CN108987915A - 一种基于紧耦合技术超宽带双极化柱面天线阵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于紧耦合技术超宽带双极化柱面天线阵。包括若干个紧贴金属柱面的按一定周期规律排列的相互垂直的印刷天线振子单元、若干长方形介质块以及圆柱形金属底板。每个周期内均有两个相互正交的印刷天线振子单元，由带状线馈电巴伦馈电，垂直于金属柱面，相邻的印刷天线正反两个振子臂相互交叠，在印刷天线顶端设计有一定厚度的长方体介质块，具有容性加载特性，减弱了振子在阵列扫描时的电纳变化，进一步展宽阵列工作带宽，实现宽角扫描。采用阵列边缘振子末端加载开路枝节，减弱表面波，改善边缘截断效应影响，展宽阵列边缘振子带宽。本发明具有超宽带双极化以及宽角扫描等特性，有低剖面特性，在实际工程中具有重要的应用前景。

Description

一种基于紧耦合技术超宽带双极化柱面天线阵

技术领域

本发明属于现代无线通信技术、相控阵雷达技术领域，尤其涉及超宽带宽角扫描相控阵天线技术领域。

背景技术

宽带天线在当今的无线通信系统中越来越受到关注，通常将天线单元按照一定规律的栅格排列，即可组成天线阵列。超宽带宽角相控阵天线是阵列天线的一种特殊应用，在当今的雷达发展中，对相控阵的带宽、扫描范围的应用需求越来越高，要求相控阵要具有更宽的带宽、更广的扫描范围，即在扫描过程中阵列增益下降不要过大，应尽量平缓下降，另外，阵列最好还有更低的剖面特性以减小阵列的雷达散射截面。

在传统相控阵设计中，一般先设计独立天线单元，为了降低阵元之间的互耦，要求天线单元间距尽量大，但是这与阵列天线不出现栅瓣的条件是相互矛盾的，因此这样设计的相控阵天线的扫描范围具有一定的局限性，不能实现宽角扫描特性。而且独立设计天线单元的方法，使得所设计的天线单元尺寸也会比较大，如横向和纵向尺寸，纵向尺寸的增加即是在一定程度上增加阵列天线的剖面，从而导致天线雷达散射截面的增加。

近些年，宽带相控阵技术发展迅速，实现宽带相控阵方式主要有两种：一是设计具有超宽带特性的天线单元；二是利用单元之间的互耦效应，实现阵中天线单元的超宽带特性。第一种方法由于单元尺寸往往较大，单元间距不能太小，其扫描范围具有一定的局限性，大角度扫描情况下会产生栅瓣，因此很难设计宽带并具有宽角扫描特性的相控阵。第二种方法是利用阵列单元之间的强耦合效应来展宽阵列阵中天线单元带宽，这是最近几年的研究热点，很多学者和科研工作者也提出了多种不同形式的强耦合阵列形式。

天线的极化方式是天线的固有属性，其决定了天线可接收和发射何种形式的电磁波，线极化接收线极化和部分圆极化波、圆极化接收圆极化波。当今，电磁环境复杂多样，从而对天线的极化形式也提出了新的要求，要求天线在使用过程中能够同时接收垂直、水平甚至圆极化形式的电磁波，科研工作者们相应提出了多种解决方案，如采用圆极化天线、斜极化天线和相互正交的双极化天线等。

双极化天线增加了通道容量，提高了天线阵口径利用效率，可以大大提高整个雷达通信系统的性能。但是其也存在一定的设计难点：一是工作带宽如何展宽；二是如何保证工作带宽内极化隔离度足够高；三是新的雷达体制要求其要具有宽角扫描能力；再者，如何降低雷达阵面的剖面等等。

综上，以往所设计的宽带相控阵天线在当前新的应用体制下显得不够完善，为解决上述所提到的问题，满足实际工程中的应用需求，如何设计具有超宽带、宽角扫描以及低剖面特性的双极化相控阵天线显得极为重要。本发明正是基于当前实际工程中的应用需求而提出的。

发明内容

本发明设计了一种基于新型结构的超宽带宽角扫描双极化相控阵天线。相控阵超宽带特性实现的主要理论依据是Wheeler的理想阵列天线模型，该思想起源于Munk对频率选择表面(FSS)的研究，该理论的关键在于按周期性紧密排列的偶极子阵列具有宽带特性。基于此，本发明设计了带线馈电的双面印刷振子天线单元，该结构共有两块介质基板，三层金属覆铜层组成，其中印刷天线位于整个结构最外侧，带线位于两块中间，相邻的印刷天线振子单元振子臂前后相互错开，形成交叠排列方式，但不电连接，从而增加了相邻天线单元之间的电磁耦合强度，改善阵中天线单元低频段匹配。针对阵面边缘截断效应，本发明在阵列边缘天线单元末端进行了开路枝节加载，改善阵列边缘单元的匹配特性。

本发明的双极化工作模式通过以下技术途径实现，将单极化的两组印刷天线相互正交放置，其中一组天线沿中间从上往下开半槽，另外一组天线从下往上开半槽，再将两组天线上下对插，在底部进行焊接，其在整个阵面上仍呈现周期特性。

本发明的宽角扫描主要由三个技术途径实现：一是尽量减小天线单元间距，从而降低宽角扫描过程中栅瓣的出现；二是在印刷天线顶端设计有一定厚度的长方体介质块，具有容性加载特性，减弱了振子在阵列扫描时的电纳变化，进一步展宽阵列扫描工作带宽，可实现宽角扫描；三是设计紧耦合形式的柱面天线阵实现，柱面天线阵，柱面天线阵可突破平面波束扫描相控阵天线的±60°扫描范围局限性，实现更宽角度扫描，若是单元足够多，则可实现全方位360°扫描特性。

附图说明

图1是基于紧耦合技术的超宽带双极化天线阵整体结构图，其中1表示沿母线方向极化1，2表示沿导线方向的极化2，3为阵面顶端的介质加载块3，4和5分别表示柱面的导线和目线。

图2是基于紧耦合技术的超宽带双极化柱面天线阵的阵中双极化天线单元示意图，6表示具有一定厚度的矩形介质块加载。

图3是基于紧耦合技术的超宽带双极化柱面天线阵中单极化天线单元详细组成部分，其中7和13表示位于外侧的金属印刷振子，11为中间位金属馈线，12为金属顶部加载，8和9为介质基板。

图4基于紧耦合技术的超宽带双极化柱面天线阵中双极化天线单元在无限大周期边界情况下的反射系数及隔离度仿真结果，即图2所示模型的仿真结果。

图5是基于紧耦合技术的超宽带双极化柱面天线阵相邻天线单元的耦合方式结构示意图，其中15为一维直线阵的俯视图，16为一维直线阵的侧视图，14末端开路加载。

图6基于紧耦合技术的超宽带双极化柱面天线阵一维线阵边缘末端的开路枝节对边缘天线单元反射法系数的影响，即图5所对应模型的仿真结果。

图7是基于紧耦合技术的超宽带双极化柱面天线阵中极化1的阵中一维线阵结构图，其阵列单元沿着圆柱母线排列。

图8是基于紧耦合技术的超宽带双极化柱面天线阵中极化2的阵中一维线阵结构图，其阵列单元沿着圆柱导线排列。

图9是基于紧耦合技术的超宽带双极化柱面天线阵的发明中极化1的单极化超宽带柱面天线阵。将图5中的一维线阵沿着柱面的导线排列，即可实现具有极化1特性的宽带相控阵柱面天线阵。

图10是基于紧耦合技术的超宽带双极化柱面天线阵的发明中极化2的单极化超宽带柱面天线阵。将图6中的一维线阵沿着柱面的母线排列，即可实现具有极化2特性的宽带相控阵柱面天线阵。

图11基于紧耦合技术的超宽带双极化柱面天线阵极化1阵列扫描过程中阵中天线单元的电压驻波比特性。

图12基于紧耦合技术的超宽带双极化柱面天线阵极化2阵列扫描过程中阵中天线单元的电压驻波比特性。

图13基于紧耦合技术的超宽带双极化柱面天线阵极化1阵列对应的沿母线扫描方向图。

图14基于紧耦合技术的超宽带双极化柱面天线阵极化1阵列对应的法向在导线方向的方向图。

图15基于紧耦合技术的超宽带双极化柱面天线阵极化2阵列对应的沿母线扫描方向图。

图16基于紧耦合技术的超宽带双极化柱面天线阵极化2阵列对应的法向在导线方向的方向图。

具体实施方式

下面结合21×8元超宽带双极化柱面天线阵实施例对本发明进行详细的说明，金属柱面反射板上设置有按一定周期排列的相互正交的印刷天线振子单元，其中阵列边缘天线单元振子壁末端有矩形金属贴片，每个天线单元顶端加有一定厚度的长方体介质块，介质块布满整个阵列顶端。为方便描述，这里我们定义沿柱面母线5方向的极化为极化1，沿柱面导线4方向的极化为极化2，3为阵面顶端的介质加载块3。

由图1可知，本发明的整个天线面阵主要由金属柱面反射板，金属柱面反射板上设置有按一定周期排列的相互正交的双极化印刷天线振子单元，在所有的双极化天线单元上端加载有介质块6，加载部分相对介电常数2.2，其损耗正切角小于0.002，其中双极化天线(包含顶端介质块6)周期单元如图2所示。其中每个极化天线单元的组成方式见图3，主要由三个金属层及两块介质基板组成，介质基板最外侧两层金属为印刷振子7和13，中间为金属馈线11及顶部加载12，馈电方式为带线馈电的宽带巴伦11。两块介质基板的介电常数为2.65，其损耗正切角小于0.0015。在高频电磁仿真软件中，我们以无限大周期边界条件，仿真了图2所示的双极化天线单元，其顶部具有介质加载块6，天线单元间距为最高频点的0.4个波长，天线单元的整体高度小于最高频点的0.6个波长，经过仿真，得到的S参数曲线如图4所示，从图中可以看出，两个极化的反射系数在3倍频程内小于-13dB，端口隔离度大于25dB，具有3倍频程的超宽特性，带宽内端口隔离度高。

对于紧密排列的天线阵来说，当阵列足够大时，阵列中心单元具有无限大周期特性，所以我们在整个阵列设计中，我们先用无限大周期边界条件来模拟阵中环境，进而设计了阵中单元形式。但是，在实际工程应用中，阵列规模都是有限大的，阵列边缘天线单元由于截断效应存在，其匹配等电特性与阵中天线单元存在较大差异，通常会带来边缘天线单元匹配的恶化。为了改善截断效应对匹配特性的影响，我们以一维直线阵为例，在边缘天线单元的末端加载了开路加载14，延长边沿天线单元振子臂的电长度，进而改善边缘天线单元在低频段的匹配特性，边缘开路加载如图5所示，图5是基于紧耦合技术的超宽带双极化柱面天线阵相邻天线单元的耦合方式结构示意图，分别给出了一维直线阵地俯视图15和侧视图16，从图可以看出在介质基板两侧的印刷振子的辐射臂相互交叠，辐射臂有部分是前后重叠在一起的，产生一定的电容耦合量，并不直接电连接。在线阵的两端的振子的辐射臂均作相应延长，延长部分即为开路加载14，以改善末端天线单元的阻抗比配特性。图6给出了加载开路枝节前后边缘天线单元的电压驻波比比较，从图中可以看出，加载开路加载14后，边缘天线单元的驻波比得到显著改善，在整个工作带宽内，基本小于2。特别的，也可以用相同的设计方法根据实际使用需求设计单极化天线单元。

在设计好阵中天线单元、边缘天线单元后，就可以将阵中及边缘天线单元按照一定的栅格排列，组成特定的天线阵。将单极化天线单元按照一维栅格排列，就可得到一维单极化线阵，如图7为一维单极化直线阵，图8为沿柱面导线5方向排列的一维单极化柱面阵。当将图7所示的一维线阵沿柱面导线4布阵时，即可得到具有极化1特性的二维柱面单极化柱面天线阵，如图9所示，将图8所示的一维柱面阵沿柱面母线5排列时，即可得到具有极化2特性的二维柱面单极化柱面天线阵，如图10所示。再者，若将图9和图所示的单极化线阵正交相叉排列，即可得到同时具有极化1和极化2特性的双极化柱面天线阵天线，如图1所示。

本发明天线的电性能特性在高频仿真软件中进行了全波仿真设计，图11和图12分别给出了本发明的极化1阵列和极化2阵列阵中天线单元在不同扫描角度(沿柱面母线方向扫描)下的有源驻波比特性，由仿真结果可以看出，在宽角度扫描情况下，阵中天线单元的有源电压驻波比特性良好，基本小于2，其中极化1阵中天线单元的有源电压驻波比略好于极化2阵中天线单元的有源电压驻波比。对于柱面天线，考虑到柱面遮挡效应，不需要所有天线单元同时工作，对于21×8个阵列来说，在满足主副瓣比大于20dB的前提下，经过优化选取15×8个天线单元，得到的方向图结果如图13～图16所示，其中图13给出了极化1阵列沿柱面母线扫描的方向图，从图中可以看出，其具有±70°扫描特性，在扫描到70°时，增益下降了2.6dB，图15给出了极化2阵列沿柱面母线扫描的方向图，从图中可以看出，其也具有±70°扫描特性，在扫描到70°时，增益下降了3.3dB，增益下降均不明显，可以满足大部分实际工程需求。相比于平面相控阵扫描到60°的增益下降就大于3dB来说，本发明的超宽带双极化柱面天线阵性能更加优越。

综上，本发明的基于紧耦合技术的超宽带双极化柱面天线阵具有优越性能，其具有超宽带、双极化、宽角扫描等特性，经过优化，其结构简单易加工，在实际工程中具有相当广阔的应用前景。

以上内容是针对具体的实施例，对本发明的设计等实施方式、性能、应用前景进行了详细说明，但是不能认定本发明局限于这些说明，在不脱离本发明技术条件的前提下，本发明的说明书中未作详细描述的内容也属于本领域技术人员的共知技术，其都应当被视为属于本发明所提交的权利要求书确定的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于紧耦合技术超宽带双极化柱面天线阵，其特征在于：包括金属柱面反射板，金属柱面反射板上设置有按一定周期排列的相互正交的印刷天线振子单元，其中阵列边缘天线单元振子壁末端有矩形金属贴片，每个天线单元顶端还加有一定厚度的长方体介质块，介质块布满整个阵列顶端。

2.根据权利要求1所述的一种基于紧耦合技术超宽带双极化柱面天线阵，其特征在于：印刷天线振子单元由具有三层金属的PCB结构组成，包含两块介质基板，三层金属覆铜层，介质基板最外侧为印刷天线振子，中间层为印刷的馈线，其馈电方式为带线转槽线形式的超宽带馈电巴伦结构。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于紧耦合技术超宽带双极化柱面天线阵，其特征还在于：阵列天线的边缘印刷天线振子臂末端加载有开路枝节，该枝节可以有效减弱表面波，改善边缘截断效应影响，展宽阵列边缘振子带宽。

4.根据权利要求1所述或2的一种基于紧耦合技术超宽带双极化柱面天线阵，其特征还在于：每个周期内的振子单元上端加载有长方体介质块，其具有容性加载特性，减弱了振子在阵列扫描时的电纳变化，进一步展宽阵列工作带宽，实现宽角扫描。

5.根据权利要求1所述或2的一种基于紧耦合技术超宽带双极化柱面天线阵，其特征还在于：可以同时实现垂直和水平极化电磁波的接受与发射，提高天线口径利用效率。

6.根据权利要求1或2所述的一种基于紧耦合技术超宽带双极化柱面天线阵，其特征还在于：根据不同的应用场合，可以分开设计垂直或水平极化超宽带柱面天线阵，其仍具有宽带宽角扫描工作特性。

7.根据权利要求2所述的一种基于紧耦合技术超宽带双极化柱面天线阵，其特征还在于：所述天线阵可设计成一维直线阵或一维柱面阵。