CN108134191A

CN108134191A - 一种基于十字结构的极化分量可选超宽带天线阵列

Info

Publication number: CN108134191A
Application number: CN201711292828.9A
Authority: CN
Inventors: 周雷; 陈文俊; 史苏阳
Original assignee: 724th Research Institute of CSIC
Current assignee: 724th Research Institute of CSIC
Priority date: 2017-12-08
Filing date: 2017-12-08
Publication date: 2018-06-08
Anticipated expiration: 2037-12-08
Also published as: CN108134191B

Abstract

本发明公开了一种基于十字结构的极化分量可选超宽带天线阵列。包括若干个按矩形栅格排列的Vivaldi天线单元，每个天线单元被限定在一个特定的矩形范围内，且相对于水平面呈倾斜状放置，相邻天线单元之间具有周期排列特性。每个天线单元周围被四个十字交叉形状金属部件包围，沿着倾斜方向的单元之间由“十字交叉”支撑连接金属部件相互电连接。“十字交叉”金属部件四个枝节的长度对天线单元上的有效辐射电流具有影响，当延长沿着水平面的枝节长度时，天线单元上沿着水平方向的电流分量会减弱，反之亦然，从而可以通过调节四个枝节的长度调节远区辐射电场沿垂直及水平方向的分量。本发明具有宽带宽角特性、结构简单易加工，具有重要的实际工程应用价值。

Description

一种基于十字结构的极化分量可选超宽带天线阵列

技术领域

本发明主要属于现代无线通信技术、相控阵雷达技术领域，尤其涉及超宽带宽角扫描相控阵天线技术领域。

背景技术

天线作为发射和接受电磁能量的关键部件，在无线通信系统中被广泛使用。将天线单元以不同栅格排列即可组成天线阵列，超宽带相控阵天线是基于阵列天线基础上进化而来的新型雷达天线。在现在雷达通信中，对超宽带宽角扫描的相控阵雷达天线的需求日益迫切，要求雷达天线具有相当宽的工作频带以及快速波束扫描能力，且扫描衰减越小越好，另外在扫描过程中，要求天线远区辐射电场的极化分量比要保持稳定。

传统的宽带相控阵天线的设计，通常是采取宽带阵列单元，按照一定的栅格排布，组成不同形式的阵列。这种传统的阵列往往存在一定的局限性：首先，鉴于天线单元的宽带特性，天线单元尺寸较大，因此在高频处往往会有较大的横向或者纵向电尺寸，导致阵列不可避免的产生栅瓣，甚至会引起一些表面波的产生，这种表面波有时会导致天线阵列出现一定的盲区；其次，在低频处由于单元电尺寸较小，因此阵列单元间的耦合相应的比较强，这种耦合会导致单元的性能受到很大影响，并且这种耦合很难消除；其次，阵元间互耦效应的补偿或抑制难度也会随着频率的降低而大大增加，给阵列设计带来一定的局限性。对于这种传统宽带相控阵的互耦问题，往往可采用一些方法来适当抑制阵元间固有的互耦效应，但是这些方法或多或少会有一定弊端，如使设计复杂性增加、使工作带宽变窄、使天线增益降低等。阵列宽带化对低频处和高频处阵元间距要求的矛盾在很大程度上限制了传统阵列天线的工作带宽和无栅瓣扫描范围。

相控阵雷达天线的极化方式决定了其能接受的电磁场的极化方式，众所周知，垂直极化天线只能接收或发射垂直极化的电磁波，水平极化天线只能接收或发射水平极化的电磁波。当前多样化的电磁环境对天线的极化方式提出了新的要求，要求天线能同时接收或发射垂直/水平极化的电磁波，这一方式可以通过圆极化天线来实现，也可采用垂直/水平双极化天线来实现，但是这两种均增加了相控阵雷达天线的设计复杂度及难度，如双极化天线增加了一倍信道，大大的增加了系统成本，另外超宽带圆极化天线本身就很难实现。因此，出现了一种新的极化形式，即斜极化相控阵雷达天线，这种形式的相控阵雷达天线在不增加通信通道的同时，实现了同时接收或发射垂直和水平极化电磁波的功能，这种方式在当今的相控阵雷达天线系统中被广泛采用。

斜极化天线解决了同时接收或发射垂直/水平极化电磁波问题，但是随之带来的是新的问题。我们知道，相控阵雷达天线的优点是可以快速实现波束扫描，但是在宽角度扫描的情况下，如在45°斜极化情况下，当相控阵雷达天线沿着水平面方向电扫描时，其水平极化增益分量的下降速度要快于垂直极化的增益分量，这就导致了在大扫描情况下将影响相控阵雷达天线的接收性能，使得雷达天线对水平极化和垂直极化方向的电磁波接收范围出现了不一致性。

由上可知，常规设计的超宽带相控阵天线的结构形式很难同时解决以上问题。因此，为了满足实际工程需要，急需寻求一种简单且容易实现的方案来实现可调节电场极化分量的超宽带相控阵天线。本发明也正是基于工程实际应用需求而提出的。

发明内容

针对上述的技术背景，总结现有技术的不足，为了解决以上陈述的问题，尤其是针对斜极化形式的超宽带天线阵宽角扫描时垂直和水平极化增益分量不一致的问题，本发明设计了基于一种新型结构的超宽带天线阵。本发明的主要技术如下：

本发明所述一种基于十字结构的极化分量可选超宽带天线阵列，包括金属反射板和Vivaldi天线单元，其中金属反射板上设置有“十字交叉”形金属支撑部件，“十字交叉”形金属支撑部件连接有Vivaldi天线单元；Vivaldi天线单元包括两块介质板、顶部圆形介质板、中间馈电的带线以及介质板两侧的指数型渐变槽线。

本发明的超宽带天线阵宽带特性实现的工作原理通过单元之间的强互耦效应实现的，是Wheeler理想阵列的天线模型的变形，通过这种方式可实现阵列的超宽带特性。本发明是以矩形栅格拓扑结构组阵的，所有的天线单元位于金属底板上侧，天线单元与单元之间具有“十字交叉”形的支撑部件，该支撑部件可以有效地固定每个天线单元，其通过金属螺丝固定于金属底板上，在支撑部件沿着阵列极化方向上具有矩形的导向槽，天线单元即固定于这些导向槽内。

本发明关键在于“十字交叉”形金属支撑部件的使用，该“十字交叉”部件两个十字沿着两个方向的长度大小对天线单元的有效辐射电流具有影响，而电流的改变必然导致天线单元的极化特性发生改变，从而改变天线单元沿着不同方向的分量特性，这样即可根据实际需要以获得合适长度，通过调节长度，改变天线单元上的有效电流分布，从而根据实际需要获得相应的增益分量比。若增加水平方向长度，将增加垂直方向的增益分量大小，反之，当增加垂直方向长度，将增加水平方向的增益分量大小；另外，当水平方向左右两个“十字交叉”形支撑部件的延长部分重合时，总增益在水平方向基本不再存在分量，而垂直方向增益分量与总增益也基本一致。

附图说明

图1十字结构的极化分量可选超宽带天线阵列36×9平面阵列俯视图，所示的超宽带天线阵主要由底板、带状线馈电的Vivaldi天线和“十字交叉”形支撑连接部件组成。

图2是图1所示的阵列中一个周期单元立体结构图，在超宽带天线阵列中，每个这样的单元都包含一个带线馈电的Vivaldi天线，四个拐角处的支撑部件；

图3给出的具体的Vivaldi天线结构立体图，所述的Vivaldi天线包含两块F4B介质基板、两个带腔的指数型渐变槽线、“L”形带线馈线；

图4为阵列中“十字交叉”形支撑部件的单元胞；

图5为图1中沿极化方向相邻单元之间的连接部分“十字交叉”形支撑部件的俯视图；

图6是图2中的单元在36×9阵列的阵中有源反射系数，结果表明，阵中单元可工作于1-7GHz频段，即发明的超宽带天线阵可工作于1-7GHz频段，达到了7倍频程的带宽；

图7是图2中所示周期单元的总增益及垂直和水平增益分量比，给出了在θ＝0°时的结果；

图8是图2中所示周期单元的总增益及垂直和水平增益分量比，给出了在θ＝15°时的结果；

图9是图2中所示周期单元的总增益及垂直和水平增益分量比，给出了在θ＝30°时的结果；

图10是图2中所示周期单元的总增益及垂直和水平增益分量比，给出了在θ＝45°时的结果；

图11是图2中所示周期单元在十字交叉支撑部件沿垂直和水平长度L1＝d/6和L2＝d/6时的总增益及垂直和水平增益分量比；

图12是图2中所示周期单元在十字交叉支撑部件沿垂直和水平长度L1＝d/3和L2＝d/6时的总增益及垂直和水平增益分量比；

图13是图2中所示周期单元在十字交叉支撑部件沿垂直和水平长度L1＝d/6和L2＝d/3时的总增益及垂直和水平增益分量比；

图14是图2中所示周期单元在十字交叉支撑部件沿垂直和水平长度L1＝d/2和L2＝d/6时的总增益及垂直和水平增益分量比；

图15是图1所示超宽带天线阵在未加“十字交叉”形枝节情况下，阵列指向在θ＝0°时阵列总增益及垂直和水平增益分量比；

图16是图1所示超宽带天线阵在未加“十字交叉”形枝节情况下，阵列指向在θ＝15°时阵列总增益及垂直和水平增益分量比；

图17是图1所示超宽带天线阵在未加“十字交叉”形枝节情况下，阵列指向在θ＝30°时阵列总增益及垂直和水平增益分量比；

图18是图1所示超宽带天线阵在未加“十字交叉”形枝节情况下，阵列指向在θ＝45°时阵列总增益及垂直和水平增益分量比；

图19是图1所示的超宽带天线阵在θ＝0°时的总增益与垂直和水平增益分量比，此时取的是L1和L2长度相同(L1＝d/3，L2＝d/3)，以天线最大辐射方向为例；

图20是图1所示的超宽带天线阵在θ＝15°时的总增益与垂直和水平增益分量比，此时取的是L1和L2长度相同(L1＝d/3，L2＝d/3)，以天线最大辐射方向为例；

图21是图1所示的超宽带天线阵在θ＝30°时的总增益与垂直和水平增益分量比，此时取的是L1和L2长度相同(L1＝d/3，L2＝d/3)，以天线最大辐射方向为例；

图22是图1所示的超宽带天线阵在θ＝45°时的总增益与垂直和水平增益分量比，此时取的是L1和L2长度相同(L1＝d/3，L2＝d/3)，以天线最大辐射方向为例；

图23是图1所示的超宽带天线阵在θ＝0°时的总增益及垂直和水平增益分量比，此时取的是L1和L2长度不同(L1＝d/3，L2＝d/6)；

图24是图1所示的超宽带天线阵在θ＝15°时的总增益及垂直和水平增益分量比，此时取的是L1和L2长度不同(L1＝d/3，L2＝d/6)；

图25是图1所示的超宽带天线阵在θ＝30°的总增益及垂直和水平增益分量比，此时取的是L1和L2长度不同(L1＝d/3，L2＝d/6)；

图26是图1所示的超宽带天线阵在θ＝45°时的总增益及垂直和水平增益分量比，此时取的是L1和L2长度不同(L1＝d/3，L2＝d/6)；

图27是图1所示超宽带天线阵在L1和L2取相同值情况下，阵列在1GHz时最大指向从0°到45°的扫描方向图；

图28是图1所示超宽带天线阵在L1和L2取相同值情况下，阵列在3GHz时最大指向从0°到45°的扫描方向图；

图29是图1所示超宽带天线阵在L1和L2取相同值情况下，阵列在5GHz时最大指向从0°到45°的扫描方向图；

图30是图1所示超宽带天线阵在L1和L2取相同值情况下，阵列在7GHz时最大指向从0°到45°的扫描方向图。

具体实施方式

下面结合36×9超宽带天线阵列实施例对本发明进行详细的说明，参见图1。

阵列天线设计，要设计大型天线，首先可以通过采用无限大周期边界来分析阵中单元匹配和方向图特性，参见图2，为ANSYS HFSS中的主从边界模型。天线单元胞主要由主边界1和从边界3、主边界2和从边界4以及辐射边界5、四个“L”形支撑部件6以及Vivaldi天线单元7构成，Vivaldi天线为斜45°极化方式。其中，Vivaldi天线单元由两块介质板组成，介质板101上蚀刻有指数型渐变槽线和“L”形带状线，介质板102上蚀刻由指数型渐变槽线，两个介质板上端均设计为半圆形形状，具体参见图3。四个“L”形支撑部件的俯视图参见图4，沿Vivaldi天线极化方向设计有两个矩形槽用来固定Vivaldi天线，参见图5。

天线单元的设计出发点为确定天线单元尺寸，其选取原则如下，Vivaldi天线单元的深度(渐变槽线开孔圆到接地面的距离)约为最低工作频点的的四分之一波长(H＝λ_Low/4)，以图1所示的矩形栅格天线阵列为例，为了保证不出现栅瓣，天线单元所占矩形每个边的最大尺寸不能超过最高工作频点的半个波长(即d≈λ_high/2)，从而有

上式表明了带宽和天线单元初始设计尺寸的关系，可根据此确定天线单元的初始外形尺寸。本发明的介质板选取的是F4B，介电常数2.65，损耗正切角小于0.001，为了避免在扫描过程中出现栅瓣，选取垂直和水平方向的单元间距d均为0.42λ_high，高度H略大于λ_Low/4，从而确定了单元的总体初始尺寸，且带宽约为7倍频程，参见图6可见，经优化后的天线单元胞可工作于1-7GHz频带，反射系数小于-10dB，对应的电压驻波比小于2。

对于斜45°极化的单元胞，理想状态下其增益沿着水平和垂直的分量应是相等的，为了说明所述单元胞方向图特性，令沿水平和垂直方向支撑部件的长度分别为L1和L2，具体参见图4。首先，取L1和L2均为d/3，则天线单元胞在θ＝0°、θ＝15°、θ＝30°和θ＝45°方向上的总增益与水平与垂直方向增益分量比值参见图7-10，在L1和L2等值的情况下，不难发现，天线单元胞在最大指向±45°范围内，增益在水平和垂直两个方向的分量大小基本一致，均比总增益小约3dB。

本发明的“十字交叉”形支撑部件，在L1和L2和不等的情况下，以单元胞最大辐射方向为例，其总增益与水平与垂直方向增益分量比值参见图11-14，当L1＝d/6，L2＝d/6时，两个方向的增益分量基本一致如图11所示；固定L2的值为d/6，L1依次取d/6、d/3、d/2，可发现，随着水平方向长度L1值的变大，单元胞沿着水平方向的增益分量逐渐变小，当L1＝d/2时，可发现，总增益与垂直方向的增益分量基本相等，而总增益在水平方向基本没有分量，可从图11、12和14中看出；当取L1＝d/3，L2＝d/6和取L1＝d/6，L2＝d/3时，总增益与增益分量的差值参见图12和图13，当L1>L2时，水平方向增益分量小于垂直方向增益分量，当L1<L2时，水平方向增益分量大于垂直方向增益分量。由上可知，对于天线单元胞来说，调节“十字交叉”形支撑部件的沿水平和垂直方向的长度可以根据实际应用场合自由改变天线沿水平及垂直方向的增益分量，而且可以实现连续调节。

通过以上的分析，将此结果递推到大规模超宽带天线阵中，参见图1所示的32×9阵列。为了说明“十字交叉”形金属支撑部件在阵列中的作用，首先，在未加“十字交叉”形支撑部件情况下，只有矩形槽将每相邻的天线单元相连接起来，此时的阵列的增益分量在沿水平方向(方位面)的波束指向在θ＝0°、θ＝15°、θ＝30°和θ＝45°时的结果参见图15-18。图15表明，在θ＝0°情况下，增益沿水平和垂直两个方向的分量基本一致，两个分量差值在0.35dB以内，当扫描角不再指向法向时，水平和垂直方向的增益分量则不再一致，参见图16-18，指向在θ＝15°时，在7GHz处，增益分量相差为6.5dB，指向在θ＝30°时，在7GHz处，增益分量相差大于12dB，当指向在θ＝45°时，在6GHz处，增益分量相差为9dB左右，显然，这一结果也不再满足大部分场合的使用需求。

为了解决波束扫描过程中增益分量不一致的问题，本发明设计的“十字交叉”形支撑部件为一个很好的解决途径。图19-图22表明，在加载了“十字交叉”形支撑部件后(此时取L1＝d/3，L2＝d/3)，超宽带天线阵的增益在水平和垂直方向的增益分量趋于一致，如当指向在θ＝0°时，增益分量相差小于0.1dB，当指向在θ＝15°时，增益分量相差在0.3dB以内，指向在θ＝30°时，增益分量相差小于0.3dB，当指向在θ＝45°时，增益分量相差在0.5dB以内。显然，相比于图图15-18，在整个扫描过程中，水平和垂直方向的增益分量更加一致。不仅如此，如天线单元胞一样，还可以通过调节L1和L2的长度来调节两个方向的增益分量比，以超宽带天线阵的方位面为例，相同于图12的结果，取L1＝d/3，L2＝d/6，此时，所述的阵列的增益分量在沿水平方向(方位面)的波束指向在θ＝0°、θ＝15°、θ＝30°和θ＝45°时的结果参见图23-26。由此可见，当L1>L2时，水平方向的增益分量要小于垂直方向的增益分量，通过适当优化调整L1和L2的大小，可实现整个方向增益分量的连续变化以适用于不同应用场合。

本发明的超宽带45°斜极化超宽带天线阵可实现水平面(方位面)±45°范围内电扫描，其在1GHz、3GHz、4GHz和7GHz处从θ＝0°扫描到θ＝45°的归一化方向图参见图27-30，由此可见，随着扫描角度的增加，天线最大辐射方向的增益有所下降，且随着扫描角度的增加，增益下降大小逐渐变大，但是即使扫描的最大角度，每个频点的增益下降也控制在3dB以内，符合相控阵天线对宽带宽角扫描的技术指标要求。

综上，本发明的超宽带天线阵具有优越性能，其具有宽带宽角特性、结构简单易加工，具有重要的实际工程应用价值。

Claims

1.一种基于十字结构的极化分量可选超宽带天线阵列，其特征在于：包括金属反射板和Vivaldi天线单元，其中金属反射板上设置有“十字交叉”形金属支撑部件，“十字交叉”形金属支撑部件连接有Vivaldi天线单元；Vivaldi天线单元包括两块介质板、顶部圆形介质板、中间馈电的带线以及介质板两侧的指数型渐变槽线。

2.根据权利要求1所述的一种基于十字结构的极化分量可选超宽带天线阵列，其特征在于：根据不同应用场合需求，改变所述“十字交叉”形金属支撑部件沿水平和垂直方向延伸部分长度，可以调节超宽带天线阵远区辐射电场的在垂直及水平方向的极化分量。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的一种基于十字结构的极化分量可选超宽带天线阵列，其特征在于：所述“十字交叉”形金属支撑部件的交叉部位有两个矩形导轨槽，Vivaldi天线单元安装于所述矩形导轨槽内。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的一种基于十字结构的极化分量可选超宽带天线阵列，其特征还在于，所述“十字交叉”形金属支撑部件可用于天线单元采用矩形和三角形等方式的阵列。

5.根据权利要求1或权利要求2所述的一种基于十字结构的极化分量可选超宽带天线阵列，其特征还在于，所述“十字交叉”形金属支撑部件可用于印刷偶极子等形式的天线单元。