CN108493625B - 改进型低剖面低散射强耦合超宽带相控阵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进型低剖面低散射强耦合超宽带相控阵，它包含一系列呈周期性排列的印刷在一层薄介质层上的偶极子辐射单元层，所述的辐射单元层中的偶极子天线单元下方放置的矩形贴片能增强天线单元末端的电容耦合；在天线的第二层宽角阻抗匹配层上添加金属周期结构，并对两个接地的金属化通孔进行不对称处理，上述措施能有效地改善H面扫描时的单元有源驻波比，进而有效抑制模式项散射；二层宽角阻抗匹配层能有效的降低同极化波垂直入射时的单站RCS。本发明提供的低RCS低剖面宽带宽角扫描强互耦相控阵天线尤其适合新一代隐身载体平台。

Description

改进型低剖面低散射强耦合超宽带相控阵

技术领域

本发明属于天线工程技术领域，特别涉及低散射特性的低剖面宽带相控天线 阵系统，具体来说是一种基于强互耦效应的，剖面比较低的，可以实现宽带宽角 扫描的平面相控天线阵列，特别适用于新一代隐身载体平台。

背景技术

相控阵天线是由很多个天线单元组成，当用移相器给这些单元进行递变相位 馈电时，就可以实现纳秒级的快速波束扫描。而且相控阵天线对比传统的机械波 束扫描系统来说，时间延迟很低，没有运动惯性和机械振动等缺点，因此在目标 侦查、跟踪、成像以及卫星通信等领域得到广泛应用。在传统相控阵天线设计中， 一方面必须设计出单元尺寸小于高频端处半波长的宽带天线单元；另一方面，宽 带天线单元在极小的间距下(小于最高频率的半波长)还要求尽量减小天线单元 间的互耦效应，并保证相控阵天线具有与宽带天线单元比较一致的带宽。此外， 为了保证天线阵具有宽带宽角扫描特性，天线单元的剖面高度往往较高，并且加 工过程比较麻烦，也不易于安装和共形。

B.Munk在美国专利号为6512487的专利中提出的“宽带相控阵及相关技 术”。在该技术中，为了获得极宽的工作带宽，Munk创新性地利用相邻偶极子之 间的强电容耦合分量来补偿了紧密排列偶极子单元固有的电感分量。美国相控阵 天线专家R.C.Hansen对这类强电容耦合阵列天线的表面电流分布进行了严格的 数值分析后发现,当偶极子组成的阵列天线单元为半波长时，其表面电流分布在 天线组阵的轴方向会周期性地出现谐振特性,而当阵列天线单元为0.1波长,整 个阵列上的表面电流分布几乎保持恒定。这种具有稳恒电流分布的阵列可以看成 是Wheeler理想阵列的一种近似,因此具有很宽的阻抗带宽。然而Munk等人的 强电容耦合偶极子相控阵也存在诸多不足之处。首先，这类天线单元的输入阻抗 一般在200欧姆左右，设计宽带高阻抗匹配的巴伦有一定难度。其次，天线阵在 组装的时候，立起来的巴伦会增加其剖面高度，并增大天线阵整体的RCS。

因为天线独特的工作方式，它首先要满足通讯或探测的需求才能考虑散射问 题，这种辐射和散射之间的矛盾就导致天线的散射问题比一般的散射体的问题复 杂。新一代作战载体平台不仅要求天线阵本身具有宽带宽角扫描的特性，还要求 低剖面容易共形，同时也将天线系统的低RCS作为了当前武器装备的重要研制指 标。天线作为有源目标，在自身工作时必须保证能正常收发电磁波，不能像常规 战斗机的隐身方法样在其周围涂抹吸波材料，因此平台上的天线已然成为了其最 大的散射源。超宽带相控阵天线压缩其散射特性的难点之一在于其模式项散射， 而高模式项散射又直接跟超宽带相控阵单元的扫描有源驻波难以抑制相关。

为了解决强耦合天线阵的辐射和散射特性平衡问题，一些改进的、其他形式 的强耦合天线阵被提出。中国专利申请号为201710509295.9的专利“基于极化 转换材料的低剖面低RCS超宽带宽角扫描强互耦相控阵天线”在强耦合天线阵 的地板上方放置具有极化旋转效应的超材料来缩减天线的带外RCS且效果良好， 但天线工作频段内的带内散射特性没有进行缩减研究。

另外，在申请号为201710288813.9的中国专利“一种基于强互耦效应的低 RCS宽带宽角扫描相控阵天线”兼顾了相控阵天线在超宽带、宽角波束扫描、低 RCS上的要求，但由于采用了多层阻抗变换巴伦和一分二功分器结构导致天线的 剖面高度增加。

基于以上应用需求，本发明提出一种改进型低剖面低散射强耦合超宽带相控 阵天线技术。

发明内容

本发明鉴于上述背景而实现，在Munk关于强互耦偶极子阵列天线的基础上 进一步提出更低剖面，易于加工组装，并且能实现宽带宽角扫描的相控阵天线形 式。通过设计新颖的匹配层，对强耦合天线单元两边的短路金属化通孔进行纵向 搬移，以及在强耦合天线单元末端的下方添加方形金属贴片，实现了6-18GHz 频带范围内实现了E面±60°扫描驻波比小于2.35，H面±45°扫描驻波比小于 2.6的宽带宽角扫描性能，且天线(包括两层匹配层)的总剖面高度仅为0.39 高频(18GHz)波长。

该天线阵的工作是B.Munk等人提出的强互耦偶极子阵列天线的变形，但它 可以解决以上背景技术中提到的各项技术难题。本发明的技术方案如下：使用印 刷在介质层上的强电容耦合偶极子单元作为天线的辐射单元，为了加强其末端的 电容耦合效应，在其下方放置了方形的金属贴片。天线单元采用了非平衡馈电结 构，偶极子两端的金属化通孔是为了将非平衡馈电所引起的共模谐振点搬离出天 线所工作的频段。两层匹配层一方面可以实现宽带宽角扫描，另一方面也有利于 降低天线的模式项散射。本发明由以下部件组成：天线的非平衡馈电结构；两个 接地的金属化通孔；有一定厚度的铝材料地板；用于支撑整个相控阵天线系统结 构的介质基板；具有强电容耦合结构的印刷偶极子天线单元；用于加强天线单元 末端电容耦合的矩形贴片；承载印刷贴片的介质层；第一层宽角阻抗匹配层；第 二层宽角阻抗匹配层；第二层宽角阻抗匹配层上的金属周期结构。

本发明的创新之处在于：一、为了加强偶极子天线单元末端的电容耦合效应， 有效降低超宽带相控阵单元的扫描有源驻波，进而有效抑制天线在频带内低端的 模式项散射，在其下方放置了方形的金属贴片。二、为了实现宽带匹配而又不引 入竖直的巴伦，将SMP接头的金属探针穿过铝板上的空气圆孔来实现一定程度上 的阻抗变换，这样能显著地降低天线的剖面高度，并且大大降低了天线阵的组装 难度，也有利于减小天线的结构项散射。三、在第二层宽角阻抗匹配层添加了周 期性的金属化通孔结构，且通孔结构的上下两层各带有金属圆环。这种结构保证 E面扫描驻波比基本不变的情况下，能有效地改善H面扫描时的单元有源驻波比， 进而有效抑制H面扫描时的模式项散射。四、对上述偶极子两端的金属化通孔进 行了不对称处理，即将一个金属化通孔沿着垂直偶极子极化方向搬离一段距离， 这样能在不恶化其他扫描状态的情况下有效地降低其H面扫描的低频驻波比。 五、在具有强电容耦合结构的印刷偶极子天线单元层上方加了两层宽角阻抗匹配 层，匹配层的总厚度仅为0.15高频波长。该项措施进一步有效抑制了波束宽角 扫描时的单元模式项散射。

综上所述，本发明的有益之处是：提出了一种基于强互耦效应的低RCS低剖 面宽带宽角扫描相控阵天线，它在6-18GHz的宽频带内实现了E面±60°扫描驻 波比小于2.35，H面±45°扫描驻波比小于2.6。其与相同面积的Vivaldi等传 统宽带天线相比，具有显著的低RCS特性。从而解决了针对低RCS、宽带宽角扫 描、低剖面这几大挑战的相控阵天线设计上的难题。

附图说明

图1为基于强互耦效应的低RCS低剖面宽带宽角扫描相控阵天线的立体图 (不加第二层阻抗匹配层)。该图所示的天线阵列为10×10大小。

图2为图1中一个周期单元的结构图，图1所述的低RCS低剖面宽带宽角扫 描相控阵天线包含一系列呈周期性排列的这种结构。

图3为图2中单个偶极子辐射天线单元的俯视图。

图4为具体实施例1中的天线单元在6-18GHz频带内E面扫描时的驻波比。 由图可见，例1研制出的基于强互耦效应的低RCS低剖面宽带宽角扫描相控阵天 线在6-18GHz频带内E面0-60°扫描时的驻波比小于2.35。

图5为具体实施例1中的天线单元在6-18GHz频带内H面扫描时的驻波比。 由图可见，例1研制出的基于强互耦效应的低RCS低剖面宽带宽角扫描相控阵天 线在6-18GHz频带内H面0-45°扫描时的驻波比小于2.6。

图6为添加第二层宽角阻抗匹配层上的金属周期结构(10)并对两个接地的 金属化通孔进行不对称处理以及不实施上述方法，其H面扫描45°时的驻波比 特性对比图。由该图可以看出实施上述方法后，H面扫描45°时的驻波比在 6-15GHz基本上比不实施上述方法要降低一些，尤其是6GHz，驻波比大致缩减了 2。

图7为具体实施例1在同极化波垂直入射时的单站RCS结果图，同时也给出 了在具有实施例1不带有两层宽角阻抗匹配层的情况下同极化波垂直入射的单 站RCS结果图，同样大面积的金属地板在相同性质的平面波下垂直入射的单站 RCS结果图也一并给出进行比较。可见，按具体实施例1研制的低剖面宽带宽角 扫描相控阵天线具有良好的低RCS特性。

图8为具体实施例2在同极化波垂直入射时的单站RCS结果图，同时也给出 了在具有实施例2不带有两层宽角阻抗匹配层的情况下同极化波垂直入射的单 站RCS结果图，同样大面积的金属地板在相同性质的平面波下垂直入射的单站 RCS结果图也一并给出进行比较。可见，按具体实施例2研制的低剖面宽带宽角 扫描相控阵天线具有良好的低RCS特性。

图9为具体实施例2同参考天线(一款具有相同的工作频带、扫描角、孔径 面积的Vivaldi天线阵列)在同极化波垂直入射时的单站RCS结果对比图，同时 也给出了同样大面积的金属地板在相同性质的平面波下垂直入射的单站RCS结 果图。可见，按具体实施例2研制的低剖面宽带宽角扫描相控阵天线比传统的宽 带天线的RCS更小。

图10为具体实施例2时的扫描方向图，图10(a)为扫描0°的辐射方向图， 图10(b)为扫描30°的辐射方向图，图10(c)为扫描60°的辐射方向图。由图可 见，该阵列在不同扫描角度上具有稳定的波束指向，扫描时的辐射性能良好。

具体实施方案

实施例1

参照图1至图3，实施例1由一层印刷有紧密排列偶极子单元的周期结构构 成，采用周期边界条件模拟本发明在无限大阵列环境下的仿真。本发明的天线单 元结构描述如下：天线的非平衡馈电结构；两个接地的金属化通孔；有一定厚度 的铝材料地板(3)；用于支撑整个相控阵天线系统结构的介质基板(4)；具有强 电容耦合结构的印刷偶极子天线单元(5)；用于加强天线单元末端电容耦合的矩 形贴片(6)；承载印刷贴片的介质层(7)；第一层宽角阻抗匹配层(8)；第二层 宽角阻抗匹配层(9)；第二层宽角阻抗匹配层上的金属周期结构(10)。

上述基于强互耦的宽带相控阵天线的结构简单没有繁琐的巴伦，而且加工组 装特别方便，天线单元只需要用一个SMP接头插上去就可以测试了。

图4至图7给出了实施例1在扫描时的驻波比特性和散射特性。其中从图4 和图5可见，本实施例1的宽带相控阵至少具有3：1的阻抗带宽；从图6可见， 添加第二层宽角阻抗匹配层上的金属周期结构(10)并对两个接地的金属化通孔 进行不对称处理后，其H面扫描45°时的驻波比在6-15GHz均比不实施上述方 法要降低一些，尤其是6GHz，驻波比大致缩减了2。从图7可见，本实施例1 的宽带宽角扫描相控阵具有良好的低RCS特性。

实施例2

具体地。将每个天线单元(如图2所示)沿着阵面二维方向分别延伸，即可构 成图1中的10×10的低RCS低剖面宽带宽角扫描相控阵天线。其他结构和实施 例1中的一样，这里就不予赘述。

图8至图10给出了本实例2的散射特性与辐射方向图。图8给出了具体实 施例2，实施例2不带有两层宽角阻抗匹配层和同样大面积的金属地板情况下在 同极化波垂直入射时的单站RCS结果对比图，可见，本实施例2研制的相控阵具 有良好的低RCS特性。图9为具体实施例2同参考天线(一款具有相同的工作频 带、扫描角、孔径面积的Vivaldi天线阵列)在同极化波垂直入射时的单站RCS 结果对比图。可见，按具体实施例2研制的低剖面宽带宽角扫描相控阵天线比传 统的宽带天线的RCS更小。从图10可以看出，该阵列在不同扫描角度上具有稳 定的波束指向，扫描时的辐射性能良好。

本实施实例中，阵列为由图2所示周期单元组成的10×10面阵。基于图2 所描述的天线单元，可以根据实际应用需求，将无限大阵列环境拓展至任意符合 实际的有限大阵列下使用。

前面已经描述本发明的多个实施例，应该理解他们只是以一种示例形式被提 出，并无限制性。因此，在不脱离本发明精神和范围的情况下可以作出多种形式 上和细节上的变更，这对于熟悉本技术领域的技术人员是显而易见的，无需创造 性劳动。上述这些都应被视为本发明的涉及范围。

Claims (2)

1.一种低剖面低散射强耦合超宽带相控阵，它由10×10规模的天线单元紧密排列组成，每个天线单元包括：天线的非平衡馈电结构（1）；具有厚度的铝材料地板（3）；位于所述地板上方用于支撑的下层介质基板（4）；两个接地金属化通孔（2）；位于下层介质基板上方的承载印刷贴片的上层介质基板（7）；印刷在上层介质基板上表面的具有强电容耦合结构的偶极子天线单元（5），所述两个接地金属化通孔分别设置于偶极子天线单元的左右臂；印刷在上层介质基板下表面的用于加强偶极子天线单元末端电容耦合的矩形贴片（6）；位于上层介质基板上方的第一层宽角阻抗匹配层（8）；位于第一层宽角阻抗匹配层上方的第二层宽角阻抗匹配层（9）；第二层宽角阻抗匹配层上形成的金属周期结构（10），金属周期结构包括周期性金属化通孔，金属化通孔的上下表面各带有金属圆环。

2.根据权利要求1所述的低剖面低散射强耦合超宽带相控阵，其特征还在于将两个接地的金属化通孔相对于偶极子天线单元中心在偶极子单元的左右臂上进行不对称分布的摆放，将其中一个金属化通孔纵向搬移了一段距离，这种方法能保证E面扫描驻波比和H面扫描时高频驻波比不恶化的情况下，进一步有效降低了H面扫描时的低频端单元有源驻波比。