CN108270079A - 一种圆极化紧耦合天线阵 - Google Patents

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郭莹
董晓航
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Abstract

本发明公开一种圆极化紧耦合天线阵，包括顶部的双层透射型线极化转圆极化平板金属结构、交指型偶极子、馈线巴仑还有介于天线单元与金属地之间的电阻型频率选择表面。顶部的双层透射型线极化转圆极化平板金属结构，用来实现天线的线极化到圆极化的转换，馈线巴仑由三部分组成：平面双线，作为地的渐变传输线以及最终的微带线，再者，我们引入了电阻型频率选择表面来消除原本金属地带来的高频端的短路效益，使原本的阻抗带宽整整拓宽一倍，同时也在渐变巴伦地与金属地之间加载50欧姆电阻来消除电阻型频率选择表面引入的共模谐振。该发明具有结构简单、尺寸紧凑、宽带宽角，易加工的特点，具有重要的实际工程意义。

Description

一种圆极化紧耦合天线阵
技术领域
本发明涉及超宽带天线技术领域，尤其涉及一种圆极化紧耦合天线阵。
背景技术
紧耦合天线是在阵列天线的基础上发展起来的一种现代天线形式。利用宽带天线单元，按照一定规律，将其排列成一维，二维或者其他阵列形式，避免可能产生的方向图畸变和扫描盲点，就构成了宽带相控阵的基本结构。相控阵是根据口径场相位做线性渐变时波束产生偏移的原理，用电子控制的方法改变阵列天线中各个单元的辐射场相位，利用主瓣波束进行扫描的。当宽带特性和宽角扫描特性结合起来的时候，就构成了宽带相控阵天线。
宽带相控阵具有很多特点，它可以针对多目标，功能多，机动性强，反应时间短，数据传输率高，抗干扰能力强。宽带相控阵技术的用途很广，无线通信、电子对抗，目标探测，气象雷达等应用中都可以发现这种技术的应用。宽带相控阵技术主要用于高分辨率的雷达系统。宽带相控阵雷达兼有电子支援措施、主动电子干扰、通信等功能，使得雷达天线构成共享孔径天线系统。
传统的宽带相控阵技术已经较为成熟，但由于这种设计方法有其局限性，带宽拓宽的余地很小。譬如说，天线单元带宽会限制阵列带宽，空间扫描角度会受到单元间互耦的影响。同时传统宽带相控阵需要通过划分子阵、应用光调制和解调技术以及光纤延迟线来实现，设备量大，技术复杂，成本高，且不便于调试和维护。在相控阵天线的设计中，除了要解决一般阵列天线的宽带匹配问题外，还需要解决宽角扫描的匹配问题。与普通天线阵相比，弄清楚阵中任一单元的输入阻抗与扫描角的依赖关系，建立起相控阵天线的互耦理论，是宽带相控阵得以实现的关键所在。
基于互耦效应的宽带相控阵，不受限于阵元的带宽，并且还利用了阵元间的互耦效应，巧妙的利用而非消除互耦的影响。初步研究表明，这种新型的宽带相控阵具有优于传统宽带相控阵的超宽频带特性，具有宽角扫描的特性；由于天线电尺寸极小，组阵后天线阵列整体体积小，雷达散射口径小，故其还可以用于共形，且不会对被共形物件的气动性能产生较大影响。因此，对这种新颖的天线结构开展研究从而获得更高性能的天线技术指标具有重要的实际工程意义。
发明内容
本发明提供一种圆极化紧耦合天线阵，通过加强偶极子阵元间的耦合作用，加上匹配的馈线结构，配合电阻型频率选择表面以及极化转换超表面匹配层，使其实现线极化到圆极化转换的功能。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种圆极化紧耦合天线阵，其特征在于，包括双层透射型线极化转圆极化平板金属结构、介质基板、介质基板上的偶极子单元和过渡巴伦以及介于天线单元与金属地之间的电阻型频率选择表面，并且在渐变巴伦地与金属地之间加载电阻来消除电阻型频率选择表面引入的共模谐振；
所述双层透射型线极化转圆极化平板金属结构包括介质基板和介质基板正反面上的金属条带图案组成，介质基板顶面的金属条带，其中一条是沿单元下边界平行放置的长为p宽为w0的第一金属条，另一条是沿对角线倾斜放置的长为l宽为w的第二金属条，在靠近单元底部金属条的位置，所述第二金属条还连接长为l2宽w2的第三金属条。
所述偶极子单元包括左右对称的两个单极子，每个单极子包括偶极子臂和交指段；所述偶极子单元的左右两个偶极子臂分别呈开口向左和开口向右的半圆形，半圆形开口处连接交指段；相邻偶极子单元的交指段互补插合，形成耦合。
所述偶极子单元上端设置超表面匹配层，用于改善阻抗特性以及实现圆极化。
所述过渡巴伦包括上层地线、渐变地线、信号线；所述上层地线和信号线与偶极子单元位于介质基板的同一个面上，上层地线和信号线的上端分别连接偶极子单元的左右两个单极子；所述信号线分为两节，上节为矩形与上层地线平行构成平行双线，下节为微带线，线宽逐渐变宽以实现阻抗转换；所述介质基板上设有若干周期过孔，上层地线通过周期过孔与位于介质基板另一面的渐变地线相连，以实现渐变的阻抗匹配和场匹配；渐变地线宽度从下至上呈指数渐变减小，最终与上层地线宽度一致。
所述曲率可控曲线y∈[Wup,Wdn]渐变，公式中ht表示曲线在x轴处的长度，Wup表示渐变线右端与x轴的距离，大小等于上层地线、信号线的宽度，Wdn表示渐变线左端最高点到x轴的距离，线宽由左至右逐渐变小，最终与上层地线、信号线宽度一致。所述信号线的下节为微带线从上至下呈三角形渐变变宽。所述偶极子巴伦地与金属地之间加载了50欧姆电阻。
本发明具有如下创新：
1.本发明主要提出一种圆极化紧耦合天线阵，一方面加强阵元间的耦合拓宽天线带宽，另一方面利用巴伦馈线结构实现阻抗转换和场匹配，实现了相控阵天线的宽带宽角性能。
2.双层透射型线极化转圆极化平板金属结构代替了原本厚实的宽角匹配介质层，减轻天线整体重量的同时实现线极化到圆极化的转换功能。
3.电阻型频率选择表面的使用，处理了高频处金属地的短路效益，使整体工作带宽整整提高一倍，配合高频段工作的双层透射型线极化转圆极化平板金属结构。
4.巴伦地与金属地之间50欧姆电阻的使用，解决了因为加入电阻型频率选择表面而引起的共模谐振问题。
附图说明
图1是阵子单元示意图；
图2是阵子单元正视图；
图3是阵子单元侧视图；
图4是双层透射型极化转换平板结构；
图5是双层透射型极化转换平板金属结构正面示意图；
图6是双层透射型极化转换平板金属结构反面示意图；
图7是整体单元PCB板正反面结构示意图；
图8是巴伦地渐变尺寸示意图；
图9是电阻型频率选择表面示意图；
图10是3x3阵列主视图。
图11是3x3阵列侧视图。
图12是所示结构0°扫描时的S参数；
图13是所示结构的轴比；
图14是所示结构13G赫兹处辐射方向图；
图15是所示结构14G赫兹处辐射方向图；
图16是所示结构15G赫兹处辐射方向图。
具体实施方式
本发明是印刷偶极子天线的基础上，通过加强偶极子阵元间的耦合作用，以此达到扩展带宽的作用。
图1所示为整体阵子结构，主要由双层透射型线极化转圆极化平板金属结构1、天线单元2和馈线渐变巴仑3、电阻型频率选择表面4、金属地板5组成，馈电端口在金属地板下方。
图2为阵子单元主视图。
图3为阵子单元侧视图。
图4为双层透射型极化转换平板金属结构。
图5为双层透射型极化转换平板金属结构介质基板上层结构，介质基板为罗杰斯5880(介电常数为2.2)。
图6为双层透射型极化转换平板金属结构介质基板下层结构，介质基板为罗杰斯5880(介电常数为2.2)。
本实施例提供的一种圆极化紧耦合天线阵包括双层透射型线极化转圆极化平板金属结构、介质基板、介质基板上的偶极子单元即天线单元和过渡巴伦以及介于偶极子单元与金属地之间的电阻型频率选择表面，并且在渐变巴伦地与金属地之间加载电阻来消除电阻型频率选择表面引入的共模谐振；
所述双层透射型线极化转圆极化平板金属结构包括介质基板和介质基板正反面上的金属条带、介质基板顶面的金属条带，其中一条是沿天线单元下边界平行放置的长为p宽为w0的第一金属条，另一条是沿对角线倾斜放置的长为l宽为w的第二金属条，在靠近天线单元底部金属条的位置，第二金属条还连接长为l2宽w2的第三金属条。
所述偶极子单元包括左右对称的两个单极子，每个单极子包括偶极子臂和交指段；所述偶极子单元的左右两个偶极子臂分别呈开口向左和开口向右的半圆形，半圆形开口处连接交指段；相邻偶极子单元的交指段互补插合，形成耦合。
所述过渡巴伦包括上层地线、渐变地线、信号线；所述上层地线和信号线与偶极子单元位于介质基板的同一个面上，上层地线和信号线的上端分别连接偶极子单元的左右两个单极子；所述信号线分为两节，上节为矩形与上层地线平行构成平行双线，下节为微带线，线宽逐渐变宽以实现阻抗转换；所述介质基板上设有若干周期过孔，上层地线通过周期过孔与位于介质基板另一面的渐变地线相连，以实现渐变的阻抗匹配和场匹配；渐变地线宽度从下至上呈指数渐变减小，最终与上层地线宽度一致。
所述渐变地线使用曲率可控曲线y∈[Wup,Wdn]渐变，m可以控制曲线的曲率，公式中ht表示曲线在x轴处的长度，Wup表示渐变线右端与x轴的距离，大小等于上层地线、信号线的宽度，Wdn表示渐变线左端最高点到x轴的距离，线宽由左至右逐渐变小，最终与上层地线、信号线宽度一致。
所述信号线的下节为微带线从上至下呈三角形渐变变宽。
图7为偶极子单元与其馈电巴伦主视图和巴伦渐变底结构，巴伦上端双线结构直接连接到偶极子上，下端为50欧姆微带输入。双线间距gf＝0.3mm，线宽Wdl＝0.4mm，双线位于介质基板中间层，地板位于基板底层，双线左侧的为上层地线长度Lug＝15.725mm，通过周期性过孔与底层渐变地线连接，过孔半径Rt＝0.15mm，共15个，间隔Lt＝1.05mm，右侧信号线可分为两节，第一节为矩形，长度Lsg1＝14.725mm，宽度为双线线宽Wdl，第二节长度Lsg2＝5.646mm，线宽由上侧的Wdl线性渐变到下侧Wms＝1mm。渐变地线渐变段长度为Ltr＝14.725mm，上侧宽度为Wdl，下侧宽度Wgnd＝3.6mm，采用曲线渐变的形式。
图8为馈电巴伦金属渐变底的坐标轴表示，渐变曲线已由前面说明给出。
图9为RFSS电阻型频率选择表面的结构示意图，电阻型材料为50ohm/squ，在FR4介质板上(介电常数为4.4)。
图10为阵子单元组合的3x3阵列主视图。
图11为阵子单元组合的3x3阵列侧视图。
根据上述实施，利用电磁仿真软件可以得到如图12所示的端口S参数曲线，从该曲线可以看出，未扫描时，在端口S参数比小于-10dB的前提下，图一所示的天线单元，可以在10.5G赫兹到16.4G赫兹的频带内工作。图13则说明当天线单元的轴比，在小于3的前提下，有12.5G赫兹到15.3G赫兹的频带内实现圆极化。图14、图15、图16则说明了在实现圆极化的频带内选择了三个频点13G赫兹、14G赫兹、15G赫兹他们在yoz面、xoz面上的辐射方向图。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种圆极化紧耦合天线阵，其特征在于，包括双层透射型线极化转圆极化平板金属结构、介质基板、介质基板上的偶极子单元和过渡巴伦以及介于偶极子单元与金属地之间的电阻型频率选择表面，并且在渐变巴伦地与金属地之间加载电阻来消除电阻型频率选择表面引入的共模谐振；
所述双层透射型线极化转圆极化平板金属结构包括介质基板和介质基板正反面上的金属条带、介质基板顶面的金属条带，其中一条是沿偶极子单元下边界平行放置的长为p宽为w0的第一金属条，另一条是沿对角线倾斜放置的长为l宽为w的第二金属条，在靠近偶极子单元底部金属条的位置，第二金属条还连接长为l2宽w2的第三金属条。
2.根据权利要求1所述的一种圆极化紧耦合天线阵，其特征在于，所述偶极子单元包括左右对称的两个单极子，每个单极子包括偶极子臂和交指段；所述偶极子单元的左右两个偶极子臂分别呈开口向左和开口向右的半圆形，半圆形开口处连接交指段；相邻偶极子单元的交指段互补插合，形成耦合。
3.根据权利要求1所述的一种圆极化紧耦合天线阵，其特征在于，所述过渡巴伦包括上层地线、渐变地线、信号线；所述上层地线和信号线与偶极子单元位于介质基板的同一个面上，上层地线和信号线的上端分别连接偶极子单元的左右两个单极子；所述信号线分为两节，上节为矩形与上层地线平行构成平行双线，下节为微带线，线宽逐渐变宽以实现阻抗转换；所述介质基板上设有若干周期过孔，上层地线通过周期过孔与位于介质基板另一面的渐变地线相连，以实现渐变的阻抗匹配和场匹配；渐变地线宽度从下至上呈指数渐变减小，最终与上层地线宽度一致。
4.根据权利要求1所述的一种圆极化紧耦合天线阵，其特征在于，所述渐变地线使用曲率可控曲线y∈[Wup,Wdn]渐变，m可以控制曲线的曲率，公式中ht表示曲线在x轴处的长度，Wup表示渐变线右端与x轴的距离，大小等于上层地线、信号线的宽度，Wdn表示渐变线左端最高点到x轴的距离，线宽由左至右逐渐变小，最终与上层地线、信号线宽度一致。
5.根据权利要求1所述的一种圆极化紧耦合天线阵，其特征在于，所述信号线的下节为微带线从上至下呈三角形渐变变宽。
6.根据权利要求1所述的一种圆极化紧耦合天线阵，其特征在于，所述偶极子巴伦地与金属地之间加载了50欧姆电阻。
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