网络俯视示意图。
图3为本发明频扫天线阵列中馈电网络俯视示意图。
图4为本发明频扫天线阵列中馈电网络第四节俯视示意图。
图5为本发明频扫天线阵列中馈电网络采用的耦合线左右手复合传输线俯视示意图。
图6为本发明频扫天线阵列中单元天线俯视示意图。
图7为为本发明频扫天线阵列中单元天线下表面示意图。
图8为本发明馈电网络中耦合线左右手复合传输线的回波损耗特性曲线示意图。
图9为本发明馈电网络中耦合线左右手复合传输线的相位特性曲线示意图。
图10为本发明馈电网络回波损耗特性曲线示意图。
图11为本发明馈电网络输出端口幅度特性曲线示意图。
图12为本发明馈电网络输出端口相位差示意图。
图13为本发明单元天线回波损耗特性曲线示意图。
图14为本发明单元天线方向图。
图15为本发明频扫天线阵列回波损耗特性曲线示意图。
图16为本发明频扫天线阵列方向图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明的实施例是一种频扫天线阵列，如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7所示，本实施列包括一个馈电网络1，八个单元天线2～9，一个匹配负载10。
其中，馈电网络包括一个输入端口P10，九个输出端口P1～P9，介质基板S，匹配网络，耦合线左右手复合传输线和接地板。接地板印制在介质基板的下表面并覆盖整个介质基板；匹配网络和左右手复合传输线印制在介质基板的上表面，通过八个金属化过孔H1～H8与接地板相连。
匹配网络的结构如下：处于厚1.5mm，介电常数为2.65的介质基板表面，包括九个λ/4阻抗变换器、八个单短截线匹配结构以及一段微带线(92)。九个λ/4阻抗变换器分别为，第一λ/4阻抗变换器(11)，第二λ/4阻抗变换器(21)，第三λ/4阻抗变换器(31)，第四λ/4阻抗变换器(41)，第五λ/4阻抗变换器(51)，第六λ/4阻抗变换器(61)，第七λ/4阻抗变换器(71)，第八λ/4阻抗变换器(81)，第九λ/4阻抗变换器(91)。八个单短截线匹配结构分别为，第一匹配枝节(13)，第二匹配枝节(23)，第三匹配枝节(33)，第四匹配枝节(43)，第五匹配枝节(53)，第六匹配枝节(63)，第七匹配枝节(73)，第八匹配枝节(83)。此处，九个λ/4阻抗变换器和八个单短截线匹配结构的尺寸各不相同。对于N路输出的串行功分器，可以认为是N个T型结功分器的级联联。对于单节T型结功分器，满足如下关系：
z0＝z1//z2
其中，z0为输入传输线的特征阻抗，z1和z2分别为输出传输线的特征阻抗。如果两个输出端口的功率配比为P1∶P2，则z1和z2满足z1∶z2＝P2∶P1。
按照以上理论，根据各级输出端口的功率配比就能计算出λ/4阻抗变换器和单短截线匹配结构的尺寸。对于λ/4阻抗变换器，尺寸为长度和线宽。对于单短截线匹配结构，如图4所示，尺寸为线宽、输出结点到短截线所在位置的距离d和短截线的长度l。由于各单短截线匹配结构的纵向长度不一致，为了保证各输出端口处于同一直线，在各个单短截线匹配结构纵向连接上不同长度的微带线，以弥补各个匹配枝节之间的长度差。
本实施列设计复合左右手传输线的输入阻抗以及各个输出端口的特征阻抗均为50Ω，根据λ/4阻抗变换器的理论可以得到第一λ/4阻抗变换器(11)的宽为4mm。本实施例馈电网络的九个输出端口功率为非均匀分配，满足切比雪夫分布，功率配比为1∶2.3∶4.9∶7.6∶8.7∶7.6∶4.9∶2.3∶1。则第一级T型结功分器的功率配比为1∶39.3，由此可以得到功分结点横向端口和纵向端口的特征阻抗。根据λ/4阻抗变换器的理论可以得到第二λ/4阻抗变换器(21)的宽为4mm；根据单短截线匹配理论可以得到第一匹配枝节(13)到功分结点距离为33.7mm，短截线长为4mm。同理可得第二级T型结功分器的功率配比为2.3∶37，第三λ/4阻抗变换器(31)的宽为3.9mm；第二匹配枝节(23)到功分结点距离为32.3mm，短截线长为6.5mm。第三级T型结功分器的功率配比为4.9∶32.1，第四λ/4阻抗变换器(41)的宽为3.6mm；第三匹配枝节(33)到功分结点距离为30.2mm，短截线长为9.3mm。第四级T型结功分器的功率配比为7.6∶24.5，第五λ/4阻抗变换器(51)的宽为3.3mm；第四匹配枝节(43)到功分结点距离为27.7mm，短截线长为14.3mm。第五级T型结功分器的功率配比为8.7∶15.8，第六λ/4阻抗变换器(61)的宽为2.8mm；第五匹配枝节(53)到功分结点距离为25.7mm，短截线长为18.7mm。第六级T型结功分器的功率配比为7.6∶8.2，第七λ/4阻抗变换器(71)的宽为2.3mm；第六匹配枝节(63)到功分结点距离为24mm，短截线长为23.3mm。第七级T型结功分器的功率配比为4.9∶3.3，第八λ/4阻抗变换器(81)的宽为1.8mm；第七匹配枝节(73)到功分结点距离为22.9mm，短截线长为27.3mm。第八级T型结功分器的功率配比为2.3∶1，第九λ/4阻抗变换器(91)的宽为1.4mm；第八匹配枝节(83)到功分结点距离为22.1mm，短截线长为30.6mm。
λ/4阻抗变换器的长为工作频率对应介质中的波长，即40.6mm。微带线92宽为4mm，长40.6mm，特征阻抗50欧姆，用于连接第九λ/4阻抗变换器(91)和第九输出端口(P9)。各匹配枝节短截线末端采用直径为3mm的金属化过孔与介质板下表面的接地板相连。
耦合线左右手复合传输线结构如下：整个馈电网络各级之间分别有一节耦合线左右手复合传输线，各个耦合线左右手复合传输线的结构相同，共有八节耦合线左右手复合传输线(12、22、32、42、52、62、72、82)。耦合线左右手复合传输线位于厚1.5mm，介电常数为2.65的介质基板上表面，如图5所示。耦合线左右手复合传输线由七段周期排列的耦合线(CL)和一段微带线(TL)组成。其中七段耦合线(CL)完全相同并为纵向对称的结构，尺寸如图7，L为28.5mm，W为2mm，D为5mm；耦合线缝隙宽0.4mm，长60mm，处于耦合线中心。耦合线横向连接端宽度为4mm，并在周期结构后与微带线(TL)相连。微带线(TL)宽4mm，长56.4mm，特征阻抗为50Ω。
本实施列中的单元天线为微带馈电型准八木天线，共有八个(2、3、4、5、6、7、8、9)。各个单元天线完全相同，其结构如下：单元天线印制在厚1.5mm，介电常数为2.65的介质基板上下表面，如图6、图7所示。半波偶极天线的右臂(A1)、两根引向器(D1、D2)和微带馈线(FL)印制在介质基板上表面；半波偶极天线的左臂(A2)、接地板(GND)和微带馈线(FL2)印制在介质基板的下表面。微带馈线FL长46mm，宽4mm；半波偶极天线右臂A1长50mm，宽5mm；引向器D1长50mm，宽5mm；引向器D2长30mm，宽5mm。引向器D1、D2和半波偶极天线右臂A1之间纵向间距均为3mm，并且两根引向器为左右对称结构。半波偶极天线的左臂A2长50mm，宽5mm；微带馈线FL2长31mm，宽4mm；接地板纵向长15mm并在横向覆盖整个介质基板。
图8为本发明馈电网络中耦合线左右手复合传输线的回波损耗特性曲线示意图，由图可知该左右手复合传输线有很宽的工作频带，并且在低频的损耗也很小，在0.5GHz～2.79GHz频率范围内回波损耗均小于-10dB。图9为本发明馈电网络中耦合线左右手复合传输线的相位特性曲线示意图，由图可知在其工作频带内有相位超前的特性，并且有很大的相位变化率。在1.25GHz～1.4GHz频率范围内相位变化范围为129°～-29.8°。
图10为本发明馈电网络回波损耗特性曲线示意图，由图可知馈电网络工作频带为1.2GHz～1.5GHz，此频带范围内回波损耗小于-10dB。图11为本发明馈电网络输出端口幅度特性曲线示意图，由图可知，在1.22GHz～1.4GHz频率范围内各输出端口幅度保持平稳且基本满足切比雪夫分布的功率配比。图12为本发明馈电网络输出端口相位差示意图，由图可知在1.25GHz～1.4GHz频带范围内，各端口相位差约为120°～-40°。根据天线阵扫描原理，当单元天线间距为d，相位差为
空气中波长为λ时，天线阵扫描角度θ满足
由此可得到此馈电网络在1.25GHz～1.4GHz频带范围内对应天线阵扫描角度可以达到10°～-37°。
图13为本发明单元天线回波损耗特性曲线示意图，由图可知单元天线的工作频带为1.22GHz～1.47GHz。图14为本发明单元天线方向图，由图可知单元天线E面最大增益为约为5.6dB，而偏离最大辐射方向超过30°时增益降低很快。单元天线H面最大增益约为5.6dB，在偏离最大辐射方向60°范围内增益仍然在4dB以上。为了保证天线阵大角度扫描时仍然有足够的增益，选择用单元天线的H面进行扫描，所以使单元天线平面与馈电网络平面垂直。
图15为本发明频扫天线阵列回波损耗特性曲线示意图，由图可知天线阵的工作频带为1.22GHz～1.48GHz。图16为本发明频扫天线阵列方向图，由图可知在1.25GHz～1.4GHz频带内，随着频率的变化天线阵波束方向随之改变实现频扫功能。在该频带范围内，扫描角度可达到-40°～10°，与理论分析基本一致。在整个频带范围内天线阵增益稳定，可以达到14dB；最大旁瓣约为-12dB，旁瓣电平可以达到-26dB，远优于均匀线阵旁瓣电平。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
Claims (4)
1.一种基于耦合线左右手复合传输线的频扫天线阵列，其特征在于：天线阵列包含馈电网络与单元天线两部分，单元天线平面与馈电网络平面相互垂直，单元天线非均匀馈电并以直线排布，所述馈电网络为串行结构，包含左右手复合传输线、λ/4阻抗变换器以及单短截线，所述馈电网络的输出端口数为N+1,其中N为天线单元天线数，其中前N个输出端口连接单元天线，最后一个输出端口接匹配负载以改善端口的输出相位，且所述的馈电网络输出端口采用单短截线进行匹配；所述的左右手复合传输线由周期结构的耦合线和微带线组成；耦合线的长度以及间距固定，连接端等宽，并在周期结构后与等宽的微带线相连；所述微带线主要用于调节单元天线间距和单元天线之间相位差。
2.根据权利要求1所述频扫天线阵列，其特征在于：所述馈电网络中λ/4阻抗变换器和单短截线成对出现，λ/4阻抗变换器位于上一输出结点与本级左右手复合传输线之间，实现阻抗变换并减小反射；与λ/4阻抗变换器对应的单短截线位于本级输出结点与输出端口之间，实现阻抗匹配。
3.根据权利要求1所述频扫天线阵列，其特征在于：单元天线间距为0.55λ0，即馈电网络中一段λ/4阻抗变换器与左右手复合传输线长度之和为0.55λ0，其中λ0为工作频率对应空气中的波长。
4.根据权利要求1所述频扫天线阵列，其特征在于：所述单元天线为微带馈电型准八木天线，单元天线由半波偶极天线和两根引向器组成，其中半波偶极天线的两臂分别印制在介质板上下表面，两根引向器与半波偶极天线的右臂在同一介质板表面。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101895012A (zh) * | 2010-06-29 | 2010-11-24 | 西安交通大学 | 基于左右手复合传输线的紧缩型宽带频扫天线馈电网络 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| A Novel Microstrip Antenna Array Fed with CRLH-TL Structure;Yan Li et al.;《IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium 2006》;20060714;全文 * |
| Lai et al..Novel Series Divider for Antenna Arrays with Arbitrary Element Spacing Based on a Composite Right/Left-Handed Transmission Line.《2005 European Microwave Conference》.2005, |
| Novel Series Divider for Antenna Arrays with Arbitrary Element Spacing Based on a Composite Right/Left-Handed Transmission Line;Lai et al.;《2005 European Microwave Conference》;20051006;1-4 * |
| Yan Li et al..A Novel Microstrip Antenna Array Fed with CRLH-TL Structure.《IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium 2006》.2006, |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102117972A (zh) | 2011-07-06 |
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