CN107579347A

CN107579347A - 双频双极化宽角扫描共口径相控阵天线

Info

Publication number: CN107579347A
Application number: CN201710731475.1A
Authority: CN
Inventors: 屈世伟; 邹文慢; 王亚茹; 杨仕文
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2017-08-23
Filing date: 2017-08-23
Publication date: 2018-01-12

Abstract

本发明公开了一种双频双极化宽角扫描共口径相控阵天线，包括低频天线单元，高频天线单元。其中高、低频天线分别工作于不同的极化方式，每个低频天线单元的辐射口径分别与一个高频天线的子阵共形，最终得到的共口径阵列可以实现双频段、双极化、宽角扫描。低频天线采用的是连接腔体天线，金属地板带有腔体，为了避免金属地板高度不一致对高频天线工作性能的影响，高频天线与低频天线共形时，其反射面采用带阻型频率选择表面。两个频段的天线的馈电都共地到金属地板上，其中高频天线馈电接地可以是直接连接或者通过电容、电阻、电感连接到金属地板。本发明所提出的共口径天线形式，可以实现双频双极化，可以实现大角度扫描不出现栅瓣，并且结构简单、易于加工组装。

Description

双频双极化宽角扫描共口径相控阵天线

技术领域

本发明涉及一种天线，具体涉及一种双频双极化宽角扫描共口径相控阵天线，属于无线通信技术领域。

背景技术

相控阵天线具有的快速的电扫描以及波束形成能力，已经广泛的应用于军事领域。随着相控阵技术的发展以及应用需求，对相控阵天线的需求越来越偏向宽带、宽角以及多频段天线。对于多功能雷达或者多功能通信系统来说，宽带或者多频段天线可以同时工作于多个频段，这样不同的工作需求只需要一副天线来完成，可以大大的减小雷达或者通信系统的体积、重量以及成本。同时，对于多功能雷达系统来说，天线的极化多样性也可增加信号的多样性，因此双极化也是一个研究的重点。

对于宽带天线，其研究思路都是基于Wheeler在1965年提出的连续电流面理论。直到2003年Munk在连续电流理论的基础上提出来强耦合阵列后，宽带天线的研究得到了迅速的发展。在该强耦合超宽带天线的设计设计中，单元大小为最高工作频率的半波长左右，在高频部分通过阵元本身的谐振工作，而低频段，通过阵元之间引入电容耦合来抵消由于地板加载产生的电感，使得天线可以很好的工作在低频部分。强耦合阵列的研究在近几十年来来得到了快速的发展，其最大工作带宽可以做到33:1，但是因为引入了阻性吸收层，部分工作频段的辐射效率会大大受损。对于超宽带天线来说，虽然可以实现很宽的带宽，但是能满足这么宽带宽的电路系统也是设计的一大难点。同时，由于频带较宽，对于低频段来说阵元大小的电尺寸太小。

在多频段共口径的天线设计中，多个频段共用同一个辐射口径，不仅能满足多功能雷达以及多功能通信系统的应用需求，还能保证每个工作频段单元电尺寸的大小。同时设计的天线只需在所需求的工作频段工作，不同工作频段的天线采用不同的馈电系统，一般单个工作频段的带宽都不会太宽，这样也可以大大减小天线后端馈电的电路系统的设计难度。迄今为止，对于多频段共口径天线的研究还不是特别广泛，相关的报道也远不如超宽带天线多。将不同频段的阵列天线共口径，并且实现双极化、宽带、宽角扫描是一大设计难点。需要所设计的天线阵列之间可以很好的集成，并且不影响相互之间的天线辐射。本发明正是针对共口径相控阵天线存在的设计难点问题而提出。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种双频、双极化共口径相控阵天线，其馈电结构简单，易于共形以及加工组装，并且具有宽角扫描的特性。

本发明具体的技术方案如下：

一种双频、双极化的宽角扫描共口径相控阵天线，其天线单元呈矩形栅格排布，从下至上分别为下层金属地板、下层介质板，中层介质板一、中层介质板二、上层介质板。所述的下层金属地板为低频单元，下层金属地板沿着低频单元的H面设置有连接腔体；所述的下层介质板上印刷有低频单元的微带馈线，微带馈线一端悬置与连接腔体上方进行耦合馈电，另外一段与穿过下层金属地板的同轴内芯相连接；所述的中层介质板一上印刷有呈周期排布的带阻型频率选择表面贴片单元；所述的中层介质板二上印刷有高频天线的馈电巴伦；所述的上层介质板上印刷有高频天线的单元。

进一步地，所述的低频天线和高频天线共口径，并且低频天线阵和高频天线阵分别工作于不同的极化方式，使得共口径后整个阵列工作的极化方式为双极化。

进一步地，所述的低频天线单元包括设置有连接腔体的下层金属地板，与金属地板贴合设置的下层介质板，以及印刷在下层介质板表面的微带馈线，所设置的连接腔体可以是矩形、梯形或者半圆形。

进一步地，所述的高频天线单元包括中层介质板一、中层介质板二、上层介质板、印刷在中层介质板一上面的带阻型频率选择表面、印刷在中层介质板二上面的馈电巴伦以及印刷在上层介质板上面的天线单元。

进一步地，所述的带阻型频率选择表面为高频天线的反射面，其单元可以是环形贴片、矩形贴片、三角形贴片或者十字形贴片，频率选择表面可以是单层、双层或者多层结构，周期排布的频率选择表面单元放置于下层金属地板和高频天线单元之间并且与高频天线单元一一对应。

进一步地，所述的高频天线的馈电巴伦可以是同轴线、带状线巴伦、微带渐变线巴伦或者Marchand巴伦。

进一步地，所述的高频天线单元可以是单极子、偶极子、交指型偶极子、蝶形偶极子或者微带贴片天线。

进一步地，所述的低频和高频可以是f_H/f_L≥2任意两个工作频段，其中f_H为高频频段的中心频率，f_L低频频段的中心频率。

进一步地，所述的低频天线单元和高频天线单元的馈电是共地的，高频天线的馈电巴伦和低频天线的馈电结构都连接到下层金属地板上共地。由于下层金属地板又是低频天线的天线阵元，高频天线的馈电巴伦的地可以是直接连接到下层金属地板，也可以是通过电阻、电容或者电感等元器件连接到下层金属地板，其目的是避免高频天线馈电巴伦直接连接到下层金属地板会对低频天线的工作性能产生很大的影响。

本发明的有益效果是：

(1)提出了一种新型的双频双极化共口径天线形式，所提出的共口径天线可以在两个频段内同时实现宽角扫描并且不出现栅瓣。

(2)结构形式简单，易于加工组装。

附图说明

图1为本发明的结构示意图，为了方便呈现各层结构，将共口径天线单元的各层结构分开并去掉了天线单元的馈电结构部分。

图2为实施例1中所述共口径阵列的单元的结构示意图，图2(a)为三维结构示意图，图2(b)为正视图。

图3为实施例1中所述共口径阵列的P波段低频天线单元结构示意图。

图4为实施例1中所述共口径阵列的扫描有源电压驻波比的仿真结果，图4(a)为P波段扫描结果，图4(b)、(c)、(d)为S波段扫描结果，f_p为P波段中心频率，f_s为S波段中心频率。

图5为实施例1中所述共口径阵列在水平面大角度扫描时辐射方向图仿真结果，图5(a)为P波段最高工作频率的辐射方向图，阵列大小为10×10，图5(b)为S波段最高工作频率的辐射方向图，阵列大小为20×25。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

如附图1、2所示，一种双频、双极化的宽角扫描共口径相控阵天线，其天线单元呈矩形栅格排布，从下至上分别为下层金属地板11、下层介质板13，中层介质板一21、中层介质板二34、上层介质板31。所述的下层金属地板11为低频单元，下层金属地板沿着低频单元的H面设置有连接腔体12；所述的下层介质板上印刷有低频单元的微带馈线14，微带馈线一端悬置与连接腔体上方进行耦合馈电，另外一段与穿过下层金属地板的同轴内芯相连接；所述的中层介质板一21上印刷有呈周期排布的带阻型频率选择表面贴片单元22；所述的中层介质板二34上印刷有高频天线的馈电巴伦33；所述的上层介质板上印刷有高频天线的单元32。

下面以更具体的实施例对本发明做更详细的说明。

实施例1

本实施例的一种双频双极化宽角扫描共口径相控阵天线选择分别工作在P波段和S波段的两个天线阵进行共口径设计，其中P波段低频天线为水平极化，S波段高频天线为垂直极化，f_H/f_L＝7.3。共口径天线单元如图2(a)所示，单元大小为0.28f_L×0.23f_L，下方为带有矩形连接腔体12的下层金属地板11。下层介质板13厚度为3mm，介电常数为2.2，贴合放置于下层金属地板11上方，其上表面印刷有微带馈线14。微带馈线14的一端与同轴内芯连接，另一端悬置与连接腔体12上方，当P波段低频天线工作时，微带馈线14与连接腔体12耦合，在P波段产生谐振，使得低频天线可以工作在P波段。上层介质板31厚度为0.5mm，介电常数为2.2，其上表面印刷有高频单元蝶形偶极子32，高频单元的单元大小为0.41f_H×0.41f_H，蝶形偶极子32距离下层金属地板11的高度为40mm。中层介质板一21厚度0.5mm，介电常数2.2，放置于下层金属地板11和高频天线单元正中间的位置，其上表面印刷有矩形环形状的频率选择表面贴片单元22，频率选择表面贴片单元22与蝶形偶极子32一一对应。中层介质板二34厚度为1mm，介电常数2.2，印刷有巴伦33，巴伦33一段连接到蝶形偶极子32，另外一端连接到SMA接头，SMA接头的地通过电容连接到下层金属地板11上，其中位于连接腔体12上方的高频天线的巴伦通过弯折的方式跳过连接腔体连接到下层金属地板11。本实施例中，每个P波段低频天线单元的辐射口径分别与一个4×5的S波段高频天线的子阵共形。

图3给出的是单独的P波段天线单元的结构示意图，以便清楚的展现P波段天线单元的细节结构。其基本结构为带有矩形连接腔体12的下层金属地板11，微带馈线14的一端与同轴内芯连接，另一端悬置与连接腔体12上方。

图4给出了所设计的共口径天线单元在水平面和俯仰面扫描时候驻波随频率变化的仿真结果。如图4(a)所示，当俯仰面扫描到±20°，水平面扫描到±60°，P波段低频天线均能满足驻波小于2.5，实现的阻抗带宽为35.3％。如图4(b)、(c)所示，为S波段高频天线的子阵沿着水平面的其中一列单元的有源驻波结果，其他列单元结果与给出的结果类似，当俯仰面扫描到±20°，水平面扫描到±60°，S波段高频天线均能满足驻波小于2.5，实现的阻抗带宽为26％。

图5所示为共口径阵列在水平面大角度扫描的辐射方向图仿真结果，选择的频点均为天线阵在两个工作频段的最高工作频率。图5(a)为P波段天线在水平面扫描至最大角度的辐射方向图，阵列大小为10×10，图5(b)为S波段天线在水平面扫描至最大角度的辐射方向图，阵列大小为20×25。当水平面扫描到60°时，P波段低频天线和S波段高频天线辐射方向图均没有出现栅瓣。所设计的共口径天线具有宽角扫描特性。

尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims

1.一种双频双极化宽角扫描共口径相控阵天线，其天线单元呈矩形栅格排布，从下至上分别为下层金属地板、下层介质板，中层介质板一、中层介质板二、上层介质板。所述的下层金属地板为低频单元，下层金属地板沿着低频单元的H面设置有连接腔体；所述的下层介质板上印刷有低频单元的微带馈线，微带馈线一端悬置与连接腔体上方进行耦合馈电，另外一段与穿过下层金属地板的同轴内芯相连接；所述的中层介质板一上印刷有呈周期排布的带阻型频率选择表面贴片单元；所述的中层介质板二上印刷有高频天线的馈电巴伦；所述的上层介质板上印刷有高频天线的单元。

2.如权利要求1所述的一种双频双极化宽角扫描共口径相控阵天线，其特征在于：所述的低频单元和高频天线的单元共口径，并且低频天线阵和高频天线阵分别工作于不同的极化方式，使得共口径后整个阵列工作的极化方式为双极化。

3.如权利要求1所述的一种双频双极化宽角扫描共口径相控阵天线，其特征在于：所述的低频天线单元包括设置有连接腔体的下层金属地板，与金属地板贴合设置的下层介质板，以及印刷在下层介质板表面的微带馈线，所设置的连接腔体可以是矩形、梯形或者半圆形。

4.如权利要求1所述的一种双频双极化宽角扫描共口径相控阵天线，其特征在于：所述的高频天线单元包括中层介质板一、中层介质板二、上层介质板、印刷在中层介质板一上面的带阻型频率选择表面、印刷在中层介质板二上面的馈电巴伦以及印刷在上层介质板上面的天线单元。

5.如权利要求1所述的一种双频双极化宽角扫描共口径相控阵天线，其特征在于：所述的带阻型频率选择表面为高频天线的反射面，其单元可以是环形贴片、矩形贴片、三角形贴片或者十字形贴片，频率选择表面可以是单层、双层或者三层结构，周期排布的频率选择表面单元放置于下层金属地板和高频天线单元之间并且与高频天线单元一一对应。

6.如权利要求1所述的一种双频双极化宽角扫描共口径相控阵天线，其特征在于：所述的高频天线的馈电巴伦可以是同轴线、带状线巴伦、微带渐变线巴伦或者Marchand巴伦。

7.如权利要求1所述的一种双频双极化宽角扫描共口径相控阵天线，其特征在于：所述的高频天线单元可以是单极子、偶极子、交指型偶极子、蝶形偶极子或者微带贴片天线。

8.如权利要求1所述的一种双频双极化宽角扫描共口径相控阵天线，其特征在于：所述的低频和高频可以是f_H/f_L≥2任意两个工作频段，其中f_H为高频频段的中心频率，f_L低频频段的中心频率。

9.如权利要求1所述的一种双频双极化宽角扫描共口径相控阵天线，其特征在于：所述的低频天线单元和高频天线单元的馈电是共地的，高频天线的馈电巴伦和低频天线的馈电结构都连接到下层金属地板上共地。由于下层金属地板又是低频天线的天线阵元，高频天线的馈电巴伦的地可以是直接连接到下层金属地板，也可以是通过电阻、电容或者电感等元器件连接到下层金属地板，其目的是避免高频天线馈电巴伦直接连接到下层金属地板会对低频天线的工作性能产生很大的影响。