CN107017469B - 一种低剖面全向扫描端射天线阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低剖面全向扫描端射天线阵列，该天线可以实现波束指向为端射方向时方位面的全向扫描。阵列中心单元驻波比小于2的相对带宽大于20％，剖面高度约位0.054λ0，λ0为中心频率波长。该天线单元的基本结构包括：圆柱馈电探针(1)；上层介质基板(2)；下层介质基板(3)；顶部金属贴片加载结构(4)；中间内层金属贴片加载结构(5)；中间外层圆环金属贴片加载结构(6)；地板(7)；连接顶层金属贴片加载与中间外层圆环金属贴片加载的金属化盲孔(8)；连接中间外层圆环金属贴片加载与底层地板的金属化通孔(9)；连接金属化盲孔与金属化通孔的中间层金属线结构(10)。

Description

一种低剖面全向扫描端射天线阵列
技术领域
本发明属于天线工程技术领域，涉及到一种低剖面全向扫描端射天线阵列，具体来说是一种阵列单元是全向辐射单元的，可用于雷达探测和无线通信领域的，可以实现端射方向方位面360度扫描的低剖面端射天线阵列。
背景技术
随着无线技术随着无线技术应用领域日益广泛及军事装备技术迅速发展，阵列天线作为雷达和通信系统的重要组成部分，也被越来越多的运用到不同的场合中。对于应用于特殊场合的阵列天线，如机载、弹载雷达中的阵列天线，一方面，要求阵列天线扫描盲区小；另一方面要求阵列剖面低、空气阻小、质量轻，不威胁到载机的运载能力和机动性。传统的雷达和通信系统一般采用侧射天线阵列，而侧射相控阵辐射方向为阵列排布的法向，其原理决定了要使高增益的波束覆盖到某一空域，对应的机载相控阵天线在该方向上就要有相应足够大的口径。若要保证扫描波束能实现360°的全向覆盖，则巨大的口径必然要牺牲载机的气动性。因此，传统的雷达系统在气动性与扫描波束覆盖范围之间只能有所取舍。而端射阵列由于辐射方向沿单元排布的轴向，在最大辐射方向的方向系数则不再与等效口径尺寸成的正比，可以有效降低天线剖面，弥补扫描盲区。目前的端射天线阵列主要有两种分类，一种是由本身具有端射特性的单元(如八木天线等)构成的端射天线阵列，但是这种天线阵列由于单元本身具有端射特性，波束指向固定，扫描角度极小；另一种是由全向单元(如单极子)构成的端射天线阵列，目前这种阵列仍存在天线剖面较高，天线效率低，扫描时增益不稳定等缺点。对端射天线的研究和改进，尤其是对由全向单元构成的端射天线阵列的研究和改进，仍然有很大的空间。
美国雷神公司方面在专利“Wideband end-fire array”(United State Patent,1999)中提出将渐变槽天线在端射方向进行了紧密的排布。但最终该设计并不是要采用端射相控阵的概念，而是使用固定的激励序列获得高增益的定向波束，再将若干同样的端射阵环形排列形成一个圆阵。这样，从本质上说，该阵列中各单元各司其职负责自身正对的一个窄空域，单元间的辐射场在远场也不存在相干相抵的过程，其实更类似于一个天线系统，而不是阵列天线。
石星宇等在Cross Strait Quad-Regional Radio Science and WirelessTechnology Conference (Year:2013，Pages:253-256)中发表了题为“A study on theomnidirectional end-fire antenna array”的文章，提出了了一款61单元偶极子圆环阵，该端射阵在端射方向可以进行方位面全向扫描，但剖面高度大于0.2λ0(λ0为中心频率波长)，且圆环阵设计需要在整体阵列中调节单元大小，阵列较大时仿真困难不易推广。此外，对由全向辐射单元构成的端射阵的研究较少。
虽然端射阵列的概念已经提出了数十年，但目前仍鲜有真正的全向扫描端射天线阵列被提出。端射阵列的设计难点主要在于以下几点：一、采用本身具有端射特性的天线单元构成的端射阵列，扫描角度极小，往往只有±25°左右。二、采用全向辐射特性的天线单元构成的端射阵列，存在有源驻波极差、天线效率较低的情况。三、以上两种端射阵列，剖面都较高，无法满足低剖面的要求。
发明内容
本发明鉴于上述技术背景，提出了一种由低剖面全向辐射单元作为天线阵元的，在端射方向H面可以全向扫描的阵列天线。该天线阵列克服了传统全向辐射单元构成的端射阵有源驻波极差和天线效率极低的劣势，并实现了天线的低剖面。该构成该阵列的单元驻波比小于 2的相对带宽大于20％。天线单元剖面高度约为0.054λ0(λ0为中心频率波长)。该天线单元采用双层结构，通过底馈的方式馈电，可以由微带印刷加工。由该天线单元构成的端射阵列，仅有极少量边缘单元由于边缘效应，驻波比会有一定恶化。
该天线适用于要求低剖面、端射并在端射方向方位面全向扫描的应用，请参考图1和图 2，天线单元的基本结构包括：其单元结构包括：圆柱馈电探针(1)；上层介质基板(2)；下层介质基板(3)；顶部金属贴片加载结构(4)；中间内层金属贴片加载结构(5)；中间外层圆环金属贴片加载结构(6)；地板(7)；与中间外层圆环金属贴片(6)直接平面连接并朝中间内层金属贴片加载结构(5)空缺地方延伸的中间层金属线结构(10)，连接顶层金属贴片加载与中间层金属线结构的金属化盲孔(8)；连接中间外层圆环金属贴片加载与底层地板的金属化通孔(9)。
本发明的创新主要有以下两点：1)为了降低天线单元剖面，采用了顶层金属贴片加载，并将顶层金属贴片加载通过金属化通孔接金属线再接金属化盲孔接地的结构。2)为了改善天线单元匹配，尤其是改善天线单元扫描时的匹配，增大天线带宽，除天线顶部金属贴片加载外，在天线中部另采用了中间外层圆环与中间内层金属贴片加载，并将中间外层圆环通过上述金属化通孔接地，极大地增加了天线带宽。
本发明的特点是利用微带印刷的双层金属贴片加载结构和改进的短路加载结构，降低天线单元剖面，并克服了传统全向辐射单元构成的端射阵有源驻波极差和天线效率极低的劣势，实现了阵列在波束指向端射方向时方位面的全向扫描。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一种实施方式提供的一种低剖面全向扫描端射天线阵列立体结构图。该图所示天线阵列为8×8阵列，该阵列工作中心频率为10GHz，阵列单元间距λ0/3，即10mm；阵列采用大地板，地板尺寸140mm×140mm。
图2是图1所示的阵列单个单元的立体结构图；
图3是图2所示阵列单元在HFSS周期边界条件下仿真时输入端口的驻波结果示意图；
图4是图1所示的8×8阵列中心单元驻波示意图；其中图4(a)为俯仰面指向端射方向，方位面扫描角
Figure GDA0002227008110000031
时的中心单元驻波示意图；图4(b)为方位面扫描角为
Figure GDA0002227008110000032
时的中心单元驻波示意图。将8×8阵列中的单元从1到64进行编号，图中的No.19，No.28，No.37，No.46分别为阵列中心对角线上4个单元；
图5是图1所示的8×8阵列方位面扫描至
Figure GDA0002227008110000033
时中心频率处俯仰面与方位面增益方向图；其中图5(a)是俯仰面增益方向图，图5(b)是方位面增益方向图；其中由于阵列大小与地板大小有限，俯仰面方向图有一定上翘；
图6是图1所示的8×8阵列方位面扫描至
Figure GDA0002227008110000034
时中心频率处俯仰面与方位面增益方向图。其中图6(a)是俯仰面增益方向图，图6(b)是方位面增益方向图；其中由于阵列大小与地板大小有限，俯仰面方向图有一定上翘。
具体实施方式
实施例1：一种低剖面全向扫描端射阵列
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一个实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1与图2。图1是本发明一种实施方式提供的一种低剖面全向扫描端射天线阵列立体结构图。该图所示天线阵列为8×8阵列，该阵列工作在X波段，中心频率为10GHz, 阵列单元间距λ0/3，即10mm；阵列采用大地板，地板尺寸140mm×140mm。通过改变各单元馈电相位，可以实现波束指向端射方向时方位面全向扫描。
图2则显示了本发明实施方式中的单个天线单元的具体结构。其主要包括：其单元结构包括：圆柱馈电探针(1)；上层介质基板(2)；下层介质基板(3)；顶部金属贴片加载结构(4)；中间内层金属贴片加载结构(5)；中间外层圆环金属贴片加载结构(6)；地板(7)；连接顶层金属贴片加载与中间外层圆环金属贴片加载的金属化盲孔(8)；连接中间外层圆环金属贴片加载与底层地板的金属化通孔(9)；连接金属化盲孔与金属化通孔的中间层金属线结构(10)。
单元的上下两层介质均采用Taconic公司生产的TLX-8介质基板，总剖面高度约为0.054λ0。顶层金属贴片与中间内层金属贴片均由圆柱形金属馈电探针馈电；顶层矩形金属贴片还通过4个对称分布的金属化盲孔连接到中间层，通过中间层的金属线连接到中间外层圆环形金属贴片，并通过贯穿上下两层介质的4个对称分布的金属化通孔接地。
图3是图2所示阵列单元在HFSS周期边界条件下仿真时输入端口的驻波结果示意图；在9GHz-11GHz的范围内，HFSS周期边界条件仿真下，单元的驻波小于2，相对带宽大于20％。
图4是图1所示低剖面端射阵列中心单元驻波仿真结果示意图。由于阵列具有高度对称性，仅给出典型角度
Figure GDA0002227008110000041
和
Figure GDA0002227008110000042
时的阵列中心4个单元的仿真结果。可以看到，在扫描角
Figure GDA0002227008110000043
和
Figure GDA0002227008110000044
时，中心单元在9-11GHz频带范围内驻波均小于2。在方位面扫描角在 0-360°时，阵列中心单元驻波均小于2的带宽均大于20％。
图5是图1所示的8×8阵列扫描至
Figure GDA0002227008110000045
时中心频率处方位面与俯仰面增益方向图；其中图5(a)是俯仰面增益方向图，图5(b)是方位面增益方向图。图6是图1所示的8×8阵列扫描至
Figure GDA0002227008110000046
时中心频率处方位面与俯仰面增益方向图；其中图6(a)是俯仰面增益方向图，图6(b)是方位面增益方向图。由于地板不是无限大地板，且阵列规模较小，波束在俯仰面方向指向上翘24度，端射方向相比增益最大方向增益降低3.2dB。由于阵列具有高度对称性，可以看出，当方位面扫描角在0-360′时，波束主瓣增益最大相差仅0.1dB，可以实现端射方向的方位面全向扫描。
以上是向熟悉本发明领域的工程技术人员提供的对本发明及其实施方案的描述，这些描述应被视为是说明性的，而非限定性的。工程技术人员可据此发明权利要求书中的思想做具体的操作实施，自然也可以据以上所述对实施方案做一系列的变更。上述这些都应被视为本发明的涉及范围。

Claims (3)

1.一种低剖面全向扫描端射天线阵列，其单元结构包括：圆柱馈电探针(1)，圆柱馈电探针从金属地板向上穿过中间内层金属贴片并一直延伸至顶部金属贴片加载结构；上层介质基板(2)；下层介质基板(3)；顶部金属贴片加载结构(4)；中间内层金属贴片(5)；中间外层圆环金属贴片(6)；金属地板(7)；与中间外层圆环金属贴片(6)直接平面连接并朝中间内层金属贴片(5)空缺地方延伸的中间层金属线结构(10)，连接顶部金属贴片加载结构与中间层金属线结构的金属化盲孔(8)；连接中间外层圆环金属贴片与金属地板的金属化通孔(9)。
2.根据权利要求1所述的一种低剖面全向扫描端射天线阵列，其特征在于为了降低天线单元剖面，采用了顶部金属贴片加载结构，并将顶部金属贴片加载结构通过金属化盲孔连接中间层金属线结构再接金属化通孔接地结构。
3.根据权利要求1所述的一种低剖面全向扫描端射天线阵列，其特征还在于为了改善天线单元匹配，增大天线带宽，除天线顶部金属贴片加载结构外，在天线中部另采用了中间外层圆环金属贴片与中间内层金属贴片加载，并将中间外层圆环金属贴片通过上述金属化通孔接地，极大地增加了天线带宽。
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