CN105552555B - 一种圆极化缝隙天线单元及其相控阵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于圆极化二维大角度扫描相控阵，属于天线技术领域。本发明采用平面微带结构设计宽波束圆极化天线单元，天线单元包括介质基板、设于基板正面的馈电网络、设于基板背面的方环形辐射缝隙、以及设于基板正下方的金属反射板。将天线单元进行恰当的排列组成相控阵天线，最后通过控制各个单元的馈电相位，实现了相控阵天线的二维大角度扫描功能，且具有圆极化特性。

Description

一种圆极化缝隙天线单元及其相控阵

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别涉及一种应用于车载、机载、舰载和星载雷达系统等多方面的相控阵天线。

背景技术

相控阵天线是随着雷达系统发展而诞生的产物。早期雷达系统是通过机械旋转的方式来获得较大的扫描区域，而相控阵天线是通过电控制阵元相位的方法来改变方向图的波束指向，从而覆盖较大的扫描区域。将其应用于雷达系统便可以大大提高系统扫描速度，为制导、探测、搜索、识别、捕获和跟踪提供了及时的信息，这对于雷达系统的发展而言起到了至关重要的作用。相控阵天线的应用领域主要集中体现在国防军事领域。在陆基系统中，有地面预警相控阵雷达、防空导弹系统、卫星跟踪相控阵雷达天线等等；在空基系统中，有战斗机机载火控雷达，有最新的保形“智能蒙皮”天线等；在海基系统中，为了有效地解决水面航母、舰艇编队在复杂电磁干扰环境下抗击空中、海上、海下多方向、多批次饱和攻击的威胁，大量的相控阵雷达被用于各类型舰艇上；在太空探索中，最具代表性的就是星载相控阵雷达。此外，随着商业用途的拓展，出现了用于预报气象、海啸、灾后搜索存活生命的相控阵天线。

在集成化、轻量化发展趋势的驱动之下，具有易于集成、重量轻等独特优势的微带天线成为雷达天线很好的选择。此外，相比于线极化天线，圆极化天线可以接收任意极化方式的电磁波，能满足使用者收发位置的随意性。因此可见宽角度圆极化天线及其阵列在军事领域雷达系统中有巨大的应用潜力。

文献“毫米波方向图可重构天线及其相控阵研究”(发表期刊：2011年全国微波毫米波会议论文集；发表日期：2011年；作者：王秉中，丁霄)，文章提出了一种可大角度扫描并且增益较高的相控阵天线，该天线单元采用缝隙耦合馈电的方式，具体结构为五层，包括贴片层、上层介质板、地板层、下层介质板、馈电网络层，通过改变馈电网络的结构，使得天线具有方向图可重构的特性。然后在此基础上设计了一个1×4单元的宽角度线极化扫描直线阵列。通过控制相控阵单元方向图及各个单元的馈电相位，该相控阵能实现从-80°到+80°范围内的一维大角度波束扫描。但其只进行了一维的波束扫描，并未拓展到二维层面上，而且由于微带天线本身的特性，使得普通的微带相控阵扫描角度很窄，且此相控阵为线极化辐射，导致其应用受到很大的限制。

文献“A Wide Band,Dual Polarized Patch Antenna for Wide Angle ScanningPhased Arrays (Doganay Dogan,2013-4-12)”将相控阵的扫描范围扩展到二维面上，但其工作需要由双端口控制才能实现水平极化和垂直极化两种工作方式，并且天线结构较为复杂、控制不便。

文献“A Broad Beam-width Microstrip Cross Antenna Design for Wide ScanAngle Phased Array(Zhao Wang；Dongmei Dan；Shaoqiu Xiao；Mingchun Tang.IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series on RF and Wireless Technologies forBiomedical and Healthcare Applications,2013-8-13)”对二维大角度扫描相控阵做了改进，使其能够辐射圆极化波，但每个单元需要由两个端口进行控制，降低了相控阵整体的灵敏度。

因此，如何将相控阵一维大角度扫描拓展到二维大角度扫描，且覆盖面广，是相控阵天线中一个极富挑战性的课题。此外，天线圆极化特性的实现也极为重要。

发明内容

针对现有技术和问题，本发明提供了一种具有二维大角度扫描能力的相控阵天线。本发明采用平面微带结构设计宽波束天线单元，并将单元进行恰当的排列组成相控阵天线，最后通过控制各个单元的馈电相位，实现了相控阵天线的二维大角度扫描功能。

本发明采用以下技术方案：

一种圆极化缝隙天线单元，包括介质基板、设于基板正面的馈电网络、设于基板背面的方环形辐射缝隙、以及设于基板正下方的金属反射板，其特征在于：

所述基板为正方形基板；

所述馈电网络包括矩形馈电贴片、分别与馈电贴片相邻两边连接的开路匹配枝节与T型节、以及分别与T型节两输出端连接的长度不同的两条微带馈线；

所述方环形辐射缝隙设置于覆盖基板背面的金属辐射贴片上，其中心与基板中心重合；

所述天线单元通过同轴线馈电，同轴线外导体与基板背面的辐射贴片相连，内导体穿过基板连接馈电贴片；

所述两微带馈线正交设置，其中与T型节输出端90度弯折连接的微带馈线比另一微带馈线长四分之一介质波长，使得天线激励起两个幅度相等相位正交的激励模，从而实现圆极化；

所述金属反射板与介质基板之间留有空隙层，介质基板通过支架支撑于金属反射板上方。

所述圆极化天线单元等间距排列组成相控阵天线。

相控阵天线单元的辐射特性是相控阵波束覆盖范围大小的一个决定性因素，本发明中相控阵天线的基本单元是一种微带结构的圆极化方环缝隙天线。通常相控阵天线单元辐射的是线极化波，例如背景当中的天线，考虑到圆极化天线的诸多优点，以及雷达系统对波束覆盖面的要求，设计了本发明中的相控阵天线单元。上层贴片为馈电网络层，每个单元的馈电网络包括一个T型节和一个开路匹配枝节，以及分别与T型节两输出端连接的长度不同的两条微带馈线。首先由同轴线进行馈电，由T型节把下层端口馈入的能量一分为二，然后经过微带线通过能量耦合的形式馈入辐射缝隙，T型节分出的两路微带线长短不同，与T型节90度弯折连接的微带馈线比另一微带馈线长四分之一介质波长，目的是使天线激励起两个幅度相等相位正交的激励模，从而实现圆极化。进一步的，在天线下方约四分之一波长距离的位置处放置金属反射板，将天线的辐射约束在上半空间。

最后将辐射单元等间距排列成面阵结构，由于单元本身的波束覆盖角度较大，将其合理布阵之后可实现二维大角度波束扫描，且此相控阵天线可辐射圆极化波。单元间的排列距离是一个关键之处，通过改变单元间距离即介质基板的尺寸来调整辐射波束扫描角，因为天线单元尺寸较小，相邻单元之间的距离小于二分之一波长距离，最终得到很好的扫描效果。

本发明通过对辐射单元的合理设计，以及馈电相位的控制，实现二维平面相控阵的大角度扫描功能，相比现有技术，本发明提供的相控阵天线能够实现二维方向的大角度波束扫描，且具有圆极化的特性。天线单元通过单端口控制便可实现圆极化辐射，对于相控阵来说，控制更方便，其灵敏度便会更高。

附图说明

图1为本发明圆极化缝隙天线单元结构示意图；

图2为本发明一种圆极化缝隙天线单元的二维大角度扫描相控阵天线结构图；

图3为本发明圆极化缝隙天线单元的仿真回波损耗；

图4为本发明圆极化缝隙天线单元在中心频率下的轴比示意图；

图5为本发明一种圆极化缝隙天线单元的二维大角度扫描相控阵天线的XOZ面扫描方向图；

图6为本发明一种圆极化缝隙天线单元的二维大角度扫描相控阵天线的YOZ面扫描方向图。

图中：1.馈电贴片，2.T型节，3.开路匹配枝节，4.第一微带馈线，5.第二微带馈线，6.介质基板，7.方环形辐射缝隙，8.辐射贴片，9.馈电点，101.上层馈电网络层，102.介质基板，103. 下层辐射缝隙层，104.同轴馈线，105.金属反射板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述。

该相控阵天线工作的中心频率为5.8GHz，相控阵天线单元结构如图1(a)、(b)、(c)，包括介质基板6，设于基板正面的组成馈电网络的馈电贴片1、T型节2、开路匹配枝节3、第一微带馈线4、第二微带馈线5，设于基板背面的辐射缝隙层，及天线下方的金属反射板105。

如图1(a)所示，介质基板采用介电常数为4.4，厚度为1mm的FR4材质。由同轴线对基板上方的馈电网络进行馈电，输入端微带馈电贴片的特性阻抗为50欧，线宽1mm，长a＝1.5mm，然后将能量馈入T型节2，其尺寸为c＝2.43mm，t＝0.85mm，f＝0.3mm，分出两路微带线4、5，其特性阻抗为70.7欧，具体尺寸为mf＝7.85mm，ms＝5.85mm，第一微带馈线比第二微带馈线长四分之一介质波长。为了更好的匹配，增加了一段开路匹配枝节3，其尺寸为b＝3.27mm， d＝1.63mm。

所示辐射缝隙层位于介质基板背面，外围尺寸与基板相同，方环形辐射缝隙7尺寸为 wa＝10mm，wb＝12mm。同轴馈电端口9位于内部金属一侧：fs＝2.2mm，fm＝4.44mm。

图1(c)是圆极化方环缝隙天线单元的三维结构图，101是馈电网络，102是介质基板，103 是辐射缝隙，104是馈电端口，105是金属反射板，金属反射板上表面与天线下表面距离为 23mm。将单元进行合理排布之后，设计了如图2所示的4×4结构的二维大角度扫描相控阵天线，相邻单元的中心间距是22mm。

利用CST Microwave Studio对该相控阵天线单元进行建模仿真，其仿真回波损耗如图3所示，图中标示出了-6dB基准线。在中心频率5.8GHz下天线的轴比方向图如图4所示，图中标出了5dB基准线，轴比波瓣宽度在两个面上都大于100°。

图5、图6分别给出了相控阵天线在XOZ面和YOZ面上的扫描方向图，表1、表2分别为XOZ面和YOZ面方向图相关数据。XOZ面联合3dB波束宽度为-75°到+75°，YOZ面联合3dB波束宽度为-75°到+80°。

表1XOZ面辐射方向图增益性能

表2YOZ面辐射方向图增益性能

相控阵天线工作基本方式为：通过控制各端口相位，从而达到辐射方向图指向偏转的目的。为说明本文的相控阵天线，本文给出了在XOZ面和YOZ面两个相互垂直方向的扫描方向图，即图5、图6所示。当对各个端口馈电进行调整，此相控阵天线的扫描波束主瓣最大指向-55 °、+55°,3dB波束覆盖-75°到+75°。

Claims (2)

1.一种圆极化缝隙天线单元，包括介质基板、设于基板正面的馈电网络、设于基板背面的方环形辐射缝隙、以及设于基板正下方的金属反射板，其特征在于：

所述基板为正方形基板；

所述馈电网络包括矩形馈电贴片、分别与馈电贴片相邻两边连接的开路匹配枝节与T型节、以及分别与T型节两输出端连接的长度不同的两条微带馈线；

所述方环形辐射缝隙设置于覆盖基板背面的金属辐射贴片上，其中心与基板中心重合；

所述天线单元通过同轴线馈电，同轴线外导体与基板背面的辐射贴片相连，内导体穿过基板连接馈电贴片；

所述两微带馈线正交设置，其中与T型节输出端90度弯折连接的微带馈线比另一微带馈线长四分之一介质波长；

所述金属反射板与介质基板之间留有空隙层，介质基板通过支架支撑于金属反射板上方。

2.如权利要求1所述的一种圆极化缝隙天线单元，其特征在于：所述圆极化天线单元等间距排列组成相控阵天线。