CN109103575B - 微带天线单元及微带天线 - Google Patents

Abstract

本发明属于有源相控阵雷达、天线技术领域，为了解决现有的盲点抑制技术难以在较宽的频率区间内实现对扫描盲点的抑制以及需要引入附加结构导致设计难度增加等问题，为此，本发明提供了一种微带天线单元，所述微带天线单元包括介质板以及设置在所述介质板上的馈电结构，所述馈电结构用于抑制所述微带天线阵列的扫描盲点。通过在介质板中垂直设置第二馈电结构，能够有效抑制微带天线单元的表面波，从而消除微带天线阵列在较宽的扫描区间内的扫描盲点。

Description

微带天线单元及微带天线

技术领域

本发明属于有源相控阵雷达、天线技术领域，具体涉及一种微带天线单元及微带天线。

背景技术

在有源相控阵雷达中，天线阵列用于接收和发射射频信号，通过幅度和相位的控制，在形成指定波束的同时，也可以实现波束在空间中的扫描。微带贴片天线具有结构低剖面、重量轻、结构简单、易于设计加工等优点，但传统微带天线带宽较窄、辐射效率较低，不能满足相控阵系统对于宽工作频带的要求。同时，有源相控相控阵快速波束捷变、大角度电扫等功能的实现，要求天线单元具有宽角扫描特性。然而，由于微带天线采用接地介质板结构，容易束缚更多的表面波在单元之间传播，导致天线扫描至栅瓣出现之前的某一角度上，阻抗实部接近于零，使得天线几乎不能接收或辐射能量，形成扫描盲点。

传统盲点抑制技术包括：多天线子阵技术、高阻抗表面技术、缺陷地技术、特异材料技术等。但是这些技术在实际应用上存在很多的不足与制约：一方面，目前的盲点抑制技术只能够实现窄带特性，对于宽带相控阵系统，难以在较宽的频率区间内实现对扫描盲点的抑制；另一方面，传统盲点抑制技术通常引入附加隔离结构或子单元、这些结构的引入需要占据较大的面积，不能够满足宽角扫描阵列紧凑布阵的结构安排，不仅会在大角度扫描时产生栅瓣，同时又大幅提升了天线设计的复杂度。

因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述问题。

发明内容

为解决上述背景技术中提到的问题，即为了解决现有的盲点抑制技术难以在较宽的频率区间内实现对扫描盲点的抑制以及需要引入附加结构导致设计难度增加，本发明提供了一种微带天线单元，所述微带天线单元包括介质板以及设置在所述介质板上的第一馈电结构、第二馈电结构以及第三馈电结构，其中，所述第一馈电结构设置于所述介质板的一侧，所述第三馈电结构设置于所述介质板的另一侧，所述第二馈电结构与所述第一馈电结构连接并穿过所述介质板与所述第三馈电结构连接，所述第二馈电结构用于抑制所述微带天线阵列的扫描盲点。

在上述微带天线单元的优选技术方案中，所述第二馈电结构垂直穿过所述介质板。

在上述微带天线单元的优选技术方案中，所述介质板的厚度为中心频率波长的1/10。

在上述微带天线单元的优选技术方案中，所述微单天线单元还包括金属地板，所述金属地板上设置有探针，所述探针与所述第三馈电结构连接，所述探针用于为所述第三馈电结构提供射频信号。

在上述微带天线单元的优选技术方案中，所述金属地板上开设有凹槽，所述凹槽用于拓宽所述微带天线单元的带宽。

在上述微带天线单元的优选技术方案中，所述微带天线单元还包括分别设置在所述介质板两侧的第一介质板和第二介质板。

在上述微带天线单元的优选技术方案中，所述第一介质板设置在所述介质板的上方，在所述第一介质板的上表面中心处设置有辐射贴片。

在另一方面，本发明还提供了一种微带天线，所述微带天线包括若干个上述的微带天线单元。

在上述微带天线的优选技术方案中，若干个所述微带天线单元呈阵列分布。

本领域技术人员能够理解的是，在上述微带天线单元的优选技术方案中，通过在介质板中垂直设置第二馈电结构，能够有效抑制微带天线单元的表面波，从而消除微带天线阵列在较宽的扫描区间内的扫描盲点。

进一步地，通过金属地板上的凹槽结构，能够增强微带天线单元宽带特性，提高辐射效率。微带天线单元组成阵列后，金属地板上的凹槽能够使该阵列形成整体波纹结构，易于阵列结构的加工与实现。

在另一方面，本发明提供一种微带天线，该微带天线由上述微带天线单元阵列排布组成，相比于传统的微带天线，能够在较宽的扫描区间内进行扫描而不产生扫描盲点，同时，也不需要引入附加的盲点抑制结构，使该微带天线的结构更加简单、紧凑。

附图说明

图1是本发明实施例提供的微带天线单元的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的微带天线单元的侧视图；

图3是本发明实施例提供的馈电结构激励电流与表面波场分布示意图；

图4是本发明实施例提供的馈电结构电流强度分布示意图。

附图标记：

10、辐射贴片；20、第一介质板；30介质板；40、第二介质板；50、金属地板；51、凹槽；60、馈电结构；61、第一馈结构；62、第二馈电结构；63、第三馈电结构；70、探针。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、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更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。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。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明的实施例提供一种微带天线单元及微带天线，用于解决现有的盲点抑制技术难以在较宽的频率区间内实现对扫描盲点的抑制以及需要引入附加结构导致设计难度增加，通过增加馈电结构来抑制微带天线阵列的扫描盲点。

参见图1，图1是本发明实施例提供的微带天线单元的结构示意图。如图1所示，微带天线单元包括金属地板50，金属地板50上设置有凹槽51和探针70，在金属地板50上方依次设置有第二介质板40、介质板30和第一介质板20，在第一介质板20上表面的中心处设置有辐射贴片10，馈电结构60设置在介质板30上。

馈电结构60用于抑制微带天线阵列的扫描盲点，具体地，参见图2，馈电结构60包括第一馈电结构61、第二馈电结构62以及第三馈电结构63。

其中，第一馈电结构61设置于介质板30的一侧，第三馈电结构62设置于介质板30的另一侧，第二馈电结构穿过介质板30并分别与第一馈电结构61和第二馈电结构62连接，由于馈电结构60中的激励电流沿着第一馈电结构61、第二馈电结构62以及第三馈电结构63的方向流动，或者是沿着第三馈电结构63、第二馈电结构62以及第一馈电结构61的方向流动，无论激励电流采用哪种方向流动，最终都能保证第二馈电结构62中的激励电流的流动方向是沿着竖直或者近似竖直的方向来流动，第二馈电结构62中的激励电流在流动过程中，会在其周围产生一个电磁场，该电磁场的方向与表面波的方向相反，能够抵消部分或者全部的表面波，从而抑制表面波的产生，进而达到消除微带天线单元阵列在较宽的扫描区间内的扫描盲点。

在一示例中，第一馈电结构61、第二馈电结构62以及第三馈电结构63中激励电流Iz的方向如图3所示，表面波的方向沿图中Hx的方向，第二馈电结构62中激励电流Iy产生的电磁场的方向如图3中Hx′所示的方向，刚好与表面波的方向相反，从而能够抵消部分或者全部的表面波，抑制表面波的产生，进而达到消除微带天线单元阵列在较宽的扫描区间内的扫描盲点。

在一种优选的实施方式中，第二馈电结构62垂直穿过介质板，也就是说，使得第二馈电结构62中激励电流的方向保持垂直的方向，在这种情况下，其产生的电磁场方向基本与表面波的方向相反，能够更有效地抑制表面波的形成。

在一示例中，介质板30的材质可选为Rogers5880，在其中部开设有至少两个金属化过孔，第二馈电结构62可选为金属化过孔，第一馈电结构61可选为金属微带线，其蚀刻于介质板的上表面并与金属化过孔连接，第三馈电结构63可选为金属微带线，其蚀刻于介质板的下表面并与金属化过孔连接，通过金属微带线和金属化过孔形成馈电结构。

在另一示例中，第一馈电结构61与第三馈电结构63的总长度为中心频率波长的1/4，其激励电流的强度满足余弦函数的变化趋势，如图4所示，激励电流从第三馈电结构63到第一馈电结构61的传递过程中逐渐减小，也就是说，通过调整第一馈电结构61的长度和/或第三馈电结构63的长度，相当于调整第二馈电结构62相对于介质板30的相对位置，能够实现对通过第二馈电结

需要说明的是，金属化过孔的数量与其内径相关，其内径较小时，需要较多的金属化过孔，其内径较大时，需要较少的金属化过孔即可。

优选地，介质板30的厚度为中心频率波长的1/15。通过改变介质板30的厚度，能够实现对表面波的最佳抑制效果。中心频率是指微带天线单元的最高工作频率与最低工作频率的平均值，通过该频率值计算得到中心频率的波长。

根据本发明的实施例，探针70与第三馈电结构63相连接，为第三馈电结构63提供激励电流，其中，探针70优选为同轴探针。

金属地板50上开设有凹槽51，该凹槽51用于拓宽微带天线单元的带宽。优选地，该凹槽51为矩形凹槽，通过开设在金属地板上的矩形凹槽能够形成谐振腔，从而增强馈电结构与辐射贴片的耦合。

通过调整矩形凹槽的深度和宽度，能够实现对谐振特性的调整，从而优化微带天线单元的宽带匹配特性。

在一示例中，将微带天线单元排成阵列时，通过金属地板50上的凹槽51能够形成矩形波纹地板结构，能够便于整体的加工。

在另一方面，本发明还提供一种微带天线，该微带天线包括若干个上述的微带天线单元，并且该若干个微带天线单元呈阵列分布。

在微带天线工作过程中，当主辐射方向指向某个角度时，微带天线单元阵列间的表面波满足此种条件下天线的Floquet谐振模式，微带天线的有源驻波将严重恶化。通过上述的微带天线单元，能够使得微带天线产生一种有益的寄生辐射，使其保持与表面波方向相反，实现对表面波强度的抵销，使更多的能量向空间辐射。微带天线单元中的馈电结构能够使这种寄生辐射特性在较宽的频带内保持，因此可以实现微带天线宽频带扫描盲点的抑制，同时，不需要引入其他抑制扫描盲点的附加结构，使微带天线具有结构简单、易于设计与实现的优点。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种微带天线单元，其特征在于，所述微带天线单元包括：

金属地板；

在金属地板上方依次设置有第二介质板、介质板、第一介质板以及设置在所述介质板上的第一馈电结构、第二馈电结构和第三馈电结构；

其中，金属地板上设置有凹槽和探针，在第一介质板上表面的中心处设置有辐射贴片，馈电结构设置在介质板上，馈电结构包括第一馈电结构、第二馈电结构以及第三馈电结构，第一馈电结构设置于介质板的一侧，第三馈电结构设置于介质板的另一侧，第二馈电结构垂直的穿过介质板并分别与第一馈电结构和第二馈电结构连接，探针与第三馈电结构相连接，通过改变介质板的厚度实现所述第二馈电结构用于抑制所述微带天线阵列的扫描盲点。

2.根据权利要求1所述的微带天线单元，其特征在于，所述介质板的厚度为中心频率波长的1/10。

3.一种微带天线，其特征在于，所述微带天线包括若干个如权利要求1或2任一项所述的微带天线单元。

4.如权利要求3所述的微带天线，其特征在于，若干个所述微带天线单元呈阵列分布。

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