CN104377431A - 相控阵天线设备、其宽角阻抗匹配装置和相控阵天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种相控阵天线设备、其宽角阻抗匹配装置和相控阵天线系统。该相控阵天线设备包括天线装置阵列和设置于天线装置阵列上方的宽角阻抗匹配装置，其中，宽角阻抗匹配装置包括：第一基板；多个水平导电几何结构，多个水平导电几何结构水平地设置在第一基板的一表面上；以及多个竖直导电几何结构，多个竖直导电几何结构设置在多个水平导电几何结构上方或下方且排列成大致垂直于第一基板。本发明的相控阵天线设备及其宽角阻抗匹配装置能起到以下有益技术效果：减少扫描盲点对要求频带的影响，实现相控阵宽带宽角扫描阻抗匹配，从而提高大角度扫描增益，扩展扫描空域，提升天线扫描性能。

Description

相控阵天线设备、其宽角阻抗匹配装置和相控阵天线系统

技术领域

本发明涉及一种相控阵天线设备以及一种用于该相控阵天线设备的宽角阻抗匹配装置、相控阵天线系统。

背景技术

相控阵雷达因其特有的快速波束扫描和波束形成等特性，成为目前雷达发展的主要趋势。相控阵雷达的天线设计也是一个很重要的领域。现代雷达发展要求天线工作带宽够宽，扫描范围大，同时驻波要小。机载相控阵雷达一般采用Vivaldi类型宽带天线，并且采用三角组阵方式。该天线存在几类扫描盲点，某类扫描盲点随着天线扫描角度的增加，盲点向带内移动，从而影响带宽和扫描性能。

为了解决上述问题，即为了减少扫描盲点对要求频带的影响，实现相控阵宽带宽角扫描阻抗匹配，从而提高大角度扫描增益，扩展扫描空域，提升天线扫描性能，现有技术中提出了若干种解决方案。

一种解决方案是减小天线阵元之间的间距。然而，减小天线阵元之间的间距必然会导致成本增加。

另一种解决方案是设计天线介质板形状，使其形状与渐变槽线基本共形，从而将扫描盲点向高频移动。然而，设计天线介质板形状效果一般，且加工复杂。

另一种解决方案是调节天线参数，即增加天线深度。然而，增加天线深度不利于天线小型化。

发明内容

本发明的一个目的在于，针对现有技术中相控阵天线设备的上述缺陷，提供一种相控阵天线设备及其宽角阻抗匹配装置，其能克服现有技术中的上述缺陷，减少扫描盲点对要求频带的影响，实现相控阵宽带宽角扫描阻抗匹配，从而提高大角度扫描增益，扩展扫描空域，提升天线扫描性能。

本发明的以上目的通过一种相控阵天线设备来实现，所述相控阵天线设备包括天线装置阵列和设置于所述天线装置阵列上方的宽角阻抗匹配装置，其中，所述宽角阻抗匹配装置包括：

第一基板；

多个水平导电几何结构，所述多个水平导电几何结构水平地设置在所述第一基板的一表面上；以及

多个竖直导电几何结构，所述多个竖直导电几何结构设置在所述多个水平导电几何结构上方或下方且排列成大致垂直于所述第一基板。

根据上述技术方案，本发明的相控阵天线设备能起到以下有益技术效果：减少扫描盲点对要求频带的影响，实现相控阵宽带宽角扫描阻抗匹配，从而提高大角度扫描增益，扩展扫描空域，提升天线扫描性能。

较佳的是，每个所述竖直导电几何结构的正上方或正下方分别对应有一个所述水平导电几何结构。

较佳的是，所述宽角阻抗匹配装置还包括第二基板和填充材料，所述填充材料填充于所述第一基板和所述第二基板之间，，所述竖直导电几何结构固定于所述填充材料上和/或内。

较佳的是，所述第一基板有多个，每个第一基板一表面上设置有多个水平导电几何结构，并有对应多个竖直导电几何结构大致垂直于所述第一基板地设置在所述第一基板表面上。

较佳的是，所述一表面设有水平导电几何结构的第一基板、第二基板以及填充于所述第一基板和第二基板之间固定所述竖直导电几何结构的填充材料共同构成一个阻抗匹配层，所述宽角阻抗匹配装置由多个所述阻抗匹配层堆叠而成。

较佳的是，所述第一基板和第二基板有多个，且以每两个所述第一基板之间设有一个所述第二基板、每两个所述第二基板之间设有一个所述第一基板地依次间隔排布，相邻的第一基板和第二基板之间设有固定所述竖直导电几何结构的填充材料。

较佳的是，所述多个竖直导电几何结构镶嵌、焊接或粘接于所述填充材料内。

较佳的是，所述水平导电几何结构和所述竖直导电几何结构是由导电材料制成的具有一定几何图形的平面或立体结构。

较佳的是，每个所述水平导电几何结构或所述竖直导电几何结构包括开口对向设置的两个C形结构。

较佳的是，每个所述水平导电几何结构或所述竖直导电几何结构包括口字型结构和位于所述口字形结构内相向设置的两个T形结构。

较佳的是，所述宽角阻抗匹配装置为多个且层叠设置于所述天线装置阵列上方。

较佳的是，所述多个水平或竖直超材料微结构单元按照矩形周期或三角形周期排列。

较佳的是，所述天线装置阵列中的每个天线装置是Vivaldi天线装置、偶极子天线装置、波导天线装置、缝隙天线装置、或微带天线装置。

较佳的是，所述天线装置阵列包含多个并行排布的子阵列，每个子阵列可划分为多个天线装置，每个天线装置包括：

介质板；

两个导电层，分别设置于所述介质板的两相对表面上，所述导电层上端呈渐变槽线形状，且从所述导电层的上端开设有与所述介质板的侧边大致平行的矩形槽；

馈电线，设置于所述介质板中。

较佳的是，每个所述子阵列上相邻两个所述天线装置的距离与平行于所述介质板表面的一列水平导电几何结构中连续N个水平导电几何结构的总长度相当，或者与平行于所述介质板表面的一列竖直导电几何结构中N’个竖直导电几何结构的总长度相当，N、N’为大于等于2的自然数。

较佳的是，相邻两个所述子阵列的距离与垂直于所述介质板表面的一行水平导电几何结构中连续M个水平导电几何结构的总长度相当，或者与垂直于所述介质板表面的一列竖直导电几何结构中M’个竖直导电几何结构的总长度相当，M、M’为大于等于2的自然数。

较佳的是，每个天线装置还包括反射板，所述反射板设置成与所述介质板大致垂直且与所述介质板的底边大致平行。

较佳的是，每个天线装置还包括谐振腔，所述谐振腔位于所述渐变槽线的最窄处且与所述渐变槽线相连接。

较佳的是，所述反射板设置于所述谐振腔和所述介质板的底边之间。

较佳的是，所述矩形槽的宽度是0.15mm-2mm。

较佳的是，所述矩形槽的长度是10mm-14mm。

较佳的是，所述矩形槽离开所述介质板的侧边的距离是0mm-1.5mm。

较佳的是，所述矩形槽的宽度是1.4mm-2mm。

根据上述技术方案，通过在天线装置金属覆层中开设矩形槽并调节矩形槽的宽度、长度和边界距离，本发明的相控阵天线设备能起到以下有益技术效果：可将某两类扫描盲点A和B移向更高频率，从而扩展了频带和扫描范围，同时减弱了带外盲点对带内驻波的影响，提升阵列天线的扫描性能。

尤其，全反射频点（即，扫描盲点）B随着矩形槽宽度增加越来越向高频移动；全反射频点B随着矩形槽长度增加越来越向高频移动；全反射频点B的位置在取值范围内基本不随着边界距离改变而变化。

较佳的是，所述反射板离所述介质板底边的距离为0-17mm。

根据上述技术方案，本发明的相控阵天线设备能起到以下有益技术效果：随着金属反射板离天线底部（即，离介质板底边）距离LG增加，盲点A和B不断向高频移动，直至移出12GHz以外，从而扩展了频带和扫描范围，同时减弱了带外盲点对带内驻波的影响，提升阵列天线的扫描性能。较佳的是，所述天线装置还包括吸波材料，所述吸波材料设置在所述介质板的底边附近。

根据上述技术方案，本发明的相控阵天线设备能起到以下有益技术效果：在对天线装置开槽及底部加设吸波材料之后，即对于设有矩形槽和吸波材料的天线装置，A类扫描盲点被很好地消除，B类扫描盲点远离12GHz，尤其是60度扫描时，B类扫描盲点位于13GHz左右。在8-12GHz全X波段，当扫描到60度时，带内都不存在扫描盲点，极大地扩展了天线阵的扫描范围。

较佳的是，所述渐变槽线是双指数渐变槽线。

较佳的是，所述导电层为金属层。

较佳的是，所述反射板是金属反射板。

较佳的是，所述反射板由铜或铝制成。

较佳的是，所述矩形槽为至少一个，开设于所述介质板的一个侧边附近或两个侧边附近。

本发明的以上目的还通过一种用于相控阵天线设备的宽角阻抗匹配装置来实现，所述宽角阻抗匹配装置包括：

第一基板；

多个水平导电几何结构，所述多个水平导电几何结构水平地设置在所述第一基板的一表面上；以及

多个竖直导电几何结构，所述多个竖直导电几何结构设置在所述多个水平导电几何结构上方或下方且排列成大致垂直于所述第一基板。

较佳的是，每个所述竖直导电几何结构的正上方或正下方分别对应有一个所述水平导电几何结构。

较佳的是，所述宽角阻抗匹配装置还包括第二基板和填充材料，所述填充材料填充于所述第一基板和所述第二基板之间，所述多个竖直导电几何结构镶嵌于所述填充材料内。

较佳的是，所述第一基板有多个，每个第一基板一表面上设置有多个水平导电几何结构，并有对应多个竖直导电几何结构大致垂直于所述第一基板地设置在所述第一基板表面上。

较佳的是，所述一表面设有水平导电几何结构的第一基板、第二基板以及填充于所述第一基板和第二基板之间固定所述竖直导电几何结构的填充材料共同构成一个阻抗匹配层，所述宽角阻抗匹配装置由多个所述阻抗匹配层堆叠而成。

较佳的是，所述第一基板和第二基板有多个，且以每两个所述第一基板之间设有一个所述第二基板、每两个所述第二基板之间设有一个所述第一基板地依次间隔排布，相邻的第一基板和第二基板之间设有固定所述竖直导电几何结构的填充材料。

较佳的是，所述水平导电几何结构和所述竖直导电几何结构是由导电材料制成的具有一定几何图形的平面或立体结构。

较佳的是，每个所述水平导电几何结构或所述竖直导电几何结构包括开口对向设置的两个C形结构。

较佳的是，每个所述水平导电几何结构或所述竖直导电几何结构包括口字型结构和位于所述口字形结构内相向设置的两个T形结构。

较佳的是，所述多个水平导电几何结构和所述多个竖直导电几何结构周期性排列。

本发明还涉及一种相控阵天线系统，包括天线装置阵列、设置于所述天线装置阵列上方的宽角阻抗匹配装置和馈电系统，其中，所述宽角阻抗匹配装置包括第一基板、多个水平导电几何结构以及多个竖直导电几何结构，所述多个水平导电几何结构水平地设置在所述第一基板的一表面上，所述多个竖直导电几何结构设置在所述多个水平导电几何结构上方或下方且大致垂直于所述第一基板；所述馈电系统与所述天线装置阵列连接。

较佳的是，所述天线装置阵列包含多个并行排布的子阵列，每个子阵列可划分为多个天线装置，每个天线装置包括介质板、两个导电层以及馈电线，所述两个导电层分别设置于所述介质板的两相对表面上。

较佳的是，所述导电层上端呈渐变槽线形状，且从所述导电层的上端开设有与所述介质板的侧边大致平行的矩形槽，所述馈电线设置于所述介质板中；所述馈电系统与所述馈电线连接。

较佳的是，所述馈电系统包括功率分配/相加网络、移相器和收发开关。

较佳的是，所述相控阵天线系统还包括外壳，所述天线装置阵列和宽角阻抗匹配装置均位于所述外壳内。

较佳的是，所述相控阵天线系统为飞行器、机动车、船、雷达或卫星。

根据上述技术方案，本发明的宽角阻抗匹配装置能起到以下有益技术效果：减少扫描盲点对要求频带的影响，实现相控阵宽带宽角扫描阻抗匹配，从而提高大角度扫描增益，扩展扫描空域，提升天线扫描性能。因此，具有该宽角阻抗匹配装置的相控阵天线系统具有更好地扫描角度和增益。

附图说明

图1示出了本发明一实施方式的相控阵天线设备的立体示意图。

图2示出了用于本发明一实施方式的相控阵天线设备的宽角阻抗匹配装置的放大立体示意图。

图3（a）示出了水平超材料微结构单元的示意图。

图3（b）示出了竖直超材料微结构单元的示意图。

图4（a）示出了未设有宽角阻抗匹配装置的相控阵天线设备的E面扫描驻波比与扫描角度关系曲线图。

图4（b）示出了未设有宽角阻抗匹配装置的相控阵天线设备的H面扫描驻波比与扫描角度关系曲线图。

图5（a）示出了设有宽角阻抗匹配装置的相控阵天线设备的E面扫描驻波比与扫描角度关系曲线图。

图5（b）示出了设有宽角阻抗匹配装置的相控阵天线设备的H面扫描驻波比与扫描角度关系曲线图。

图6示出了本发明一实施方式的相控阵天线设备的天线装置的分解立体图。

图7（a）示出了具有各种矩形槽宽度LW的天线装置与未设有矩形槽的天线装置、在E面60度扫描时反射系数与频率的关系曲线图。

图7（b）示出了具有各种矩形槽长度LS的天线装置与未设有矩形槽的天线装置、在E面60度扫描时反射系数与频率的关系曲线图。

图7（c）示出了具有各种矩形槽边界距离LD的天线装置与未设有矩形槽的天线装置、在E面60度扫描时反射系数与频率的关系曲线图。

图8示出了本发明一实施方式的相控阵天线设备的天线装置的分解立体图，其中，反射板离天线底部的距离为LG。

图9（a）示出了LG＝0mm时的开槽天线装置与未设有矩形槽且反射板在天线底部的天线装置、在E面60度扫描时反射系数与频率的关系曲线图。

图9（b）示出了LG＝5mm时的开槽天线装置与未设有矩形槽且反射板在天线底部的天线装置、在E面60度扫描时反射系数与频率的关系曲线图。

图9（c）示出了LG＝10mm时的开槽天线装置与未设有矩形槽且反射板在天线底部的天线装置、在E面60度扫描时反射系数与频率的关系曲线图。

图9（d）示出了LG＝14mm时的开槽天线装置与未设有矩形槽且反射板在天线底部的天线装置、在E面60度扫描时反射系数与频率的关系曲线图。

图9（e）示出了LG＝17mm时的开槽天线装置与未设有矩形槽且反射板在天线底部的天线装置、在E面60度扫描时反射系数与频率的关系曲线图。

图10示出了本发明一实施方式的相控阵天线设备的天线装置的分解立体图，其中，在天线装置的介质板的底边附近设置吸波材料。

图11（a）示出了设有矩形槽和吸波材料的天线装置与未设有矩形槽和吸波材料的天线装置的、在E面45度扫描时反射系数与频率的关系曲线图。

图11（b）示出了设有矩形槽和吸波材料的天线装置与未设有矩形槽和吸波材料的天线装置的、在E面60度扫描时反射系数与频率的关系曲线图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。

图1示出了本发明一实施方式的相控阵天线设备的立体示意图。该相控阵天线设备包括天线装置阵列201和设置于天线装置阵列201上方的宽角阻抗匹配装置。为了更清楚地看到相控阵天线设备的内部构成，在图1中仅示出了部分的天线装置阵列201和宽角阻抗匹配装置，从而避免设置于天线装置阵列201上方的宽角阻抗匹配装置盖住天线装置阵列201而无法看到天线装置阵列201。当然，本领域技术人员应能理解，宽角阻抗匹配装置设置于天线装置阵列201上方，较佳地设置于天线装置阵列201正上方。此外，天线装置阵列201可以设置在母板202上。该母板202较佳地是金属母板。

图2示出了用于本发明一实施方式的相控阵天线设备的宽角阻抗匹配装置的放大立体示意图，其中，省略了宽角阻抗匹配装置中的上基板的左侧部分以及覆盖在竖直导电几何结构104下面的水平导电几何结构102，从而更清楚地显示位于上基板左侧部分下方的各个部件，尤其是竖直导电几何结构104。该宽角阻抗匹配装置包括：上基板105，也称第二基板；下基板101，也称第一基板；填充材料103，该填充材料填充于上基板105和下基板101之间；多个水平导电几何结构102，多个水平导电几何结构水平地设置（例如通过刻蚀等加工方式）在下基板101的上表面上；以及多个竖直导电几何结构104，多个竖直导电几何结构104镶嵌、焊接或粘接于填充材料103内且排列成大致垂直于上基板105和下基板101。每个竖直导电几何结构的正上方或正下方分别对应有一个水平导电几何结构。

虽然在图2所示的宽角阻抗匹配装置中，多个竖直导电几何结构设置在多个水平导电几何结构上方，但本领域技术人员可以理解，多个竖直导电几何结构也可以设置在多个水平导电几何结构下方。

较佳的是，填充材料103与上基板105和下基板101紧密接触。填充材料103例如可以是泡沫填充材料。

虽然在图2所示的宽角阻抗匹配装置中，示出了上基板105和下基板101，但本领域技术人员可以理解，上基板105主要起到保护导电几何结构的作用，也可省略上基板105。

虽然在图2所示的宽角阻抗匹配装置中，示出了填充材料103，但本领域技术人员可以理解，也可省略填充材料103，而将多个竖直导电几何结构直接设置在多个水平导电几何结构上方或下方。

另外，下基板101可以有多个，多个下基板101依次从下往上以一定间距地堆叠，每个下基板101一表面上设置有多个水平导电几何结构，并有对应多个竖直导电几何结构大致垂直于下基板101地设置在下基板101表面上。

当然，也可有多个下基板101和多个上基板105，且以每两个下基板101之间设有一个上基板105、每两个上基板105之间设有一个下基板101地依次平行地间隔排布，相邻的上基板105和下基板101之间设有固定竖直导电几何结构的填充材料。

进一步地，也可将上基板105、下基板101以及填充于上基板105和下基板101之间的填充材料共同构成一个阻抗匹配层，本发明的宽角阻抗匹配装置由多个这样的阻抗匹配层堆叠而成。

导电几何结构（水平导电几何结构102和竖直导电几何结构104）是由导电材料制成的具有一定几何图形的平面或立体结构。水平导电几何结构102和竖直导电几何结构104都可以根据需要设计成特定形状。例如，水平导电几何结构102的形状可如图3（a）所示，即，呈开口对向设置的双C形结构；竖直导电几何结构104的形状可如图3（b）所示，即，包括外围口字形结构和中央横边对向设置的双T形结构。

虽然在图2所示的宽角阻抗匹配装置中，水平导电几何结构102和竖直导电几何结构104都是单层导电几何结构，但本领域技术人员可以理解，水平导电几何结构102或竖直导电几何结构104可以是多层导电几何结构。

较佳的是，多个水平或竖直导电几何结构可以按照矩形周期或三角形周期排列。所谓“矩形周期排列”是指某列导电几何结构中的每个导电几何结构与相邻列导电几何结构中的每个导电几何结构相互对齐。所谓“三角形周期排列”是指某列导电几何结构中的每个导电几何结构与相邻列导电几何结构中的每个导电几何结构相互错开一定距离，“三角形周期排列”也可称为“平行四边形周界排列”。

以上描述了宽角阻抗匹配装置的基本结构，当然，本领域技术人员应能理解，该基本结构也可组合叠加成多层，层叠设置于天线装置阵列201上方，使得天线的扫描性能会有更大提升，只是需要牺牲宽角阻抗匹配装置的厚度和重量。

由于宽角阻抗匹配装置既包含水平排列的导电几何结构，又包含竖直排列的导电几何结构，经过设计的微结构可以等效为很多电容电感，可以从三维方向对电磁波相位进行很好的调制，可以减小因为扫描角度增加而导致的阻抗失配，从而达到宽角阻抗匹配的目的。

相控阵天线设备中的天线装置阵列中的每个天线装置可以是Vivaldi天线装置、偶极子天线装置、波导天线装置、缝隙天线装置、或微带天线装置。

实施例1

对未设有宽角阻抗匹配装置的相控阵天线设备和设有宽角阻抗匹配装置的相控阵天线设备进行了比较测试。具体地说，图4（a）示出了未设有宽角阻抗匹配装置的相控阵天线设备的E面扫描驻波比与扫描角度关系曲线图。图4（b）示出了未设有宽角阻抗匹配装置的相控阵天线设备的H面扫描驻波比与扫描角度关系曲线图。图5（a）示出了设有宽角阻抗匹配装置的相控阵天线设备的E面扫描驻波比与扫描角度关系曲线图。图5（b）示出了设有宽角阻抗匹配装置的相控阵天线设备的H面扫描驻波比与扫描角度关系曲线图。

需要注意的是，本领域技术人员可以理解，E面通常是指与电场方向平行的切面，H面通常是指与电场方向垂直的切面。

实施例1采用vivaldi天线装置，按特定间距组成阵列，工作于8GHz-12GHz波段，其相控阵天线设备示意图可如图1所示。本领域技术人员可以理解，图1中的宽角阻抗匹配装置可根据以下测试要求而设置或不设置。

在未设有宽角阻抗匹配装置的情况下，其E面扫描驻波比与扫描角度关系曲线图如图4（a）所示，可以看出，随着扫描角度增加，驻波比变大，扫描到60度时，在大于约9.8GHz的波段处，驻波比都在2以上，峰值驻波比甚至高达约200；扫描到70度时，全部频段驻波比都在2以上。其H面扫描驻波比与扫描角度关系曲线图如图4（b）所示，可以看出，随着扫描角度增加，驻波比变大，扫描到60度时，全部频段驻波比都在2以上；扫描到70度时，全部频段驻波比都在4以上。（注：为了清楚示出未设有宽角阻抗匹配装置的情况下的驻波比，图4（a）和图4（b）中的纵坐标均为对数坐标）。

在设有宽角阻抗匹配装置的情况下，该用于相控阵天线设备的宽角阻抗匹配装置的具体尺寸参数和设置情况如下，宽角阻抗匹配装置的上基板和下基板的尺寸为6.4mm*6.4mm*0.5mm。竖直导电几何结构垂直于E面排列，位于E面两相邻天线中间附近，和天线阵面按照相同的间距和周期排布，宽角阻抗匹配装置紧靠天线阵面。其E面扫描驻波比与扫描角度关系曲线图如图5（a）所示，可以看出，扫描到60度时，大部分频段驻波比都在2以下，只有高频处（接近约12GHz处）驻波比超过2；扫描到70度时，大部分频段驻波比仍都在2以下，只有高频处（大于约11.4GHz处）驻波比超过2。其H面扫描驻波比与扫描角度关系曲线图如图5（b）所示，可以看出，扫描到60度时，大部分频段驻波比都在2以下，只有高频处（大于约11.5GHz处）驻波比超过2；扫描到70度时，大部分频段驻波比仍都在2以下，只有高频处（大于约11.6GHz处）驻波比超过2。

因此，设有宽角阻抗匹配装置的相控阵天线设备与未设有宽角阻抗匹配装置的相控阵天线设备相比，扩展了扫描范围，提升了扫描性能。

通过在相控阵天线设备中加载（设置）宽角阻抗匹配装置，实现宽带宽角匹配，在8GHz-12GHz的整个波段基本实现E面和H面±70度扫描。

用于相控阵天线设备的天线装置阵列201包含多个并行排布的子阵列，每个子阵列可划分为多个天线装置。天线装置子阵列在制作时是整片制作的，因此在物理上通常不分离，如图1所示，一列列子阵列平行放置。若对天线装置子阵列进行人为划分，则可得到若干个如图6、8或10所示的天线装置。

本实施例中，水平导电几何结构和竖直导电几何结构均为矩形阵列排布。每个子阵列上相邻两个天线装置的距离与平行于介质板表面的一列水平导电几何结构中连续N个水平导电几何结构的总长度相当，或者与平行于所述介质板表面的一列竖直导电几何结构中N’个竖直导电几何结构的总长度相当，N、N’为大于等于2的自然数。

类似地，相邻两个子阵列的距离与垂直于介质板表面的一行水平导电几何结构中连续M个水平导电几何结构的总长度相当，或者与垂直于介质板表面的一列竖直导电几何结构中M’个竖直导电几何结构的总长度相当，M、M’为大于等于2的自然数。

每个天线装置的具体结构可如图6所示。为了更清楚的说明天线装置的结构，这里用爆炸图进行示意。天线装置包括：介质板10；两个导电层11、11，两个导电层分别设置于介质板10的正面和背面（即，介质板10的两相对表面）上，导电层11上端呈渐变槽线形状，且从导电层11、11的上端开设（例如通过刻蚀等加工方式）有与介质板10的侧边大致平行的矩形槽14；馈电线12，该馈电线设置于介质板10中；以及反射板13，该反射板13设置成与介质板10大致垂直且与介质板10的底边大致平行。

每个天线装置还包括谐振腔，谐振腔位于渐变槽线的最窄处且与所述渐变槽线相连接（图6、8、10导电层的圆形区域）。反射板13能离开介质板10的底边上移，且反射板13的上移位置不超过谐振腔。

还需注意的是，倘若图1中用于支承天线装置阵列201的母板202是金属板，那么已经保证了天线装置之间的电连接，反射板13就无需将天线装置电连接，也即无需充满各个天线装置之间的间隙；倘若母板202未实现天线装置之间的电连接，则需反射板13来实现，即反射板13需充满各个天线装置之间的间隙。

较佳的是，所述渐变槽线是双指数渐变槽线。

矩形槽14具有长度LS和宽度LW。矩形槽14离开介质板10的侧边的距离为LD，下文中为了简便起见，也可将矩形槽14离开介质板10的侧边的距离称为边界距离LD。

当该天线装置按某种方式组成阵列天线时，渐变槽线导电层上开设的矩形槽可将某两类扫描盲点A和B移向更高频率，从而扩展了频带和扫描范围，同时减弱了带外盲点对带内驻波的影响，提升阵列天线的扫描性能。

由于对导电层开槽，改变了天线表面电流分布，同时相当于附加了个电容，影响了谐振频率，使得随扫描角度增加而向带内移动的全反射点向高频移动，进而扩展了带宽和扫描范围。

较佳的是，介质板10的厚度例如可以为1.5mm；介质板10的介电常数例如可以为2-3。

较佳的是，导电层11为金属层，例如为铜覆层或铝覆层。

较佳的是，馈电线12由铜或铝制成。

较佳的是，矩形槽14开设于介质板10的一个侧边附近或两个侧边附近。

发明人对具备各种矩形槽长度LS、宽度LW和边界距离LD的天线装置进行了性能测试。

实施例2（a）:

天线装置的两层导电层上端，分别对称地开设了两条矩形槽14，矩形槽长度为LS=12mm，矩形槽边界距离为LD=0.5mm，改变矩形槽宽度LW，即矩形槽宽度LW分别为0.15mm、0.2mm、0.5mm、1.4mm和2mm，并将具有各种矩形槽宽度LW的天线装置与未设有矩形槽的天线装置（即，LS＝0mm，LW＝0mm）进行对比。当该天线装置按特定方式组成阵列时，用CST软件（可从德国CST公司购得）周期边界条件仿真，E面60度扫描时其有源反射系数如图7（a）所示，观察两个全反射频点A和B的位置。全反射频点A基本不随着矩形槽宽度变化，全反射频点B随着矩形槽宽度增加向高频移动。尤其相对于未设有矩形槽的天线装置，当矩形槽宽度增大到1.4mm时，全反射频点B向高频移动了约0.9GHz，当矩形槽宽度增大到2mm时，全反射频点B向高频移动了约1GHz。

根据以上可知，矩形槽的宽度可以是0.15mm-2mm。为了获得更好的技术效果，进一步扩展带宽和扫描范围，矩形槽的宽度较佳地是1.4mm-2mm。

实施例2（b）：

天线装置的两层导电层上端，分别对称地开设了两条矩形槽14，矩形槽宽度为LW=0.8mm，矩形槽边界距离为LD=0.5mm，改变矩形槽长度LS，即矩形槽长度LS分别为10mm、12mm和14mm，并将具有各种矩形槽长度LS的天线装置与未设有矩形槽的天线装置（即，LS＝0mm，LW＝0mm）进行对比。当该天线装置按特定方式组成阵列时，用CST软件周期边界条件仿真，E面60度扫描时其有源反射系数如图7（b）所示，观察两个全反射频点A和B的位置。全反射频点A基本不随着矩形槽长度变化，全反射频点B随着矩形槽长度增加向高频移动。尤其相对于未设有矩形槽的天线装置，具有各种矩形槽长度LS的天线装置的全反射频点B普遍向高频移动了0.3GHz以上。

根据以上可知，矩形槽的长度可以是10mm-14mm。

实施例2（c）：

天线装置的两层导电层上端，分别对称地开设了两条矩形槽14，矩形槽长度为LS=12mm，矩形槽宽度为LW=0.8mm，改变矩形槽边界距离LD即矩形槽边界距离LD分别为0mm、0.2mm和0.5mm，并将具有各种矩形槽边界距离LD的天线装置与未设有矩形槽的天线装置（即，LS＝0mm，LW＝0mm）进行对比。当该天线装置按特定方式组成阵列时，用CST软件周期边界条件仿真，E面60度扫描时其有源反射系数如图7（c）所示，观察两个全反射频点A和B的位置。全反射频点A位置基本不随着矩形槽边界距离变化，相比于未设有矩形槽的天线装置，全反射频点B向高频移动了约0.5GHz，但全反射频点B的位置在边界距离为0-0.5mm的取值范围内基本不随着边界距离改变而变化。因此，本领域技术人员可以理解，即使将矩形槽边界距离LD增大至大于0.5mm，仍能取得较好的技术效果。当然，考虑到通常的天线装置及其介质板的尺寸，矩形槽边界距离LD一般不大于1.5mm。

根据以上可知，矩形槽离开介质板的侧边的距离可以是0mm-1.5mm。

本发明还研究了天线装置中的反射板13的位置对于天线扫描性能的影响。保持导电层的矩形槽的形状和尺寸不变，调整反射板位置，即调整反射板离天线底部的距离LG，如图8所示。较佳的是，反射板13是金属反射板，例如由铜或铝制成。反射板13可以是整片金属反射板，也可以是部分区域设有金属的反射板。

随着金属反射板离天线底部（即，离介质板底边）距离LG增加，盲点A和B不断向高频移动，直至移出12GHz以外，从而扩展了频带和扫描范围，同时减弱了带外盲点对带内驻波的影响，提升阵列天线的扫描性能。

实施例3（a）：

天线装置的两层导电层上端，分别对称地开设了两条矩形槽14，其矩形槽尺寸为矩形槽宽度LW=0.8mm，矩形槽长度LS=12mm，矩形槽边界距离为LD=0.5mm。反射板离天线底部距离LG为0mm。当该天线装置按特定方式组成阵列时，用CST软件周期边界条件仿真，其E面60度扫描组阵后仿真结果，与未开设矩形槽、反射板在天线底部（即，LW＝0mm，LG＝0mm）的天线组阵仿真反射系数结果比较如图9（a）所示。有矩形槽天线阵列的两个全反射频点A和B，比没有矩形槽天线阵列的两个全反射频点向高频移动了。全反射频点A移动了大约0.15GHz，全反射频点B移动了大约0.62GHz。

实施例3（b）：

天线装置的两层导电层上端左侧，分别对称地开设了两条矩形槽14，其矩形槽尺寸为矩形槽宽度LW=0.8mm，矩形槽长度LS=12mm，矩形槽边界距离为LD=0.5mm。反射板离天线底部距离LG为5mm。当该天线装置按特定方式组成阵列时，用CST软件周期边界条件仿真，其E面60度扫描组阵后仿真结果，与未开设矩形槽、反射板在天线底部（即，LW＝0mm，LG＝0mm）的天线组阵仿真反射系数结果比较如图9（b）所示。有矩形槽天线阵列的两个全反射频点A和B，比没有矩形槽天线阵列的两个全反射频点向高频移动了。全反射频点A移动了大约0.59GHz，全反射频点B移动了大约0.70GHz。

实施例3（c）：

天线装置的两层导电层上端左侧，分别对称地开设了两条矩形槽14，其矩形槽尺寸为矩形槽宽度LW=0.8mm，矩形槽长度LS=12mm，矩形槽边界距离为LD=0.5mm。反射板离天线底部距离LG为10mm。当该天线装置按特定方式组成阵列时，用CST软件周期边界条件仿真，其E面60度扫描组阵后仿真结果，与未开设矩形槽、反射板在天线底部（即，LW＝0mm，LG＝0mm）的天线组阵仿真反射系数结果比较如图9（c）所示。有矩形槽天线阵列的两个全反射频点A和B，比没有矩形槽天线阵列的两个全反射频点向高频移动了。全反射频点A移动了大约1.33GHz，全反射频点B移动了大约1.01GHz。

实施例3（d）：

天线装置的两层导电层上端左侧，分别对称地开设了两条矩形槽14，其矩形槽尺寸为矩形槽宽度LW=0.8mm，矩形槽长度LS=12mm，矩形槽边界距离为LD=0.5mm。反射板离天线底部距离LG为14mm。当该天线装置按特定方式组成阵列时，用CST软件周期边界条件仿真，其E面60度扫描组阵后仿真结果，与未开设矩形槽、反射板在天线底部（即，LW＝0mm，LG＝0mm）的天线组阵仿真反射系数结果比较如图9（d）所示。有矩形槽天线阵列的两个全反射频点A和B，比没有矩形槽天线阵列的两个全反射频点向高频移动了。全反射频点A移动了大约1.90GHz，全反射频点B移动了大约1.45GHz。

实施例3（e）：

天线装置的两层导电层上端左侧，分别对称地开设了两条矩形槽14，其矩形槽尺寸为矩形槽宽度LW=0.8mm，矩形槽长度LS=12mm，矩形槽边界距离为LD=0.5mm。反射板离天线底部距离LG为17mm。当该天线装置按特定方式组成阵列时，用CST软件周期边界条件仿真，其E面60度扫描组阵后仿真结果，与未开设矩形槽、反射板在天线底部（即，LW＝0mm，LG＝0mm）的天线组阵仿真反射系数结果比较如图9（e）所示。有矩形槽天线阵列的两个全反射频点A和B，比没有矩形槽天线阵列的两个全反射频点向高频移动了。全反射频点A移动了大约2.10GHz，全反射频点B移动了至少2GHz以上，盲点不再可以清晰辨识。

根据以上可知，反射板离介质板底边的距离LG可以为0-17mm。随着反射板离介质板底边的距离LG的增加，天线E面扫描时，高频盲点向更高频率移动。

为了进一步改进天线扫描性能，还可考虑在天线装置的介质板11的底边附近设置吸波材料15，如图10所示。

本发明还研究了天线装置中设置吸波材料对于天线扫描性能的影响。

实施例4

如图10所示，天线装置导电层上端左侧，前后对称地开设了两条矩形槽14，其矩形槽尺寸为矩形槽宽度LW=0.8mm，矩形槽长度LS=12mm，矩形槽边界距离为LD=0.5mm。吸波材料15设置在天线装置的介质板11的底边附近。吸波材料15的厚度为10mm。反射板的厚度为2mm。该天线装置按照三角方式组阵。仿真方法为周期边界仿真。仿真结果如图11（a）和11（b）所示，且将设有矩形槽和吸波材料的天线装置与未设有矩形槽和吸波材料的天线装置作比较。

对于未设有矩形槽和吸波材料的天线装置，当扫描到45度时，如图11（a）所示，在11.7GHz左右的波段处出现一个全反射点，标为A类扫描盲点。同时在约13GHz左右的波段处存在另一个全反射点，标为B类扫描盲点。当扫描到60度时，如图11（b）所示，A类和B类扫描盲点都向低频移动了约1GHz。

在对天线装置开槽及底部加设吸波材料之后，即对于设有矩形槽和吸波材料的天线装置，如图11（a）和11（b）所示，可以很明显发现，A类扫描盲点被很好地消除，B类扫描盲点远离12GHz，尤其是60度扫描时，B类扫描盲点位于13GHz左右。可以明显看到，在8-12GHz全X波段，当扫描到60度时，带内都不存在扫描盲点，极大地扩展了天线阵的扫描范围。这里的8-12GHz频段仅为示例，采用本发明的技术思路，还可以适用于其它频段，本发明对此不作限制。

最后，本发明还保护一种相控阵天线系统，例如飞行器、机动车、船、雷达或卫星等，该系统包括上述的天线装置阵列、设置于上述天线装置阵列上方的宽角阻抗匹配装置、馈电系统，其中，已知馈电线设置于所述介质板中并与两个导电层电连接，馈电系统则与馈电线连接。这里的馈电系统包括功率分配/相加网络、移相器、收发开关以及其他用来调制天线装置阵列的各个天线装置的角度、相位的器件。相控阵天线系统还可包括外壳，所述天线装置阵列和宽角阻抗匹配装置均位于所述外壳内。

以上对本发明的具体实施方式进行了描述，但本领域技术人员将会理解，上述具体实施方式并不构成对本发明的限制，本领域技术人员可以在以上公开内容的基础上进行多种修改，而不超出本发明的范围。

Claims (40)

1.一种相控阵天线设备，其特征在于，包括天线装置阵列和设置于所述天线装置阵列上方的宽角阻抗匹配装置，其中，所述宽角阻抗匹配装置包括：

第一基板；

多个水平导电几何结构，所述多个水平导电几何结构水平地设置在所述第一基板的一表面上；以及

多个竖直导电几何结构，所述多个竖直导电几何结构设置在所述多个水平导电几何结构上方或下方且大致垂直于所述第一基板。

2.如权利要求1所述的相控阵天线设备，其特征在于，每个所述竖直导电几何结构的正上方或正下方分别对应有一个所述水平导电几何结构。

3.如权利要求1所述的相控阵天线设备，其特征在于，所述宽角阻抗匹配装置还包括第二基板和填充材料，所述填充材料填充于所述第一基板和所述第二基板之间，所述竖直导电几何结构固定于所述填充材料上和/或内。

4.如权利要求1所述的相控阵天线设备，其特征在于，所述第一基板有多个，每个第一基板一表面上设置有多个水平导电几何结构，并有对应多个竖直导电几何结构大致垂直于所述第一基板地设置在所述第一基板表面上。

5.如权利要求3所述的相控阵天线设备，其特征在于，所述一表面设有水平导电几何结构的第一基板、第二基板以及填充于所述第一基板和第二基板之间固定所述竖直导电几何结构的填充材料共同构成一个阻抗匹配层，所述宽角阻抗匹配装置由多个所述阻抗匹配层堆叠而成。

6.如权利要求3所述的相控阵天线设备，其特征在于，所述第一基板和第二基板有多个，且以每两个所述第一基板之间设有一个所述第二基板、每两个所述第二基板之间设有一个所述第一基板地依次间隔排布，相邻的第一基板和第二基板之间设有固定所述竖直导电几何结构的填充材料。

7.如权利要求3所述的相控阵天线设备，其特征在于，所述多个竖直导电几何结构镶嵌、焊接或粘接于所述填充材料内。

8.如权利要求1所述的相控阵天线设备，其特征在于，所述水平导电几何结构和所述竖直导电几何结构是由导电材料制成的具有一定几何图形的平面或立体结构。

9.如权利要求8所述的相控阵天线设备，其特征在于，每个所述水平导电几何结构或所述竖直导电几何结构包括开口对向设置的两个C形结构。

10.如权利要求8所述的相控阵天线设备，其特征在于，每个所述水平导电几何结构或所述竖直导电几何结构包括口字型结构和位于所述口字形结构内相向设置的两个T形结构。

11.如权利要求1所述的相控阵天线设备，其特征在于，所述宽角阻抗匹配装置为多个且层叠设置于所述天线装置阵列上方。

12.如权利要求1所述的相控阵天线设备，其特征在于，所述多个水平或竖直导电几何结构周期性排列。

13.如权利要求1所述的相控阵天线设备，其特征在于，所述天线装置阵列中的每个天线装置是Vivaldi天线装置、偶极子天线装置、波导天线装置、缝隙天线装置、或微带天线装置。

14.如权利要求1～13任一项所述的相控阵天线设备，其特征在于，所述天线装置阵列包含多个并行排布的子阵列，每个子阵列可划分为多个天线装置，每个天线装置包括：

介质板；

两个导电层，分别设置于所述介质板的两相对表面上，所述导电层上端呈渐变槽线形状，且从所述导电层的上端开设有与所述介质板的侧边大致平行的矩形槽；

馈电线，设置于所述介质板中。

15.如权利要求14所述的相控阵天线设备，其特征在于，每个所述子阵列上相邻两个所述天线装置的距离与平行于所述介质板表面的一列水平导电几何结构中连续N个水平导电几何结构的总长度相当，或者与平行于所述介质板表面的一列竖直导电几何结构中N’个竖直导电几何结构的总长度相当，N、N’为大于等于2的自然数。

16.如权利要求14所述的相控阵天线设备，其特征在于，相邻两个所述子阵列的距离与垂直于所述介质板表面的一行水平导电几何结构中连续M个水平导电几何结构的总长度相当，或者与垂直于所述介质板表面的一列竖直导电几何结构中M’个竖直导电几何结构的总长度相当，M、M’为大于等于2的自然数。

17.如权利要求14所述的相控阵天线设备，其特征在于，每个天线装置还包括反射板，所述反射板设置成与所述介质板大致垂直且与所述介质板的底边大致平行。

18.如权利要求14所述的相控阵天线设备，其特征在于，每个天线装置还包括谐振腔，所述谐振腔位于所述渐变槽线的最窄处且与所述渐变槽线相连接。

19.如权利要求17所述的相控阵天线设备，其特征在于，所述反射板设置于所述谐振腔和所述介质板的底边之间。

20.如权利要求14所述的相控阵天线设备，其特征在于，所述天线装置还包括吸波材料，所述吸波材料设置在所述介质板的底边附近。

21.如权利要求14所述的相控阵天线设备，其特征在于，所述渐变槽线是双指数渐变槽线。

22.如权利要求14所述的相控阵天线设备，其特征在于，所述导电层为金属层。

23.如权利要求14～19任一项所述的相控阵天线设备，其特征在于，所述反射板是金属反射板。

24.如权利要求14所述的相控阵天线设备，其特征在于，所述矩形槽为至少一个，开设于所述介质板的一个侧边附近或两个侧边附近。

25.一种用于相控阵天线设备的宽角阻抗匹配装置，包括：

第一基板；

多个水平导电几何结构，所述多个水平导电几何结构水平地设置在所述第一基板的一表面上；以及

多个竖直导电几何结构，所述多个竖直导电几何结构设置在所述多个水平导电几何结构上方或下方且排列成大致垂直于所述第一基板。

26.如权利要求25所述的宽角阻抗匹配装置，其特征在于，每个所述竖直导电几何结构的正上方或正下方分别对应有一个所述水平导电几何结构。

27.如权利要求25所述的宽角阻抗匹配装置，其特征在于，所述宽角阻抗匹配装置还包括第二基板和填充材料，所述填充材料填充于所述第一基板和所述第二基板之间，所述多个竖直导电几何结构固定于所述填充材料内。

28.如权利要求25所述的宽角阻抗匹配装置，其特征在于，所述第一基板有多个，每个第一基板一表面上设置有多个水平导电几何结构，并有对应多个竖直导电几何结构大致垂直于所述第一基板地设置在所述第一基板表面上。

29.如权利要求27所述的宽角阻抗匹配装置，其特征在于，所述一表面设有水平导电几何结构的第一基板、第二基板以及填充于所述第一基板和第二基板之间固定所述竖直导电几何结构的填充材料共同构成一个阻抗匹配层，所述宽角阻抗匹配装置由多个所述阻抗匹配层堆叠而成。

30.如权利要求27所述的宽角阻抗匹配装置，其特征在于，所述第一基板和第二基板有多个，且以每两个所述第一基板之间设有一个所述第二基板、每两个所述第二基板之间设有一个所述第一基板地依次间隔排布，相邻的第一基板和第二基板之间设有固定所述竖直导电几何结构的填充材料。

31.如权利要求25所述的宽角阻抗匹配装置，其特征在于，所述水平导电几何结构和所述竖直导电几何结构是由导电材料制成的具有一定几何图形的平面或立体结构。

32.如权利要求31所述的宽角阻抗匹配装置，其特征在于，每个所述水平导电几何结构或所述竖直导电几何结构包括开口对向设置的两个C形结构。

33.如权利要求31所述的宽角阻抗匹配装置，其特征在于，每个所述水平导电几何结构或所述竖直导电几何结构包括口字型结构和位于所述口字形结构内相向设置的两个T形结构。

34.如权利要求25所述的宽角阻抗匹配装置，其特征在于，所述多个水平导电几何结构和所述多个竖直导电几何结构周期性排列。

35.一种相控阵天线系统，其特征在于，包括天线装置阵列、设置于所述天线装置阵列上方的宽角阻抗匹配装置和馈电系统，其中，

所述宽角阻抗匹配装置包括第一基板、多个水平导电几何结构以及多个竖直导电几何结构，所述多个水平导电几何结构水平地设置在所述第一基板的一表面上，所述多个竖直导电几何结构设置在所述多个水平导电几何结构上方或下方且大致垂直于所述第一基板；所述馈电系统与所述天线装置阵列连接。

36.如权利要求35所述的相控阵天线系统，其特征在于，所述天线装置阵列包含多个并行排布的子阵列，每个子阵列可划分为多个天线装置，每个天线装置包括介质板、两个导电层以及馈电线，所述两个导电层分别设置于所述介质板的两相对表面上。

37.如权利要求36所述的相控阵天线系统，其特征在于，所述导电层上端呈渐变槽线形状，且从所述导电层的上端开设有与所述介质板的侧边大致平行的矩形槽，所述馈电线设置于所述介质板中；所述馈电系统与所述馈电线连接。

38.如权利要求35所述的相控阵天线系统，其特征在于，所述馈电系统包括功率分配/相加网络、移相器和收发开关。

39.如权利要求35所述的相控阵天线系统，其特征在于，所述相控阵天线系统还包括外壳，所述天线装置阵列和宽角阻抗匹配装置均位于所述外壳内。

40.如权利要求35所述的相控阵天线系统，其特征在于，所述相控阵天线系统为飞行器、机动车、船、雷达或卫星。