CN108899639A - 一种超宽带宽角覆盖低交叉极化电平阵列天线单元 - Google Patents

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周雷
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陈文俊
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Abstract

本发明涉及一种超宽带宽角覆盖低交叉极化阵列天线单元，该阵列天线单元包括以下部分：介质基板部分，渐变开口槽线部分，寄生椭圆金属条带部分，金属化通孔部分，带状线巴伦馈电部分和金属导向件部分。本发明提出的天线辐射单元具有五倍频工作带宽、宽角扫描、宽角匹配、易于和馈电网络集成等特点，适用于相控阵天线单元。

Description

一种超宽带宽角覆盖低交叉极化电平阵列天线单元
技术领域
本发明涉及一种超宽带宽角覆盖低交叉极化电平阵列天线单元设计技术，用作相控阵天 线的单元。
背景技术
天线作为发射和接收电磁波的关键部件，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。
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， 在高频处往往会有较大的电尺寸，往往导致阵列产生栅瓣，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。
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，需寻求一种简单且容易实现的方案来实现超宽带宽角覆盖相控阵天线。 本发明也正是基于工程实际应用需求而提出的。
发明内容
本发明提出一种相控阵天线的超宽带宽角覆盖低交叉极化电平阵列天线单元，该阵列天 线单元为加载弧形介质和寄生椭圆金属寄生条带的带状线馈电Vivaldi形式，具有五倍频工作 带宽、宽角扫描、宽角匹配、交叉极化电平低、易于和馈电网络集成等特点。
实现本发明的技术方案如下：本发明提出的超宽带宽角覆盖低交叉极化电平阵列天线单 元包括介质基板部分，渐变开口槽线部分，寄生椭圆金属条带部分，金属化通孔部分，带状 线巴伦馈电部分和金属导向件部分。其中渐变开口槽线印制于介质基板的上下表面；巴伦印 制于介质基板层中间以构成带状线结构；寄生椭圆金属条带印制于介质基板层中间；金属化 通孔沿渐变开口槽线排布连接上下表面；天线为双层介质基板，顶部为圆弧形结构；天线顶 部的寄生椭圆金属条带作为引向器，可拓展工作带宽；渐变开口槽线两侧的金属化通孔用来 消除阵列扫描盲点。
本发明阵列天线单元的有益技术效果体现在下述几个方面：
1、在传统Vivaldi天线介质板顶部加载外形为弧形的相同介质，使电磁波尽可能向上方 辐射，同时可显著改善带内阻抗匹配。
2、在渐变开口槽线之间的介质中间层加载椭圆金属条带，可以看作是一种引向结构，由 天线阻抗理论分析可知，它们与原有的偶极子及其镜像产生互耦，可以有效地同时展宽低频 和高频带宽，减小H面的互耦，提高了该方向的波束扫描特性。
3、沿渐变开口槽线的金属部门引入金属化通孔，可有效改善阵列扫描特性，消除扫描盲 点，而且基本不影响原有阻抗匹配特性。
4、天线两侧采用金属导向件，既可以保证阵列天线单元之间电连接，又可为竖立的印制 板提供安装定位和支撑。当天线单元宽度与纵向间距相同时，该部件可以省略。
5、相比于微带线馈电形式，带状线馈电形式使得天线的交叉极化电平得到了有效地降低。
最终设计结果表明，本发明阵列天线在五倍频工作频带内阵中有源驻波在2.0以下，大 扫描角的情况下在四倍频工作频带内阵中有源驻波在3.0以下，主瓣位置的交叉极化电平小 于-60dB。
附图说明
图1为本发明阵列天线单元的结构全图，其中1为介质基板部分，2为渐变开口槽线部 分，3为寄生椭圆金属条带部分，4为带状线巴伦馈电部分，4为金属化通孔部分，5为金属导向件部分。
图2为本发明阵列天线单元在无限大周期边界中加载介质/金属后与传统Vivaldi天线有 源驻波曲线对比(不扫描状态下)。
图3为本发明阵列天线单元在无限大周期边界扫描时有无金属化通孔对有源驻波曲线影 响对比(H面扫描至50°)。
图4为本发明阵列天线单元组成7×8三角形排布阵列俯视图。
图5为本发明阵列天线单元组成7×8三角形排布阵列后中心频点的E面和H面共极化与 交叉极化方向图。
具体实施方式
下面结合7×8超宽带天线阵列实施例对本发明进行详细的说明，参见图4。
阵列天线设计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。其中， 渐变开口槽线印制于介质基板的上下表面；巴伦印制于介质基板层中间以构成带状线结构； 椭圆条带印制于介质基板层中间；金属化通孔沿渐变开口槽线排布连接上下表面；天线为双 层介质基板，顶部为圆弧形结构；天线顶部的寄生椭圆金属条带作为引向器，可拓展工作带 宽；渐变开口槽线两侧的金属化通孔用来消除阵列扫描盲点，参见图1。
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＝λLow/4)，渐 变开口槽线的最大开口宽度决定天线单元垂直方向最大尺寸，一般不超过最低工作频点的四 分之一波长(dy≤λlow/4)，以图4所示的三角栅格天线阵列为例，为了保证不出现水平方向扫 描栅瓣，天线单元所占栅格水平方向的最大尺寸不能超过最高工作频点的半个波长(即 d≈λhigh/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AD255，介电常数2.55，损耗正切角小于0.001，为了避免在 扫描过程中出现栅瓣，选取水平方向的单元间距dx为0.4λhigh，高度H略大于λLow/4，从而 确定了单元的总体初始尺寸，且带宽约为5倍频程，参见图2可见，经优化后的天线单元可 工作于1.4-7GHz频带，反射系数小于-10dB，对应的电压驻波比小于2.0。
本发明性能如下：
图2为本发明阵列天线单元在无限大周期边界中加载介质/寄生椭圆金属条带后与传统 Vivaldi天线有源驻波曲线对比：传统Vivaldi天线未加载弧形介质和寄生椭圆金属条带，工作 频段为1.7-6.7GHz；加载弧形介质后工作频段略有拓宽，带内驻波明显减小；同时加载弧形 介质和寄生椭圆金属条带后工作频段明显拓宽，为1.4-7GHz，实现五倍频带宽，带内驻波没 有明显变化。
图3为本发明阵列天线单元在无限大周期边界扫描时有无金属化通孔对有源驻波曲线影 响对比(H面扫描至50°)：无金属化通孔时带内驻波出现若干谐振点，有金属化通孔时这些 谐振点均消除，有效地实现宽角匹配，工作带宽为1.75-7GHz，实现四倍频带宽。
图5为本发明阵列天线单元组成7×8三角形排布阵列后中心频点的E面和H面共极化与 交叉极化方向图：可见主瓣位置的交叉极化电平小于-60dB，说明该阵列天线单元具有低交叉 极化电平的特性。
以上内容是结合具体的优选方式对本发明所做的详细说明，不能认定本发明具体实施仅 限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下， 还可以做成若干简单推演或替换，如采用无导向件天线单元直接相连设计等，都应当视为属 于本发明由所提交的权利要求书确定的发明保护范围。

Claims (1)

1.一种超宽带宽角覆盖低交叉极化电平阵列天线单元，其特征在于：包括介质基板，渐变开口槽线，寄生椭圆金属条带，金属化通孔，带状线巴伦馈电和金属导向件，其中渐变开口槽线印制于介质基板的上下表面；带状线巴伦馈电印制于介质基板层中间以构成带状线结构；寄生椭圆金属条带印制于介质基板层中间；金属化通孔沿印刷渐变开口槽线排布连接上下表面；天线为双层介质基板，顶部为圆弧形结构；渐变开口槽线之间的介质中间层加载寄生椭圆形金属条带作为引向器，可拓展工作带宽；渐变开口槽线两侧的金属化通孔用来消除阵列扫描盲点。
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