CN107369897A - 一种x波段光控相控阵四单元直线阵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种X波段光控相控阵四单元直线阵，包括介质基板、单元天线和等功率分配器；等功率分配器固定于介质基板的一表面；等功率分配器包括两个串联的三级一分二的功分器；两个功分器分别与两个单元天线相连；单元天线包括若干个从上到下整齐排序的引向阵子和位于引向阵子端部的激励阵子；激励阵子与功分器相连；在介质基板的另一表面上设有反射阵子；相邻单元天线之间的间距为其中c为自由空间光速，f为介质基板的中心频率；反射器与激励阵子之间的间距h1为0.25λg，激励阵子与引向阵子以及相邻的引向阵子之间的间距d均为0.2λg，其中λg为电磁波在介质基板中的工作波长。

Description

一种X波段光控相控阵四单元直线阵
技术领域
本发明属于无线通信技术的技术领域，具体涉及一种X波段光控相控阵四单元直线阵。
背景技术
近年来，相控阵雷达天线由于转向速度快、能见度低、难以被检测等优点在现代通信系统中具有越来越重要的地位，为了提高雷达抗干扰能力，减少反辐射导弹威胁，增强目标分辨力和识别力，解决多目标成像问题，相控阵雷达天线和其它天线一样须拥有尽可能大的瞬时带宽，但是相控阵雷达本身具有的孔径效应和孔径渡越时间使其波束的指向随频率变化而偏移，即在发送和接收时信号有一定的延迟。
在现代雷达系统中相控阵天线在超宽带操作系统中的作用是非常可观的，但在系统中存在孔径效应及孔径渡越时间使天线波束发生偏斜，解决这个问题的一个有效办法是使用实时延迟(True Time Delay，TTD)技术。近年来，TTD 波束形成技术与光子技术相结合的模拟光纤链路组成的天线阵列波束形成器已被广泛研究，如啁啾布拉格光纤光栅、快速可调谐激光器、反射光纤、滤波器等。
过去的五十年中，相控阵天线系统相对于机械扫描天线阵列在速度、灵敏度和大小等方面有很大的优势。光子系统控制的相控阵天线的波束形成具有许多内在特性，如轻便、紧凑和低成本相控阵天线波束形成器。现阶段许多实现光子TTD波束形成器的光学方法已经被提出，如使用傅里叶光学色散光纤，光纤光栅或基板导波技术，然而，成本、大小、功耗和大型阵列所需的组件数量是限制这些系统实际操作的主要因素。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种X波段光控相控阵四单元直线阵，以解决现有技术天线波束偏斜、宽带带宽低以及增益和小型化效果不佳的问题。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种X波段光控相控阵四单元直线阵，包括介质基板、单元天线和等功率分配器；
等功率分配器固定于介质基板的一表面；等功率分配器包括两个串联的三级一分二的功分器；两个功分器分别与两个单元天线相连；单元天线包括若干个从上到下整齐排序的引向阵子和位于引向阵子端部的激励阵子；激励阵子与功分器相连；在介质基板的另一表面上设有反射阵子；
相邻两个单元天线之间的间距为其中c为自由空间光速，f为介质基板的中心频率；反射器与激励阵子之间的间距h1为0.25λg，激励阵子与引向阵子以及相邻的引向阵子之间的间距d均为0.2λg，其中λg为电磁波在介质基板中的工作波长。
优选地，电磁波在介质基板中的工作波长为：
其中，εe为介质基板的相对介电常数，c为自由空间光速，f0为天线的中心频率，λg为电磁波在介质中的工作波长。
优选地，引向阵子的贴片长度l1＝0.45λg，λg为电磁波在介质基板中的工作波长。
优选地，激励阵子的贴片长度l2＝0.5λg，λg为电磁波在介质基板中的工作波长。
优选地，反射阵子的尺寸为60mm*25.5mm。
优选地，介质基板的底端设有与所述等功率分配器相连的50欧姆SMA接头。
优选地，介质基板的材质为Rogers RT-duroid 6100介质板材，其介电常数为10.2、厚度为0.635mm、损耗角正切为0.023。
本发明提供的X波段光控相控阵四单元直线阵，具有以下有益效果：
本发明在介质基板上固定四个单元天线，单元天线与一分二的功分器相连形成四单元直线阵，各单元直线阵之间的间距为二分之一自由空间波长，在功分器对立面设置的反射阵子，将电磁波进行反射，提高了辐射方向图主波束的赋形精度，即将天线阵辐射到该面的方向图进行反射，减少天线的能量损失，提高增益。除此，通过优化设计、优化仿真和实测，并与传统的光控相控技术相比，其突出点为，本发明天线反射系数在小于-10dB的工作带宽为 10.1GHz-11.5GHz；中心频点10GHz处天线增益达到了8.0dBi，具有较宽宽带的同时，有效地减少了天线阵的能量损失，提高其增益。
本发明结构简单，具有小型化、易于加工和成本低的特点，通过对结构的优化设计，有效的减少了天线阵的能量损失，提高其增益。
附图说明
图1为X波段光控相控阵四单元直线阵的正面结构示意图。
图2为X波段光控相控阵四单元直线阵的背面结构示意图。
图3为X波段光控相控阵四单元直线阵的直线阵图。
图4为X波段光控相控阵四单元直线阵的仿真和测试反射系数对比图。
图5为X波段光控相控阵四单元直线阵的增益图。
其中，1、单元天线；2、引向阵子；3、激励阵子；4、功分器；5、介质基板；6、50欧姆SMA接头；7、反射阵子。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
根据本申请的一个实施例，参考图1和图2所示，本方案的X波段光控相控阵四单元直线阵，包括介质基板5、单元天线1和等功率分配器。
介质基板5的底端设有与所述等功率分配器相连的50欧姆SMA接头6，便于集成相移芯片，以便进步一实现波束扫描。介质基板5的材质Rogers RT-duroid 6100介质板材，其介电常数为10.2、厚度为0.635mm、损耗角正切为0.023。
等功率分配器固定于介质基板5的一表面的下部，等功率分配器由两个串联的三级一分二的功分器4串联组成。
单元天线1由从上到下整齐排序的引向阵子2和位于引向阵子2端部的激励阵子3组成，两个功分器4分别与两个单元天线1的激励阵子3相连。
在介质基板5的另一表面上设有反射阵子7，反射阵子7将电磁波进行反射，提高了辐射方向图主波束的赋形精度，即将天线阵辐射到该面的方向图进行反射，减少天线的能量损失。
引向阵子2、反射器和激励阵子3之间的参数如下：
电磁波在介质基板5中的工作波长为：
其中εe为介质基板5的相对介电常数，c为自由空间光速，f0为天线的中心频率，λg为电磁波在介质中的工作波长。
相邻单元天线1之间的间距为：
其中c为自由空间光速，f为介质基板5的中心频率f为10GHz。
反射器与激励阵子3之间的间距h1为0.25λg，激励阵子3与引向阵子2以及相邻的引向阵子2之间的间距d均为0.2λg，其中λg为电磁波在介质基板5 中的工作波长。
引向阵子2的贴片长度l1＝0.45λg，其中λg为电磁波在介质基板5中的工作波长。
激励阵子3的贴片长度l2＝0.5λg，其中λg为电磁波在介质基板5中的工作波长。
反射阵子7的尺寸为60mm*25.5mm。
参考图3，介质基板5一表面的单元天线1和功分器4由参数L、W、l1、 l2、w2、h1、h2、d、s、la、la1、wa、lb、lb1、wb、lc和wc决定，这17个参数值分别为60mm、46mm、5mm、5mm、1.8m、1.8mm、3mm、2.26mm、0.5mm、 2.8mm、2.78mm、0.5mm、7.5mm、7.5mm、1.65mm、7.5mm、1mm；介质基板 5另一面的反射阵子7的参数为L和w1，这两个参数值分别为60mm、25.5mm。
参考图4和图5，图4为X波段光控相控阵四单元直线阵的仿真和测试反射系数对比图。从图中可以看出当反射系数S11≤-10dB时，仿真结果所对应的频率范围是10.1GHz-11.5GHz，S11的最小值为-23dB；测试结果所对应的频率范围是10.0GHz-11.2GHz，S11的最小值为-20dB，二者相对带宽相差不大。仿真结果所对应的谐振频率点为10.7GHz，仿真结果所对应的谐振频率点为10.55GHz。整体来说二者相差不大，但从波形图上来看二者有一定的偏差，主要是由于天线的制作、测量时的外界因素和SMA接头的原因所致。图5为X波段光控相控阵四单元直线阵的增益图，从图中可以看出其最大增益为8dB。
通过优化仿真和实测可知，与传统的光控相控技术相比，其突出点为，本发明天线反射系数在小于-10dB的工作带宽为10.1GHz-11.5GHz；中心频点10GHz 处天线增益达到了8.0dB，具有较宽的宽带的同时，有效的减少了天线阵的能量损失，提高了其增益。
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (7)

1.一种X波段光控相控阵四单元直线阵，其特征在于：包括介质基板、单元天线和等功率分配器；
所述等功率分配器固定于介质基板的一表面；所述等功率分配器包括两个串联的三级一分二的功分器；两个所述功分器分别与两个单元天线相连；所述单元天线包括若干个从上到下整齐排序的引向阵子和位于引向阵子端部的激励阵子；所述激励阵子与功分器相连；在所述介质基板的另一表面上设有反射阵子；
相邻两个单元天线之间的间距为其中c为自由空间光速，f为介质基板的中心频率；所述反射器与激励阵子之间的间距h1为0.25λg，激励阵子与引向阵子以及相邻的引向阵子之间的间距d均为0.2λg，其中λg为电磁波在介质基板中的工作波长。
2.根据权利要求1所述的X波段光控相控阵四单元直线阵，其特征在于：所述电磁波在介质基板中的工作波长为：
<mrow> <msub> <mi>&amp;lambda;</mi> <mi>g</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>c</mi> <mrow> <msub> <mi>f</mi> <mn>0</mn> </msub> <msqrt> <msub> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mi>e</mi> </msub> </msqrt> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中，εe为介质基板的相对介电常数，c为自由空间光速，f0为天线的中心频率，λg为电磁波在介质中的工作波长。
3.根据权利要求1所述的X波段光控相控阵四单元直线阵，其特征在于：所述引向阵子的贴片长度l1＝0.45λg，λg为电磁波在介质基板中的工作波长。
4.根据权利要求1所述的X波段光控相控阵四单元直线阵，其特征在于：所述激励阵子的贴片长度l2＝0.5λg，λg为电磁波在介质基板中的工作波长。
5.根据权利要求1所述的X波段光控相控阵四单元直线阵，其特征在于：所述反射阵子的尺寸为60mm*25.5mm。
6.根据权利要求1所述的X波段光控相控阵四单元直线阵，其特征在于：所述介质基板的底端设有与所述等功率分配器相连的50欧姆SMA接头。
7.根据权利要求1所述的X波段光控相控阵四单元直线阵，其特征在于：所述介质基板的材质为Rogers RT-duroid 6100介质板材，其介电常数为10.2、厚度为0.635mm、损耗角正切为0.023。
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