CN105846081B - 一种双极化一维强耦合超宽带宽角扫描相控阵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双极化一维强耦合超宽带宽角扫描相控阵，该天线由两个水平极化交指型耦合的偶极子和两个垂直极化交指型耦合的偶极子构成阵元，沿水平极化所在维度排布成线阵。其基本结构在空间顺序上从上到下依次包括竖直正交的寄生印刷介质板(1)、水平极化的交指型偶极子(2)、介质板(3)、垂直极化的交指型偶极子(4)、垂直极化的交指型偶极子的水平延伸部分(5)、垂直极化的交指型偶极子的竖直渐变延伸部分(6)、渐变微带线馈电结构(7)、反射地板(8)、接地金属围栏(9)、功分器(10)、50欧姆同轴转接头(11)。其中，单元间的紧耦合结构有助于天线实现超宽带效果；用竖直正交的寄生印刷介质板代替笨重的传统宽角阻抗匹配层实现宽角扫描功能，同时达到了轻量化设计效果；垂直极化的交指型偶极子通过向两侧竖直渐变延伸，既弥补了只有一维耦合效应对天线带宽的影响，又节约了空间；渐变微带线馈电结构起到了阻抗变换的作用；接地金属围栏与垂直极化的交指型偶极子的竖直渐变延伸部分之间的电容效应与天线电感相抵消，改善了低频的回波损耗。

Description

一种双极化一维强耦合超宽带宽角扫描相控阵
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及到双极化超宽带相控阵天线，具体说来是用于现代通信系统、雷达系统的双极化超宽带宽角扫描一维线阵相控阵天线。
背景技术
具有宽频带、宽角扫描特性的相控阵天线是现代雷达、电子战系统中常用的天线形式。随着现代军用电子技术的快速发展，各种军事电子系统对相控阵的宽带宽、宽扫描角的性能要求不断提高。传统的宽带相控阵设计，是首先设计出单个的具有比相控阵带宽更宽带宽的孤立单元，然后再将设计好的宽带天线单元进行组阵。在组阵时，希望尽可能地增大阵元间距，以使阵元间的互耦尽量的小，从而尽量不影响阵元的性能。然而，由于阵列栅瓣抑制条件的限制，阵元间距必须小于一定的范围。因此，受阵元间不容忽略的互耦效应影响，相控阵的带宽很难进一步拓展。
而且，由于要求阵元具有很宽的带宽特性，因此阵元必然都具有较大的横向或纵向尺寸。横向尺寸太大，则影响相控阵列的宽带宽角扫描特性；纵向尺寸太大，则不适合平面结构的实现，不便于共形。近年，一种基于强互耦效应的天线应运而生。这种天线技术最初是由美国俄亥俄州立大学电气工程系B.Munk教授在6512487号的专利“宽带相控阵及相关技术”(Wideband Phased Array Antenna and Associated Methods)中提出的。通过在紧密排列的偶极子末端引入电容耦合分量，来补偿由反射地板带来的电感分量，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。同时，为实现其宽角扫描功能，在该种类型天线的设计中通常结合E.G.Magill和H.A.Wheeler在1966年提出的宽角阻抗匹配技术——通过在阵列顶层放置一块或者数块介质板，又叫宽角阻抗匹配(WAIM)层，用以减缓阵列扫描时带来的一些阻抗变化，从而实现宽角扫描。相较于以往提出的相控阵天线，强耦合相控阵不仅具有超宽带宽角扫描的特性，而且还大大降低了天线剖面高度。
然而，这种新型的相控阵技术目前存在一些不足：(1)由于对单元间的耦合强度有很高要求，因此该技术通常应用于天线面阵。200380104960.2号专利“相控阵天线上的多层电容耦合”和201510163350.4号专利“一种改进型强互耦超宽带二维波束扫描相控阵天线”便是该技术应用于面阵的例子。对于某些狭长形空间的应用场景，二维的相控阵天线显得十分不适用。过去，Vivaldi形式的一维宽带相控阵也曾被提出，如2010年R.W.Kindt等人在IEEE Transactions on Antennas and Propagation上发表的“Ultrawideband all-metalflared-notch array radiator”一文中提出的Vivaldi线阵，虽然该线阵具有6.6:1的阻抗带宽(±45°扫描)，但其单元间距已超出抑制删瓣条件的限制，并且，天线剖面高度达到了高频波长的3倍，这在实际应用中非常不利。因此，将利用强耦合效应的新技术推广应用到一维相控阵中是目前所迫切需要的。然而，在空间受限，甚至于不能加载哑元的情形下，仅仅依靠一维的强耦合效应来实现超宽带和宽角扫描效果又是异常困难的挑战。本发明将针对这一缺陷，提出恰当有效的解决手段；(2)为实现宽角扫描而采用的宽角阻抗匹配(WAIM)层厚度通常可达到高频波长的1/4倍。如2015年Dimitrios K.Papantonis等人在IEEEAntenna and Wireless Propagation Letters中发表的“Dual Polarized TightlyCoupled Array with Substrate Loading”一文中所用到的宽角阻抗匹配层厚度将近为高频波长的1/3倍。而且，这种介质材料的密度通常较大，在这种情况下大大增加了天线重量。在2015年的AP-S会议上，Ersin Yetisir等人发表的题为“Wideband&Wide Angle ScanningArray with Parasitic Superstrate”一文中提出一种印刷的寄生介质板，用来替代传统的宽角阻抗匹配层，达到降低成本和减重目的。然而，该篇论文中的天线为竖直摆放的单线极化偶极子阵列，本发明将其办法改进引用至最常用且最易共形的平面天线中，并且将其应用范围拓展至双线极化的情形。
发明内容
鉴于以上技术背景，本发明提出了一种基于强互耦机理的一维双极化宽带宽角扫描的相控阵天线。具体来说，在实现宽带宽角扫描功能的前提下，将强耦合二维相控阵一维化。这种线阵有其独特的应用场景。该天线的两个极化在±60°扫描范围内分别具有5：1和4：1的工作带宽。在大部分频带范围内都能实现80％以上的辐射效率。天线设计中单元整体尺寸为1.1λh×0.453λh×0.953λh(功分器最下端距寄生介质层最上端间的距离)，λh为最高频波长。从地板到天线顶端的剖面高度约为0.7λh，远小于以往提出的Vivaldi形式的一维超宽带相控阵天线的高度。
该天线基本结构在空间顺序上从上到下依次包括竖直正交的寄生印刷介质板(1)、水平极化的交指型偶极子(2)、介质板(3)、垂直极化的交指型偶极子(4)、垂直极化的交指型偶极子的水平延伸部分(5)、垂直极化的交指型偶极子的竖直渐变延伸部分(6)、渐变微带线馈电结构(7)、反射地板(8)、接地金属围栏(9)、功分器(10)、50欧姆同轴转接头(11)。其中竖直正交的寄生介质板(1)用于宽脚扫描功能，它的摆放与相互正交的水平极化的交指型偶极子(2)和垂直极化的交指型偶极子(4)位置平行，但并不位于其正上方，这种错开放置的方式更方便组装，并且不影响天线辐射效果；介质板(3)是由天线水平部分和两侧竖直部分组成，水平极化的交指型偶极子(2)和垂直极化的交指型偶极子(4)分别印刷于介质板(3)的上下表面；包含辐射偶极子和馈电结构在内，两组极化结构的设计参数值并不相同，这样提高了设计自由度；渐变微带线馈电结构(7)属于非平衡馈电方式，起到阻抗变换作用。由于该线阵未产生面阵设计时常出现的谐振问题，因此这种非平衡馈电结构能够满足设计要求，并且结构简单；反射地板(8)比介质板(3)宽0.125λh；在侧边，垂直极化的交指型偶极子的竖直渐变延伸部分(6)与接地金属围栏(9)有正对重叠的部分；三级一分二的功分器(10)从巴伦输入端的100Ω阻抗变换到同轴输入端的50Ω。
本发明的创新有以下几个方面：(1)将利用阵元间强耦合效应拓展天线带宽的技术应用至一维相控阵；(2)垂直极化偶极子两侧水平和竖直渐变延伸部分取代了传统的接匹配电阻的阵元作为哑元，既提高了带宽水平，又避免了损失效率；(3)上述这种垂直设计方式在节约了空间的同时，与金属围栏部分的设计相结合，改善了垂直极化端口的低频电抗，从而拓宽低频阻抗带宽；(4)将寄生印刷介质板代替笨重的宽角阻抗匹配层用于双极化平面天线，实现宽角扫描功能，同时达到了轻量化设计效果。
本发明的特点是将强互耦机理应用到一维相控阵的设计中。在这种特定情景下，天线阵元只有一维的耦合度，相较于面阵而言，其设计难度大大增加。而寄生介质层的使用，则同时达到了天线减重和宽角扫描的目的。
附图说明
图1是26单元线阵俯视图。
图2是图1中一个周期单元的立体结构图。
图3是图2的俯视图。
图4是图2的侧视图。
图5给出了具体实施实例1中两个极化端口在波束扫描角分别为0°、45°、60°时候的驻波比结果图。其中，图5(a)描述的是水平极化时各扫描角度的驻波比、图5(b)描述的是垂直极化时各扫描角度的驻波比。fL为垂直极化工作频带的低端频率。两极化端口的驻波比均是在其正交极化端口接匹配的情况下得到的。
图6给出了具体实施实例1中单元增益随频率变化曲线。理想增益(全部)为天线口径面积下增益的理论值；理想增益(有源)为不计结构两侧平面延伸部分的口径面积下增益理论值；仿真的交叉极化分量是根据Ludwig交叉极化第三定义确定的。图6(a)为激励水平极化端口，天线侧射时的单元增益曲线；图6(b)为激励垂直极化端口，天线侧射时的单元增益曲线。
图7是具体实施实例2中在2fL、5fL两个取样频点的相控阵方位面辐射方向图，给出了侧射、扫描到45度、扫描到60度三种情况。其中，图7(a)是阵列水平极化方位面方向图、图7(b)是阵列垂直极化方位面方向图。
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，采用一维周期边界条件模拟本发明阵元在一维无限大阵列环境中的仿真。单元包含上下两层正交的水平极化的交指型偶极子2和垂直极化的交指型偶极子4，以及垂直极化的交指型偶极子的水平延伸部分5和垂直极化的交指型偶极子的竖直渐变延伸部分6；3是厚度为0.508mm，相对介电常数εr＝2.2的TLY-5介质层，2及4分别印刷在该微波介质层的上下表面；3上方有竖直正交的寄生介质板1，该介质层材料及厚度与3一样，双面印刷金属；7是渐变微带线馈电结构，正反两面分别镀有渐变金属带和长条形金属带；8是反射地板；9是接地金属围栏；地板下方有两个相同的一分二功分器，实现50Ω到100Ω的阻抗转换；7和10均采用厚度为1.52mm，相对介电常数εr＝3.5的RF-35介质材料作基板。仿真所得端口在侧射、扫描45°、扫描60°时的驻波比如图5所示。可见，该天线可以分别在5:1(fL～5fL)和4:1(1.25fL～5fL)的工作带宽内实现一维垂直极化和水平极化±60°大角度扫描。仿真所得天线单元增益(主极化和交叉极化)随频率变化曲线如图6所示。可以看出，单元仿真增益与理想计算增益基本吻合。
实施例2：本实施例将26个实施例1中的结构进行一维排布，两边各一个单元接50欧姆匹配负载作为哑元。其示意图如图1所示。
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线阵的方向图作仿真模拟。辐射方向图如图7所示。从阵列方向图可以看出，此线阵在各扫描角均有一个主波束，准确指向扫描方向。天线的副瓣和交叉极化电平都基本保持在-15dB以上。

Claims (4)

1.一种双极化一维强耦合超宽带宽角扫描相控阵，它的结构在空间顺序上从上到下依次包括竖直正交的寄生印刷介质板(1)、水平极化的交指型偶极子(2)、介质板(3)、垂直极化的交指型偶极子(4)、垂直极化的交指型偶极子的水平延伸部分(5)、垂直极化的交指型偶极子的竖直渐变延伸部分(6)、渐变微带线馈电结构(7)、反射地板(8)、接地金属围栏(9)、功分器(10)、50欧姆同轴转接头(11)，其中，水平极化的交指型偶极子(2)和垂直极化的交指型偶极子(4)分别印刷于介质板(3)的上下表面，渐变微带线馈电结构(7)的上端与水平极化的交指型偶极子(2)和垂直极化的交指型偶极子(4)电连接，下端穿过反射地板(8)上的通孔与功分器(10)电连接，功分器(10)与50欧姆同轴转接头(11)电连接，其特征在于将强耦合超宽带天线技术应用于一维线阵情形的双极化相控阵中。
2.根据权利要求1所述的一种双极化一维强耦合宽带宽角扫描相控阵天线，其特征在于用竖直正交的寄生印刷介质板(1)代替传统宽角阻抗匹配层加载到相互正交的水平极化的交指型偶极子(2)和垂直极化的交指型偶极子(4)的上方。
3.根据权利要求1所述的一种双极化一维强耦合宽带宽角扫描相控阵天线，其特征在于用垂直极化的交指型偶极子的水平延伸部分(5)和垂直极化的交指型偶极子的竖直渐变延伸部分(6)取代了传统的接匹配电阻的阵元作为哑元。
4.根据权利要求1所述的一种双极化一维强耦合宽带宽角扫描相控阵天线，其特征在于接地金属围栏(9)与垂直极化的交指型偶极子的竖直渐变延伸部分(6)相互平行且具有相对面积，共同产生电抗分量。
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