CN109273836A - 基于紧耦合偶极子及各向异性匹配层的宽带宽角扫描天线 - Google Patents

基于紧耦合偶极子及各向异性匹配层的宽带宽角扫描天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于紧耦合偶极子及各向异性匹配层的宽带宽角扫描天线，属于雷达技术、无线通信技术领域。该天线包括从下至上依次设置的下层金属地板，印刷有渐变线巴伦的竖行介质基板，上表面印刷有偶极子、寄生金属条带、下表面印刷有领结型金属贴片的中层介质板，以及上层各向异性匹配层，同轴接头内芯穿过下层金属地板上的开孔与渐变线巴伦下端相连，渐变线巴伦上端穿过中层介质基板与偶极子相连进行馈电。本发明采用紧耦合偶极子实现天线阵列单元之间的强烈耦合的效果，同时采用各向异性匹配层改善天线单元的阻抗匹配，有效降低天线的有源电压驻波比，使天线同时具有宽带特性及大角度扫描的能力。

Description

基于紧耦合偶极子及各向异性匹配层的宽带宽角扫描天线
技术领域
本发明属于雷达技术、无线通信技术领域，具体涉及一种基于开槽天线及各向异性匹配层的宽带、宽角扫描相控阵天线，适用于微波、毫米波等雷达和通信系统中。
背景技术
过去几十年里，宽带、宽角扫描相控阵天线在军事和商业领域受到广泛重视，常用于宽带雷达，卫星通信及射电天文等系统。军事机载平台对多功能(监视、识别、追踪目标)系统的需求也促进了宽带、宽角扫描相控阵天线的发展。对于传统的相控阵天线而言，随着扫描角度的增加，天线阵列单元的输入阻抗会剧烈变化而引起端口失配，导致天线的电压驻波比急剧恶化。一般的解决方法是在天线的上方添加多层介质层以实现阻抗匹配，但介质的厚度往往较厚，导致天线整体的重量增加，而且由于可用于优化的自由度较少，阻抗匹配的效果也十分有限。介质匹配层往往也可以用印刷有周期性排列的贴片的频率选择表面代替，以实现更优的效果。然而，若是频率选择表面的形状较为复杂，可调节的自由度增多，其优化过程也往往会消耗大量时间。因此，有必要研究使用新的阻抗匹配的设计方法。
近十多年来，国际天线领域相关学者提出了利用强耦合天线阵元来实现宽带相控阵天线的新思路。该思路的理论基础可以追溯到到Wheeler在1965年提出的连续电流面理论。在专利号US6512487(Wideband phased array antenna and associated methods)的美国专利中，相邻偶极子单元的辐射臂通过交指电容结构相连，交指结构增加的容性电抗有效的抵消了地面的感性电抗加载。由于天线阵元排布紧凑且相互强烈耦合，偶极子单元上的电流分布几乎恒定不变，有效的拓展了带宽，验证了连续电流面理论。然而在强互耦状态下，天线的强互耦作用使大角度扫描时状态相对于侧射时变化较大，引起自身有源阻抗的大幅度波动，天线很难达到大角度扫描。
综上所述，传统相控阵天线很难同时具有宽带、宽角扫描的能力，而利用耦合的强耦合偶极子天线阵列也存在着大角度扫描困难。本发明正是针对这些关键问题而提出。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种基于紧耦合原理的偶极子天线单元，同时在天线上方添加各向异性匹配层以改善天线阻抗匹配效果的宽带宽角扫描相控阵天线。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于紧耦合偶极子及各向异性匹配层的宽带宽角扫描天线，包括从下至上依次设置的下层金属地板，印刷有渐变线巴伦的竖行介质基板，上表面印刷有偶极子、寄生金属条带、下表面印刷有领结型金属贴片的中层介质板，以及上层各向异性匹配层，同轴接头内芯穿过下层金属地板上的开孔与渐变线巴伦下端相连，渐变线巴伦上端穿过中层介质基板与偶极子相连进行馈电；其特征在于：所述上层各向异性匹配层包括4层贴合放置的介质基板，每层介质基板上表面均印刷有周期性排列的金属贴片，其中上面两层金属贴片以及下面两层金属贴片分别通过金属化过孔相连。
所述领结型金属贴片用于增强偶极子末端的电容耦合，降低低频截止频率，拓展天线的工作带宽。
所述两层金属贴片中的每片金属贴片通过5个金属化过孔相连。
所述金属化贴片的形状为矩形、方形、圆形、或者菱形。
本发明采用紧耦合偶极子实现天线阵列单元之间的强烈耦合的效果，同时采用各向异性匹配层改善天线单元的阻抗匹配，有效降低天线的有源电压驻波比，使天线同时具有宽带特性及大角度扫描的能力。
附图说明
图1为实施例1中所述6×15的基于开槽天线及频率选择表面的宽带、宽角扫描相控阵天线的结构示意图。
图2、图3为实施例1中所述基于紧耦合偶极子及各向异性匹配层的宽带、宽角扫描相控阵天线的基本天线单元示意图。
图4为实施例1中所述各向异性匹配层示意图。
图5为将各向异性匹配层替换为普通介质匹配层的基本天线单元示意图。
图6为带各向异性匹配层的基本天线单元与不带任何匹配层的基本天线单元的在E面扫描情况下的有源电压驻波比的仿真结果。
图7为带各向异性匹配层的基本天线单元与不带任何匹配层的基本天线单元的在H面扫描情况下的有源电压驻波比的仿真结果。
图8为带各向异性匹配层的基本天线单元与带普通介质匹配层的基本天线单元的在E面扫描情况下的有源电压驻波比的仿真结果。
图9为带各向异性匹配层的基本天线单元与带普通介质匹配层的基本天线单元的在H面扫描情况下的有源电压驻波比的仿真结果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步详细描述。
实施例1
本实施例的基于紧耦合偶极子及各向异性匹配层的宽带、宽角扫描相控阵天线采用6×15的平面阵列形式，如图1所示。其基本天线单元结构如图2及图3所示，下层金属地板102起固定和支撑作用，同时能够反射天线的后向辐射能量，增强天线的定向性。竖行介质基板103前后表面印刷有渐变线巴伦104、105，实现50欧姆到100欧姆的阻抗变换。同轴接头101的内芯穿过金属地板102并与渐变线巴伦104相连进行馈电。中层介质基板106上表面印刷有偶极子107、寄生金属条带109，下表面印刷有领结型金属贴片108。领结型金属贴片108的中心与相邻两偶极子的中心重合，其作用是增强偶极子末端的电容耦合，可以降低低频截止频率，有效拓展天线的工作带宽，其与偶极子交叠部分的面积大小决定电容耦合的强弱。交叠面积越大，电容耦合越强，低频截止频率越低，工作带宽则越宽。但是却会导致工作频带内的阻抗匹配恶化，电压驻波比变高，进而导致扫描性能下降，尤其是H面的扫面性能。寄生金属条带109为三条平行设置的金属条带，其作用是在天线的工作频带内引入新的谐振点，改善阻抗匹配，拓展工作带宽。寄生金属条带109的长度随着与偶极子之间的距离变远而逐渐减短，当偶极子工作时，金属条带与偶极子之间产生互耦，在高频引入了新的谐振点，故而起到改善阻抗匹配的效果。
上层各向异性匹配层包括4层贴合放置的介质基板，每层介质基板上表面印刷有周期性排列的方形金属贴片110，介质基板112、介质基板114加了金属化过孔连接上下表面的金属贴片，每片金属贴片通过5个金属化过孔与另一片金属贴片相连。各向异性匹配层可以有效改善天线的阻抗匹配，降低天线单元的有源电压驻波比，进一步提高天线的扫描性能。
图6对比了添加各向异性匹配层与不添加任何匹配层的情况下天线单元在E面扫描时的电压驻波比。未添加任何匹配层时，天线单元在工作频带内的电压驻波比普遍较高，部分频点的电压驻波比已经接近3:1。添加各向异性匹配层后，天线单元在工作频带的电压驻波比基本降到了2:1以下，只有当天线扫描到80°时，驻波比在频带两端才稍微高于2.5:1。该情况下天线可以实现在E面±80°范围内扫描，电压驻波比小于3的阻抗带宽达到5.3:1。
图7对比了添加各向异性匹配层与不添加任何匹配层的情况下天线单元在H面扫描时的电压驻波比。从该图可以明显看到，在添加各项异性匹配层后，天线在H面扫面时的阻抗匹配情况得到了显著改善，电压驻波比大大降低。
图8、图9分别对比了添加各向异性匹配层与添加普通介质匹配层情况下天线单元在E面、H面扫描的有源电压驻波比。相较于添加普通介质匹配层，添加各向异性匹配层可以在工作频带内实现更好的阻抗匹配，谐振点更多，驻波比更低，无论天线是在E面扫描还是在H面扫描时，结论都是如此。因此，采用各向异性匹配层则可以实现更大的扫描范围。
实施例2
具体的，将每个基本天线单元向二维方向分别延伸，即可构成任意大小的平面阵列。其他结构同实施例1中的详细描述。
以上是向熟悉本发明领域的工程技术人员提供的对本发明及其实施方案的描述，这些描述应被视为是说明性的，而非限定性的。工程技术人员可据此发明权利要求书中的思想做具体的操作实施，在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。上述这些都应被视为本发明的涉及范围。

Claims (3)

1.一种基于紧耦合偶极子及各向异性匹配层的宽带宽角扫描天线，包括从下至上依次设置的下层金属地板，印刷有渐变线巴伦的竖行介质基板，上表面印刷有偶极子、寄生金属条带、下表面印刷有领结型金属贴片的中层介质板，以及上层各向异性匹配层，同轴接头内芯穿过下层金属地板上的开孔与渐变线巴伦下端相连，渐变线巴伦上端穿过中层介质基板与偶极子相连进行馈电；其特征在于：所述上层各向异性匹配层包括4层贴合放置的介质基板，每层介质基板上表面均印刷有周期性排列的金属贴片，其中上面两层金属贴片以及下面两层金属贴片分别通过金属化过孔相连。
2.如权利要求1所述的一种基于紧耦合偶极子及各向异性匹配层的宽带宽角扫描天线，其特征在于：所述两层金属贴片中的每片金属贴片通过5个金属化过孔相连。
3.如权利要求1所述的一种基于紧耦合偶极子及各向异性匹配层的宽带宽角扫描天线，其特征在于：所述金属贴片的形状为矩形、方形、圆形、或者菱形。
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