CN108134203B - 基于电磁带隙结构的大单元间距宽角扫描相控阵天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电磁带隙结构的大单元间距宽角扫描相控阵天线，属于雷达、无线通信技术领域。该天线单元呈三角栅格排布，包括上层介质板、中层介质板、下层金属地板；上表面印刷有微带馈线的中层介质板与上表面设有连接凹槽的金属地板贴合；同轴线内芯连接微带馈线的馈电点，微带馈线的另一端位于连接凹槽上方进行耦合馈电；上层介质板上表面印刷有金属带线；上层介质板和金属地板之间还设置有抑制表面波的电磁带隙结构。本发明引入电磁带隙结构，通过抑制表面波传播的方式有效的消除了扫描盲点，实现了宽角、宽带的特性。具有单元尺寸较大大，结构形式简单的优点，可以大大降低实际应用中大型相控阵天线的制造成本。

Description

基于电磁带隙结构的大单元间距宽角扫描相控阵天线
技术领域
本发明属于雷达技术，无线通信技术领域，具体涉及一种基于电磁带隙结构的大单元间距宽角扫描相控阵天线，特别涉及宽带、宽角扫描，适用于微波、毫米波等雷达和通信系统中。
背景技术
相控阵天线因其具有的快速的波束扫描能力，并且没有传统的机械波束扫描系统时间延迟、运动惯性等缺点，在军事以及商业领域都得到了广泛的应用。过去的几十年里，随着军事机载平台对多功能系统的需求，宽带、宽角相控阵天线的研究也得到了广泛的重视。传统的矩形栅格的相控阵天线，在设计的过程中为了使天线阵在扫描的时候不出现栅瓣，单元大小往往都小于高频端半个波长。在实际应用中，阵列的面积往往很大，较小的单元尺寸使得在相同的口径面下单元数目大大增加，这也大大增加了昂贵的TR组件的数目。在保证天线具有宽带、宽角等良好性能的前提下，采用较大尺寸的天线单元可以大大的减小相控阵天线的成本，这也是相控阵天线设计中需要考虑的一个重要指标。
为了保证在较大的单元尺寸下，大角度扫描时阵列不出现栅瓣，E.D.Sharp在1961公开了一种三角栅格排布的相控阵天线(E.D.Sharp,“A triangular arrangement ofplanar-array elements that reduces the number needed,”IRE Transactions onAntennas and Propagation,vol.9, iss.2,pp.126-129,March 1961)，在实现相同的扫描角条件下，三角栅格排布满足要求的单元尺寸更大，相同的面积下相对于矩形栅格排布可以减少13.4％的单元数目。对于实际应用中的大型相控阵天线来说，13.4％的单元数的减少可以大大降低天线的成本。然而，对于三角栅格的宽带天线的设计，当天线的单元间距大于工作频率的半波长时，地板以及相邻的两列天线刚好可以等效为一个半模开口波导结构，当激励满足要求的情况下电磁波将会以漏泄模的形式沿着E面呈表面波传播，从而在E面扫描的时候形成扫描盲点，并且随着扫描角度的增大，扫描盲点往低频偏移，对于宽角扫描的相控阵来说大大减小了天线的工作带宽。A.Ellgardt 以锥形槽单元的三角栅格相控阵为例，对三角栅格相控阵的谐振特性进行了分析，并给出了谐振频点的计算公式(A.Ellgardt,“A scanblindness model for single-polarizedtapered-slot arrays intriangular grids,”IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.56,pp.2937-2942,Sep.2008)，但是并没有给出相应的解决办法。
综上所述，采用三角栅格排布，可以使得更大尺寸的单元满足大角度扫描的需求，从而大大减少相控阵单元的数目。但是单元尺寸较大，会在E面扫描的时候产生扫描盲点，使得满足大角度扫描的工作带宽受损。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明在相控阵天线设计中引入电磁带隙结构，在保证工作频带内其他频点的工作性能条件下，抑制沿着E面传播的表面电磁波，从而消除扫描盲点，使得天线在满足单元尺寸较大的情况下，具有宽带、宽角的能力。
本发明具体的技术方案如下：
一种基于电磁带隙结构的大单元间距宽角扫描相控阵天线，其天线单元呈三角栅格排布，包括从上至下依次设置的上层介质板、中层介质板、下层金属地板，所述金属地板上表面沿 H面设置有连接凹槽；所述中层介质板与金属地板贴合，其上表面印刷有微带馈线，同轴线内芯穿过金属地板以及中层介质板连接微带馈线的馈电点，微带馈线的另外一端位于连接凹槽上方进行耦合馈电；所述上层介质板上表面印刷有垂直于连接凹槽的金属带线；所述上层介质板和金属地板之间还设置有抑制表面波的电磁带隙结构。
进一步地，所述电磁带隙结构包括与金属地板贴合设置的第一介质基板、以及周期印刷于介质基板上表面的贴片单元，且贴片单元与金属地板通过金属化过孔连接。
进一步地，所述电磁带隙结构包括两层贴合设置的第一介质基板、第二介质基板，第一介质基板上表面印刷有周期排布的贴片单元，第二介质基板上表面印刷有周期开槽结构的中层金属贴片，其开槽结构与贴片单元一一对应，所述贴片单元与金属地板通过金属化过孔连接。
进一步地，所述金属带线的数量为3-8条。
进一步地，所述贴片单元为矩形贴片、圆形贴片、菱形贴片或者三角形贴片。
进一步地，所述天线单元E面的单元间距为0.63λh，H面单元间距为0.56λh(λh为工作频带高频端的波长)。
所述微带馈线位于连接凹槽上方与连接凹槽耦合产生谐振，该谐振主要在天线工作频段的低频段，保证了天线阵在低频段的工作性能；所述微带馈线与上层介质板表面印刷的金属带线耦合产生谐振，该谐振主要在天线工作频段的高频段，保证了天线阵在高频段的工作性能，通过微带馈线与金属带线耦合引入的高频段谐振可以有效拓展天线的工作带宽。阵列单元呈三角栅格排布，同时单元间距超过高频端的半波长，大角度扫描情况下会有扫描盲点出现，在扫描盲点所在的频点，电磁波以表面波的形式进行传播，通过在上层介质板和金属地板之间设置电磁带隙结构的方式来抑制表面波，实现消除扫描盲点的作用。
本发明的有益效果是：
(1)在保证了三角栅格相控阵阵元较大的单元尺寸条件下，通过电磁带隙结构消除了大角度扫描时候的扫描盲点，保证了天线阵良好的宽带、宽角性能，可以应用于需要宽带以及大角度扫描的雷达和通信系统中。
(2)阵列单元的尺寸较大，可以大大减小阵列单元数目，实际应用中可以降低相控阵的制造成本。
(3)结构形式简单，易于加工制造。
附图说明
图1为实施例1中所述基于电磁带隙结构的三角栅格相控阵天线单元示意图，图1(a) 中将天线单元的各层结构分开以便于清楚呈现结构细节；图1(b)为图1(a)未分层的侧视图。
图2为实施例1中所述13×5的基于电磁带隙结构的三角栅格相控阵天线的结构分解示意图，为了便于呈现阵列结构去掉了上层介质板以及金属带线。
图3为实施例1中所述基本天线单元的E面扫描有源电压驻波比的仿真结果。
图4为实施例1中所述基本天线单元的H面扫描有源电压驻波比的仿真结果。
具体实施方式
下面结合实际实施方式和附图，对本发明的目的和技术方案做详细的说明。
实施例1
本实施例的基于电磁带隙结构的大单元间距宽角扫描相控阵天线采用13×5的平面阵列形式，所设计的阵列工作在7-13GHz。如图2所示阵列单元呈三角栅格排布，阵元大小为 14.6mm×13mm，大于高频端工作频率的半波长。下方为带有矩形连接凹槽6的金属地板1，凹槽深3.5mm，宽6mm，凹槽内部无介质填充。中层介质板4厚度为0.5mm、介电常数为2.2，与金属地板1贴合，其上表面印刷有微带馈线5。同轴线内芯7一端连接到SMA接头，另一端穿过金属地板1以及中层介质板4连接微带馈线5的馈电点，微带馈线5的另外一端位于连接凹槽6上方进行耦合馈电。本实施例中电磁带隙结构为双层结构，第二介质基板22采用厚度为1.6mm，介电常数为4.6的介质板，其上表面印刷有周期开槽结构的中层金属贴片23；第一介质基板24采用厚度为1.6mm，介电常数为4.6的介质板，其上表面印刷有方形贴片单元25，且中层金属贴片23上的开槽结构与贴片单元25一一对应。贴片单元25通过金属化过孔21连接到金属地板1上，金属化过孔21的直径为0.3mm。电磁带隙结构通过金属过孔接地后形成波导结构产生谐振，本实施例中谐振点出现在工作频带内，所以距相邻两馈电点较远的一列贴片单元及其正下方对应的中层金属贴片设置为间隙结构，通过破坏掉这种波导结构，从而消除电磁带隙结构自身引起的谐振。上层介质板31厚度为0.25mm，介电常数为 2.2，其上表面印刷的4条金属带线32为矩形带线，尺寸为6mm×0.3mm，位于连接凹槽6的正上方且垂直于连接凹槽6。
图1所示为图2中一个基本天线单元示意图。图3和图4给出了所设计的三角栅格阵列的子阵单元在E面和H面扫描的有源驻波随频率变化的仿真结果。如图3所示，在E面大角度扫描的时候，通过电磁带隙结构抑制表面波的作用，使得谐振点都能满足有源驻波小于2.5。从图3和图4可以看出，在±60°的扫描范围内，E面和H面同时满足驻波比小于2.5的阻抗带宽为49％，本发明所设计的三角栅格的相控阵具有良好的宽带、宽角特性。
以上只是本发明较佳的一个实施例，并非对本发明的实施形式进行限定。虽然本发明较佳的结果如上所述，但并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，依据本发明的技术实质进行的简单修改、等同变化以及修饰，都应被视为本发明的涉及范围内。

Claims (4)

1.一种基于电磁带隙结构的大单元间距宽角扫描相控阵天线，其天线单元呈三角栅格排布，包括从上至下依次设置的上层介质板、中层介质板、下层金属地板，所述金属地板上表面沿H面设置有连接凹槽；所述中层介质板与金属地板贴合，其上表面印刷有微带馈线，同轴线内芯穿过金属地板以及中层介质板连接微带馈线的馈电点，微带馈线的另外一端位于连接凹槽上方进行耦合馈电；所述上层介质板上表面印刷有垂直于连接凹槽的金属带线；所述上层介质板和金属地板之间还设置有抑制表面波的电磁带隙结构；
所述电磁带隙结构包括与金属地板贴合设置的第一介质基板、以及周期印刷于介质基板上表面的贴片单元，且贴片单元与金属地板通过金属化过孔连接；
或者所述电磁带隙结构包括两层贴合设置的第一介质基板、第二介质基板，第一介质基板上表面印刷有周期排布的贴片单元，第二介质基板上表面印刷有周期开槽结构的中层金属贴片，其开槽结构与贴片单元一一对应，所述贴片单元与金属地板通过金属化过孔连接。
2.如权利要求1所述的一种基于电磁带隙结构的大单元间距宽角扫描相控阵天线，其特征在于：所述天线单元E面的单元间距为0.63λh，H面单元间距为0.56λh，λh为工作频带高频段的波长。
3.如权利要求1所述的一种基于电磁带隙结构的大单元间距宽角扫描相控阵天线，其特征在于：所述金属带线的数量为3-8条。
4.如权利要求1所述的一种基于电磁带隙结构的大单元间距宽角扫描相控阵天线，其特征在于：所述贴片单元为矩形贴片、圆形贴片、菱形贴片或者三角形贴片。
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