CN109119756B - 一种大角度扫描微带相控阵天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种大角度扫描微带相控阵天线，包括若干个分形结构形式的微带天线单元、上层微波介质板和下层微波介质板，所述的每个微带天线单元包括微带辐射贴片、耦合馈电微带线、射频连接器和天线地板。本发明通过采用新颖的分形微带天线单元结构形式和地板修形技术，有效拓展了传统微带相控阵天线的扫描范围(主波束可实现大于±70°的扫描)，无需额外的周期结构覆层或去耦网络，降低了设计复杂度和制造成本，保持了传统微带天线的低剖面优势。

Description

一种大角度扫描微带相控阵天线
技术领域
本发明涉及一种大角度扫描(主波束可实现大于±70°的扫描)微带相控阵天线，属于无线通信技术领域。
背景技术
相控阵天线具有波束指向、波束形状快速变化能力，能够实现宽视场的覆盖，在汽车防撞雷达、高速移动通信、物联网、数据链等军用、民用系统中拥有巨大的应用前景。由于微带天线的低剖面、低成本、易集成等优势，使其成为平面相控阵天线设计中首选的天线形式之一。然而，微带天线单元的3-dB波束宽度很难超过120°，导致微带相控阵天线的波束扫描范围一般被限制在±60°内，并且当扫描到±50°时，增益损失典型值约为4～5dB，这就需要增加相控阵天线的单元数目来弥补大角度扫描时增益损失，进而造成系统成本的大幅上升，在某种程度上也限制了微带相控阵天线的应用范围。
Cheng You-Feng等人在2016年Proceedings of IEEE Antennas PropagationSociety International Symposium会议中发表的论文“A novel planar phased arraywith wide beam-scanning coverage”中提出通过谐振在TM21模式的环形贴片以及两个对称缝隙来增加微带天线单元的波束宽度，基于该单元实现的相控阵天线3dB主波束覆盖扩展到了±66°，但该天线在最大扫描角处副瓣电平仅为-3.5dB，不能满足使用需求，而且为了满足大角度扫描阵列的阵元布局间距约束，文中的天线单元需要同时在地板上开对称的四个缝隙，将会引入较强的后向辐射。Cheng You-Feng等人在2016年IEEE AntennasWireless Propagation Letters期刊中发表的论文“2-D planar wide-angle scanningphased array based on wide-beam elements”提出利用寄生的周期结构覆层，成功实现主波束在±75°角域内的扫描，但是该覆层需要与辐射单元间保持一定的间距，增加了天线的剖面与制造成本，设计复杂度也显著上升。
除了展宽微带单元波束宽度外，大角度扫描时的有源驻波控制也是宽角扫描相控阵天线设计过程中需要重点考虑的因素。Xia Run-Liang等人在2015年IEEE Transactionson Antennas and Wireless Propagation期刊中发表的论文“Wide-angle scanningphased array using an efficient decoupling network”通过采用去耦网络来降低大角度时阵元间的互耦，进而实现大角度阻抗匹配，实验表明使用去耦网络的微带相控阵天线扫描角可延伸到±66°，仿真的增益损失为2.28dB。但是，该相控阵天线的工作带宽较窄，结构复杂，去耦网络还会引入额外的插入损耗，增加了制造成本。
通过对现有的技术调研分析可知，实现低成本、低剖面以及优越扫描性能的微带相控阵天线仍然极具挑战，也是实际工程应用中需要迫切解决的问题，对于拓展微带相控阵天线应用范围、降低系统成本具有重要价值。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足，提供了一种低成本大角度扫描(主波束可实现大于±70°的扫描)微带相控阵天线，解决现有微带相控阵天线大角度扫描时增益损失过大、结构复杂、制造成本较高等问题。
本发明的技术解决方案：一种大角度扫描微带相控阵天线，包括若干个分形结构形式的微带天线单元、上层微波介质板和下层微波介质板，所述的每个微带天线单元包括微带辐射贴片、耦合馈电微带线、射频连接器和天线地板，所述的天线地板由底部的金属平板和上部的金属台阶组成，所有的微带天线单元的金属平板为一整体，微带辐射贴片位于上层微波介质板上，采用1阶Minkowski分形结构形式，在微带辐射贴片的四个顶点处引入四个对称的斜缝，耦合馈电微带线位于上层微波介质板和下层微波介质板，耦合馈电微带线的一端与位于金属台阶内腔中的射频连接器连接，两端最外侧的两个微带天线单元的射频输入端接匹配负载，无激励输入。
所述的上层微波介质板在耦合馈电微带线与射频连接器连接处的正上方开槽或孔，槽或孔尺寸大于耦合馈电微带线与射频连接器连接节点的焊点尺寸即可，保证上下两层微波介质板在层叠时的平整性。槽优选圆柱形通孔，便于加工。
所述的耦合馈电微带线与射频连接器连接端圆形过渡，便于和射频连接器的连接。
本发明通过在微带辐射贴片的四个顶点处引入四个对称的斜缝，以进一步增加电流传输路径，实现单元的小型化。为提升微带相控阵天线的工作带宽，微带天线单元利用耦合馈电方式，通过控制下层微波介质板上耦合馈电微带线的宽度和长度调节输入阻抗，实现耦合馈电微带线与射频连接器间的阻抗匹配，具体调节方式的基本原理可参见《微波工程》(第三版)，电子工业出版社，pp123-127。本发明对天线地板进行修形，天线地板由金属平板和金属台阶组成，在金属台阶内部挖去方形块形成内腔，用来放置射频连接器以保持微带天线的低剖面特征。本发明构成相控阵天线的所有微带辐射贴片共用同一个上层微波介质板，所有耦合馈电微带线共用同一个下层微波介质板，从而进一步展宽单元波束宽度。
本发明若干个分形结构形式的微带天线单元，按固定间距周期排列，为了给边缘天线单元创造更为一致的边界条件，最左侧和最右侧天线单元的射频输入端接匹配负载，无激励输入。
所述的微带天线单元的阵元中心间距d为0.40～0.46个工作波长，可避免在大角度扫描时栅瓣的出现。
所述的天线上层微波介质板和下层微波介质板的介电常数一般选择为3.0～6.15之间以同时满足带宽和宽角扫描要求。
本发明与现有技术相比的有益效果：
(1)本发明通过采用新颖的分形微带天线单元结构形式和地板修形技术，有效拓展了传统微带相控阵天线的扫描范围(主波束可实现大于±70°的扫描)，无需额外的周期结构覆层或去耦网络，降低了设计复杂度和制造成本，保持了传统微带天线的低剖面优势；
(2)本发明通过联合使用分形结构的辐射单元和修形的天线地板来实现单元波束宽度的展宽以及宽角扫描时有源驻波的控制，从而有效扩展微带相控阵天线的扫描范围，并且保证在大角度扫描时增益的缓慢下降；
(3)本发明采用分形结构以及修形天线地板，无需进行幅相的优化，使其在等幅线性增加相位激励输入时仍可保证较低的副瓣电平，从而有效降低设计复杂度，缩短设计周期；
(4)本发明通过结合耦合馈电方式和阵元间距控制，进一步拓展了传统微带相控阵天线的扫描范围，同时实现在大角度扫描时增益的缓慢下降；
(5)本发明无需额外的周期结构覆层或去耦网络，显著降低了结构复杂度和制造成本，同时可实现±70°的角域扫描，在大角度扫描时增益缓慢下降(±70°边缘扫描角处增益损失小于2.5dB)。
附图说明
图1为本发明三维结构示意图；
图2为本发明天线单元结构侧视图；
图3为本发明天线辐射贴片单元俯视图；
图4为本发明耦合馈电微带线俯视图；
图5为本发明实施例在中心频点2.4GHz处、不同角度扫描时可用增益的仿真图，其中横坐标为扫描角度，纵坐标为可用增益；
图6为本发明实施例在法向和70°角扫描时可用增益随频率变化的仿真图，其中横坐标为扫描角度，纵坐标为可用增益。
具体实施方式
下面结合具体实例及附图对本发明进行详细说明。
本发明如图1、2所示，由分形结构形式的微带辐射贴片1、耦合馈电微带线4、修形的天线地板6、7以及微波介质板2、3等部分组成。
本实施例微带相控阵天线包含十个分形结构形式的微带天线单元，按固定间距周期排列，为了给边缘天线单元创造更为一致的边界条件，最左侧和最右侧天线单元的射频输入端接匹配负载，无激励输入；每个微带天线单元的辐射贴片1位于上层微波介质板上2，采用1阶Minkowski分形结构形式，在贴片的四个顶点处引入四个对称的斜缝以进一步增加电流传输路径，实现单元的小型化。本实施例的中心频点位于2.41GHz，分形结构微带单元如图3所示，大致尺寸由微带天线设计理论给出，具体尺寸由全波仿真计算工具HFSS优化得到，长宽均为26.5mm，四个对称斜缝的宽度为1mm，长度为8.1mm，每个边长上挖去的矩形区域宽度为3.2mm，长度为9.5mm。
为提升微带相控阵天线的工作带宽，微带天线单元利用耦合馈电方式，通过控制下层微波介质板3上耦合馈电微带线4的宽度和长度调节输入阻抗，实现耦合馈电微带线4与射频连接器5间的阻抗匹配。本实施例中射频连接器5的输入阻抗选择为50Ω，耦合馈电微带线5的宽度和长度分别优化为2.1mm与8.5mm(由全波仿真计算工具HFSS优化得到)，如图4所示。
修形的天线地板由金属平板6和金属台阶7组成，在金属台阶7下方挖去方形块以放置射频连接器5以保持微带天线的低剖面特征；构成相控阵天线的所有辐射贴片1共用同一个上层微波介质板2，所有耦合馈电微带线4共用同一个下层微波介质板3，从而进一步展宽单元波束宽度。本实施例中金属台阶7的高度为8mm，长度与宽度为38mm，挖去方形块的长度与宽度均为35mm(如图2所示)，上下两层微波介质板2、3的尺寸为48.0mm*520.5mm*2.0mm,金属平板6的尺寸为53.0mm*525.5mm*2.0mm。
本实施例中为便于加工，在耦合馈电微带线4与射频连接器5连接处正上方移除圆柱形介质柱9(加工通孔)，保证上下两层微波介质板2、3在层叠时的平整性。本实施例中介质柱9的高度为2mm，半径为1.5mm。
本发明的阵元中心间距d一般为0.40～0.46个工作波长，如图3所示，可避免在大角度扫描时栅瓣的出现。本实施例中阵元间距为52.5mm，为0.42倍中心频点波长。
本发明上层微波介质板2和下层微波介质板3的介电常数一般选择为3.0～6.15之间以同时满足带宽和宽角扫描要求。本实施例中介电常数选择为4.3。
图5给出了本实施例在中心频点2.4GHz处、不同角度扫描时可用增益的仿真结果。可以看出，当8个端口分别按照相邻单元±52.5°、±97.5°、±130.0°以及±155°相位差等幅激励时，主波束分别扫描至±20°、±40°、±60°以及±70°，在±60°扫描角时增益损失仅为1.65dB，在±70°扫描角时增益损失约为2.2dB，在整个扫描范围内副瓣电平均优于10dB。
图6给出了本实施例在法向和70°角扫描时可用增益随频率变化的仿真结果，可以看出，在中心频点±45MHz频段范围内(相对带宽为3.73％)，法向增益变化小于1dB，70度扫描角处增益变化小于1.5dB，频带内所有频点处70°扫描角时增益损失均小于2.5dB，说明该相控阵天线具有较好的工作带宽和宽角扫描性能。
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (5)

1.一种大角度扫描微带相控阵天线，其特征在于：包括若干个分形结构形式的微带天线单元、上层微波介质板(2)和下层微波介质板(3)，所述的每个微带天线单元包括微带辐射贴片(1)、耦合馈电微带线(4)、射频连接器(5)和天线地板，所述的天线地板由底部的金属平板(6)和上部的金属台阶(7)组成，所有的微带天线单元的金属平板(6)为一整体，微带辐射贴片(1)位于上层微波介质板(2)上，采用1阶Minkowski分形结构形式，在微带辐射贴片的四个顶点处引入四个对称的斜缝，耦合馈电微带线(4)位于上层微波介质板(2)和下层微波介质板(3)，耦合馈电微带线(4)的一端与位于金属台阶(7)内腔中的射频连接器(5)连接，若干个分形结构形式的微带天线单元的两端最外侧的两个微带天线单元的射频输入端接匹配负载，无激励输入。
2.根据权利要求1所述的一种大角度扫描微带相控阵天线，其特征在于：所述的上层微波介质板(2)在耦合馈电微带线(4)与射频连接器(5)连接处的正上方开槽或孔，槽或孔尺寸大于耦合馈电微带线(4)与射频连接器(5)连接节点的焊点尺寸。
3.根据权利要求1所述的一种大角度扫描微带相控阵天线，其特征在于：所述的耦合馈电微带线(4)与射频连接器(5)连接端圆形过渡。
4.根据权利要求1所述的一种大角度扫描微带相控阵天线，其特征在于：所述的微带天线单元的阵元中心间距d为0.40～0.46个工作波长。
5.根据权利要求1所述的一种大角度扫描微带相控阵天线，其特征在于：所述的天线上层微波介质板(2)和下层微波介质板(3)的介电常数为3.0～6.15。
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