CN104868234A - 一种改进型强互耦超宽带二维波束扫描相控阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可用于二维宽角波束扫描的改进型超宽带相控阵天线。本发明中一方面沿着偶极子臂的方向在偶极子末端通过交趾加强与相邻单元之间的耦合，另一方面在与偶极子垂直的正交方向末端印刷U型结构单元，该U型结构横跨在两个相邻的天线单元之间且关于两个单元的边界对称，和偶极子同样印刷在介质层的中间。该U型结构可以在相控阵天线的工作带宽内极大地提高阵列扫描的时候偶极子上的电流均匀分布，使天线的阻抗特性变化趋于缓慢。从而实现宽频带二维波束扫描。

Description

一种改进型强互耦超宽带二维波束扫描相控阵天线

技术领域

本发明属于无线通信技术、雷达技术领域，它特别涉及超宽带相控阵二维扫描天线系统。

背景技术

作为发射和接收电磁能量的关键设备，天线系统被广泛应用在移动通信、卫星及军事等领域。具有宽频宽角扫描特性的相控阵天线是现代雷达系统中常用的天线形式，其主要特点即具有快速的波束扫描能力。随着空间技术的发展，其要求雷达在更远的距离上发现和跟踪目标，因此各种军事电子系统对相控阵的宽频带宽角扫描特性提出了更高的要求。传统的相控阵因其阵元间的互耦、馈电结构及馈电网络的误差等因素所以在拓展频带以及宽角扫描上有一定的局限性。近年来，一种基于新物理机理的天线在这种情况下被提出来，并且特别适合用作宽带相控阵天线，这便是基于强互耦效应的相控阵天线。这种思想最初是由B.Munk在美国专利号为6512487的专利中提出的“宽带相控阵及相关技术”(Wideband Phased Array Antenna and Associated Methods)。B.Munk提出的该类型的相控阵单元具有平面化、极宽工作带宽的特性。其提出的天线单元是平面偶极子的变形，即通过在偶极子末端交趾连接使相邻偶极子间引入较强的电容分量，来补偿紧密排列的偶极子相邻单元间固有的电感分量，这样当相控阵天线工作频率发生变化时，天线单元的输入阻抗以及辐射特性随着频率的变化较缓慢，从而展现出极宽的频带特性。

然而，此种思想的相控阵也有一些自身的不足之处：(1)利用此强耦合思想的超宽带相控阵一般都需要使用额外两层以上的介质板材放在天线阵列的上端，目的是当天线阵列进行扫描时能消除电纳的变化，从而实现宽角波束扫描。但是这样做不仅会增大天线的整体高度，更甚者所需的介质板材不一定能获取，可见比较繁琐且过程中会造成比较大的误差；(2)一维相位扫描雷达一般采用窄波束在仰角上进行相位扫描，而在方位上进行机械扫描，众所周知，机械扫描有诸多缺点，会带来其波束指向转换的惯性及雷达性能的变化等问题。因此现在相控阵雷达的发展趋势之一是采用具有二维波束扫描能力的相控阵天线，即能在方位和仰角两个方向上均能进行相控扫描。而该类天线一般都是只能达到宽带一维波束扫描，用于宽频带二维宽角波束扫描时其具有一定的局限性。这种强电容耦合的偶极子天线单元因其只是在沿着偶极子臂的方向上加强了耦合，所以一般只能达到一维宽角扫描，可见该强电容耦合的偶极子相控阵单元形式有待改进。(3)为 了实现二维扫描可能会用该形式的两个偶极子正交排列构成一个单元，进而组成平面阵列来实现二维扫描，这种方式的一个例子在名称为“相控阵天线上的多层电容耦合”的中国200380104960.2号专利申请中公开。虽然这样可以达到二维宽角波束扫描，但是其一个单元中会有两个馈电端口，这无疑会增大设计、加工制造与馈电网络实现的难度，且这种栅格形式的偶极子比较复杂，用更复杂的结构更易出现不可控的天线性能恶化，例如出现共模谐振、表面波等现象。

由上可知，基于强互耦效应的相控阵一般结构很难同时解决以上问题。因此在实际工程应用中，急需一种简单易行的方案来实现宽频带二维宽角扫描。本发明正是针对该需求而提出。

发明内容

鉴于以上技术背景，为了解决以上呈现的种种问题，尤其是相控阵阵列扫描时其阻抗随着扫描角度的变化而改变的问题，本发明提出了一种不需要使用宽角阻抗匹配层及正交排列的偶极子阵又易于实现宽带二维宽角扫描的超宽带相控阵天线。

本发明中天线单元的工作原理是基于以上提到的B.Munk等人提出的强互耦效应思想，是Wheeler理想阵列天线的变形，但它可以解决以上背景技术中提到的各项技术难题。本发明中采用如下技术方案：使用基于强互耦效应的交趾偶极子作为其中一个贴片单元，在一个方向上构成连续电流面，同时拉宽偶极子的交趾，形成沿纵向的电流，并采取措施在另一个方向增加单元间的耦合。另外为了消除表面波，在介质基片上对称位置处开了两个长方形的槽口。所以本发明提出的超宽带相控阵天线结构包括交趾偶极子、和U型结构贴片、承载印刷贴片的介质层(厚度为0.5mm，相对介电常数ε_r＝3.62)、在偶极子端口进行馈电的非平衡馈电结构。印刷偶极子和U型环放置在介质层的中间，印刷辐射贴片所在的介质层放置在距离反射地板上方约四分之一波长处，地板与该介质层直接由泡沫聚苯乙烯材料填充，起到支撑上层结构的作用。

我们知道相控阵天线的难点之一是其阻抗会随着扫描角度的变化而改变，所以要想在宽频带内实现二维宽角扫描更是难上加难。本发明中一方面沿着偶极子臂的方向在偶极子末端通过交趾加强与相邻单元之间的耦合，另一方面在与偶极子垂直的正交方向末端印刷U型结构单元，该U型结构横跨在两个相邻的天线单元之间且关于两个单元的边界对称，和偶极子同样印刷在介质层的中间。该U型结构可以在相控阵天线的工作带宽内极大地提高阵列扫描的时候偶极子上的电流均匀分布，使天线的阻抗特性变化趋于缓慢。从而实现宽频带二维波束扫描。从图5、图6的结果可以看出该U型结构具有改善因扫描造成的天线阻抗变化的 作用。这样通过简单的结构就可以改善天线的扫描特性。

附图说明

图1是具有U型环的超宽带二维扫描8×8平面阵列俯视图。

其中，101是构成连续电流层的交趾偶极子贴片单元，102是加强了另一方向耦合效应的U型贴片单元，本发明将该结构称为引流单元，该类结构是由相邻两单元的102₁和102₂连接而成。

图2是图1中一个周期单元的立体结构图，每一个这样的周期单元都包含一个交趾偶极子101，一个U型环102；103是厚度为0.5mm，相对介电常数εr＝3.62的微波介质层，101及102印刷在该微波介质层的中间；104是对整个相控阵天线系统起支撑作用的聚苯乙烯泡沫填充材料；105是非平衡馈电结构；106是反射地板；107是对非平衡馈电结构进行馈电的微波同轴电缆。从单元方向图中可以看出该结构简单，只需一个馈电结构便可以实现二维扫描。

图3是两个相邻的天线构成的U型环单元，该发明中称其为引流单元。图1中的辐射单元层包含一系列成周期性排列的该种结构。

图4是一个构成图1中的辐射贴片单元，从单个单元来看就是一个偶极子和一个L型辐射贴片。

图5给出了具体实施实例1中在各个面的波束扫描到45°时候的驻波比结果图。其中，图5(a)描述的是在E平面各扫描角度情况的驻波比、图5(b)描述的是在D平面上各扫描角度情况的驻波比、图5(c)描述的是在H平面个扫描角度情况的驻波比。可见，该结构至少可以在5:1的工作带宽内实现二维扫描。

图6是本发明的结构与一般的结构在如图2所示结构及坐标系下的平面扫描到45°时驻波比对比图。

图7是本发明的结构与一般的结构在如图2所示的坐标系下8GHz、10GHz处平面扫描到45°时的电流分布对比图。其中图7(a)是添加了L型贴片的结构在10GHz电流分布图、图7(b)是在相同条件下没有L型贴片结构在10GHz的电流分布图；图7(c)是添加了L型贴片结构在8GHz的电流分布图、图7(d)是在相同条件下没有L型贴片结构在8GHz的电流分布图。

图8是具体实施例2在的平面上(10GHz)各扫描状态下的辐射方向图。其中图8(a)是在此平面上扫描到0°时候的辐射方向图、图8(b)是在此平面上扫描到30°时候的辐射方向图、图8(c)是在此平面上扫描到45°时候的辐射方向图。

图9是具体实施例2在的平面上(10GHz)各扫描状态下的辐射方向 图。其中图9(a)是在比平面上扫描到0°时候的辐射方向图、图9(b)是在此平面上扫描到30°时候的辐射方向图、图9(c)是在此平面上扫描到45°时候的辐射方向图。

图10是具体实施例2在的°平面上(10GHz)各扫描状态下的辐射方向图。其中图10(a)是在比平面上扫描到0°时候的辐射方向图、图10(b)是在此平面上扫描到30°时候的辐射方向图、图10(c)是在此平面上扫描到45°时候的辐射方向图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

参照图2所示的单元结构，本实施例辐射层由交趾偶极子贴片单元和两侧的L型贴片构成，采用周期边界条件模拟本发明的无限大阵列环境中的仿真，在无线大阵列中，相邻两单元的L型贴片连接构成U型辐射结构，即图中一个单元中的102₁和102₂。辐射层放置在介质层103的中间(厚度为0.5mm)，该介质层距离地板106有一定的高度，这之间由聚苯乙烯泡沫104填充，当然也可以使用其它任何可以支撑天线结构的材料来代替本实施例采用的聚苯乙烯泡沫104。辐射单元层距离地板的高度约为四分之一波长。该单元四周都采用周期边界条件，交趾偶极子在E面构成连续的电流层平面，当在其电流方向扫描的时候，阻抗特性变化也很缓慢，但是只有一个偶极子贴片，当二维波束扫描时候是不够的，尤其是当在H面扫描的时候。图5给出了具体实施实例在无限阵列环境中的一个单元各种扫描情况下的驻波比，图5(a)、(b)、(c)分别是在如图2所示的坐标系下，在E面D面H面三个典型的平面上分别扫描到0°、15°、30°、45°的VSWR。并且作为比较，图6给出了只有交趾偶极子，没有U型贴片和有U型贴片时两种结构扫描到H面45°时候的驻波比对比图，从此图可以看出本发明提出的结构能够很有优势地降低扫描到大角度时候的驻波比。为了进一步说明本发明的作用，图7、图8分别给出了本发明的结构与一般的结构在H面扫描到45°时候工作在8GHz、10GHz的电流分布图对比。从图7(a)、(b)和图7(c)、(d)的对比可以发现，本发现能够明显改善电流的分布，使其分布更均匀，这也解释了以上驻波比降低的原因。可见采用本发明的结构做单元，更有利于二维波束扫描。

实施例2：本实施例采用8*8阵列结构，其示意图如图1所示。整个阵列中，交趾偶极子和U型结构间隔排列。其他结构与元件结构同实施例1中描述。

考虑到现有仿真硬件设施条件，本实施例采用电磁仿真中的方向图叠加原理对8*8面阵的方向图作仿真模拟。图辐射方向图分别如图8、9、10所示。从面阵方向图可以看出，此面阵在各个角度均有一个主波束，准确指向扫描方向，其余均为副瓣。

Claims (4)

1.一种改进型强互耦超宽带二维波束扫描相控阵天线，它的结构包括交趾偶极子(101)、和U型结构贴片(102)、承载印刷贴片的介质层(103)、在偶极子端口进行馈电的非平衡馈电结构(105)、反射地板(106)。印刷偶极子和U型环放置在介质层的中间，印刷辐射贴片所在的介质层放置在距离反射地板上方约四分之一波长处，地板与该介质层直接由泡沫聚苯乙烯材料填充，起到支撑上层结构的作用。

2.根据权利要求1所述的一种改进型强互耦超宽带二维扫描相控阵天线，其特征在于一沿着偶极子臂的方向在偶极子末端通过交趾加强与相邻单元之间的耦合，二与偶极子垂直的正交方向末端印刷U型结构单元，该U型结构横跨在两个相邻的天线单元之间且关于两个单元的边界对称。

3.根据权利要求1所述的一种改进型强互耦超宽带二维扫描相控阵天线，其特征还在于所述的U型贴片单元可以使交趾偶极子上的电流分布更均匀，从而使其阻抗特性随着扫描角度的改变而变化缓慢，有利于实现二维波束扫描。

4.根据权利要求1所述的一种改进型强互耦超宽带二维扫描相控阵天线其特征还在于其在介质层(103)对称位置处开了两个长方形的槽，以消除表面波。