CN107645049A - 一种超宽带平面相控阵天线及其波束扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽带平面相控阵天线及其波束扫描方法，涉及天线技术领域，包括介质基板，所述介质基板上设有外加偏压的液晶移相器网络，所述液晶移相器网络由多个液晶移相器单元构成，所述液晶移相器网络上方设有覆盖多个频段的天线单元组阵；所述天线单元组阵由多个天线单元构成，所述天线单元为带槽线的Vivaldi天线，通过微带线‑槽线的结构向所述液晶移相器馈电。与现有技术相比，本发明解决了超宽带相控剖面度高、天线损耗大、利用率低的问题。

Description

一种超宽带平面相控阵天线及其波束扫描方法

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其是一种用于超宽带平面相控的天线技术。

背景技术

超宽带相控阵雷达在抗干扰、实现低截获概率、高分辨率等方面具有独特优势，而现代雷达也已经超出了传统雷达的范畴，向着雷达、电子战、通信、导航、敌我识别一体化融合的方向发展，这些要求通常要在同一天线上实现，超宽带相控阵雷达因此应运而生，能够实现大扫描角的超宽带相控阵是其核心。在雷达系统中，相对带宽超过25％的天线被定义为超宽带天线。

现有的超宽带阵列天线大多采用行波天线或单极子天线结构，具有很大的带宽，但是其剖面度高，限制了其在某些领域的应用。

超宽带天线与传统的天线相比，工作频段更宽，在工作带宽内往往难以保证高而稳定的辐射效率，同时，传统阵列天线大都采用电子器件调谐，导致阵列损耗大、利用率低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种超宽带平面相控阵天线及其波束扫描方法，它可以解决现有技术中天线剖面度高、损耗大以及利用率低的问题。

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：这种超宽带平面相控阵天线，包括介质基板，所述介质基板上设有外加偏压的液晶移相器网络，所述液晶移相器网络由多个液晶移相器单元构成，所述液

晶移相器网络上方设有覆盖多个频段的天线单元组阵；所述天线单元组阵阵由多个天线单元构成，所述天线单元为带槽线的Vivaldi天线，通过微带线-槽线的结构向所述液晶移相器馈电。

上述技术方案中，更具体的技术方案还可以是：所述Vivaldi天线包括两个分别印刷在所述介质基板的两面上的辐射臂，形成对跖结构，所述辐射臂由两条指数规律渐变的槽线组成，采用微带线-平行双线巴伦进行馈电；两个所述辐射臂的边缘开不同形状槽。

进一步的：所述槽线由窄至宽过渡，形成喇叭口状。

进一步的：所述天线单元组阵阵采用分块组阵方式覆盖S、C、X、Ku频段，每个所述天线单元组阵阵处于同一剖面高度。

进一步的：所述天线单元组阵阵采用H面和E面交错排列。

这种超宽带相控阵的波束扫描方法，采用的超宽带平面相控阵，包括介质基板，所述介质基板上设有外加偏压的液晶移相器网络，所述液晶移相器网络由多个液晶移相器单元构成，所述液晶移相器网络上方设有覆盖多个频段的天线单元组阵；所述天线单元组阵阵由多个天线单元构成，所述天线单元为带槽线的Vivaldi天线，通过微带线-槽线的结构向所述液晶移相器馈电；或者上述技术方案的任一组合形成的超宽带平面相控阵，包括所述液晶移相器与液晶驱动芯片连接，所述液晶驱动芯片与MCU连接包括以下步骤：

A.对所述天线单元组阵阵进行测试，获取偏置电压与所述液晶移相器单元的数值关系；

B.通过方向图计算获得每个所述液晶移相器单元需要补偿的移相量，利用步骤A获取的数值关系得出各个移相器单元所需的偏置电压；

C.通过MCU编程控制，给予每个移相器单元所需电压，即可获得所需波束。

上述技术方案中，更具体的技术方案还可以是：所述天线单元的微带线-槽线通过同轴线转换到所述液晶移相器进行馈电。

由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

1、通过采用开线槽的方式来改善Vivaldi天线的低频特性，从而降低天线剖面高度，减小天线尺寸；选择液晶移相器单元组成液晶移相器网络，利用其频带宽、损耗小，易于共形设计等优点，可进一步提升阵列天线的利用效率。

2、采用对跖结构的Vivaldi天线，使得天线单元的高频截止频率不受馈电结构的限制，从而可以获得很宽的阻抗带宽；采用在对跖结构的Vivaldi天线两辐射臂的边缘开不同形状槽的方式来改善Vivaldi天线的低频特性，从而降低天线剖面高度，减小天线尺寸。

3、将槽线的宽度由窄至宽加深，形成喇叭口状接收或向外辐射电磁波，其不同的部分接收或发射电磁波，各个辐射部分对于不同的频率而言电长度是一样的，该天线单元具有超宽带高增益特性。

4、采取H面和E面交错排列的方式来抑制阵列间互耦，提升超宽带相控阵天线效率，同时增大超宽带平面相控阵的扫描角。

5、利用液晶材料电控双折射率特性，通过外加偏压实时改变液晶指向矢，即液晶分子的空间平均取向，从而改变液晶的介电常数控制液晶移相器单元的移相量，从而实现波束扫描的作用。

6、通过同轴线馈电的方式，减少损耗，提高天线单元的利用率。

7、通过分块组阵的方式，避免了移相器在超宽带内(2-18GHz)带宽不足及宽带内移相的不一致性问题，使阵列能完全覆盖S、C、X、Ku频段。

附图说明

图1是Vivaldi天线单元结构图。

图2是对跖Vivaldi天线结构示意图。

图3是两侧加载横向槽的对跖Vivaldi天线结构示意图。

图4是Vivaldi天线指数渐变曲线部分图。

图5是分块组阵示意图的立体图。

图6是分块组阵示意图的俯视图。

图7是交错一维阵列排列示方式意图的H面阵列图。

图8是交错一维阵列排列示方式意图的E面阵列图。

图9是8x8交错阵列模型整体模型结构图。

图10是8x8交错阵列模型的俯视图。

图11是8x8交错阵列模型1-64的液晶移相器网络结构图。

图12是超宽带平面相控阵的液晶偏压控制整体结构图。

图13是超宽带平面相控阵的液晶偏压控制单元结构图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详述：

超宽带平面相控阵的设计流程主要包括：各频段的天线单元分析与设计；各频段液晶移相器单元设计；多频段天线单元组阵的分块组阵设计。首先根据各频段阵列不同的技术指标，完成天线单元及液晶移相器单元的设计，其次根据天线单元与液晶移相器单元完成超宽带平面阵列单元的设计，在保证各频段超宽带平面阵列单元共面的情况下，采用阻抗匹配的方式来对工作频段进行选择，完成四种频段阵列单元的整体设计。阵列单元的设计直接影响相控阵的带宽、损耗、波束扫描等关键指标。最后，根据阵列组阵原理，分别对各频段阵列单元进行组阵设计，再根据分块组阵原理，对各频段阵列进行组阵，完成多频段分块平面相控阵的设计。

如图1所示的实施例，本实施例拟采取Vivaldi天线进行超宽带平面相控阵天线设计，包括天线单元5，该天线单元5包括槽线谐振腔1，微带线2，微带短接线2-1，槽线3，通过微带线-槽线进行馈电，天线单元结构如图2所示。Vivaldi天线是一种宽带槽线天线，由相对比较窄的槽线过渡到比较宽的槽线，将槽线逐渐加大宽度，形成喇叭口状接收或向外辐射电磁波。对于不同的频率而言，其不同的部分接收或发射电磁波，各个辐射部分对于不同的频率而言电长度是一样的，因此，该天线具有超宽带高增益特性。

传统Vivaldi天线，即同面结构Vivaldi天线的工作带宽受馈电结构和槽线3结构的限制，交叉极化也很高，在保证天线尺寸不变的情况下，为了避免Vivaldi天线的高频截止频率受馈电结构的限制的问题，本实施例采用对跖结构的Vivaldi天线(AntipodalVivaldi Antenna,AVA)，如图4所示。对跖Vivaldi天线的两个辐射臂4分别印刷在介质基板的两面上，形成对跖结构，天线的辐射臂4由两条指数规律渐变的槽线3组成，采用微带线-平行双线巴伦进行馈电，天线单元的高频截止频率再也不受馈电结构的限制，从而可以获得很宽的阻抗带宽。

然而，对跖结构的Vivaldi天线低频仍然受天线口径的限制，要实现小型化就必须减小对跖Vivaldi天线的尺寸。因此，本实施例采用在其两辐射臂4的边缘开不同形状槽的方式来改善Vivaldi天线的低频特性，从而降低天线单元5剖面高度，减小天线尺寸。天线单元5的辐射场由槽线3附近的场和辐射贴片边缘的场两部分叠加，开槽能减少与辐射方向垂直的电流，将分散在辐射贴片边缘的电流聚集到槽线3附近，将尽量多的信号能量沿着槽线3辐射出去。低频由槽线3宽度决定，有效辐射区域小，开槽增加了电流的有效路径长度，不仅可以扩展低频带宽，改善定向性，还可以减小天线的尺寸，如图3所示。矩形的槽线3的起始位置d₀、数量、长度(y₁,y₂,y₃)、宽度ww和槽间距dw都会影响天线单元5的辐射性能。其中，槽线3的长度会影响贴片表面电流的分布：当槽太长时，会使电流从中间槽线3附近直接流向槽线3结构，导致边缘辐射，从而减少在主辐射方向上辐射的电磁能量；当槽不够长时，对天线单元5辐射性能的改善效果不明显。综上分析可知，槽线3的位置、数量、长度、宽度及槽间距都会对天线单元5的辐射性能产生影响，因此在设计过程中，须经过不断的优化来实现指定的指标。

同时，为了提高天线单元5的辐射效率，还须对天线单元5结构开口槽曲线进行进一步优化。Vivaldi天线的电流集中分布在槽线附近，不同宽度的槽线3对应辐射不同频率的电磁波，天线单元5的低频部分由指数渐变槽线3的宽端决定，而高频部分由槽线3的窄端决定。天线单元5的辐射能力随着指数渐变槽线3的开口大小而改变，开口小时，电场被束缚，辐射较弱；开口大时，电场开始辐射，如图4所示。

为了能完全覆盖S、C、X、Ku频段，须采用超宽带阵列天线，若是采用同一阵列同时覆盖以上几个频段，即2-18GHz，考虑到液晶移相器11的带宽及宽带内移相的一致性问题，此种方案将难以实现。因此，本实施例将分别设计工作于各个频段(S、C、X、Ku)的天线单元组阵，S频段天线单元组阵6，C频段天线单元组阵7，X频段天线单元组阵8，Ku同频段天线单元组阵9，在保证具有相同剖面高度的情况下再将各个频段的天线单元进行组阵设计，即采用分块组阵的方案来覆盖多个频段，如图5和图6所示。该阵列由4个天线单元组阵组成，分别工作于S、C、X、Ku频段，子阵剖面高度保持一致，通过馈电匹配使之工作于相应频段。

传统相控阵的天线单元间具有一定的耦合，这种耦合不仅会影响相控阵的扫描范围，而且还会降低阵列的辐射效率。因此，为了提升超宽带相控阵天线组阵的效率，同时增大相控阵的扫描角度，本发实施例拟采取H面和E面交错排列的方式来抑制阵列间互耦，如图7和图8所示。

通过对传统一维Vivaldi天线阵列进行仿真分析可知，对同样的天线单元5来说，是否组阵或置于阵列中什么位置都会对其特性产生影响。显然，天线单元5间的互耦会对天线单元组阵阻抗特性产生较大影响，进而影响到天线单元5组阵的辐射效率。因此，在保证传统一维天线单元5组阵的阻抗带宽的同时，采用H面和E面交错排列的方式来抑制阵列间的互耦，不仅能消除阵列间互耦对整个天线阵列效率的影响，还能提高阵列的波束扫描范围。

同时，移相器作为超宽带相控阵列的关键部件，其损耗也会对天线单元组阵的效率产生影响。目前，大多数相控阵系统电子器件移相器来进行控制的。这些移相器损耗高、功率容量小、不易于共形设计，基于此，本实施例选择液晶移相器，利用其频带宽、损耗小，易于共形设计等优点，可进一步提升阵列天线的效率。

如图9、10、11所示，为8x8交错排列阵列，包含64个交错排列的Vivaldi天线单元5以及液晶移相器网络10，液晶移相器网络10由多个液晶移相器单元10-1构成，天线单元5通过微带线同轴线11转换到液晶移相器网络10进行馈电，通过控制液晶的偏压，改变移相器的移相量，从而实现波束扫描控制。

本实施例采用液晶材料来进行相控阵波束扫描设计，其原理就是利用液晶材料电控双折射率特性，通过外加电场改变液晶指向矢(液晶分子的空间平均取向)从而改变其介电常数控制移相器单元10-1的移相量。本实施例采用如图12、图13所示的液晶偏压控制方案来进行波束扫描设计。首先，对天线单元进行测试，获取偏置电压与单元移相量的数值关系；其次通过方向图计算获得各个单元需要补偿的移相量，利用第一步获取的数值关系得出各个移相器单元所需的偏置电压；第三，通过MCU编程控制，给予各个液晶移相器单元10-1所需电压，即可获得所需波束。因此，通过外加电场改变液晶指向矢(液晶分子的空间平均取向)从而改变其介电常数控制移相器单元的移相量。

Claims (7)

1.一种超宽带平面相控阵天线，其特征在于：包括介质基板，所述介质基板上设有外加偏压的液晶移相器网络，所述液晶移相器网络由多个液晶移相器单元构成，所述液晶移相器网络上方设有覆盖多个频段的天线单元组阵；所述天线单元组阵由多个天线单元构成，所述天线单元为带槽线的Vivaldi天线，通过微带线-槽线的结构向所述液晶移相器馈电。

2.根据权利要求1所述超宽带平面相控阵，其特征在于：所述Vivaldi天线包括两个分别印刷在所述介质基板的两面上的辐射臂，形成对跖结构，所述辐射臂由两条指数规律渐变的槽线组成，采用微带线-平行双线巴伦进行馈电；两个所述辐射臂的边缘开不同形状槽。

3.根据权利要求2所述的超宽带平面相控阵，其特征在于：所述槽线由窄至宽过渡，形成喇叭口状。

4.根据权利要求1所述超宽带平面相控阵，其特征在于：所述天线单元组阵采用分块组阵方式覆盖S、C、X、Ku频段，每个所述天线单元组阵处于同一剖面高度。

5.根据权利要求4所述的超宽带平面相控阵，其特征在于：所述天线单元组阵采用H面和E面交错排列。

6.一种超宽带相控阵的波束扫描方法，其特征在于：采用权利要求1-5所述的任一超宽带平面相控阵，包括所述液晶移相器与液晶驱动芯片连接，所述液晶驱动芯片与MCU连接；扫描方法包括以下步骤：

A.对所述天线单元组阵进行测试，获取偏置电压与所述液晶移相器单元的数值关系；

B.通过方向图计算获得每个所述液晶移相器单元需要补偿的移相量，利用步骤A获取的数值关系得出各个移相器单元所需的偏置电压；

C.通过MCU编程控制，给予每个移相器单元所需电压，即可获得所需波束。

7.根据权利要求6所述的超宽带相控阵的波束扫描方法，其特征在于：所述天线单元的微带线-槽线通过同轴线转换到所述液晶移相器进行馈电。