CN109193152A - 有限带宽内基于混合馈电结构的低损耗频率扫描天线平面阵列 - Google Patents

有限带宽内基于混合馈电结构的低损耗频率扫描天线平面阵列 Download PDF

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Abstract

本发明公开了有限带宽内基于混合馈电结构的低损耗频率扫描天线平面阵列，频扫阵列由若干个平行子阵构成，包括双层微带贴片阵列、金属地板、E面弯波导、波导缝隙与微带线电磁耦合馈电结构、波导功分器、180°弯头。其中，E面弯波导的一端为馈电端口，另一端为接匹配负载的波导端口，子阵由E面波导功分器馈电；有椭圆缝隙的金属地板放置在E面波导上，在介质基板上与每个缝隙对应的位置设置微带线构成电磁耦合馈电结构，在每个微带线的两边分别连接微带传输线，该微带传输线的端口分别与对应的微带贴片单元连接。本发明显著拓宽带宽，并降低频率扫描慢波线的损耗，提高了阵列的效率和增益，改善了频率扫描天线的性能。

Description

有限带宽内基于混合馈电结构的低损耗频率扫描天线平面 阵列
技术领域
本发明涉及频率扫描天线技术领域，具体为有限带宽内基于混合馈电结构的低损耗频率扫描天线平面阵列。
背景技术
低空探测雷达作为雷达空中探测系统中使用的雷达之一，将随着雷达技术的发展而发展，并逐渐出现与其他雷达融合的趋势。由此，低空探测对当前雷达空中探测系统进行了严峻的考验。现代空中探测站的关键问题是如何抵抗低空突防，形成较为完善的低空探测能力。为了发现和检测低空特别是超低空高速入侵海侵反舰导弹，有必要解决远程探测目标的问题。因此，低空探测雷达通常需要具有较强的抗地杂波性、较强的抗干扰性能和较高的可靠性，以提高雷达对空、对海的应答距离。鉴于此，频率扫描天线阵列是低空探测雷达的良好选择。
频率扫描天线阵列作为一种电子扫描天线，具有波束指向快，波束形状变化快，易于形成多波束，结构简单，成本低等优点，作为雷达已广泛应用于各种系统中，如无线网络和军事应用，特别是自20世纪60年代以来装备部队应用。然而，频率扫描天线的馈电网络需要采用慢波线结构，由于其体积和重量大，带宽窄，效率低，限制了其应用范围。
发明内容
本发明的目的在于提供有限带宽内基于混合馈电结构的低损耗频率扫描天线平面阵列，以解决上述背景技术中提出的问题。所述有限带宽内基于混合馈电结构的低损耗频率扫描天线平面阵列，它能显著提高天线在所需频率的阵列的效率和增益。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种有限带宽内基于混合馈电结构的低损耗频率扫描天线平面阵列，包括双层微带贴片层、金属地板、E面弯波导慢波结构、180°波导弯头和波导功分器；该频率扫描天线的E面弯波导慢波结构与开缝的金属地板共同作为馈电结构，通过在介质基板上与每个缝隙对应的位置设置微带线构成电磁耦合馈电结构，双层微带贴片层作为天线阵面的辐射层，天线阵列分为若干子阵，各子阵由波导功分器馈电；
其中波导功分器的一端与E面弯波导慢波结构连接，另一端为馈电端口；E面弯波导慢波结构的一端为与波导功分器连接，另一端为接匹配负载的波导端口；金属地板上设置下层介质基板，下层介质基板的下表面覆盖金属地板，上表面印制下层微带贴片单元；泡沫板放置在下层介质基板上，上层介质基板平行放置在泡沫板上，上层介质基板的下表面印制上层微带贴片单元，上表面为介质面。
优选的，天线阵面分为若干个子阵，子阵由波导功分器连接馈电，辐射层与馈电层由电磁耦合馈电结构耦合连接。
优选的，所述上层介质基板和下层介质基板均选用Rogers RT5880介质板材，其介电常数εr＝2.2,损耗正切角tanσ＝0.0009。
优选的，两层介质基板之间的泡沫板选用ROHACELL51的板材。
优选的，微带贴片单元通过一段微带传输线与电磁耦合馈电结构连接。
优选的，电磁耦合馈电结构实现能量的非均匀分布。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明提出的有限带宽内基于混合馈电结构的低损耗频率扫描天线平面阵列，通过采用若干个个平行子阵列，并采用窄边缝隙耦合的波导慢波线结构作为馈线，可以减少慢波线的回波输入损耗，提高了阵列的效率和增益，增益大于30dBi；(2)本发明的混合耦合馈电结构应用于阵列中，微带单元采用双层结构，既可以实现方位维所需的能量分布，降低方位维副瓣，又能拓宽带宽，在所需工作带宽内可以达到扫描角度为(-30.5°，29.5°)，有效改善了频率扫描天线的性能；(3)本发明提出的有限带宽内基于混合馈电结构的低损耗频率扫描天线平面阵列，基于波导和PCB工艺加工，易于实现，可以批量加工生产。
附图说明
图1为本发明一种有限带宽内基于混合馈电结构的低损耗频率扫描天线平面阵列分层结构图；
图2为本发明一种有限带宽内基于混合馈电结构的低损耗频率扫描天线平面阵列侧视图；
图3为本发明一种有限带宽内基于混合馈电结构的低损耗频率扫描天线平面阵列俯视图；
图4为本发明一种有限带宽内基于混合馈电结构的低损耗频率扫描天线平面阵列的双层微带贴片(层)图；
图5为本发明一种有限带宽内基于混合馈电结构的低损耗频率扫描天线平面阵列的波导功分器图；
图6为本发明一种有限带宽内基于混合馈电结构的低损耗频率扫描天线平面阵列的电磁耦合馈电结构图；
图7为本发明一种有限带宽内基于混合馈电结构的低损耗频率扫描天线平面阵列的双层微带贴片仿真的反射系数图；
图8为本发明一种有限带宽内基于混合馈电结构的低损耗频率扫描天线平面阵列的波导传输线的等效电路图；
图9为本发明一种有限带宽内基于混合馈电结构的低损耗频率扫描天线平面阵列的波导传输线仿真的反射系数和传输系数图；
图10为本发明一种有限带宽内基于混合馈电结构的低损耗频率扫描天线平面阵列的俯仰维缝隙电磁耦合幅度曲线图；
图11为本发明一种有限带宽内基于混合馈电结构的低损耗频率扫描天线平面阵列的仿真方向图。
图中：1-双层微带贴片层；2-金属地板；3-E面弯波导慢波结构；4-180°波导弯头；5-波导功分器；6-下层介质基板；7-下层微带贴片单元；8-泡沫板；9-上层介质基板；10-上层微带贴片单元。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
请参阅图1～11，本发明提供技术方案：
本发明的一种有限带宽内基于混合馈电结构的低损耗频率扫描天线平面阵列，包括双层微带贴片层1、金属地板2、E面弯波导慢波结构3、180°波导弯头和4波导功分器5；该频率扫描天线的E面弯波导慢波结构3与(椭圆缝隙/开缝)金属地板2共同作为馈电结构，通过在介质基板上与每个缝隙对应的位置设置微带线构成电磁耦合馈电结构，双层微带贴片(层)作为天线阵面的辐射层，天线阵列分为若干子阵，各子阵由波导功分器5馈电。
其中波导功分器5的一端与E面弯波导慢波结构3连接，另一端为馈电端口；E面弯波导慢波结构3的一端为与波导功分器5连接，另一端为接匹配负载的波导端口；金属地板2上设置下层介质基板6，下层介质基板6的下表面覆盖金属地板2，上表面印制下层微带贴片单元7；泡沫板8放置在下层介质基板6上，上层介质基板9平行放置在泡沫板8上，上层介质基板9的下表面印制上层微带贴片单元10，上表面为介质面。
阵面分为若干个子阵，子阵由波导功分器5连接馈电，辐射层与馈电层由电磁耦合馈电结构耦合连接。
上层介质基板9和下层介质基板6均选用Rogers RT5880介质板材，其介电常数εr＝2.2,损耗正切角tanσ＝0.0009。
两层介质基板(上层介质基板9和下层介质基板6)之间的泡沫板选用ROHACELL51的板材(来支撑)。
微带贴片单元(上层微带贴片单元10下层微带贴片单元7)通过一段微带传输线与电磁耦合馈电结构连接。
电磁耦合馈电结构可以实现能量的非均匀分布。
面结合实施例对本发明的具体装置的细节及工作情况进行细化说明。
双层微带单元仿真实现了13.4％的带宽，且在整个带宽内3dB波束宽度大于90°。该阵列采用的慢波结构为具有低损耗的E面弯曲波导结构，波导型号为BJ-180，材料是铝。平面阵通过波导窄边若干个倾斜槽及耦合贴片馈电给微带阵列；其中，每个单元的慢波线长度为115.6mm，每个槽之间的距离为10mm，以避免出现栅瓣。
有限带宽内基于混合馈电结构的低损耗频率扫描天线平面阵列仿真使用的是ANSYS公司的商业全波电磁仿真软件HFSS。慢波线仿真的损耗低于1.34dB，相对于普通的平面阵列，减少4.02dB的损耗；在所需的频段16-17GHz内，S11除中心频点附近均低于-25dB。天线阵面在工作频段内仿真所得扫描角度为(-30°，29.5°)，方向图增益大于30dBi，副瓣低于-20dB，有良好的性能。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种有限带宽内基于混合馈电结构的低损耗频率扫描天线平面阵列，其特征在于，包括双层微带贴片层(1)、金属地板(2)、E面弯波导慢波结构(3)、180°波导弯头(4)和波导功分器(5)；该频率扫描天线的E面弯波导慢波结构(3)与开缝的金属地板(2)共同作为馈电结构，通过在介质基板上与每个缝隙对应的位置设置微带线构成电磁耦合馈电结构，双层微带贴片层(1)作为天线阵面的辐射层，天线阵列分为若干子阵，各子阵由波导功分器(5)馈电；
其中波导功分器(5)的一端与E面弯波导慢波结构(3)连接，另一端为馈电端口；E面弯波导慢波结构(3)的一端为与波导功分器(5)连接，另一端为接匹配负载的波导端口；金属地板(2)上设置下层介质基板(6)，下层介质基板(6)的下表面覆盖金属地板(2)，上表面印制下层微带贴片单元(7)；泡沫板(8)放置在下层介质基板(6)上，上层介质基板(9)平行放置在泡沫板(8)上，上层介质基板(9)的下表面印制上层微带贴片单元(10)，上表面为介质面。
2.根据权利要求1所述的有限带宽内基于混合馈电结构的低损耗频率扫描天线平面阵列，其特征在于：天线阵面分为若干个子阵，子阵由波导功分器(5)连接馈电，辐射层与馈电层由电磁耦合馈电结构耦合连接。
3.根据权利要求1所述的有限带宽内基于混合馈电结构的低损耗频率扫描天线平面阵列，其特征在于：所述上层介质基板(9)和下层介质基板(6)均选用Rogers RT5880介质板材，其介电常数εr＝2.2,损耗正切角tanσ＝0.0009。
4.根据权利要求1所述的有限带宽内基于混合馈电结构的低损耗频率扫描天线平面阵列，其特征在于：两层介质基板之间的泡沫板(8)选用ROHACELL51的板材。
5.根据权利要求1所述的有限带宽内基于混合馈电结构的低损耗频率扫描天线平面阵列，其特征在于：微带贴片单元通过一段微带传输线与电磁耦合馈电结构连接。
6.根据权利要求5所述的有限带宽内基于混合馈电结构的低损耗频率扫描天线平面阵列，其特征在于：电磁耦合馈电结构实现能量的非均匀分布。
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