CN104810614B - 一种提高相控阵宽角扫描增益的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种提高相控阵宽角扫描增益的装置，在微带天线阵列的金属接地板与微带天线介质板之间增加一块介质板，所述介质板与金属接地板表面紧密贴合，介质板尺寸与金属接地板大小一致。本发明在不影响天线本身结构的前提下，改变单元方向图辐射性能，减小后瓣，提高了阵列天线宽角度扫描时具有较高的增益。

Description

一种提高相控阵宽角扫描增益的装置
技术领域
本发明涉及小型相控阵宽角扫描增益的提高，属于相控阵宽角扫描领域。
背景技术
相控阵天线因波束指向可以灵活控制而得到了广泛应用。由于阵列单元间互耦的影响以及单元方向图自身的波束宽度的限制，天线阵列的增益在波束扫到较宽的角度时下降较大。比如微带天线单元的相控阵天线在波束扫描到±50度时增益下降4～5dB。提高宽角度扫描时天线的增益一直是天线研究人员研究的难题，近年来人们提出了一些方法来提高宽角扫描时增益下降较大的问题：
文献1Jain,S.Mittra,R；Abdel-Mageed,M.Broadband flat-base Luneburg lensantenna for wide angle scan[J].Antennas and Propagation Society InternationalSymposium(APSURSI),2014,Page(s):771-772；在天线阵面上方添加一些材料改善宽角扫描增益，而一般这种添加的材料的结构尺寸都很大。
文献2Yan-Ying Bai；Shaoqiu Xiao；Ming-Chun Tang；Zhuo-Fu Ding；Bing-ZhongWang.Wide-Angle Scanning Phased Array With Pattern ReconfigurableElements.Antennas and Propagation,IEEE Transactions on DOI:10.1109/TAP.2011.21641762011,Page(s):4071-4076；通过改变天线结构来改善宽角扫描时的增益，如通过可重构天线或者寄生贴片形式，在波束扫到某一边时就利用改变天线的结构来控制天线单元的波束形状以达到提高宽角扫描时天线的增益的目的；这种方式结构复杂，控制也较麻烦，从而限制了这种技术的推广应用。
文献3Noordin,N.H.；Haridas,N.；EI-Rayis,A.O.；Erdogan,A.T.；Arslan,T.Antenna array with wide angle scanning properties[J].Antennas andPropagation(EUCAP),20126th European Conference on DOI:10.1109/EuCAP.2012.62060922012,Page(s):1636-1640；是通过改变天线阵列排列结构，利用三面线性阵列结构以提高宽角扫描时阵列的增益。这类天线阵列类似于共形阵列，可以实现宽角扫描，但天线增益不高。
综上所述，现有文献未能给出一种简洁有效的结构提高相控阵宽角扫描增益。
发明内容
为了克服小型相控阵阵列宽角扫描时增益下降过大的不足，本发明提供一种结构简单且不改变天线结构本身、利于低剖面的、适用于多种天线类型的相控阵宽角扫描高增益技术，此技术应用不对天线结构本身做出任何改变，利于相控阵低剖面并且能够适应于多种天线。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：在微带天线阵列的金属接地板与微带天线介质板之间增加一块介质板，所述介质板与金属接地板表面紧密贴合，介质板尺寸与金属接地板大小一致。
本发明的有益效果是：在不影响天线本身结构的前提下，改变单元方向图辐射性能，减小后瓣，提高了阵列天线宽角度扫描时具有较高的增益，其在-60°＜θ＜60°内增益下降不超过3dB。参考图5、图6以及表1、表2的对比，可以得出添加介质板后，天线半波功率角变小，旁瓣电平减小，随着扫描角θ的增大，增益下降趋势明显减小。
表1 未添加介质板阵列辐射性能参数
表2 添加介质板阵列辐射性能参数
附图说明
图1是传统微带天线结构示意图，其中，(a)是俯视图，(b)是侧视图；
图2是未添加介质板U-型槽天线结构及尺寸图，其中，(a)是俯视图，(b)是侧视图；
图3是添加介质板U-型槽天线结构及尺寸图，其中，(a)是俯视图，(b)是侧视图；
图4是1x9U-型槽线型未添加介质板阵列俯视图，其中，(a)是俯视图，(b)是侧视图；
图5是1x9U-型槽线型添加介质板阵列俯视图，其中，(a)是俯视图，(b)是侧视图；
图6是未添加介质板阵列辐射方向图；
图7是添加介质板阵列辐射方向图；
图中，1-微带天线介质板，2-添加的介质板结构，3-同轴馈线，4-空气，5-金属接地板，W0＝26.6mm，W1＝12mm，W2＝3.3mm，W3＝3mm，L0＝34.7mm，L1＝21.1mm，h0＝6.9mm，h1＝1mm。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
传统的微带天线(如图1所示)是以金属为接地板，介质基片与接地板相隔一定距离的空气，介质基片上贴加导体薄片；将N个这样的微带天线单元排列成一个线型阵列，N个天线共用一个大型介质基片和接地板，单元之间相隔半个微带天线工作波长，这样的阵列扫描到宽角度时(例如扫描角θ≧40°)时增益会下降的比较严重。本发明提供一种提高小型相控阵宽角扫描增益技术，该技术主要是通过在传统微带天线阵列的基础上，不改变天线本身结构，只是在其金属接地板上表面增加一块介质板(如图2、图3对比所示)，介质板与金属接地板上表面紧密贴合，介质板尺寸与接地板大小一致，而厚度与介质板介电常数根据实际要求而定。此外，此结构对天线性能的改善不受天线的馈电方式限制。增加此结构之后的阵列扫描到宽角时增益明显提高。
对于介质板厚度与介电常数之间的关系如下：在介质板介电常数不变的情况下，阵列扫描到宽角度时的增益随厚度的增加而增加，但到一定程度后，从而随着厚度增加而减小，同理，在厚度一定的情况下，随着介电常数的增大，天线阵列扫描到宽角度时的增益也增大，但当介电常数增大到一定程度后，由于能量损耗加剧，增益反而随介电常数的增大而减小。以介电常数εr＝4的9阵元的线阵为例，当厚度h＝2mm时，对于波束扫描到θ＝60°时的增益为11.34dB，而随着h的增大，增益也在提高，当h＝3mm时，增益达到最大为12.58dB，当h＞3mm时，增益随着h的增大反而减小，其中h＝4时，增益为10.98dB；同样条件下，介电常数εr＝6时，当厚度h＝1mm时，扫描增益为8.79dB，随着h的增大，增益也在提高，当h＝3mm时，增益达到最大为12.51dB,当h＞3mm时，增益随着h的增大反而减小，其中h＝4时，增益为10.47dB。与此相同原理，以h＝3mm的9阵元的线阵为例，当εr＝2.2时，波束扫描到θ＝60°时的增益为11.39dB，随着εr的增大，扫描增益在提高，当εr＝4，增益达到最大为12.58dB，当εr继续增大时，扫描增益反而随着增大而减小，当εr＝6.15时，扫描增益为12.23dB；同理当h＝4mm时，介电常数也会有一个最佳值，使得扫描增益最大。因此装置的厚度与介电常数应根据天线现实情况而决定。
以九阵元(N＝9)线型阵列为例说明此技术具体实施过程。
天线中心工作频率3.5GHz，天线单元为U-型槽天线，介质板εr＝4，厚度为1mm，天线贴片高度为7.9mm，中间为空气。贴片连接50Ω的同轴接头，馈电位置在贴片中心。其结构及尺寸如图2(a)所示。以U-型槽微带贴片天线单元为基础，设计了一个1x9的线阵，如图3所示，地板尺寸为350mm×55mm，介质板尺寸为350mm×35mm但分别同轴馈电，单元之间相隔d＝43mm。同图3形式，不同之处只是在金属接地板上增加一个厚度为3mm，介电常数为εr＝4(这里选取的厚度与介电常数是经过仿真优化后的结果)，尺寸为350mm×55mm，结构如图4所示。天线单元形式如图2(b)所示。利用波束扫描原理公式kdcosθ+ψ＝0确定波束扫描到θ时天线单元之间所需的相差ψ。得所需相差为ψ＝-kdcosθ，其中波数θ为波束指向角，ψ为单元天线之间的相位差。两种类型的阵列扫描结果如图5和图6，阵列辐射性能参数分别如表1和表2所示。对比结果正如有益效果里所描述的。

Claims (1)

1.一种提高相控阵宽角扫描增益的装置，其特征在于：在不改变天线本身结构的条件下，在微带天线阵列的金属接地板与微带天线介质基板之间增加一块介质板，所述介质板与金属接地板表面紧密贴合，介质板尺寸与金属接地板大小一致；所述介质板厚度与介电常数之间的关系如下：在介质板介电常数不变的情况下，阵列扫描到宽角度时的增益随厚度的增加而增加，但到一定程度后，从而随着厚度增加而减小，同理，在厚度一定的情况下，随着介电常数的增大，天线阵列扫描到宽角度时的增益也增大，但当介电常数增大到一定程度后，由于能量损耗加剧，增益反而随介电常数的增大而减小。
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