CN105305098A - 基于强互耦效应的超宽带共孔径相控阵天线及研制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于强互耦效应的超宽带共孔径相控阵天线及研制方法，它包含印制在介质层上的由呈周期性排列的偶极子单元构成的高频段天线单元和低频段天线单元，并在同一频段的相邻偶极子单元之间设置具有增强电容耦合效应的结构，高、低频段天线单元之间引入电磁带隙结构，用以抑制阵列在高频段的栅瓣电平，以及一端与各偶极子单元相连，一端与对应反射地板相连的不平衡-平衡阻抗变换结构，且对应频段天线单元设置于对应反射地板上方的1/4波长处，该波长为对应频段的最高频处的波长。本发明用于超宽带共孔径相控阵天线的设计，其设计的共孔径相控阵天线尤其适合需要超宽工作频带的应用平台。

Description

基于强互耦效应的超宽带共孔径相控阵天线及研制方法

技术领域

本发明属于天线工程技术领域，特别涉及基于强互耦效应的超宽带共孔径相控阵天线及其研制方法。

背景技术

相控阵天线具有纳秒级的快速波束扫描能力，并且完全没有机械波束扫描系统具有的运动惯性、时间延迟以及机械振动等缺点，因此在目标侦查、跟踪、成像以及卫星通信等领域得到广泛应用。传统相控阵天线设计方法，具有几个倍频程的宽带相控阵天线设计面临着诸多棘手的困难。受常规阵列天线理论中“扫描角-阵元间距”定律限制，首先必须设计出单元尺寸小于高频端处半波长的宽带天线单元；其次，天线单元在宽频带内必须具有稳定的辐射方向图，这对小型宽带天线单元的设计提出了很大挑战；最后，在极小天线单元间距下(小于高频端处半波长间距)，要求尽量减小天线单元之间的互耦效应，以保证相控阵天线具有与带宽天线单元一样的带宽。其中，最后一点是传统相控阵天线设计方法给宽带相控阵天线设计带来的最大难题。

近年来，国际天线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。如专利号为US6512487的美国专利中提出的“宽带相控阵及相关技术”。在该方案中，为了获得极宽的工作带宽，通过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。因此该方案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，因此该方案不便于后续进一步的复杂平台载体上共形宽带相控阵天线设计。

另外，在专利号为US5485167的美国专利提出了一种利用多层偶极子天线阵的多频率相控阵天线。但是这种多层天线的埋置互连的方案，导致元件的制造与连接十分困难，而且上面的元件会对下面元件的辐射产生相当程度的遮挡。出于这些限制，因此该方案仍没有达到足够宽。

在公开号为CN1618144A的中国专利中，公开了一种采用高频元件与低频元件交错排布覆盖宽频带。这种交错方法的缺点是低频和高频元件非常靠近从而产生彼此间强烈的耦合，不利于天线正常工作。而且此种方案低频元件与高频元件工作的极化方式相互正交，不利于应用在要求整个工作频带要求同一种极化的场合。

随着电子技术的快速发展，各种无线电系统所处的电磁环境越来越复杂，电子系统本身也越来越趋于多种功能的高度集成化。研究具有超宽频带、宽角扫描特性的相控阵天线十分关键，天线孔径的工作带宽必须进一步拓展。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种无需使用多层介质板，仅用一副天线就能实现25倍以上超宽频带覆盖和±45°宽角扫描的相控阵天线形式。

本发明的基于强互耦效应的超宽带共孔径相控阵天线，包括介质层(107)、阻抗匹配层(108)、反射地板、填充材料(106)和天线子阵单元阵列，其特征在于，所述天线子阵单元包括设置在介质层(107)上的1个第一频段偶极子单元(101)、2个或2个以上的相邻排列的第二频段偶极子单元(102)；设置于第一频段偶极子单元(101)和第二频段偶极子单元(102)之间的电磁带隙结构(EBG)；一端与各偶极子单元相连，一端与对应反射地板相连的不平衡-平衡阻抗变换结构(104)，与第一频段偶极子单元(101)对应的反射地板为第一反射地板(109₁)，与第二频段偶极子单元(102)对应的反射地板为第二反射地板(109₂)；且介质层(107)与第一反射地板(109₁)的距离为第一频段最高频处的0.2～0.3波长，介质层(107)与第二反射地板(109₂)的距离为第二频段最高频处的0.2～0.3波长；且同一频段的相邻偶极子单元之间具有增强电容耦合效应的结构(101-1、102-1)；介质层(107)与反射地板之间的填充材料(106)为低介电常数材料，阻抗匹配层(108)位于介质层(107)上方。

上述共孔径方案的优点是：不同频段(高、低频段)天线印刷在同一块介质板上，加工起来十分方便，也符合“共孔径”的内在要求；二者水平平行而不是上下平行放置，可以避免遮挡效应对天线辐射的影响,并且在全频带内同极化工作；采用不等高反射地板，可以保证高、低频各自的宽带性能，因为天线离反射地板的距离极大影响强互耦相控阵的带宽。高、低频段的偶极子单元与EBG结构直接印刷在介质板上，加工便捷简单，可以十分方便地实现高、低频天线的共孔径。阵列只需要一块大的介质板。加工简单，组装灵便。

进一步的，同一频段的相邻偶极子单元之间的距离为对应频段最高频处的0.4～0.5波长。按照经典理论，若高频元件阵元间距等于其最高工作频率的半波长，则在整个工作频带内扫描到任何角度(除了±90度)，皆不会产生栅瓣。但经试验发现，在共孔径情况下，高频天线阵列扫描时，会发生栅瓣。这是由于共孔径下低频单元影响高频单元的方向图，所以导致高频天线阵列出现栅瓣。而本发明通过在高频段与低频段天线辐射体之间引入的电磁带隙结构(EBG)能较好的抑制高频阵列的栅瓣。

同时，本发明还公开了基于强互耦效应的超宽带共孔径相控阵天线的研制方法，包括下列步骤：

在介质层(107)上印刷相邻排列的第一频段偶极子单元(101)、相邻排列的第二频段偶极子单元(102)，且同一频段的相邻偶极子单元之间的距离为对应频段最高频处的0.4～0.5波长，并在同一频段的相邻偶极子单元之间设置具有增强电容耦合效应的结构(101-1、102-1)；

在第一频段偶极子单元与第二频段偶极子单元之间设置电磁带隙结构，以及一端与各偶极子单元相连，一端与对应反射地板相连的不平衡-平衡阻抗变换结构(104)，与第一频段偶极子单元(101)对应的反射地板为第一反射地板(109₁)，与第二频段偶极子单元(102)对应的反射地板为第二反射地板(109₂)；且介质层(107)与第一反射地板(109₁)的距离设置为第一频段最高频处的0.2～0.3波长，介质层(107)与第二反射地板(109₂)的距离设置为第二频段最高频处的0.2～0.3波长；

在介质层(107)上方设置阻抗匹配层(108)，在介质层(107)与第一反射地板(109₁)、第二反射地板(109₂)之间设置起支撑作用的填充材料(106)。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：无需使用多层介质板，仅用一副天线就能实现25倍以上超宽频带覆盖和±45°宽角扫描的相控阵天线形式。

附图说明

图1为包含低频段8单元高频段24单元的基于强互耦效应的超宽带共孔径相控阵线阵的立体图。

图2为图1中的一个天线子阵单元的结构立体图。

图3为图1中的一个天线子阵单元的辐射单元部分。

图4为实施例1在低频段处于不扫描状态与扫描状态下的驻波特性。

图5为实施例1在高频段处于不扫描状态与扫描状态下的各端口驻波特性，其中图5(a)为非扫描状态，图5(b)为扫描状态。

图6为实施例1在低频段45°扫描状态下的辐射方向图。

图7为实施例1在高频段45°扫描状态下的辐射方向图。

图8为实施例1在工作于20f0时45°扫描状态下的辐射方向图。

图9为实施例2的辐射单元层。

其中，100——基于强电容耦合的超宽带共孔径相控阵天线，101——低频段偶极子单元，101-1——低频段偶极子单元的交指电容，102——高频段偶极子单元，102-1——高频段偶极子单元的交指电容，103——金属贴片，104₁——低频段馈电巴伦，104₂——高频段馈电巴伦，105——金属柱，106——填充材料，107——介质层，108——宽角阻抗匹配层，109₁——低频段反射地板，109₂——高频段反射地板，110₁——对应104₁的微波同轴电缆，110₂——对应104₂的微波同轴电缆。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

实施例1

参照图1，本实施例的基于强电容耦合的超宽带共孔径相控阵天线100由一层印刷有紧密排列偶极子单元的天线子阵单元的阵列构成。本发明将全工作频带分为高和低两个频段，尺寸较大的偶极子称为低频段偶极子单元101，而将尺寸较小的偶极子称为高频段偶极子单元102。参照图2，本发明的天线子阵单元包括：印刷在介质层107(厚度30mil，相对介电常数ε_r＝2.2)上的低频段偶极子单元101和高频段偶极子单元102(1个低频段偶极子单元101纵向对应分布3个高频段偶极子单元102，其辐射单元部分如图3所示)，在低频段偶极子单元101与高频段偶极子单元102之间印刷有通过金属柱105接地(与低频段反射地板109₁相连)的金属贴片103，其中103和105共同组成高、低频段阵列间的电磁带隙结构(EBG)。参照图3，本实施例1中，设置2×5个金属贴片103和2×5个接地金属柱105，金属贴片103的尺寸为3.5mm×3.5mm，中心间距7mm。以及对各偶极子单元(101、102)的两臂进行馈电的不平衡-平衡阻抗变换结构，该结构又称馈电巴伦(104₁、104₂)，其一端与偶极子单元相连，一端与对应反射地板相连，以及对馈电巴伦进行馈电的微波同轴电缆(110₁、110₂)。且相邻偶极子单元之间具有由偶极子单元末端延长了的交指电容(101-1、102-1)，从而增强相邻偶极子单元之间电容耦合效应。以及设置介质层107与低频段反射地板109₁之间的距离为低频段的最高频处的四分之一波长，低频段偶极子单元101之间的单元间距为低频段最高频处半个波长；介质层107与高频段反射地板109₂之间的距离为高频段最高频处的四分之一波长，高频段偶极子单元102之间的单元间距为高频段最高频处半个波长。

基于上述描述的天线子阵单元，将其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1用图2所示的天线子阵单元组成1×8直线相控阵(具体来说包含低频段1×8个单元，高频段1×24个单元)，其立体图如图1所示。同时设置介质层107与反射地板(109₁、109₂)之间所填充的填充材料106选用聚苯乙烯泡沫，填充材料106在整个结构中起结构支撑作用，任何可用于支撑天线阵列结构的低介电常数材料均可；阻抗匹配层108位于介质层(107)上方。

图4～8给出了本实施例1在不同扫描状态下的对应驻波特性及辐射方向图，其中从图4可见，本实施例1的超宽带共孔径相控阵在低频段至少具有5.8:1的阻抗带宽；从图5可见，本实施例1的超宽带共孔径相控阵在高频段至少具有4.3:1的阻抗带宽；从图6可见，本实施例1的超宽带共孔径相控阵在低频段具有良好的扫描特性；从图7可见，本实施例1的超宽带共孔径相控阵在高频段具有良好的扫描特性；从图8可见，本实施例1基于其EBG结构后，能有效抑制高频段寄生栅瓣电平。

上述基于强电容耦合的超宽带共孔径相控阵天线100的结构简单，且无需像传统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。高、低频段天线可印刷在同一块介质板上，加工组装十分方便，也符合“共孔径”的内在要求；二者水平平行而非上下平行放置，可以避免遮挡效应对天线辐射的影响；高、低频段天线下方采用不等高反射地板，可以保证高、低频段各自的宽带性能，因为天线离反射地板的距离极大影响强互耦相控阵的带宽；高、低频段偶极子单元间引入的电磁带隙结构(EBG)，可以有效抑制阵列在高频处出现的栅瓣。这种设计方案特别适合于有轻量化、共形设计要求的工程应用。

实施例2

具体地，将每个天线子阵单元沿着阵面二维方向分别延伸，即可构成如图9中的4×8超宽带共孔径相控阵天线。其他结构与元件同实施例1中的详细描述。

以上所述，仅为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。本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (8)

1.基于强互耦效应的超宽带共孔径相控阵天线，其特征在于，包括介质层(107)、阻抗匹配层(108)、反射地板、填充材料(106)和天线子阵单元阵列，其特征在于，所述天线子阵单元包括设置在介质层(107)上的1个第一频段偶极子单元(101)、2个或2个以上的相邻排列的第二频段偶极子单元(102)；

设置于第一频段偶极子单元(101)和第二频段偶极子单元(102)之间的电磁带隙结构；一端与各偶极子单元相连，一端与对应反射地板相连的不平衡-平衡阻抗变换结构(104)，与第一频段偶极子单元(101)对应的反射地板为第一反射地板(109₁)，与第二频段偶极子单元(102)对应的反射地板为第二反射地板(109₂)；且介质层(107)与第一反射地板(109₁)的距离为第一频段最高频处的0.2～0.3波长，介质层(107)与第二反射地板(109₂)的距离为第二频段最高频处的0.2～0.3波长

同一频段的相邻偶极子单元之间具有增强电容耦合效应的结构(101-1、102-1)；介质层(107)与反射地板之间的填充材料(106)为低介电常数材料，阻抗匹配层(108)位于介质层(107)上方。

2.如权利要求1所述的超宽带共孔径相控阵天线，其特征在于，相邻偶极子单元之间具有用于增强电容耦合效应的交指电容。

3.如权利要求1所述的超宽带共孔径相控阵天线，其特征在于，还包括微波同轴电缆，所述微波同轴电缆穿过对应反射地板分别与各不平衡-平衡阻抗变换结构(104)相连。

4.如权利要求1所述的超宽带共孔径相控阵天线，其特征在于，填充材料(106)为聚苯乙烯泡沫。

5.如权利要求1所述的超宽带共孔径相控阵天线，其特征在于，同一频段的相邻偶极子单元之间的距离为对应频段最高频处的0.4～0.5波长。

6.如权利要求1、2、3、4或5所述的超宽带共孔径相控阵天线，其特征在于，设置于第一频段偶极子单元(101)和第二频段偶极子单元(102)之间的电磁带隙结构为：设置于介质层(107)上的金属贴片(103)，且金属贴片(103)通过金属柱(105)与第一反射地板(109₁)相连。

7.如权利要求6所述的超宽带共孔径相控阵天线，其特征在于，天线子阵单元包括3个第二频段偶极子单元(102)，第一频段偶极子单元(101)和第二频段偶极子单元(102)之间包括2排金属贴片(103)，每排包括5个金属贴片(103)，每个金属贴片(103)的尺寸为3.5mm*3.5mm，且各金属贴片(103)的中心间距为7mm。

8.基于强互耦效应的超宽带共孔径相控阵天线的研制方法，其特征在于，包括下列步骤：

在介质层(107)上印刷相邻排列的第一频段偶极子单元(101)、相邻排列的第二频段偶极子单元(102)，且同一频段的相邻偶极子单元之间的距离为对应频段最高频处的0.4～0.5波长，并在同一频段的相邻偶极子单元之间设置具有增强电容耦合效应的结构(101-1、102-1)；

在第一频段偶极子单元与第二频段偶极子单元之间设置电磁带隙结构，以及一端与各偶极子单元相连，一端与对应反射地板相连的不平衡-平衡阻抗变换结构(104)，与第一频段偶极子单元(101)对应的反射地板为第一反射地板(109₁)，与第二频段偶极子单元(102)对应的反射地板为第二反射地板(109₂)；且介质层(107)与第一反射地板(109₁)的距离设置为第一频段最高频处的0.2～0.3波长，介质层(107)与第二反射地板(109₂)的距离设置为第二频段最高频处的0.2～0.3波长；

在介质层(107)上方设置阻抗匹配层(108)，在介质层(107)与第一反射地板(109₁)、第二反射地板(109₂)之间设置起支撑作用的填充材料(106)。