CN106025530A - 一种s波段光控相控阵单元天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种S波段光控相控阵单元天线，涉及无线通信技术领域，包括介质基板、三个引向器、一对激励振子、一个反射振子和微带馈线；其中，介质基板包括正面和背面，引向器、激励振子和反射振子位于介质基板的正面，微带馈线位于介质基板的背面；所述的介质基板的正面设置覆铜的引向器、激励振子和反射振子，其中三个引向器、激励振子与反射振子从上往下依次设置于介质基板。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：通过Ansoft HFSS电磁仿真软件进行仿真并与天线的实际测试做对比，结果表明：驻波比(VSWR)2的相对带宽达到40％，在中心频点2.4GHz最大增益为6dB。

Description

一种S波段光控相控阵单元天线
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种S波段光控相控阵单元天线。
背景技术
近年来，各类需求使得相控阵技术不断发展，光控相控阵天线已成为各国学者关注的焦点。例如，在现代战争中，为了提高相控阵雷达对目标的分辨、识别能力和解决目标的雷达成像问题，要求雷达具有大的瞬时信号带宽。同时，为减小雷达信号被截获的概率和降低反辐射导弹的威胁，通常采用具有大瞬时带宽的扩谱信号。但是，基于移相器的相控阵雷达天线在进行宽角扫描时，由于渡越时间和孔径效应,使得信号的瞬时带宽受限。
为了实现相控阵的宽带宽角扫描,必须使用实时延迟线TTD(True TimeDelay)取代常规相控阵中的移相器，但因数量太多给工程实现带来困难，折衷的方法是在相控阵的子阵级上引入TTD进行延时补偿。传统的TTD是由波导或同轴电缆构成的，对一个口径20m大型相控阵天线，在扫描角为60°时,TTD的长度约为17m，如此长的波导或同轴电缆，无论是对宽带信号的传输损耗还是工程实现，都将带来不便。如果将微波信号调制在光纤上，用光纤作为TTD，称为OTTD(Optical True Time Delay),由于光载波频率极高，信号带宽相对光载波频率极小，线路具有稳定的传输特性。同时将使系统重量减轻,体积减小,无相互辐射干扰。
在相控阵天线中，天线阵列是由多个辐射单元按一定规律排成阵列，辐射单元的辐射特性直接影响天线阵的辐射特性，为了使阵列因子能决定阵性能，必须使辐射单元在扫描角范围内其增益不变，而在扫描角范围外没有辐射，这样的辐射单元就是理想的。此时天线阵列的辐射特性在扫描范围内完全由阵列因子决定，而且在扫描角范围外没有辐射。而实际上的增益被单元方向性加权，辐射单元方向性严重影响阵列天线的波束指向的精度。在相控阵单元天线的设计方面，准八木天线由于其交叉极化小，增益稳定，前后比高，易于构成阵列等特点受到广泛的研究，但其天线增益和相对带宽还有待增强。
八木天线由一个主振子、一个反射器和若干个引向器组成。微带准八木天线主要有两部分组成：上半部分为辐射部分，包括印刷偶极子和引向器；下半部分实现了微带线到共面带线(CPS)的转换。微带线的两个臂相差半波长，以实现共面带线的寄模激励，因而起到一个宽带巴伦的作用，微带线背面截断的接地面起到反射器的作用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提出一种S波段光控相控阵单元天线，该天线解决了传统准八木天线的增益和相对带宽有待增强的问题。
本发明通过如下技术方案实现：一种S波段光控相控阵单元天线，包括介质基板、三个引向器、一对激励振子、一个反射振子和微带馈线；其中，介质基板包括正面和背面，引向器、激励振子和反射振子位于介质基板的正面，微带馈线位于介质基板的背面；所述的介质基板的正面设置覆铜的引向器、激励振子和反射振子，其中三个引向器、激励振子与反射振子从上往下依次设置于介质基板。
作为优选，所述的介质基板采用FR4环氧树脂基板，其相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.025，厚度为1.6mm。
作为优选，所述的三个引向器中位于顶端的引向器中间开缝。
作为优选，所述的介质基板的背面微带馈线采用G形微带馈电结构。
作为优选，天线采用印刷结构，反射振子既可作为天线的反射器，又可作为微带馈线的地板。
作为优选，所述的三个引向器位于介质基板的中上部，激励振子与反射振子相连且位于介质基板的下中下部，所述的一对激励振子左右对称设置于介质基板，所述的激励振子和微带馈线分别设置在介质基板正面和背面的同一高度位置。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明在继承典型准八木天线优点的基础上，通过改变巴伦、振子的长度和宽度提高S波段光控相控阵单元天线的带宽，在天线背面采用“G”形微带馈电方式来改变S波段光控相控阵单元天线的波束宽度，增加引向器并在顶端引向器中间开缝进一步增加S波段光控相控阵单元天线的增益和辐射强度，并采用了微带印刷技术进行了平面低剖面设计，反射振子、激励振子和引向器衍变为附着在介质基板的覆铜部分，由于采用了印刷结构，馈电为微带线馈电，同时利用耦合馈电技术，反射振子部分既可作为S波段光控相控阵单元天线的反射器，又可作为微带馈线的地板，激励振子的两个臂均和地板相连，这样可便于满足两臂馈电的平衡，同时只需要调整微带线的宽度和耦合部分的长度即可实现良好的阻抗匹配。通过AnsoftHFSS电磁仿真软件进行仿真并与天线的实际测试做对比，结果表明：驻波比(VSWR)2的相对带宽达到40％，在中心频点2.4GHz最大增益为6dB。此种改进方式结构设计合理，能有效地提高天线的带宽和增益。
附图说明
图1为本发明天线正面图(向右倒置)；
图2为本发明天线背面图(向右倒置)；
图3为本发明天线整体结构示意图(向右倒置)，其中，介质基板1、引向器2、激励振子3、反射振子4、微带馈线5；
图4为本发明天线输入反射系数实测仿真对比图；
图5为本发明天线增益实测仿真对比图；
图6为本发明天线电压驻波比实测仿真对比图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明内容做进一步说明。
实施例，如图1、2和3所示，一种S波段光控相控阵单元天线包括：介质基板1、三个引向器2、一对激励振子3、一个反射振子4、微带馈线5；所述介质基板1采用FR4材料，其相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.025，厚度为1.6mm；介质基板1的正面设置覆铜的引向器2、激励振子3和反射振子4，其中三个引向器2、激励振子3与反射振子4从上往下依次设置于介质基板，三个引向器2位于介质基板1的中上部，激励振子3与反射振子4相连且位于介质基板1的下中下部；介质基板1的背面则设置微带馈线5，一对激励振子3左右对称设置于介质基板1。
三个引向器2中位于顶端的引向器2中间开缝，通过改变引向器2的长度其缝隙的宽度可以优化天线的阻抗带宽和增益。
激励振子3与反射振子4相连，通过改变激励振子3的长度和激励振子3与反射振子4之间的距离可以优化天线的差值损耗、增益和谐振频率。
本发明采用微带线耦合馈电结构，引向器2数目的增加以及顶端引向器2的开缝技术有效的提高了天线的带宽和增益。
原理说明，本发明S波段光控相控阵单元天线尺寸的计算如下：
根据微带准八木天线的参数计算公式：激励振子单元的长度应为0.5λg，引向器的长度应为0.45λg，反射器与激励振子的距离应为0.25λg，激励振子与引向器的间距及各引向器间的距离都相等，一般为0.2λg，其中λg为天线的等效波长它的计算公式为：
λ g = c 2 f ϵ r + 1 - - - ( 1 )
式中：c代表电磁波在自由空间中传播的速度；εr代表介质基板的相对介电常数；f代表频率。
振子宽度的计算公式：
w = c f r 2 ( ϵ r + 1 ) - - - ( 2 )
式中：fr是天线的谐振频率。
本发明S波段光控相控阵单元天线达到了如下工作参数：工作带宽在2.34-2.49GHz天线反射系数<-10dB；中心频点2.4GHz处天线增益6dBi；极化方式为线极化。
如图1所示，本发明其正面的微带线由参数a、h1、b1、b2所决定，这4个参数值分别为0.7mm、40.9mm、3.4mm、3.2mm；天线背面包含激励振子、引向器、反射振子由L、W、H、L1、L2、w1、w2、d1、d2、g这10个参数值分别为125mm、90mm、20mm、26m、28mm、20mm、5mm、13mm、20mm、1mm。

Claims (6)

1.一种S波段光控相控阵单元天线，其特征在于，包括介质基板、三个引向器、一对激励振子、一个反射振子和微带馈线；其中，介质基板包括正面和背面，引向器、激励振子和反射振子位于介质基板的正面，微带馈线位于介质基板的背面；所述的介质基板的正面设置覆铜的引向器、激励振子和反射振子，其中三个引向器、激励振子与反射振子从上往下依次设置于介质基板。
2.根据权利要求1所述的一种S波段光控相控阵单元天线，其特征在于，所述的介质基板采用FR4环氧树脂基板，其相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.025，厚度为1.6mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种S波段光控相控阵单元天线，其特征在于，所述的三个引向器中位于顶端的引向器中间开缝。
4.根据权利要求1所述的一种S波段光控相控阵单元天线，其特征在于，所述的介质基板的背面微带馈线采用G形微带馈电结构。
5.根据权利要求1或4所述的一种S波段光控相控阵单元天线，其特征在于，天线采用印刷结构，反射振子既可作为天线的反射器，又可作为微带馈线的地板。
6.根据权利要求1所述的一种S波段光控相控阵单元天线，其特征在于，所述的三个引向器位于介质基板的中上部，激励振子与反射振子相连且位于介质基板的下中下部，所述的一对激励振子左右对称设置于介质基板，所述的激励振子和微带馈线分别设置在介质基板正面和背面的同一高度位置。
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