CN108011196B - 一种基于多模式的一维宽角度扫描相控阵天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于多模式的一维宽角度扫描相控阵天线，属于微波天线技术领域。本发明所述相控阵天线单元主要由矩形辐射贴片、短路圆环贴片以及馈电部分构成。通过分别激励单元天线中的矩形贴片和圆形贴片，不同贴片产生的不同的模式方向图得以相互补充，构建联合宽波束单元。单元天线中的两个贴片采用叠层结构以实现不同贴片上端口之间较好的隔离。以上述联合宽波束单元为基础，构建一维宽角度扫描相控阵。将俯仰面扫描空间分为两个子空间，当在每个子空间内扫描时，分别只激励天线单元的矩形贴片或圆环贴片。本发明可以有效拓展平面相控阵的扫描范围，并且保证扫描波束在整个范围具有相同的极化。

Description

一种基于多模式的一维宽角度扫描相控阵天线
技术领域
本发明属于微波天线技术领域，具体涉及一种基于多模式的一维宽角度扫描相控阵天线。
背景技术
近年来随着航空航天技术的发展，机械转动来扩展扫描区域的方式由于扫描速度较为缓慢等缺陷已经不能满足人们需求，人们希望可以拓展相控阵天线自身扫描区域来替代传统的“相扫”+“机扫”的扫描方式。虽然平面相控阵具有剖面低、波束扫描灵活等优点，但是传统的平面相控阵天线扫描区域也存在很大的局限，随着扫描角度的增大，增益会迅速下降，很难形成有效的扫描，一般传统的平面相控阵扫描角度只有±50°左右。随着人们研究的深入，发现阵列单元很大程度决定了相控阵的性能。因此构建宽波束或联合宽波束单元成为展宽相控阵的扫描范围的一种有效的方式，但如何在保证极化等问题前提下构建宽波束单元又存在诸多困难。
文献“A wide-angle scanning phased array with microstrip patch modereconfiguration technique(Xiao Ding,You-Feng Cheng,Wei Shao,and Bing-ZhongWang.IEEE Transactions on Antenna and Propagation,2017,65(9):4548-4555)”中提出了一种模式理论与可重构技术相结合的方式，在一个矩形贴片上通过重构馈电网络激励两种不同模式，不同模式的方向图实现了相互补充，构建了联合宽波束单元，以上述单元为基础构建1×4的阵列，拓展了扫描范围，可以实现一维±75°的扫描，实现了较好的增益平坦度。但是这种方式仍然存在一定缺陷，不同的模式虽然可以实现方向图的相互补充，但是极化方式相互垂直，给实际应用带来很大困难。
因此，对于相控阵扫描天线而言，要在实现相同极化的基础上实现一维宽角度扫描，还是存在一定的困难。
发明内容
本发明的目的是解决上述现有技术的缺陷，提供一种基于多模式的一维宽角度扫描相控阵天线。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：
一种基于多模式的一维宽角度扫描相控阵天线，包括八个相同的单元天线，其中八个单元天线等间距排列成一维阵列；每个单元包括矩形辐射贴片部分、短路圆环辐射贴片部分和馈电部分；所述矩形辐射贴片部分包括矩形贴片1和第一介质基板2；所述矩形贴片1的四周刻蚀有缝隙；所述矩形贴片1印刷于第一介质基板2的上表面；所述短路圆环辐射贴片部分包括圆形贴片3、第二介质基板4和金属地板5；圆形贴片3位于第一介质基板2的下表面，且位于第二介质基板4的上表面；圆形贴片3和金属地板5之间通过金属贴片11连接；金属地板5上刻蚀有四条矩形缝隙；馈电部分包括第一金属探针7、第一SMA接头8、第二金属探针9和第二SMA接头10；第一金属探针7与矩形贴片1连接，第一SMA接头8位于圆形贴片3的下表面；第二金属探针9与圆形贴片3连接，第二SMA接头10位于金属地板5的下表面；
第一金属探针7和第一SMA接头8用于给矩形贴片1馈电，第二金属探针9和第二SMA接头10用于给圆形贴片3馈电。
矩形辐射贴片部分和短路圆环贴片部分采取叠层结构。矩形贴片1和圆形贴片3分别激励。矩形贴片1通过第一金属探针7激励，激励矩形贴片1产生TM10模式，可以产生边射方向图，当矩形贴片1被激励时，下层的圆形贴片3相当于地板；圆形贴片3通过第二金属探针9进行激励，激励圆形贴片3产生TM21模式，辐射出类似单极子的辐射方向图。两个贴片的叠层结构，使得两个端口达到了较好的隔离度。两种模式的相互结合可以产生联合宽波束单元，且矩形贴片1和金属地板5上面刻蚀的缝隙实现了较好的小型化，单元尺寸小于半个波长。根据矩形贴片TM10模式和圆形贴片TM21模式的电流分布，可以直观得到在水平方向电流方向一致，因此可以保证辐射方向图在水平方向实现相同的极化。
基于上述单元天线按照等间距水平排列，构成1×8的阵列。在接近边射方向扫描时候，激励每个单元天线的矩形贴片1，通过改变单元天线之间的相位差的方式激励各个端口，使得波束在-30～+30°的范围内实现扫描。在接近端射方向扫描的时候，激励每个单元中下层的圆形贴片3，同样通过改变单元之间相位差的方式激励各个端口，使得波束可以在±30°～±65°的范围内实现扫描。通过这种方式就实现了天线阵列在整个上半空间±65°的范围内扫描。构建的联合宽波束单元能够在水平方向实现电场的相同极化，因此保证了水平方向一维扫描过程中实现相同的极化。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提出了一种基于多模式的一维宽角度扫描相控阵天线，通过在不同的扫描区域激励不同的模式，拓展了扫描范围；
(2)本发明考虑到不同模式的场分布，采取不同贴片的不同模式相互结合，保证了阵列在整个扫描范围内实现相同的极化；
(3)本发明每个单元两种贴片采用叠层结构排布，实现了单元中两个端口之间良好的隔离。
附图说明
图1为本发明所述阵列天线的侧视图；
图2为本发明所述阵列天线的俯视图；
图3为本发明所述阵列单元天线的侧视图；
图4为本发明所述阵列单元天线顶层的截面示意图；
图5为本发明所述阵列单元天线中间层的截面示意图；
图6为本发明所述阵列单元天线底层的截面示意图；
图7为本发明所述阵列单元天线的S参数仿真图；
图8为本发明所述阵列单元天线辐射方向图；
图9为本发明所述阵列天线的扫描辐射方向图。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例对本发明做进一步描述。
本实施例提供一种基于多模式的一维宽角度扫描相控阵天线，其侧视图和俯视图分别如图1和图2所示，包括八个相同的单元天线，八个单元天线等间距排列成一维阵列；每个单元包括矩形辐射贴片部分、短路圆环辐射贴片部分和馈电部分；所述矩形辐射贴片部分包括矩形贴片1和第一介质基板2；所述矩形贴片1的四周刻蚀有缝隙；所述矩形贴片1印刷于第一介质基板2的上表面；所述短路圆环辐射贴片部分包括圆形贴片3、第二介质基板4和金属地板5；圆形贴片3位于第一介质基板2的下表面，且位于第二介质基板4的上表面；圆形贴片3和金属地板5之间通过金属贴片11连接；金属地板5上刻蚀有四条矩形缝隙；馈电部分包括第一金属探针7、第一SMA接头8、第二金属探针9和第二SMA接头10；第一金属探针7与矩形贴片1连接，第一SMA接头8位于圆形贴片3的下表面；第二金属探针9与圆形贴片3连接，第二SMA接头10位于金属地板5的下表面；
第一金属探针7和第一SMA接头8用于给矩形贴片1馈电，第二金属探针9和第二SMA接头10用于给圆形贴片3馈电。
图3中给出了单元天线的侧视图，单元可以分为三层，分别为顶层、中间层和底层顶层的截面示意图如图4所示，刻蚀有四条缝隙的矩形贴片1印刷在第一介质基板2的上表面，刻蚀的四条缝隙是为了实现矩形贴片1的小型化；中间层的截面示意图如图5所示，圆形贴片3印刷在第二介质基板4的上表面，金属探针7穿过圆形贴片3的位置刻蚀了圆环，避免了金属探针7与圆形贴片3相互接触；底层截面示意图如图6所示，5为金属地板，中间圆形部分表示金属地板5以及上层的介质板4被刻蚀的部分，金属地板5上面刻蚀了四条矩形缝隙，便于实现圆形贴片3的小型化，金属探针9穿过金属地板5的位置刻蚀了圆环，避免了金属探针9和金属地板5相互接触。
矩形辐射贴片部分和短路圆环贴片部分采取叠层结构。矩形贴片1和圆形贴片3分别激励。矩形贴片1通过第一金属探针7激励，激励矩形贴片1产生TM10模式，可以产生边射方向图，当矩形贴片1被激励时，下层的圆形贴片3相当于地板；圆形贴片3通过第二金属探针9进行激励，激励圆形贴片3产生TM21模式，辐射出类似单极子的辐射方向图。两个贴片的叠层结构，使得两个端口达到了较好的隔离度。两种模式的相互结合可以产生联合宽波束单元，且矩形贴片1和金属地板5上面刻蚀的缝隙实现了较好的小型化，单元尺寸小于半个波长。根据矩形贴片TM10模式和圆形贴片TM21模式的电流分布，可以直观得到在水平方向电流方向一致，因此可以保证在水平方向实现相同的极化
基于上述单元天线按照等间距水平排列，构成1×8的阵列。在接近边射方向扫描时候，激励每个单元天线的矩形贴片1，通过改变单元天线之间的相位差的方式激励各个端口，使得波束在0～±30°的范围内实现扫描。在接近端射方向扫描的时候，激励每个单元中下层的圆形贴片3，同样通过改变单元之间相位差的方式激励各个端口，使得波束可以在30°～±65°的范围内实现扫描。通过这种方式就实现了天线阵列在整个上半空间±65°的范围内扫描。构建的联合宽波束单元能够在水平方向实现电场的相同的极化，因此保证了水平方向一维扫描过程中实现相同的极化。
图7给出了单元天线的S参数仿真曲线，从曲线中可以看出阵列单元中不同贴片被分别激励的时候在4.8GHz都实现了较好的谐振，根据S12和S21表明，不同贴片的两个端口之间具有较好的隔离度。
图8中分别给出了矩形贴片1和圆形贴片3被激励时候的辐射方向图，从图中可以看出两个贴片不同模式方向图相互结合，实现了方向图的相互补充，很好地构建了联合宽波束单元，为后面构建联合宽波束单元奠定了基础。
图9给出了由单元天线等间距排列后构成的一维阵列的波束扫描结果，从图中可以得到，阵列通过改变端口相位差，波束在±65°的范围内实现了较好的扫描，同时在不同扫描角度实现了较好的增益平坦度。
综上所述，本实施例基于不同形状贴片分别激励的不同模式，构建了联合宽波束单元，以此单元为基础，构建了一维宽角度扫描相控阵，实现了在上半空间±65°的扫描，有效的拓展了扫描范围。同时，模式选择时候考虑到贴片上电流流向，保证了相同的电流方向，实现了整个扫描范围内相同的极化要求，本实施例相控阵能够有效拓展舰载、机载应用中雷达的扫描范围。

Claims (2)

1.一种基于多模式的一维宽角度扫描相控阵天线，其特征在于，包括八个相同的单元天线，其中八个单元天线等间距排列成一维阵列；每个单元包括矩形辐射贴片部分、短路圆环辐射贴片部分和馈电部分；所述矩形辐射贴片部分包括矩形贴片(1)和第一介质基板(2)；所述矩形贴片(1)的四周刻蚀有缝隙；所述矩形贴片(1)印刷于第一介质基板(2)的上表面；所述短路圆环辐射贴片部分包括圆形贴片(3)、第二介质基板(4)和金属地板(5)；圆形贴片(3)位于第一介质基板(2)的下表面，且位于第二介质基板(4)的上表面；圆形贴片(3)和金属地板(5)之间通过金属贴片(11)连接；金属地板(5)上刻蚀有四条矩形缝隙；馈电部分包括第一金属探针(7)、第一SMA接头(8)、第二金属探针(9)和第二SMA接头(10)；第一金属探针(7)与矩形贴片(1)连接，第一SMA接头(8)位于圆形贴片(3)的下表面；第二金属探针(9)与圆形贴片(3)连接，第二SMA接头(10)位于金属地板(5)的下表面；
在接近边射方向扫描时候，激励每个单元天线的矩形贴片(1)，通过改变单元天线之间的相位差的方式激励各个端口，使得波束在-30～+30°的范围内实现扫描；在接近端射方向扫描的时候，激励每个单元中下层的圆形贴片(3)，同样通过改变单元之间相位差的方式激励各个端口，使得波束可以在±30°～±65°的范围内实现扫描。
2.根据权利要求1所述的基于多模式的一维宽角度扫描相控阵天线，其特征在于，第一金属探针(7)和第一SMA接头(8)用于给矩形贴片(1)馈电，第二金属探针(9)和第二SMA接头(10)用于给圆形贴片(3)馈电。
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