CN107221743A - 一种宽带宽角圆极化相控阵单元 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽带宽角圆极化相控阵单元，包括背腔结构、上层介质基片、下层介质基片和馈电介质基片；上层基片上印制有十字交叉微带贴片，十字交叉微带贴片的两个交叉臂上设置有两个馈电点，每个馈电点设置有电容馈电探针；下层基片双面无覆铜，馈电介质基片上印制有威尔金森功分器和90°移相微带线；两个馈电点分别位于两个交叉臂上，通过威尔金森功分器和90°移相微带线进行馈电，通过引入环形缝隙，产生电容分量，以抵消长探针馈电带来的电感分量，实现宽带匹配；该发明可有效展宽了天线的波束宽度和工作带宽，同时降低了天线组阵时的互耦效应，使得该天线成为比较理想的圆极化相控阵天线单元。

Description

一种宽带宽角圆极化相控阵单元
技术领域
本发明涉及相控阵天线领域，特别是一种宽带宽角圆极化相控阵单元。
背景技术
由于具有低剖面、重量轻、低成本以及易与微带集成电路进行集成的特点，微带天线已经在阵列天线的设计中得到了越来越广泛的应用。同时，微带天线的一些固有的缺点如驻波和圆极化轴比带宽窄等特点，却限制了它在宽带宽角扫描相控阵方面的应用。
在相控阵天线的设计中，需要设计一种工作带宽宽扫描角度大且易于集成的天线，而不会受限于传统微带天线的这些缺点，这种展宽微带天线工作带宽的方法是利用较厚的微带基片。为了进一步展宽天线工作带宽，通过电容馈电激励厚基片上的贴片天线，电容馈电的方式有效的抵消了长探针馈电带来的电感效应。然而，厚的基片会带来较大的表面波电流，从而大大降低天线辐射效率，同时，表面波可能会引起大角度扫描时出现扫描盲点。为抑制表面波问题引起的扫描盲点，则出现新的微带天线，例如在文献IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1987. 35(5): p. 477- 487，作者Mailloux, R.J.的 “On the use of metallized cavities in printed slot arrays with dielectric substrates”，则设计了一种背腔微带天线，文献Antenna Week, 2011: p. 1-4.，作者Vishwakarma, N.K., et al.的“ Design considerations for a wide scan cavity backed patch antenna for active phased array radar”设计了一种利用背腔形式和探针电容馈电相结合的有源相控阵雷达天线，该天线具有小型化和宽带宽的特点，同时，有源反射损耗较小，但该天线为线极化，不适合目前广泛应用的圆极化相控阵天线。
发明内容
本发明为解决上述技术问题提出了一种宽带宽角圆极化相控阵单元，基于线极化宽带背腔微带天线和宽波束交叉贴片天线，将多层折弯十字交叉结构改为单层微带贴片，并通过背腔和探针电容馈电的方式增加了天线的工作带宽，展宽了天线的波束宽度，同时降低了天线组阵时的互耦效应，使得该天线成为比较理想的圆极化相控阵天线单元。
本发明的技术方案如下：
一种宽带宽角圆极化相控阵单元，其特征在于：包括背腔结构、上层介质基片、下层介质基片和馈电介质基片，背腔结构为一凹形金属腔体，上层介质基片和下层介质基片叠置在一起并位于背腔结构的开口处，馈电介质基片放置于背腔结构的凹形底部；
上层介质基片上印制有十字交叉微带贴片，十字交叉微带贴片的两个交叉臂上各设置有一个馈电点；馈电介质基片上印制有威尔金森功分器（Wilkinson)和90°移相微带线，威尔金森功分器的一个支臂与90°移相微带线连接；
所述两个馈电点下面均连接有一个电容馈电探针，一个电容馈电探针穿过下层介质基片连接到90°移相微带线上，另一个电容馈电探针穿过下层介质基片连接到威尔金森功分器的另一个支臂上，其作用相当于将输入的功率等分到威尔金森功分器的两个支臂，其中一个支臂直接由探针以电容馈电的方式连接到十字交叉微带贴片的一个支臂，另一个支臂通过90°移相微带线后再连接到十字交叉微带贴片的另一个支臂。
两个馈电点分别位于十字交叉微带贴片的两个交叉臂上，通过威尔金森功分器和90°移相微带线进行馈电，通过引入环形缝隙，产生电容分量，以抵消长探针馈电带来的电感分量，实现宽带匹配。
所述背腔结构的凹形结构为矩形空腔结构，上层介质基片和下层介质基片的形状与矩形空腔结构的上开口形状相对应。
所述下层介质基片的底面与背腔结构的内底面之间的腔体填充有空气，该处填充的空气以用于减薄下层介质基片的厚度。
所述上层介质基片采用微波介质基片Rogers RT5880，介电常数εr＝2.2，损耗角正切值tanδ＝0.0009。
所述下层介质基片的厚度为0.5mm，介电常数εr＝3.5，损耗角正切值tanδ＝0.001。所述下层介质基片可以展宽天线波束，还可降低天线背腔的高度。
所述馈电点包括环形电容、馈电缝隙和馈电金属化孔。
本发明的有益效果如下：
本发明利用将多层折弯十字交叉结构改为单层微带贴片，并通过背腔和探针电容馈电的方式增加了天线的工作带宽，展宽了天线的波束宽度，同时降低了天线组阵时的互耦效应，使得该贴片天线成为比较理想的圆极化相控阵天线单元。
附图说明
图1为本发明十字交叉微带贴片的结构示意图；
图2为本发明十字交叉微带贴片上馈电点的结构示意图；
图3为本发明威尔金森功分器和90°移相微带线的连接结构示意图；
图4为本发明纵向剖视结构示意图；
图5为本发明的立体结构示意图；
图6为实施例1中设计为孤立天线单元仿真和实测反射损耗示意图；
图7为实施例1中孤立天线单元中心频率f 0仿真和实测XZ切面方向图；
图8为实施例1中孤立天线单元中心频率f 0仿真和实测YZ切面方向图；
图9为实施例1中孤立天线单元中心频率f 0仿真和实测轴比方向图；
图10为实施例1中孤立天线单元工作频带内±60°处仿真和实测轴比；
图11为实施例2中仿真与实测3×3天线阵列中心单元XZ面方向图；
图12为实施例2中仿真与实测3×3天线阵列中心单元YZ面方向图；
图13为实施例3中仿真与实测8×8天线阵列法向方向图；
图14为实施例3中仿真与实测8×8天线阵列-30°方向图；
图15为实施例3中仿真、实测和修正后8×8天线阵列-60°方向图。
具体实施方式
本发明公开的一种宽带宽角圆极化相控阵单元，如图1-5所示，包括背腔结构、上层介质基片、下层介质基片和馈电介质基片，背腔结构为一凹形金属腔体，上层介质基片和下层介质基片叠置在一起并位于背腔结构的开口处，馈电介质基片放置于背腔结构的凹形底部；
上层介质基片上印制有十字交叉微带贴片，十字交叉微带贴片的两个交叉臂上各设置有一个馈电点；馈电介质基片上印制有威尔金森功分器和90°移相微带线，威尔金森功分器的一个支臂与90°移相微带线连接；
所述两个馈电点下面均连接有一个电容馈电探针，一个电容馈电探针穿过下层介质基片连接到90°移相微带线上，另一个电容馈电探针穿过下层介质基片连接到威尔金森功分器的另一个支臂上，其作用相当于为将输入的功率等分到威尔金森功分器的两个支臂，其中一个支臂直接由探针以电容馈电的方式连接到十字交叉微带贴片的一个支臂，另一个支臂通过90°移相微带线后再连接到十字交叉微带贴片的另一个支臂。
两个馈电点分别位于十字交叉微带贴片的两个交叉臂上，通过威尔金森功分器和90°移相微带线进行馈电，通过引入环形缝隙，产生电容分量，以抵消长探针馈电带来的电感分量，实现宽带匹配。
所述背腔结构的凹形结构为矩形空腔结构，上层介质基片和下层介质基片的形状与矩形空腔结构的上开口形状相对应。
所述下层介质基片的底面与背腔结构的内底面之间的腔体填充有空气，该处填充的空气以用于减薄下层介质基片的厚度。
所述上层介质基片采用微波介质基片Rogers RT5880，介电常数εr＝2.2，损耗角正切值tanδ＝0.0009。
所述下层介质基片的厚度为0.5mm，介电常数εr＝3.5，损耗角正切值tanδ＝0.001。所述下层介质基片可以展宽天线波束，还可降低天线背腔的高度。
所述馈电点包括环形电容、馈电缝隙和馈电金属化孔。
本发明实现时，通过3D全波仿真软件ANSYS HFSS对天线结构进行参数优化，具体实施，可见如下三个实施例。
实施例 1
对于孤立的天线进行了仿真分析和样机制作。天线的驻波特性由Agilent E5071C矢量网络分析仪进行测量，天线的辐射特性在微波暗室内进行测量。
孤立天线单元仿真和实测反射损耗S11的结果如图6所示。天线实测反射损耗S11小于-10dB带宽超过44%。仿真和实测曲线的不一致原因可能是由于天线波束较宽致使测试场地周围物体反射进入测量通道引起的。
孤立天线单元中心频率处两个正交切面XZ面和YZ面的仿真和实测辐射方向图结果如图7和图8所示。天线实测两个正交切面XZ面和YZ面的方向图半波束宽度超过100°，仿真和实测结果基本一致。
本文对孤立天线单元的轴比方向图也进行了仿真和实测，以评估该天线的宽角扫描特性。孤立天线单元中心频率处两个正交切面XZ面和YZ面的仿真和实测轴比方向图结果如图9所示。在±60°处，工作频带内两个正交切面XZ面和YZ面的仿真和实测轴比如图10所示。由图9和图10可见，孤立天线单元在两个正交切面XZ面和YZ面都有着良好的低轴比特性，在超过23﹪的工作带宽内，天线在±60°范围内的轴比均小于4dB，且仿真和实测结果基本一致。
实施例 2
当孤立单元天线置于阵列中时，为实现宽角扫描，天线单元间的间距较近，由于互耦的影响阵中单元的电性能不同于孤立单元。因此衡量一个天线单元性能的优劣，必须考虑其在阵中的性能。
为评估该单元在阵中性能，设计了一个3×3的正方形阵列，在ANSYS HFSS中建立3D仿真模型并进行仿真。同时为验证其仿真性能，制作了一个3×3的正方形阵列样机。为避免工作频带内±60°范围内宽角扫描时出现栅瓣，天线单元间距选为0.46λ0。该实施例，从天线间的互耦和中心单元的辐射方向图两个方面分析天线的电性能。
中心单元与相邻单元的互耦实测结果得益于天线的背腔设计，在44﹪的工作带宽内，其互耦量均小于-16dB。
中心天线单元的方向图测试是将其它天线单元接匹配负载，在微波暗室里测量中心天线单元的方向图。中心频率f0处两个正交切面XZ面和YZ面的实测和仿真方向图如图11和图12所示。由图11和图12可见，实测天线单元在阵中的方向图波束宽度大于孤立单元的方向图。这一优点使得天线可实现宽角扫描。图11和图12中实测和仿真结果不一致可能是由于阵列加工和装配误差所致。
实施例 3
为验证天线的宽角扫描性能，对于一个8×8正方形相控阵列天线，8×8正方形相控阵列天线扫描后的阵列仿真和实测方向图见图13～图15所示。
由图13～图15可见，天线具有良好的宽角扫描特性，实测扫描到-60°处的增益比法向增益下降约3.2dB。上述图中的阵列初始的相对相位是通过旋转矢量法对天线法向进行校准得到。由图15可见，当大角度扫描时，需要对其扫描移相值进行修正，修正前天线波束中心指向值为-54°，修正后天线波束中心指向-60°。
根据上述3个实施例，可分析得到分别在孤立状态、3×3阵列中的电性能、对8×8的天线阵列点扫描性能，该天线单元在44%的工作频带内反射损耗小于-10dB、互耦小于-16dB，方向图轴比在23%的工作频带内和±60°角度范围内均小于4dB。

Claims (7)

1.一种宽带宽角圆极化相控阵单元，其特征在于：包括背腔结构、上层介质基片、下层介质基片和馈电介质基片，背腔结构为一凹形金属腔体，上层介质基片和下层介质基片叠置在一起并位于背腔结构的开口处，馈电介质基片放置于背腔结构的凹形底部；
上层介质基片上印制有十字交叉微带贴片，十字交叉微带贴片的两个交叉臂上各设置有一个馈电点；馈电介质基片上印制有威尔金森功分器和90°移相微带线，威尔金森功分器的一个支臂与90°移相微带线连接；
所述两个馈电点下面均连接有一个电容馈电探针，一个电容馈电探针穿过下层介质基片连接到90°移相微带线上，另一个电容馈电探针穿过下层介质基片连接到威尔金森功分器的另一个支臂上，其作用相当于将输入的功率等分到威尔金森功分器的两个支臂，其中一个支臂直接由探针以电容馈电的方式连接到十字交叉微带贴片的一个支臂，另一个支臂通过90°移相微带线后再连接到十字交叉微带贴片的另一个支臂。
2.根据权利要求1所述的一种宽带宽角圆极化相控阵单元，其特征在于：两个馈电点通过威尔金森功分器和90°移相微带线进行馈电，通过引入环形缝隙，产生电容分量，以抵消长探针馈电带来的电感分量，实现宽带匹配。
3.根据权利要求1所述的一种宽带宽角圆极化相控阵单元，其特征在于：所述背腔结构的凹形结构为矩形空腔结构，上层介质基片和下层介质基片的形状与矩形空腔结构的上开口形状相对应。
4.根据权利要求1所述的一种宽带宽角圆极化相控阵单元，其特征在于：所述下层介质基片的底面与背腔结构的内底面之间的腔体填充有空气。
5.根据权利要求1所述的一种宽带宽角圆极化相控阵单元，其特征在于：所述上层介质基片采用微波介质基片Roggers RT5880，介电常数εr＝2.2，损耗角正切值tanδ＝0.0009。
6.根据权利要求1所述的一种宽带宽角圆极化相控阵单元，其特征在于：所述下层介质基片的厚度为0.5mm，介电常数εr＝3.5，损耗角正切值tanδ＝0.001。
7.根据权利要求1所述的一种宽带宽角圆极化相控阵单元，其特征在于：所述馈电点包括环形电容、馈电缝隙和馈电金属化孔。
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