CN107017470A - 一种基于强互耦效应的低剖面宽带宽角扫描相控阵天线 - Google Patents

一种基于强互耦效应的低剖面宽带宽角扫描相控阵天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于强互耦效应的低剖面宽带宽角扫描相控阵天线，剖面高度仅为0.127高频波长，并实现了8‑12GHz频带范围内比小于2.5情况下的二维±60°宽角扫描。其结构包括:介质基板(1)；印刷在介质板上的偶极子单元(2)；偶极子单元两侧平行放置的矩形贴片(3)；地板(4)；非平衡馈电结构(5)；两个接地金属化通孔(6)；对非平衡馈电结构进行馈电的微波同轴电缆(7)。其中，印刷偶极子放置在介质顶部的中间位置，两侧分别印刷有两个平行放置的矩形贴片。

Description

一种基于强互耦效应的低剖面宽带宽角扫描相控阵天线
技术领域
本发明属于天线工程技术领域，特别涉及宽带宽角扫描相控天线阵系统，具体来说是一种基于强互耦效应的，剖面极低的，可以实现宽带宽角扫描的相控天线阵列，适用于要求天线具有低剖面和宽带宽角扫描特性的载体平台。
背景技术
相控阵天线是在阵列天线的基础上发展起来的一种现代天线形式。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，在宽带宽角扫描相控阵天线设计中面临着诸多棘手的困难。一方面，受常规阵列天线理论中“扫描角-阵元间距”定律限制，首先需要设计出单元尺寸小于高频端处半波长的宽带天线单元；另一方面，由于天线阵各单元之间较强的互耦效应，天线的驻波比和方向图在扫描时会发生恶化。此外，为了使天线阵具有良好的扫描效果，阵列单元往往剖面较高，结构复杂，不易于天线阵的安装和共形。在宽带宽角扫描相控阵中，以上问题会更加突出。
基于强互耦效应的相控阵天线，作为一种特别适合用作宽带相控阵天线的天线形式，近年来颇受关注。俄亥俄州立大学的B.Munk教授在美国专利号为6512487专利“宽带相控阵及相关技术”(WidebandPhasedArrayAntennaandAssociatedMethods)中，首次提出了基于天线阵列单元之间的强互耦拓展天线带宽的方法。在该种方法中，为了获得极宽的工作带宽，Munk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，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。然而，Munk等人的强电容耦合偶极子相控阵仍然存在很多不足。一、该种天线往往需要使用多层介质结构，其中作为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，因而导致阵列整体剖面较高，不利于阵列的安装与共形。二、该种天线其形式只在沿着偶极子臂的方向上加强了耦合，因此在一维宽角扫描时效果良好，而在二维宽角扫描时具有相当的局限性。三、该种天线偶极子末端采用交趾形式进行耦合，特别适用于多个倍频程的宽带天线,但其驻波比一般较高。
为克服以上缺点，实现强互耦天线阵的二维宽带宽角扫描，一些改进的、其他形式的强互耦天线阵被提出。申请号为200380104960.2的中国专利“相控阵天线上的多层电容耦合”中提出了的两个强互耦偶极子正交排列构成一个单元，进而组成平面阵列来实现二维扫描的方法。但是这种方法其一个单元中会有两个馈电端口，这无疑会增大设计、加工制造与馈电网络实现的难度，且这种栅格形式的偶极子比较复杂，用更复杂的结构更易出现不可控的天线性能恶化，例如出现共模谐振、表面波等现象。申请号201510163350.4的中国专利“一种改进型强互耦超宽带二维波束扫描相控阵天线”中提出一种偶极子两侧加U型贴片的改进型强互耦相控阵，该阵列无需宽角匹配层与正交排列的偶极子单元，实现了5：1带宽下±45°扫描，但是扫描至±45°时带内驻波比大于3，恶化严重。2013年，一篇发表在IEEEtrans.Antennas Propag.(Vol.61,No.9,Sepetember 2013)的文章Wideband PlanarArray With Integrated Feed and Matching Network for Wide-Angle Scanning提出了一种新型强互耦天线阵，该阵列实现了8-12.5GHz内E面±70°，H面±60°扫描，且在扫描频带内驻波比小于2。但是该天线结构复杂，且加载了较厚较重的阻抗匹配层，整体剖面高度接近1/2高频波长。
前述强互耦天线阵列，对传统强互耦相控阵进行了一些改进。但是，对于强互耦相控阵而言，随着剖面的降低，阵列的有源驻波会严重恶化。并且，由于强互耦阵列仅在沿偶极子臂方向上存在强烈互耦，在二维扫描时驻波恶化会更加严重，这对宽角扫描是尤为不利的。因此，目前的强互耦天线阵列，都存在扫描角度小或天线高度较高等问题。而在工程应用中，尤其在高速载体平台应用中，迫切需要一款天线能够同时满足低剖面与宽带宽角扫描的要求。而本发明正是为解决以上需求而提出。
发明内容
本明提出了一种新型的基于强互耦效应的，低剖面宽带宽角扫描相控阵天线，通过采用新型耦合形式，并在偶极子单元两侧分别加载两个矩形寄生贴片，实现了8-12GHz频带范围内比小于2.5情况下的±60°二维宽角扫描，且天线的整体高度仅为0.127高频(12GHz)波长。
本发明基于B.Munk等人提出的强互耦效应原理，采用了新型的强互耦偶极子单元结构，并藉此克服了以上背景技术中提到的各项技术难题，同时实现了天线的低剖面与宽带宽角扫描。本发明采用如下技术方案：使用印刷在介质层上的紧密排列的强互耦偶极子作为阵列单元，偶极子两侧分别印刷有两个平行放置的矩形贴片，用于另一个方向的耦合。本天线单元采用两个金属通孔形式的非平衡馈电方式，并另有两个接地金属通孔用于消除表面波与共模写真，改善单元匹配。由于本单元直接采用在介质板上印刷与打孔的加工方式，无需增加其他支撑结构。所以本发明提出的低剖面宽带宽角扫描相控阵结构包括介质基板(1)；印刷在介质板上的偶极子单元(2)；偶极子单元两侧平行放置的矩形贴片(3)；地板(4)；非平衡馈电结构(5)；两个接地金属化通孔(6)；对非平衡馈电结构进行馈电的微波同轴电缆(7)。印刷偶极子放置在介质顶部的中间位置，两侧分别对称放置两个印刷矩形贴片，介质层厚度约为0.127高频波长。
本发明中方案的优点是：一、采用新型耦合方式的强互耦偶极子，强互耦偶极子末端为U型机构，该种耦合方式特别适用于相对带宽小于2：1，但要求低驻波比的宽带天线单元。二、采用在偶极子两侧分别放置两个矩形贴片的方式增强另一方向相邻单元的耦合，克服了普通强互耦偶极子阵列只在一个方向具有强烈互耦，因此只能一维扫描的特性，实现了低驻波比二维宽角扫描。三、整体天线单元直接印刷于介质板上，通过金属通孔进行馈电，并无需其他支撑结构，天线加工简单。四、天线单元未使用宽角阻抗匹配层，天线剖面极低。
附图说明
图1一种基于强互耦效应的低剖面宽带宽角扫描相控阵天线的立体结构图。该图所示天线阵列为10x10阵列，但只针对中心8x8单元进行馈电，外面一圈为哑源。该阵列仅为低剖面宽带宽角扫描相控阵天线的一个具体实施例。
图2为图1中一个周期单元的结构图，图1所述的低剖面宽带宽角扫描相控阵包含一系列呈周期性排列的这种结构。
图3为具体实施例1中的单个单元在8-12GHz频带内E面扫描时的驻波特性。可见，按具体实施例1研制的基于强互耦效应的低剖面宽带宽角扫描相控阵天线在在8-12GHz频带内E面0-60°扫描时驻波比小于2.5。
图4为具体实施例1中的单个单元在8-12GHz频带内D面扫描时的驻波特性。可见，按具体实施例1研制的基于强互耦效应的低剖面宽带宽角扫描相控阵天线在在8-12GHz频带内D面0-60°扫描时驻波比小于2.5。
图5为具体实施例1中的单个单元在8-12GHz频带内H面扫描时的驻波特性。可见，按具体实施例1研制的基于强互耦效应的低剖面宽带宽角扫描相控阵天线在在8-12GHz频带内H面0-60°扫描时驻波比小于2.5。
图6为具体实施例1在10GHz频点E面0-60°各扫描状态下的辐射方向图。其中，图6(a)为具体实施实例1在不扫描状态下E面辐射方向图，图6(b)为具体实施实例1在扫描至时E面辐射方向图，图6(c)为具体实施实例1在扫描至时E面辐射方向图。
图7为具体实施例1在10GHz频点D面0-60°各扫描状态下的辐射方向图。其中，图7(a)为具体实施实例1在不扫描状态下D面辐射方向图，图7(b)为具体实施实例1在扫描至时D面辐射方向图，图7(c)为具体实施实例1在扫描至时E面辐射方向图。
图8为具体实施例1在10GHz频点H面0-60°各扫描状态下的辐射方向图。其中，图8(a)为具体实施例1在不扫描状态下H面辐射方向图，图8(b)为具体实施实例1在扫描至时H面辐射方向图，图8(c)为具体实施实例1在扫描至时H面辐射方向图。
实施例1：基于强互耦效应的低剖面宽带宽角扫描相控阵天线阵
参照图1与图2，本实施例由一层印刷有紧密排列偶极子单元的周期结构构成。其结构主要包括介质基板(1)；印刷在介质板上的偶极子单元(2)；偶极子单元两侧平行放置的矩形贴片(3)；地板(4)；非平衡馈电结构(5)；两个接地金属化通孔(6)；对非平衡馈电结构进行馈电的微波同轴电缆(7)。参照图2，紧密排列的强互耦偶极子单元2印刷在介质基板(1)上。强互耦偶极子两侧则分别放置两个平行排列的矩形金属贴片(3)，以增强该方向单元耦合。介质基板(1)底部直接接触金属地板(4)，无需添加其他支撑结构。单元馈电使用双金属探针形式的非平衡馈电结构(5)，并在偶极子的两臂各有一个金属化通孔(6)接地，以消除共模谐振。天线的整体高度仅为0.127高频(12GHz)波长。熟知本研究领域的技术人员可以采用任何可以支撑天线阵列结构的材料替换介质基板(1)。
参照图3至图8，图3至图5给出了该实施例在E面、D面、H面三个典型面扫描时的驻波特性；图6至图8给出了该实施例在E面、D面、H面三个典型面扫描时的辐射方向图。可以看出，该实施例实现了在8-12GHz频带范围内的二维宽角扫描，俯仰面扫描角度0-60°，扫描时驻波比小于2.5。同时，天线未采用任何形式的宽角阻抗匹配层，总剖面高度仅为0.127高频(12GHz)波长，符合低剖面的要求。
本实施实例中，阵列为由图2所示周期单元组成的10×10面阵。基于图2描述的周期单元，针对实际应用需要，可将该无限大阵列拓展至任何符合实际的有限大阵列。
前面已经描述本发明的一个实施例，应该理解上述实施例只是以一种示例形式被提出，并无限制性。因此，在不脱离本发明精神和范围的情况下可以作出多种形式上和细节上的变更，这对于熟悉本技术领域的技术人员是显而易见的，无需创造性劳动。上述这些都应被视为本发明的涉及范围。

Claims (4)

1.一种基于强互耦效应的低剖面宽带宽角扫描相控阵天线，它包括:介质基板(1)；印刷在介质板上的偶极子单元(2)；偶极子单元两侧平行放置的矩形贴片(3)；地板(4)；非平衡馈电结构(5)；两个接地金属化通孔(6)；对非平衡馈电结构进行馈电的微波同轴电缆(7)。印刷偶极子放置在介质顶部的中间位置，两侧分别印刷有两个平行放置的矩形贴片，介质层厚度仅为0.127高频波长。
2.根据权利要求1所述的基于强互耦效应的低剖面宽带宽角扫描相控阵天线，其特征在于采用新型耦合方式的强互耦偶极子，强互耦偶极子末端为U型机构，该种耦合方式特别适用于相对带宽小于2：1，但要求低驻波比的宽带天线单元。
3.根据权利要求1所述的基于强互耦效应的低剖面宽带宽角扫描相控阵天线，其特征还在于采用在偶极子两侧分别印刷两个平行放置的矩形贴片的方式增强侧向相邻单元的耦合，克服了普通强互耦偶极子阵列只在一个方向具有强烈互耦，因此只能一维扫描的特性，实现了低驻波比二维宽角扫描。
4.根据权利要求1所述的基于强互耦效应的低剖面宽带宽角扫描相控阵天线，其特征还在于采用整块介质板结构，介质板上层印刷偶极子与矩形金属贴片，增大了阵列单元带宽与扫描角度，并降低了加工难度。
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