CN102394385B

CN102394385B - 基于悬置带线慢波线的大宽角低驻波微带频扫天线

Info

Publication number: CN102394385B
Application number: CN201110182850.4A
Authority: CN
Inventors: 崔卫东; 钟华; 王一兵; 尤国军
Original assignee: SHAANXI HUANGHE GROUP CO Ltd
Current assignee: SHAANXI HUANGHE GROUP CO Ltd
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2014-01-01
Anticipated expiration: 2031-06-30
Also published as: CN102394385A

Abstract

本发明公开了一种基于悬置带线慢波线的大宽角低驻波微带频扫天线，悬置带线蜿蜒线的一端馈电，中间串接若干个窄边定向耦合器、宽边定向耦合器和宽频带环形分支线耦合器，每个耦合器的耦合端口连接一段补偿线路，隔离端口连接匹配负载；每个补偿线路再连接到超宽带小尺寸微带振子天线；悬置带线蜿蜒线的末端经过一段补偿线路直接馈入一个超宽带小尺寸微带振子天线。本发明的驻波变大，提高了频扫天线的性能，使频扫天线的扫描空域大幅度拓宽，结构简单。

Description

基于悬置带线慢波线的大宽角低驻波微带频扫天线

技术领域

本发明属于无线电范畴中的相控阵天线技术领域，涉及一种频扫天线。

背景技术

频率扫描天线是利用频率变化控制波束指向的天线，其扫描速度快，成本低廉，在雷达、通信、电视等领域有广泛的应用。早在1950年，频扫天线就已开始应用到军事领域里，英美等国已装备大量使用频扫天线的三坐标雷达。在民用领域，由于频扫天线成本低廉，更是得到了广泛的应用，存在大量使用频扫天线检测和监视地面目标的雷达。

传统的频扫天线都是采用波导蛇形线或者螺旋线作为慢波线，辐射单元一般采用矩形波导窄边裂缝行波阵天线。这种频扫天线的体积和重量都较大，特别是在低频段上，波导尺寸变得很大，很难实现工程上的应用。频扫天线扫描到法线方向时，由于在各个耦合端口到输入端口的长度是整数倍的工作波长，反射波叠加，致使频扫天线驻波很大，不能正常使用。传统的频扫天线都不能克服这一缺点，在实际中大都只能扫描天线法线方向一边的半空间，扫描范围受限。

漏波天线则是一种结构简单，重量轻的频扫天线。但是这种频扫天线扫描范围较小，也同样存在波束指向法线方向时驻波较大的缺点。

专利申请号为201010133909.6的频扫天线，采用微带天线代替了波导裂缝天线，以E面弯曲波导作为慢波线，在不降低传输损耗的情况下，可以部分的减小频扫天线的尺寸。但是波导形式的慢波线仍旧会使天线的尺寸较大。该天线的扫描范围在(-48°，45°)，可以实现大宽角扫描，但在扫描到0°时，天线的回波损耗明显提高，性能下降。

目前，微波复合左右材料也被应用到频扫天线中，专利申请号为201010211895.5的频扫天线馈电网络就是利用复合左右材料来作为慢波线。这种形式的馈电网络尺寸小，重量轻，但是却存在驻波和损耗较大的缺点，难以制作高性能的频扫天线。

发明内容

为了克服现有技术天线尺寸大或者驻波和损耗大的不足，本发明提供一种基于悬置带线慢波线的大宽角低驻波微带频扫天线，结构简单，尺寸小，扫描范围大，损耗低，造价低廉，性能优良。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括悬置带线TEM线窄边定向耦合器、悬置带线TEM线宽边定向耦合器、悬置带线宽频带环形分支线耦合器、悬置带线蜿蜒线、补偿线路、超宽带小尺寸微带振子天线和悬置带线转微带接头。悬置带线蜿蜒线的一端馈电，在悬置带线蜿蜒线的中间，首先串接若干个悬置带线TEM线窄边定向耦合器，再分别串接若干个悬置带线TEM线宽边定向耦合器和若干个悬置带线宽频带环形分支线耦合器，上述三种耦合器的总数比超宽带小尺寸微带振子天线的数量少一个，每个耦合器的耦合端口连接一段补偿线路，隔离端口连接匹配负载。每个补偿线路再连接到超宽带小尺寸微带振子天线。悬置带线蜿蜒线的末端经过一段补偿线路直接馈入一个超宽带小尺寸微带振子天线，中间不再串接耦合器。这样，输入悬置带线蜿蜒线的能量就经过一系列的耦合器将能量耦合到微带振子天线，微带振子天线阵列再将能量向空间辐射。相邻两个耦合器中间的悬置带线蜿蜒线的长度是随机的，以保证所有反射波在输入端口的相位不同。在补偿线路和微带振子天线之间通过悬置带线转微带接头进行悬置带线到微带的转换。

悬置带线蜿蜒线是悬置带线形式的传输线，其微带基板悬置镶嵌在金属腔体的中间，在微带基板上刻蚀出金属导带，金属腔体的尺寸和导带的宽度使悬置带线特性阻抗等于50欧姆。

悬置带线TEM线窄边定向耦合器是在微带基板的同一面刻蚀出两条不相接触的金属导带，微带基板再镶嵌在金属腔体的中间，两条金属导带的四个出口就分别是耦合器的输入端口、输出端口、隔离端口和耦合端口。

悬置带线TEM线宽边定向耦合器和窄边定向耦合器类似，不同的是在微带基板的不同面刻蚀出两条金属导带，且两条金属导带交叉，俯视时，两条金属导带重叠部分的宽度视为交叉深度。

悬置带线宽频带环形分支线耦合器是在微带基板上刻蚀出一个环形的金属导带，环形的金属导带上连接有四个端口，四个端口就分别是耦合器的输入端口、输出端口、隔离端口和耦合端口，每个端口间的环行线长是中心频率的四分之一波长。其中输出端口和隔离端口之间的四分之一波长的环形线是反向短路的耦合线。刻蚀出金属导带的微带基板镶嵌在金属腔中间。

超宽带小尺寸微带振子天线是在两面覆铜微带基板的底面刻蚀出振子天线两臂，两臂的总长度为中心工作频率的半波长，微带振子的两臂向内折叠，在基板的正面刻蚀微带馈电巴伦。

补偿线路是一段U形弯曲的悬置带线传输线，每一段补偿线路的长度刚好抵消由于相应一段蜿蜒线长度的随机性带来的相邻天线单元输入相位差异。

所述的悬置带线转微带接头是将悬置带线金属腔体与微带天线的地面连接，悬置带线内的导带直接连接微带天线的馈电巴伦。

本发明的有益效果是：

传统的频扫天线中，相邻的耦合到天线单元的各端口之间的蜿蜒线长度是频扫天线中心频率波长的整数倍。本发明中，由于相邻两个耦合器中间的悬置带线蜿蜒线的长度是随机的，这样，当频扫天线扫描到法线方向时，悬置带线蜿蜒线输入端口的驻波就不会变大。同时，在耦合器的耦合端口输出后加上一段补偿线路，使得各个天线单元的输入相位一致。该方法大大提高了频扫天线的性能，使频扫天线的扫描空域大幅度拓宽。各种悬置带线耦合器的合理使用，使频扫天线慢波线的结构变得简单。当天线单元间距小于半波长时，传统的微带振子天线因尺寸过大不能使用，本发明的超宽带小尺寸微带振子天线小于半波长，拓宽了频扫天线的应用范围。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1是悬置带线蜿蜒线横截面结构示意图；11-微带基板；12-金属腔；13-微带基板上刻蚀出的金属导带；

图2是微带频扫天线示意图；1-输入端口；2-悬置带线TEM线窄边定向耦合器；3-接匹配负载的隔离端口；4-悬置带线TEM线宽边定向耦合器；5-悬置带线宽频带环形分支线耦合器；6-补偿线路；7-超宽带小尺寸微带振子天线；8-悬置带线转微带接头；9-悬置带线蜿蜒线；

图3是悬置带线TEM线窄边定向耦合器俯视示意图；12-金属腔；13-微带基板上刻蚀出的金属导带；

图4是悬置带线TEM线宽边定向耦合器俯视示意图，虚线的金属导带与实线表示的金属导带分别在微带基板的两面；12-金属腔；13-微带基板上刻蚀出的金属导带；

图5是悬置带线宽频带环形分支线耦合器内微带金属导带的示意图；13-微带基板上刻蚀出的金属导带；

图6是超宽带微带天线示意图；

图7是频扫天线实测的驻波特性示意图。

具体实施方式

本发明属于无线电范畴中的相控阵天线技术领域，提出了一种以悬置带线作为慢波线，超宽带微带天线作为辐射单元的频扫天线，用悬置带线耦合器将能量耦合到辐射单元，使得频扫天线的尺寸大为缩减，法线方向驻波降低，实现了频扫天线的大宽角扫描。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括悬置带线TEM线窄边定向耦合器2、悬置带线TEM线宽边定向耦合器4、悬置带线宽频带环形分支线耦合器5、悬置带线蜿蜒线9、补偿线路6、超宽带小尺寸微带振子天线7和悬置带线转微带接头8。悬置带线蜿蜒线9的一端馈电，在悬置带线蜿蜒线9的中间，首先串接一系列悬置带线TEM线窄边定向耦合器2、再依次串联一系列悬置带线TEM线宽边定向耦合器4和一系列悬置带线宽频带环形分支线耦合器5，耦合器的总数比频扫天线总单元数少一个，每个耦合器的耦合端口port4连接一段补偿线路6，隔离端口port3连接匹配负载。每个补偿线路6再连接到超宽带小尺寸微带振子天线7。蜿蜒线9的末端经过一段补偿线路6直接馈入一个超宽带小尺寸微带振子天线7，中间不需要要再串接耦合器。这样，输入悬置带线蜿蜒线9的能量就经过一系列的耦合器将能量耦合到微带振子天线，微带振子天线阵列再将能量向空间辐射。相邻两个耦合器中间的悬置带线蜿蜒线9的长度是随机的，以保证所有反射波在输入端口的相位不同。

悬置带线蜿蜒线是悬置带线形式的传输线，其微带基板11悬置镶嵌在金属腔体12的中间，在微带基板上刻蚀出金属导带13，金属腔体的尺寸和导带的宽度可以根据实际需要结合利用HFSS电磁仿真软件优化，得到最优值，使悬置带线特性阻抗等于50欧姆。

悬置带线TEM线窄边定向耦合器2是在微带基板的同一面刻蚀出两条间距大于0的金属导带，微带基板再镶嵌在金属腔体的中间，两条金属导带的四个出口就分别是耦合器的输入端口port1，输出端口port2，隔离端口port3，耦合端口port4。

宽边定向耦合器4和窄边定向耦合器类似，不同的是在微带基板的不同面刻蚀出两条金属导带，且两条金属导带交叉，俯视时，两条金属导带重叠部分的宽度视为交叉深度。

悬置带线宽频带环形分支线耦合器5是在微带基板上刻蚀出一个环形的金属导带，环形的金属导带上连接有四个端口，每个端口间的环行线长中心频率的四分之一波长。其中输出端口port2和隔离端口port3之间的四分之一波长的环形线是反向短路的耦合线14。刻蚀出金属导带的微带基板镶嵌在金属腔中间。

根据耦合量的不同，采用不同的耦合器，一般耦合系数大于10dB时采用窄边耦合器，4dB～10dB采用宽边耦合器，小于4dB时采用宽频带环形分支线耦合器。对于窄边定向耦合器，调节金属导带的间距可以获得不同的耦合量。对于宽边耦合器，调节金属导带的交叉深度来获得不同的耦合量。宽频带环形分支线耦合器中调节各段支路的宽度，也可得到不同的耦合量。其中，端口port1和端口port2之间，端口port3和port4之间的两节支路的特性阻抗都是Z₂；端口port1和端口port3之间的一节支路特性阻抗是Z₁；反向短路的一节支路特性阻抗是Z₃。

超宽带小尺寸微带振子天线是在传统微带振子天线的基础上改进而成。传统的微带振子天线是在两面覆铜微带基板的底面刻蚀出振子天线两臂，两臂的总长度为中心工作频率的半波长，在基板的正面刻蚀微带馈电巴伦。本发明将微带振子的两臂向内折叠，使其尺寸大大缩小。利用HFSS仿真软件优化振子两臂的总长度和折叠长度，可得到最佳值。最终的天线依旧保持传统微带振子天线的超宽带特性。

由于相邻两个耦合器中间的悬置带线蜿蜒线长度的随机性，为保证每一个天线单元输入口的相位在中心频率时相同，需要在耦合器输出口和天线输入口之间加一段补偿线路6，该补偿线路是一段U形弯曲的悬置带线传输线，每一段补偿线路的长度刚好抵消由于相应一段蜿蜒线长度的随机性带来的相邻天线单元输入相位差异。

在补偿线路6和微带振子天线之间需要悬置带线到微带的转换。悬置带线金属腔体与微带天线的地面连接，悬置带线内的导带直接连接微带天线的馈电巴伦，这种转换就形成了悬置带线转微带接头。

图2是一个10单元频扫天线阵列，工作频率0.98GHz～1.25GHz，扫描空域-30°～40°，计算得到的相邻辐射单元馈线内长度L＝482.8mm、单元间距d＝116mm。对于每段L值，进行随机扰动，使各段长度为L+μ(mm)，μ是(-30，30)之间的随机数，就得到了各个相邻耦合器中间的悬置带线蜿蜒线9的长度。

图1的作为悬置带线蜿蜒线的悬置带线截面中，取金属腔体12的宽边a＝9mm，窄边b＝7mm。微带基板11选择介电常数2.2，厚度1mm的高频板。金属导带13的宽度6.8mm，以保证传输线的特性阻抗50欧姆。

若阵列天线阵面分布为泰勒分布，则所需9个耦合器的耦合系数依次为17.51dB、14.80dB、10.57dB、7.43dB、5.29dB、3.76dB、2.68dB、2.05dB、1.89dB。设这9个耦合器从输入端开始依次编号1～9。采用悬置带线TEM线窄边定向耦合器2来实现前三个耦合器，如图3所示，耦合线间距分别为1.9mm，1.4mm，0.9mm。采用悬置带线TEM线宽边定向耦合器4来实现4、5、6三个耦合器，如图4所示，耦合线交叉深度分别为0.9mm、2.3mm、4.3mm。7、8、9三个耦合器用悬置带线宽频带环形分支线耦合器5实现。如图5所示，利用HFSS仿真计算出长度均为λ/4，特性阻抗分别为Z₁、Z₂、Z₃的各节导带宽度。其中，特性阻抗为Z₂的导带有两节，故宽度也相同。7号耦合器的各节导带宽度分别为4.8mm、4.3mm、4.4mm；8号耦合器的各节导带宽度分别为5.3mm、3.9mm、5.2mm；9号耦合器的各节导带宽度分别为4.8mm、3.6mm、5.6mm。

微带天线7具有超宽带小尺寸的特性，各部分尺寸如下：

天线宽度La＝90mm，振子臂宽度Rw＝48mm，折叠臂长度Le＝32mm，槽线长度dg＝92mm，输入微带线长度L1＝mm，天线高度H＝134mm，天线支撑臂宽度Bg＝35mm。

图2中，所有的耦合器与各段悬置带线蜿蜒线组合，每个耦合器输出口port4连接补偿线路6，再通过悬置带线转微带接头8与相应的微带天线7相连，端口3接匹配负载。能量由端口1馈入，经过一系列的耦合器耦合到阵列单元，最后辐射到空间。

本发明工作时包括以下步骤：

1)根据一般的频扫天线理论，已知扫描空域和频率范围，计算出频扫天线相邻辐射单元馈线内长度、单元间距(参见《相控阵和频率扫描天线原理》，国防工业出版社)。将每一段相邻辐射单元馈线内长度加上一个随机数，确定这段长度的初值。

2)根据阵列幅度分布，确定每个耦合器的耦合系数，不同的耦合系数选择不同的耦合器形式；利用HFSS12电磁仿真软件设计优化每一个耦合器，确定耦合器的结构尺寸。

3)利用HFSS12电磁仿真软件对各个耦合器、悬置带线蜿蜒线9和补偿线路6组成的频扫天线慢波线进行仿真优化，确定频扫慢波线的最终结构尺寸。

4)利用HFSS12电磁仿真软件设计超宽带微带天线7，图6中的各结构尺寸值大约为La＝0.3λ，Rw＝0.16λ，Le＝0.1λ，dg＝0.3λ，L1＝0.2λ，H＝0.45λ，Bg＝0.12λ。其中λ是波长。

5)频扫慢波线每个端口3接匹配负载，经过悬置带线转微带接头8与微带天线7相连。

至此，完成微带频扫天线的设计。

实施例中的频扫天线在整个频带内的驻波不大于1.34，扫描空域大于70°。其性能优于前文所述的任何一种频扫天线，且尺寸大大减小。

Claims

1.一种基于悬置带线慢波线的大宽角低驻波微带频扫天线，包括悬置带线TEM线窄边定向耦合器、悬置带线TEM线宽边定向耦合器、悬置带线宽频带环形分支线耦合器、悬置带线蜿蜒线、补偿线路、超宽带小尺寸微带振子天线和悬置带线转微带接头，其特征在于：悬置带线蜿蜒线的一端馈电，在悬置带线蜿蜒线的中间，首先串接若干个悬置带线TEM线窄边定向耦合器，再依次串接若干个悬置带线TEM线宽边定向耦合器、若干个悬置带线宽频带环形分支线耦合器，上述三种耦合器的总数比超宽带小尺寸微带振子天线的数量少一个，每个耦合器的耦合端口连接一段补偿线路，隔离端口连接匹配负载；每个补偿线路再连接到超宽带小尺寸微带振子天线；悬置带线蜿蜒线的末端经过一段补偿线路直接馈入一个超宽带小尺寸微带振子天线，悬置带线蜿蜒线的末端与超宽带小尺寸微带振子天线之间不再串接耦合器；相邻两个耦合器中间的悬置带线蜿蜒线的长度是随机的，在补偿线路和微带振子天线之间通过悬置带线转微带接头进行悬置带线到微带的转换。

2.根据权利要求1所述的基于悬置带线慢波线的大宽角低驻波微带频扫天线，其特征在于：所述的悬置带线蜿蜒线是悬置带线形式的传输线，其微带基板悬置镶嵌在金属腔体的中间，在微带基板上刻蚀出金属导带，金属腔体的尺寸和导带的宽度使悬置带线特性阻抗等于50欧姆。

3.根据权利要求1所述的基于悬置带线慢波线的大宽角低驻波微带频扫天线，其特征在于：所述的悬置带线TEM线窄边定向耦合器是在微带基板的同一面刻蚀出两条不相接触的金属导带，微带基板再镶嵌在金属腔体的中间，两条金属导带的四个出口就分别是耦合器的输入端口、输出端口、隔离端口和耦合端口。

4.根据权利要求1所述的基于悬置带线慢波线的大宽角低驻波微带频扫天线，其特征在于：所述的悬置带线TEM线宽边定向耦合器是在微带基板的不同面刻蚀出两条金属导带，且两条金属导带交叉，俯视时，两条金属导带重叠部分的宽度视为交叉深度，微带基板再镶嵌在金属腔体的中间。

5.根据权利要求1所述的基于悬置带线慢波线的大宽角低驻波微带频扫天线，其特征在于：所述的悬置带线宽频带环形分支线耦合器是在微带基板上刻蚀出一个环形的金属导带，环形的金属导带上连接有四个端口，分别是耦合器的输入端口、输出端口、隔离端口和耦合端口，每个端口间的环行线长是中心频率的四分之一波长；其中输出端口和隔离端口之间的四分之一波长的环形线是反向短路的耦合线；刻蚀出金属导带的微带基板镶嵌在金属腔中间。

6.根据权利要求1所述的基于悬置带线慢波线的大宽角低驻波微带频扫天线，其特征在于：所述的超宽带小尺寸微带振子天线是在两面覆铜微带基板的底面刻蚀出振子天线两臂，两臂的总长度为中心工作频率的半波长，微带振子的两臂向内折叠，在基板的正面刻蚀微带馈电巴伦。

7.根据权利要求1所述的基于悬置带线慢波线的大宽角低驻波微带频扫天线，其特征在于：所述的补偿线路是一段U形弯曲的悬置带线传输线，每一段补偿线路的长度刚好抵消由于相应一段蜿蜒线长度的随机性带来的相邻天线单元输入相位差异。

8.根据权利要求1所述的基于悬置带线慢波线的大宽角低驻波微带频扫天线，其特征在于：所述的悬置带线转微带接头是将悬置带线金属腔体与微带天线的地面连接，悬置带线内的导带直接连接微带天线的馈电巴伦。