CN102394349B - 一种基于强互耦效应的八角环平面双极化宽带相控阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于强互耦效应的八角环平面双极化宽带相控阵天线，它包含印制在超薄介质层上的辐射单元层和引向单元层，辐射单元层和引向单元层均由呈周期性排列的八角环单元构成。所述的辐射单元层中的八角环天线单元末端分别向相邻的八角环天线单元末端延伸，形成可以增强单元间电容耦合量的交指电容。本发明提供的八角环天线单元尤其适合超宽带双极化平面相控阵天线的设计。

Description

一种基于强互耦效应的八角环平面双极化宽带相控阵天线

技术领域

本发明属于无线通信领域，它特别涉及超宽带宽角扫描相控阵天线系统。

背景技术

天线系统是发射和接收电磁能量的设备，它在卫星通讯、远程广播以及军事通信系统中得到广泛应用。而相控阵天线是天线研究领域广为熟知的天线形式。相控阵天线通常包含众多幅相可控的天线单元，其辐射方向图通常由单个天线单元的辐射特性、天线单元的布阵方式、以及天线单元的激励幅相分布确定。典型的相控阵天线单元通常包括偶极子天线、开槽单元以及其他具有定向辐射特性的天线单元形式。而现代无线电子系统对相控阵天线系统提出的最值得关注的特性往往体现在低成本、轻量化、低剖面以及可批量生产等方面。而印刷天线是可能满足上述需求的最佳选择。

近年来，国际阵列天线研究领域出现了一些新的特别适合用作宽带相控阵天线的天线形式。最值得注意的一个例子便是由Munk等人在专利号为09/703，247的专利中报道的名为“宽带相控阵及其相关技术”(Wideband Phased Array Antenna and AssociatedMethods)。Munk披露了一种完全平面化的、具有极宽工作带宽的天线辐射单元。在该技术中，为了获得极宽的工作带宽，Munk在相邻偶极子之间引入了强电容耦合分量，这一强电容耦合分量刚好补偿了紧密排列偶极子单元固有的电感分量，因此当相控阵天线的工作频率发生变化时，天线单元的输入阻抗及辐射特性随频率具有缓变特性，数值仿真结果表明，该相控阵天线具有9∶1工作带宽的超宽带特性。

然而，由于这种强电容耦合偶极子天线单元固有的结构和形状特点，在将此类单一极化直线阵列天线设计思想拓展至平面双极化阵列天线时，往往在以下方面出现困难：(1)Munk等人的强电容耦合偶极子相控阵需要使用两层以上的微波介质板材，并且往往要求充当宽角扫描阻抗匹配层的介质板材具有与工作波长成正比的厚度，因此该实现方案不便于今后进一步的复杂平台载体上共形宽带相控阵天线设计；(2)Munk等人的强电容耦合偶极子相控阵要求多层微波介质板材之间完全无缝平整放置，这在实际中也很难做到，而由此造成的介质板材之间的空气缝隙又往往会恶化阵元的端口匹配特性；(3)Munk等人的强电容耦合偶极子相控阵使用大量介质板材存在介质损耗，会导致增益下降；(4)Munk等人的强电容耦合偶极子相控阵单元形式以及阵元间耦合方式给平面双极化阵列天线的馈电结构设计设计带来很大困难。事实上，B.Munk研究小组也正在为此问题煞费苦心。他们采用同轴线馈电节-平衡电桥的方案实现双极化超宽带相控阵。但这种方案的一个致命缺点是超宽带平衡电桥体积很大，因而难以满足这种紧密排列偶极子相控阵天线的小型化设计要求。

发明内容

本发明鉴于上述技术背景而实现，目的在于提供一种无需使用多层介质层，又易于实现平面双极化阵列的超宽带相控阵天线。其工作机理与Munk等人的基于强互耦效应的宽带偶极子相控阵天线如出一辙，它是Wheeler理想阵列天线的另一种实现方式，但可以全面解决背景技术中提到的各项技术难题。

包括但不仅限于上述设计目的、特征以及优势的平面双极化超宽带相控阵天线包括一组印刷在厚度可以忽略不计的超薄介质层(厚度0.04mm，相对介电常数εr＝2.2)上的由八角环单元组成的阵列，一组印刷在上述超薄介质层上的由八角环单元阵列构成的金属-介质复合媒质以及一组分别对两个极化进行馈电的不平衡-平衡阻抗变换结构。上述八角环阵列相邻单元之间分别包含一组馈电端口、一组由八角环单元末端延长了的具有强电容效应的交指电容，上述八角环阵列放置于反射地板上方四分之一波长处，地板与八角环阵列之间、八角环阵列与金属-介质复合媒质之间完全由泡沫聚苯乙烯材料填充，为整个相控阵天线起到结构支撑作用。

该阵列具有的独特的多轴对称八角环天线单元一方面可以很好地在两个轴线方向上提供分别提供单一极化，满足双极化辐射特性要求；另一方面，这一独特的对称结构特点还将两个极化方向上的馈电结构在空间上进行分离，方便不平衡-平衡阻抗变换结构的独立安装。本发明所述的金属-介质复合媒质是由末端相互独立(单元间无任何连接结构)的八角环单元组成的阵列，该结构可以在相控阵天线的工作带宽内极大地提高天线端口的匹配特性。这主要得意于金属-介质复合媒质与八角环天线单元之间的近场耦合效应提高了阵列单元之间的强电容耦合效应。显然，天线阻抗匹配特性的改善直接降低了天线的驻波系数，从而提升了天线的增益特性。

附图说明

在附图中，相同的参考标记通常指示相同的、功能相似的和/或结构相似的元件。在附图中，凡有下标的的参考标记表示该元件是其对应的独立无下标参考标记的子元件。本发明将按参考附图逐一对其结构特点、功能特性进行详细描述，其中：

图1是一个阵面周围含有哑元的16单元的基于强互耦效应的八角环平面双极化宽带相控阵天线的立体图。

其中，101是构成金属-介质复合媒质的呈周期性排列的八角环单元，本发明将该结构称为引向单元层；102是单元间加强了电容耦合效应的八角环天线单元，本发明将该结构称为辐射单元层，该类结构又分为两类：位于阵面中心的有效馈电单元102₁和位于阵面边缘的哑元102₂；103与105分别是天线级与馈线级的反射地；104是不平衡-平衡阻抗变换结构，该结构又称馈电巴伦；106是对馈电巴伦104进行馈电的微波同轴电缆；107是对整个相控阵天线系统起结构支撑作用的聚苯乙烯泡沫填充材料。101与102均印制在厚度可以忽略不计的超薄介质层上(厚度0.04mm，相对介电常数εr＝2.2)。

图2是图1中一个周期单元的结构图，每一个这样的周期单元均包含一个引向单元101，一个八角环天线单元102，天线级反射地103，馈线级反射地105，两组分别对两个极化方向进行有效馈电的不平衡-平衡阻抗变换结构104，两根对馈电巴伦104进行馈电的微波同轴电缆106，以及起结构支撑作用的聚苯乙烯泡沫填充材料107.

图3是一个构成金属-介质复合媒质的八角环单元，图1与图2所述的引向单元层包含一系列呈周期性排列的该种结构。

图4是一个构成图1中有效馈电单元或哑元的八角环辐射天线单元，其中102₃是为了增强相邻八角环辐射单元间电容耦合效应的交指电容，它由天线单元末端向相邻单元方向延伸，并与相邻单元的延伸端共同构成。102₄是有效馈电单元的馈电端口，它同时又是哑元端接110欧姆负载电阻的端口。图1中的辐射单元层包含一系列呈周期性排列的该种结构。

图5是两组分别对两个极化方向进行有效馈电的不平衡-平衡阻抗变换结构104的爆炸图。其中104₁是印制不平衡-平衡阻抗变换带线的微波介质基板，渐变地104₃与带线104₂分别印制在微波介质基板104₁的两侧。104₄是贴在渐变地104₃与带线104₂表面的薄介质层，其作用在于保护不平衡-平衡阻抗变换带线不受外界损害，同时避免焊接过程中任何短路的可能性。

图6(a)与图6(b)分别是具体实施例1在非扫描状态与45度扫描状态下各典型端口的驻波特性。可见，该实施例至少具有4.5∶1的工作带宽。

图7是具体实施例1在低频段(3-4GHz)30°扫描状态下的辐射方向图。可见，按具体实施1研制的强互耦八角环宽带相控阵天线在低频段具有良好的扫描特性。

图8是具体实施例1在高频段(5-8GHz)45°扫描状态下的辐射方向图。可见，按具体实施1研制的强互耦八角环宽带相控阵天线在高频段具有良好的扫描特性。

图9是具体实施例2的辐射单元层102，它由图4中的单个辐射单元沿二维方向拓展而成。

具体实施方式

实施例1：基于强互耦效应的1×16单极化宽带相控阵天线

参照图1与图2，实施例一由两层印刷有八角环单元的周期结构构成，借鉴八木天线的命名规则，本发明将单元末端通过交指电容相连的下层周期结构称为辐射单元层102，而将位于天线结构顶部互不相连的八角环单元称为引向单元层101，并将具有此种结构特点的强互耦宽带相控阵称为基于强电容耦合的八角环宽带相控阵天线100。辐射单元层102与引向单元层101之间完全由聚苯乙烯泡沫107填充，辐射单元层与地板之间也完全由聚苯乙烯泡沫107填充。当然，熟知本研究领域的技术人员可以采用任何可以支撑天线阵列结构的材料来取代本实施例采用的聚苯乙烯泡沫107。辐射单元层与地板之间的距离为最高频处的四分之一波长，单元间距为最高频处半个波长。

这种新型的宽带相控阵天线结构非常简单，无需像宽带偶极子相控阵设计一样使用多种不同厚度、不同介电常数的微波介质板材，因此从某种意义上降低了设计难度。另外，辐射单元层与引向单元层的工程实现方式也极为灵活，既可以用很薄的金属片制作，也可以用厚度极薄的敷铜介质材料制作，本实施例采用后一种方法加工该天线。从另一个侧面可以看出，这种设计方案还特别适合于有轻量化、共形设计要求的工程应用。图4表明，这种天线单元的两个极化端口已经在一个周期单元中分离，因此八角环天线单元本身特别适合用于双极化平面阵列天线设计。

基于以上描述的周期单元，将该无限大阵列拓展至符合实际的有限大阵列。为简化馈电网络设计，但同时又能完整地考察相控阵天线的各项性能，本实施例考虑用此周期单元组成1×16直线相控阵。由于八角环单元本身具有良好的对称性，并且图4所示的这种馈电端口排布方式很适合实现双极化平面阵列天线，因此在利用这种八角环天线单元组成线阵时，其组阵方式极为灵活。本实施例只对周期单元的一个端口馈电，另一个端口接匹配负载，使得该直线相控阵天线按图沿H面组阵。

实施例2：基于强互耦效应的24×24双极化平面宽带相控阵天线

具体地，当对每个周期单元的两个馈电端口同时馈电，并沿着阵面二维方向分别延伸即可构成图9中的24×24双极化平面宽带相控阵天线。其他结构与元件同实施例1中的详细描述。

前面已经描述本发明的多个实施例，应该理解他们只是以一种示例形式被提出，并无限制性。因此，在不脱离本发明精神和范围的情况下可以作出多种形式上和细节上的变更，这对于熟悉本技术领域的技术人员是显而易见的，无需创造性劳动。因此，本发明的宽度和范围不应当局限于任何上述的示例性实施例，而应当由权利要求和其等价物来限定。

Claims (6)

1.一种基于强互耦效应的八角环平面双极化宽带相控阵天线，它包括周期排布的八角环单元构成的引向单元层(101)，具有增强电容耦合效应的交指电容或者其他增强电容耦合效应的结构或元件的八角环天线单元构成的辐射单元层(102)，分别对两个极化方向进行馈电的不平衡-平衡阻抗变换结构(104)，天线级反射地(103)以及馈线级反射地(105)，两根对馈电巴伦(104)进行馈电的微波同轴电缆(106)，以及起结构支撑作用的聚苯乙烯泡沫填充材料(107)，其结构连接关系如下：引向单元层(101)在具有交指结构的辐射单元层(102)的上方，辐射单元层(102)下方依次是天线级反射地(103)和馈线级反射地(105)，各层之间均填充聚苯乙烯泡沫(107)，起到支撑作用，对两个极化方向进行馈电的不平衡-平衡阻抗变换结构(104)上端穿过天线级反射地(103)上的通孔与辐射单元相连，下端与穿过馈电级反射地(105)的微波同轴电缆(106)相连。 

2.根据权利要求1所述的基于强互耦效应的八角环平面双极化宽带相控阵天线，其特征在于所述的八角环天线单元间具有用于增强电容耦合效应的交指电容。 

3.根据权利要求1所述的基于强互耦效应的八角环平面双极化宽带相控阵天线，其特征还在于所述的八角环天线单元间可以使用任何其他可以增强电容耦合效应的结构或元件。 

4.根据权利要求1所述的基于强互耦效应的八角环平面双极化宽带相控阵天线，其特征还在于所述的引向单元层是由一系列呈周期排列的八角环单元构成。 

5.根据权利要求1所述的基于强互耦效应的八角环平面双极化宽带相控阵天线，其特征还在于辐射单元层与地板之间的距离为最高频处的四分之一波长，单元间距为最高频处半个波长。 

6.根据权利要求1所述的基于强互耦效应的八角环平面双极化宽带相控阵天线，其特征还在于馈线使用不平衡-平衡阻抗变换结构，达到外接同轴电缆50Ohm阻抗可以平缓地变换到110Ohm端接输入阻抗，并达到对馈电端口102₄进行平衡馈电的技术效果。