CN108539407B - 一种平面大角度扫描相控天线阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平面大角度扫描相控天线阵列，涉及天线技术领域，所述天线阵列包括第一天线阵列和第二天线阵列，其中，所述第一天线阵列包括：N个第一天线单元，所述第一天线单元具体包括：介质基板；激励振子，所述激励振子设置在所述介质基板上；两个馈电点，所述两个馈电点对称设置在所述激励振子上；第一寄生振子，所述第一寄生振子设置在所述激励振子的一侧；第二寄生振子；地板；其中，所述第一天线阵列设置在所述第一面上，且，所述第一面与直角坐标系中的xoz面之间具有第一角度。达到了降低大角度扫描阵列设计难度，天线单元结构简单，布阵方式简单易行，扫描过程中副瓣电平低，增益波动小的技术效果。

Description

一种平面大角度扫描相控天线阵列

技术领域

本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种平面大角度扫描相控天线阵列。

背景技术

传统的微带天线相控阵由于受到单元波束宽度及其阵元间的互耦制约，主波束的扫描范围一般只有-50°-50°，增益波动较大可达4-5dB。进行等间距布阵时，阵元间距超过半波长时会在可见区域内出现栅瓣，当进一步扩展扫描角度时会出现较高的旁瓣电平，这些都制约着平面大角度扫描相控阵的应用和发展。传统大角度扫描相控阵天线设计的思路是采用具有宽波束的微带贴片天线单元，然后通过等间距的布阵形式来实现阵列大角度扫描，但由于大多数时候所设计的微带贴片天线单元尺寸较大，所以阵元极限间距接近或大于栅瓣抑制条件：

所以天线阵列在进行大角度扫描时会出现较高的副瓣，影响其扫描特性。也有部分学者为了降低副瓣电平，采用稀布阵方式来实现大角度扫描特性，然而这种方法由于涉及到遗传算法优化设计，且所采用天线单元结构复杂，成本较高。另外，国内外大多数文献都只是对一维E面或H面直线阵列进行大角度扫描的研究，极少有关对平面相控阵二维大角度扫描的研究。

发明内容

本发明提供了一种平面大角度扫描相控天线阵列，用以解决现有技术中的大角度扫描阵列设计较难的技术问题，达到了降低大角度扫描阵列设计难度，天线单元结构简单，布阵方式简单易行，扫描过程中副瓣电平低，增益波动小，实现相控阵二维大角度扫描的技术效果。

本发明提供了一种平面大角度扫描相控天线阵列，所述天线阵列包括第一天线阵列和第二天线阵列，其中，所述第一天线阵列包括：N个第一天线单元，所述第一天线单元具体包括：介质基板；激励振子，所述激励振子设置在所述介质基板上；两个馈电点，所述两个馈电点对称设置在所述激励振子上，且，所述两个馈电点贯穿所述介质基板与所述激励振子连接，进行馈电激励；第一寄生振子，所述第一寄生振子设置在所述激励振子的一侧；第二寄生振子，所述第二寄生振子设置在所述激励振子的另一侧，且，所述第二寄生振子与所述第一寄生振子对称设置；地板，所述地板设置在所述介质基板的底部，且，与所述介质基板的下表面相贴合；其中，所述第一天线阵列设置在所述第一面上，且，所述第一面与直角坐标系中的xoz面之间具有第一角度。

优选的，所述第二天线阵列包括M个第一天线单元，其中，所述第二天线阵列设置在所述第二面上，且，所述第二面与直角坐标系中的yoz面之间具有第二角度。

优选的，所述第一角度为45°，所述第二角度为45°。

优选的，所述第一寄生振子与所述介质基板的一外侧边部对齐设置，所述第二寄生振子与所述介质基板的另一外侧边部对齐设置。

优选的，所述介质基板的长度中心线与所述激励振子的宽度中心线相重合。

优选的，所述天线阵列还包括：所述第一寄生振子包括第一部分、第二部分、第三部分，其中，所述第一部分和所述第二部分对称设置在所述第一寄生振子的两端，所述第三部分设置在所述第一部分和所述第二部分之间。

优选的，所述天线阵列还包括:所述第三部分的宽度小于所述第一部分和所述第二部分的宽度。

优选的，所述地板的尺寸与所述介质基板的尺寸相同。

本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：

1、在本发明实施例提供的一种平面大角度扫描相控天线阵列，所述天线阵列包括第一天线阵列和第二天线阵列，其中，所述第一天线阵列包括：N个第一天线单元，所述第一天线单元具体包括：介质基板；激励振子，所述激励振子设置在所述介质基板上；两个馈电点，所述两个馈电点对称设置在所述激励振子上，且，所述两个馈电点贯穿所述介质基板与所述激励振子连接，进行馈电激励；第一寄生振子，所述第一寄生振子设置在所述激励振子的一侧；第二寄生振子，所述第二寄生振子设置在所述激励振子的另一侧，且，所述第二寄生振子与所述第一寄生振子对称设置；地板，所述地板设置在所述介质基板的底部，且，与所述介质基板的下表面相贴合；其中，所述第一天线阵列设置在所述第一面上，且，所述第一面与直角坐标系中的xoz面之间具有第一角度。解决了现有技术中的大角度扫描阵列设计较难的技术问题，达到了降低大角度扫描阵列设计难度，天线单元结构简单，布阵方式简单易行，扫描过程中副瓣电平低，增益波动小，实现相控阵二维大角度扫描的技术效果。

2、本发明实施例通过所述第二天线阵列包括M个第一天线单元，其中，所述第二天线阵列设置在所述第二面上，且，所述第二面与直角坐标系中的yoz面的夹角为45°。进一步达到了布阵方式简单易行，实现高增益、低副瓣电平特性的二维大角度扫描性能的技术效果。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

图1为本发明实施例中一种平面大角度扫描相控天线阵列的结构示意图；

图2为本发明实施例中一种平面大角度扫描相控天线阵列的第一天线单元的俯视图；

图3为本发明实施例中一种平面大角度扫描相控天线阵列的第一天线单元的侧视图。

附图标记说明：1-介质基板，2-激励振子，3-第一寄生振子，4-第二寄生振子，5-馈电点，6-地板。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种平面大角度扫描相控天线阵列，用以解决现有技术中的大角度扫描阵列设计较难的技术问题。

本发明实施例中的技术方案，总体结构如下：

本发明提供了一种平面大角度扫描相控天线阵列，通过所述天线阵列包括第一天线阵列和第二天线阵列，其中，所述第一天线阵列包括：N个第一天线单元，所述第一天线单元具体包括：介质基板；激励振子，所述激励振子设置在所述介质基板上；两个馈电点，所述两个馈电点对称设置在所述激励振子上，且，所述两个馈电点贯穿所述介质基板与所述激励振子连接，进行馈电激励；第一寄生振子，所述第一寄生振子设置在所述激励振子的一侧；第二寄生振子，所述第二寄生振子设置在所述激励振子的另一侧，且，所述第二寄生振子与所述第一寄生振子对称设置；地板，所述地板设置在所述介质基板的底部，且，与所述介质基板的下表面相贴合；其中，所述第一天线阵列设置在所述第一面上，且，所述第一面与直角坐标系中的xoz面之间具有第一角度。达到了降低大角度扫描阵列设计难度，天线单元结构简单，布阵方式简单易行，扫描过程中副瓣电平低，增益波动小，实现相控阵二维大角度扫描的技术效果。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本发明实施例提供了一种平面大角度扫描相控天线阵列，所述天线阵列包括第一天线阵列和第二天线阵列，如图1所述，其中，所述第一天线阵列包括：N个第一天线单元，所述第一天线单元具体包括：

介质基板1；

具体而言，所述介质基板1采用相对介电常数为ε_r，长度为L，宽度为S，厚度为h构成，在所述介质基板1上可进一步设置其他的相关元件。

激励振子2，所述激励振子2设置在所述介质基板1上；

两个馈电点5，所述两个馈电点5对称设置在所述激励振子2上，且，设置所述两个馈电点5贯穿所述介质基板1与所述激励振子2连接，进行馈电激励；

进一步的，所述介质基板1的长度中心线与所述激励振子2的宽度中心线相重合。

具体而言，所述激励振子2为微带振子，且所述激励振子2沿所述介质基板1的宽度方向设置，且宽度中心线与所述介质基板1的长度中心线重合，所述激励振子2的长为m，宽度为w，进一步的，所述激励振子2上对称分布有两个馈电点5，通过所述两个馈电点5穿过厚度为h的介质基板1连接于中间激励振子2上，进行馈电激励，从而达到了良好的阻抗匹配，且，所述两个馈电点5分别距离所述激励振子2的末端距离为g。

第一寄生振子3，所述第一寄生振子3设置在所述激励振子2的一侧；

第二寄生振子4，所述第二寄生振子4设置在所述激励振子2的另一侧，且，所述第二寄生振子4与所述第一寄生振子3对称设置；

进一步的，所述第一寄生振子3与所述介质基板1的一外侧边部对齐设置，所述第二寄生振子4与所述介质基板1的另一外侧边部对齐设置。

具体而言，如图2所示，所述第一寄生振子3与所述第二寄生振子4对称放置在所述激励振子2的两侧，其中，所述第一寄生振子3与所述介质基板1的左侧边部对齐设置，所述第二寄生振子4与所述介质基板1的右侧边部对齐设置。通过所述第一寄生振子3与所述第二寄生振子4能够展宽天线单元波束宽度，而采用双馈点结构相比较于单馈电可以达到更好的匹配，使得阵元有源驻波系数较好。

进一步的，所述天线阵列还包括:所述第一寄生振子3包括第一部分、第二部分、第三部分，其中，所述第一部分和所述第二部分对称设置在所述第一寄生振子3的两端，所述第三部分设置在所述第一部分和所述第二部分之间。

进一步的，所述天线阵列还包括:所述第三部分的宽度小于所述第一部分和所述第二部分的宽度。

具体而言，所述第一寄生振子3和所述第二寄生振子4的中间部分较窄，两边较宽，因此，所述第一寄生振子3和所述第二寄生振子4的形状呈哑铃型，具体的，以所述第一寄生振子3为例，所述第一寄生振子3由三部分组成，分别为第一部分、第二部分、第三部分，其中，所述第一部分和所述第二部分分别位于所述第一寄生振子3的两端，所述第三部分位于所述第一部分和所述第二部分之间，且所述第三部分的宽度小于所述第一部分和所述第二部分的宽度进一步的，所述第一寄生振子3与所述第二寄生振子4的宽度都为w，所述第一部分和所述第二部分的长度为a，所述第三部分的长度为b，因此，所述第一寄生振子3的长度为a*2+b。由于所述第二寄生振子4与所述第一寄生振子3的形状尺寸相同，为了说明书的简洁，故此不再赘述。

地板6，所述地板6设置在所述介质基板1的底部，且，与所述介质基板1的下表面相贴合。

进一步的，所述地板6的尺寸与所述介质基板1的尺寸相同。

具体而言，所述地板6位于所述介质基板1的下表面，且所述地板6与所述介质基板1的下表面相贴合，进一步的，所述地板6的尺寸与所述介质基板1的大小相同，长度为L，宽度为S。

所述第一天线阵列设置在所述第一面上，且，所述第一面与直角坐标系中的xoz面之间具有第一角度。

进一步的，所述第二天线阵列包括M个第一天线单元，其中，所述第二天线阵列设置在所述第二面上，且，所述第二面与直角坐标系中的yoz面之间具有第二角度。

进一步的，所述第一角度为45°，所述第二角度为45°。

具体而言，所述第一天线阵列和所述第二天线阵列上分别由N个第一天线单元和M个第一天线单元组成，由于阵元间距与布阵方式都会对天线阵列的辐射特性产生影响，当采用H面一维8元常规等间距直线阵列时，此时直角坐标系中的yoz面就是天线阵列H面所在，xoz面就是天线阵列E面所在。因此，从阵列结构出发，采用旋转阵元的布阵方式，此时天线阵列H面与直角坐标系中的yoz面并不重合，天线阵列E面也并不与xoz面重合，即，所述第一天线阵列设置在所述第一面上，所述第一面即为天线阵列的E面，E面与直角坐标系中的xoz面的夹角为45°；所述第二天线阵列设置在所述第二面上，所述第二面即为天线阵列的H面，H面与直角坐标系中的yoz面的夹角为45°。即，天线阵列E面和H面所在平面与直角坐标系中的xoz面和yoz面刚好夹角为45°。根据相控阵天线工作于Ku波段12.5GHz扫描至θ方向时不出现栅瓣的条件为：

代入数据可知，d≤13.6mm。但等间距布阵d_y＝13mm会出现较高的副瓣电平，抑制阵列实现大扫描角度，因此通过保证阵元中心距离d＝13.6mm不变，通过旋转阵元来缩小阵元沿E面和H面的距离，如图2所示，根据直角三角形几何知识，当d_E＝d_H＝9.6mm，所以夹角为45°。所述第一天线单元具有低剖面、宽波束等特性，将所述第一天线单元进行“阵元旋转型”平面等间距布阵，相比较稀布阵形式，该布阵方式简单易行，如图1所示，组成8×8二维平面阵列，且沿x轴和y轴的间距相等，可以在完全满足栅瓣抑制条件的情况下进行等间距平面布阵，从而能够实现E面、H面及±45°面的大角度扫描，通过旋转阵元式的创新型平面等间距布阵方式，可实现高增益、低副瓣电平特性的二维大角度扫描性能。且，天线阵列所有辐射贴片都设计在同一介质板上，方便进行一体化加工。实现了-70°～70°的二维大角度扫描，扫描过程中增益波动小于3dB，且副瓣电平较低。

实施例二

下面对本发明的一种平面大角度扫描相控天线阵列的使用方法进行详细说明，具体如下：

以8×8天线阵列为例，如图1所示，采用商业电磁仿真软件HFSS对8×8天线阵列进行仿真计算，所述第一天线单元在“双馈点”模式下辐射方向图的3dB波束宽度为90°，3dB波束覆盖范围为-69°～81°，因此，所述第一天线单元具有宽波束、低剖面特性，可作为平面大角度扫描相控阵的阵元进行扫描特性研究。

平面阵列在xoz面波束扫描范围为-70°～+70°时，半功率波瓣宽度的覆盖范围为-97°～+97°。副瓣电平在边射时为-5.6dB，扫描至±70°时为-11.4dB，整个扫描过程副瓣电平较低。扫描过程中增益波动小于3.2dB。

平面阵列在yoz面波束扫描范围为-70°～+70°时，半功率波瓣宽度的覆盖范围为-96°～+96°。副瓣电平在边射时为-5.6dB，扫描至70°时为-11.6dB，整个扫描过程副瓣电平较低。扫描过程中增益波动小于3.2dB。

平面阵列在其E面波束扫描范围为-70°～+70°时，半功率波瓣宽度的覆盖范围为-88°～+88°。副瓣电平最高为-5.0dB，最低为-9.3dB。扫描过程中增益波动小于4.2dB。

平面阵列在其H面波束扫描范围为-70°～+70°时，半功率波瓣宽度的覆盖范围为-93°～94°。副瓣电平最高为-14.8dB，最低为-19.1dB，整个扫描过程副瓣电平较低。扫描过程中增益波动小于2.5dB。

因此，所述天线阵列具有较好的二维大角度扫描特性，在xoz面和yoz面以及天线阵列的E面和H面均可实现-70°～+70°的大角度扫描，且扫描过程中副瓣电平较低，增益波动较小。

本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：

1、在本发明实施例提供的一种平面大角度扫描相控天线阵列，所述天线阵列包括第一天线阵列和第二天线阵列，其中，所述第一天线阵列包括：N个第一天线单元，所述第一天线单元具体包括：介质基板；激励振子，所述激励振子设置在所述介质基板上；两个馈电点，所述两个馈电点对称设置在所述激励振子上，且，所述两个馈电点贯穿所述介质基板与所述激励振子连接，进行馈电激励；第一寄生振子，所述第一寄生振子设置在所述激励振子的一侧；第二寄生振子，所述第二寄生振子设置在所述激励振子的另一侧，且，所述第二寄生振子与所述第一寄生振子对称设置；地板，所述地板设置在所述介质基板的底部，且，与所述介质基板的下表面相贴合；其中，所述第一天线阵列设置在所述第一面上，且，所述第一面与直角坐标系中的xoz面之间具有第一角度。解决了现有技术中的大角度扫描阵列设计较难的技术问题，达到了降低大角度扫描阵列设计难度，天线单元结构简单，布阵方式简单易行，扫描过程中副瓣电平低，增益波动小，实现相控阵二维大角度扫描的技术效果。

2、本发明实施例通过所述第二天线阵列包括M个第一天线单元，其中，所述第二天线阵列设置在所述第二面上，且，所述第二面与直角坐标系中的yoz面的夹角为45°。进一步达到了布阵方式简单易行，实现高增益、低副瓣电平特性的二维大角度扫描性能的技术效果。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种平面大角度扫描相控天线阵列，其特征在于，所述天线阵列为旋转阵元式的平面等间距布阵方式，包括第一天线阵列和第二天线阵列，通过旋转阵元式的平面等间距布阵方式，其中，所述第一天线阵列包括：

N个第一天线单元，所述第一天线单元具体包括：

介质基板；

激励振子，所述激励振子设置在所述介质基板上；

两个馈电点，所述两个馈电点对称设置在所述激励振子上，且，所述两个馈电点贯穿所述介质基板与所述激励振子连接，进行馈电激励；

第一寄生振子，所述第一寄生振子设置在所述激励振子的一侧；

第二寄生振子，所述第二寄生振子设置在所述激励振子的另一侧，且，所述第二寄生振子与所述第一寄生振子对称设置；

地板，所述地板设置在所述介质基板的底部，且，与所述介质基板的下表面相贴合；

其中，所述第一天线阵列设置在第一面上，且，所述第一面与直角坐标系中的

面之间具有第一角度，所述第一面为天线阵列的E面;

所述第二天线阵列包括M个第一天线单元，其中，所述第二天线阵列设置在第二面上，且，所述第二面与直角坐标系中的yoz面之间具有第二角度，所述第二面为天线阵列的H面。

2.如权利要求1所述的天线阵列，其特征在于，所述第一角度为45°，所述第二角度为45°。

3.如权利要求1所述的天线阵列，其特征在于，所述第一寄生振子与所述介质基板的一外侧边部对齐设置，所述第二寄生振子与所述介质基板的另一外侧边部对齐设置。

4.如权利要求1所述的天线阵列，其特征在于，所述介质基板的长度中心线与所述激励振子的宽度中心线相重合。

5.如权利要求1所述的天线阵列，其特征在于，所述天线阵列还包括:

所述第一寄生振子包括第一部分、第二部分、第三部分，其中，所述第一部分和所述第二部分对称设置在所述第一寄生振子的两端，所述第三部分设置在所述第一部分和所述第二部分之间。

6.如权利要求5所述的天线阵列，其特征在于，所述天线阵列还包括:

所述第三部分的宽度小于所述第一部分和所述第二部分的宽度。

7.如权利要求1所述的天线阵列，其特征在于，所述地板的尺寸与所述介质基板的尺寸相同。

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