CN108011183B - 基于矩形贴片tm20模式的一维宽角度扫描相控阵 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于矩形贴片TM20模式的一维宽角度扫描相控阵，涉及微波天线技术领域。本发明提供的相控阵的结构主要由阵列天线贴片、馈电部分和介质基板构成，阵列由8个相同的单元等间距排列构成。由于相控阵的性能与阵列单元有很大的关系，本发明基于矩形贴片TM20模式加以改进，拓展单元波束，进而拓宽了相控阵扫描范围。在保证扫描过程中极化相同的前提下，通过小型化技术，减小单元尺寸，一定程度上增加了单元间距，减小了单元之间的互耦影响，保证了波束扫描过程中良好的阻抗匹配效果。

Description

基于矩形贴片TM20模式的一维宽角度扫描相控阵
技术领域
本发明属于微波天线技术领域，具体涉及一种基于矩形贴片TM20模式的一维宽角度扫描相控阵。
背景技术
随着现代航空航天技术的发展，对于各种雷达相控阵天线的要求日益增加。相较于传统的机械扫描雷达系统，相控阵天线波束变化更加快捷，能够实现快捷地无惯性扫描。同时为了减小天线部分对整体体积的占用，降低剖面，平面相控阵受到越来越多的关注。然而，平面相控阵天线的波束扫描范围严重受限，随着扫描角度的增加，天线增益会出现严重的下降，无法形成有效的波束扫描。一般而言，平面相控阵天线的一维扫描极限角度为±50°左右。近年来，众多研究发现相控阵的性能很大程度上取决于阵列单元的性能，因此构建宽波束单元再进行组阵的方式成为了实现宽角度扫描相控阵的一种有效的方法。然而，设计适合作为相控阵单元的宽波束单元面临着诸多的困难。
文献“A Wide-Angle Scanning Phased Array with Microstrip Patch ModeReconfiguration Technique”(Ding,X.,Cheng,Y.F.,Shao,W.,&Wang,B.Z.(2017).Awide-angle scanning phased array with microstrip patch mode reconfigurationtechnique.IEEE Transactions on Antennas&Propagation,PP(99),1-1.)提出了一款基于不同模式实现方向图重构的联合宽波束单元实现宽角度扫描的相控阵，这种方式有效地拓展了扫描范围，实现了一维方向-75°～75°的扫描，同时一定程度上降低了旁瓣电平，实现了较好的扫描效果，但这种方法没有能够保证在±75°的扫描范围内实现相同的极化。
文献“A Novel Wide-Angle Scanning Phased Array Based on Dual-ModePattern-Reconfigurable Elements”(Cheng,Y.F.,Ding,X.,Shao,W.,Yu,M.X.,&Wang,B.Z.(2017).A novel wide-angle scanning phased array based on dual-modepattern-reconfigurable elements.IEEE Antennas&Wireless Propagation Letters,16(99),396-399.)通过改变馈电方式，实现不同模式来构建联合宽波束单元，从而构建宽角度扫描相控阵。阵列实现了一维方向-81°～81°的扫描，在扫描范围内达到了较好的增益平坦度，但需要较为复杂的馈电网络，同时没有很好的解决匹配问题。
发明内容
本发明的目的克服上述现有技术的缺陷，提供一种在保证极化相同和较好的匹配条件下，仍能实现宽角度扫描的相控阵，具体提供一种基于矩形贴片TM20模式的一维宽角度扫描相控阵。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：
一种基于矩形贴片TM20模式的一维宽角度扫描相控阵，包括阵列天线贴片、馈电部分和介质基板3；所述阵列天线贴片包括等间距排布的八个相同的单元；每个单元包括一个矩形辐射贴片1和一个寄生贴片2；所述矩形辐射贴片1为带有两两相对的四条缝隙的矩形贴片，所述寄生贴片2的形状与矩形辐射贴片1的形状相同；阵列天线贴片印刷在介质基板3的上表面；介质基板的下表面印刷有金属地板4；馈电部分包括SMA接头5和金属探针6，SMA接头5位于介质基板3的下方，SMA接头5中间的金属探针6穿过介质基板3与矩形辐射贴片1相连，金属地板4在金属探针6的周围刻蚀一个圆环以避免金属地板4与金属探针6相互接触。
所述相控阵天线通过SMA接头5对每个单元进行馈电。
针对单个单元，激励信号通过SMA接头5中间的金属探针6过渡到矩形辐射贴片1之上，通过耦合的方式实现对寄生贴片2馈电。如果一个单元中的两个贴片电流强度相同，则在TM20模式条件下，两个贴片分别产生近似单极子的辐射方向图；如果一个单元中只有一个矩形辐射贴片1，对矩形辐射贴片1馈电时，矩形辐射贴片1可以产生边射方向图。本发明中采用的结构中，寄生贴片2通过耦合的方式进行馈电，寄生贴片2的表面电流分布会明显弱于矩形辐射贴片1，所以每个单元的辐射情况可以近似看成是上述两种情况辐射场的叠加。相较于矩形辐射贴片1和寄生贴片2电流相同的情况，在低仰角的辐射增益有了显著提升，因此可以得到宽波束单元。同时，单元中两个贴片的电流分布在横向上保持了相同的流向，解决了单元的极化问题，避免了组阵之后扫描过程中极化不一致的问题。
将上述单元按等间距横向排列，组成一个1×8的阵列，通过改变单元之间相位差的方式激励，实现了相控阵天线宽角度波束扫描。
根据矩形辐射贴片1和寄生贴片2电流分布，在电流较强的地方刻蚀缝隙，实现阵列单元小型化；在避免栅瓣条件下尽量加大单元间距，减小了单元之间的相互影响；因此天线阵列在扫描过程中实现良好的匹配。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提出了一种基于宽波束单元的平面相控阵，与常见的相控阵相比，扫描角度有了较大的提升，扫描过程中实现了较好的增益平坦度；
(2)本发明选择了简单的矩形贴片，保证了在横向方向电流流向一致，保证了在扫描范围内相同的极化。
(3)本发明利用了小型化技术，在保证没有栅瓣的前提下尽可能增加了单元间距，有效地减小了单元之间互耦，在扫描过程中实现了较好的阻抗匹配。
附图说明
图1为本发明所述相控阵的俯视图；
图2为本发明所述相控阵的主视图；
图3为本发明所述的相控阵仰视图；
图4为本发明所述的相控阵中单元的结构图；
图5为本发明所述天线阵列中单元的反射系数的仿真曲线；
图6为本发明所述天线阵列中单元的仿真辐射方向图；
图7为本发明所述相控阵在4.6GHz扫描辐射结果图；
图8为本发明所述相控阵在不同扫描角度的阻抗匹配情况图，其中(a)波束指向为0°，(b)波束指向为33°，(c)波束指向为45°，(d)波束指向为67°。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。
本具体实施例提供一种基于矩形贴片TM20模式的一维宽角度扫描相控阵，其俯视图、主视图和仰视图分别如图1-3所示，包括阵列天线贴片、馈电部分和介质基板3；所述阵列天线贴片包括等间距排布的八个相同的单元；每个单元包括一个矩形辐射贴片1和一个寄生贴片2；所述矩形辐射贴片1为带有两两相对的四条缝隙的矩形贴片，所述寄生贴片2的形状与矩形辐射贴片1的形状相同；阵列天线贴片印刷在介质基板3的上表面；介质基板的下表面印刷有金属地板4；馈电部分为SMA接头5，SMA接头5位于介质基板3的下方，SMA接头5中间的金属探针6穿过介质基板3与矩形辐射贴片1相连，金属地板4在金属探针6的周围刻蚀一个圆环以避免金属地板4与金属探针6相互接触。
所述相控阵天线通过SMA接头5对每个单元进行馈电。
阵列天线贴片中每个单元的结构如图4所示，针对单个单元，激励信号通过SMA接头5中间的金属探针6过渡到矩形辐射贴片1之上，通过耦合的方式实现对寄生贴片2馈电。
图5是本实施例相控阵中单个单元的S参数仿真曲线，从图中可以看出，所描述的单元能够在4.6GHz处实现谐振，带宽约为140MHz；
图6是本实施例相控阵中单个单元的辐射方向图，所描述单元在4.6GHz构造了良好的宽波束单元，3dB波束宽度达到了135°；
图7是本实施例相控阵在4.6GHz处扫描结果。从图中可以看出，阵列可以实现-68°～68°的扫描，在扫描过程中，增益的波动小于3dB，旁瓣电平小于-8.4dB。实现了一个较好的扫描效果，得到了很好的增益平坦度。
图8是本实施例相控阵在不同扫描角度情况下阻抗匹配情况图。从图中可以看出，在4.6GHz处，所述阵列在不同的扫描角度都能够实现良好的阻抗匹配。
综上所述，本实施例基于矩形贴片TM20模式的宽角度扫描相控阵通过对简单的矩形贴片进行改造，构建宽波束单元，并以此宽波束单元为基础构建相控阵。在保证扫描范围内相同极化和良好的匹配的条件下实现了宽角度扫描，与常见的的一维扫描相控阵相比有效地拓展了扫描范围。本实施例宽角度相控阵有效增强了机载、舰载雷达相控阵的扫描范围，便于更好地发现目标。

Claims (3)

1.一种基于矩形贴片TM20模式的一维宽角度扫描相控阵，其特征在于，包括阵列天线贴片、馈电部分和介质基板(3)；所述阵列天线贴片包括等间距排布的八个相同的单元；每个单元包括一个矩形辐射贴片(1)和一个寄生贴片(2)；所述矩形辐射贴片(1)为带有两两相对的四条缝隙的矩形贴片，所述寄生贴片(2)的形状与矩形辐射贴片(1)的形状相同；阵列天线贴片印刷在介质基板(3)的上表面；介质基板的下表面印刷有金属地板(4)；馈电部分包括SMA接头(5)和金属探针(6)，SMA接头(5)位于介质基板(3)的下方，SMA接头(5)中间的金属探针(6)穿过介质基板(3)与矩形辐射贴片(1)相连，金属地板(4)在金属探针(6)的周围刻蚀一个圆环以避免金属地板(4)与金属探针(6)相互接触；
针对单个单元，激励信号通过SMA接头(5)中间的金属探针(6)过渡到矩形辐射贴片(1)之上，通过耦合的方式实现对寄生贴片(2)馈电。
2.根据权利要求1所述的基于矩形贴片TM20模式的一维宽角度扫描相控阵，其特征在于，所述相控阵天线通过SMA接头5对每个单元进行馈电。
3.根据权利要求1所述的基于矩形贴片TM20模式的一维宽角度扫描相控阵，其特征在于，介质基板(3)的介电常数为4.6，厚度为3mm。
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