CN109449589A - 具有宽带宽扫特性的两维有源相控阵天线单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有宽带宽扫特性的两维有源相控阵天线单元，包括带状线印制板、T形金属隔离杆、金属压块、L形金属固定块以及同轴连接器。其中，带状线印制板包括顶层覆铜、顶层介质基板、金属化通孔、中间层馈线、底层介质基板以及底层覆铜，作为天线单元的辐射体；T形金属隔离杆由一对平行设置的金属杆组成，位于带状线印制板两侧且与带状线印制板位置平行；金属压块和L形金属固定块用于固定带状线印制板和同轴连接器；同轴连接器的内导体与中间层馈线底部连接，为天线单元提供信号馈入。本发明具有40％相对工作带宽，可满足方位±45°、俯仰±30°两维相扫功能需求，具备宽带宽扫特性，适合于X波段两维有源相控阵天线的阵列单元。

Description

具有宽带宽扫特性的两维有源相控阵天线单元
技术领域
本发明属于有源相控阵天线技术领域，具体涉及一种具有宽带宽扫特性的天线单元，适用于X波段宽带宽扫两维有源相控阵天线系统。
背景技术
带状线Vivaldi天线具有较宽的阻抗匹配特性和优良的交叉极化性能，且能够直接与特性阻抗为50Ω的同轴线或连接器互联，而不需要额外匹配网络。因此，带状线Vivaldi天线是宽带宽扫两维有源相控阵所采用的主要单元类型。但是，带状线Vivaldi天线作为两维有源相控阵天线单元时，必须注意以下问题：
H面扫描盲点现象
带状线Vivaldi天线的顶层覆铜、底层覆铜和天线反射地板构成的腔体(即介质基板填充的区域)内存在的某些模式，可能会引起阵列天线进行扫描时的阻抗异常现象和扫描盲点，这种异常现象在阵列天线进行H面扫描时尤为显著。随着E面单元间距的减小，Vivaldi天线单元出现阻抗异常现象的可能性会逐渐升高。
E面扫描盲点现象
为了避免Vivaldi天线单元组成的阵列在进行宽角扫描时出现方向图栅瓣和扫描盲区效应，阵列单元间距应小于最小工作波长的1/2。相关文献研究表明，H面单元间距大于1/2最小工作波长的Vivaldi阵列天线在进行E面扫描时，存在于H面阵列单元之间空气区形成域的平行板模(Parallel-Plate Mode)将引起阻抗异常现象，导致E面扫描盲区出现，这是由Vivaldi阵列天线自身的结构特点决定的。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，为了有效地抑制两维有源相控阵天线可能出现的扫描盲点效应，以带状线Vivaldi天线为基础进行改进设计，本发明提出了一种具有宽带宽扫特性的两维有源相控阵天线单元。
技术方案
一种具有宽带宽扫特性的两维有源相控阵天线单元，其特征在于包括带状线印制板、T形金属隔离杆、金属压块、L形金属固定块和同轴连接器；所述的带状线印制板依次包括顶层覆铜、顶层介质基板、金属化通孔、中间层馈线、底层介质基板和底层覆铜，顶层覆铜和底层覆铜结构相同，在顶层覆铜的中心线上开有圆形槽线、矩形槽线、渐变槽线，圆形槽线、矩形槽线、渐变槽线依次连接，金属化通孔分布于由沿着中间层馈线、圆形槽线、矩形槽线、渐变槽线的边缘均匀分布的通孔组成，贯穿了顶层介质基板和底层介质基板，并且将顶层覆铜和底层覆铜短路处理；所述的T形金属隔离杆由一对平行设置的金属杆组成，位于带状线印制板两侧对称设置且与带状线印制板位置平行，底部分别固定在金属压块和L形金属固定块上表面；所述的金属压块和L形金属固定块用于固定带状线印制板和同轴连接器；所述的同轴连接器的内导体与中间层馈线底部连接。
所述的T形金属隔离杆高度为0.5λ0。
所述的金属化通孔的直径为0.4mm。
所述的顶层介质基板和底层介质基板的上边缘中间位置进行了切豁处理，介质豁口为两级U形台阶。
有益效果
本发明提出的一种具有宽带宽扫特性的两维有源相控阵天线单元，具有如下技术效果：
1、本发明提出的盲点抑制方法，可以有效地抑制带状线Vivaldi天线单元组阵后的扫描盲点现象。
2、本发明提出的带状线Vivaldi天线单元可以满足X波段宽带宽扫两维有源相控阵的技术需求。
3、本发明提出的带状线Vivaldi天线单元剖面低、易加工、结构紧凑，易于组阵，并且具有40％相对工作带宽(8～12GHz)，可满足方位±45°、俯仰±30°两维相扫要求。
附图说明
图1为所提出的带状线Vivaldi天线单元结构图
图2为带状线天线印制板结构图
图3为带状线天线印制板爆炸图
图4为宽带宽扫相控阵天线子阵结构图
图5为金属压条结构图
图6为A型四元线阵结构图
图7为B型四元线阵结构图
在附图和书面说明中，标号指示本发明的各个部件，在所有附图和整个书面说明中，相同的标号表示相同的部件。具体来说，以上图中标号解释为：1-带状线印制板，2-T形金属隔离杆，3-金属压块，4-L形金属固定块，5-同轴连接器，11-顶层覆铜，12-顶层介质基板，13-金属化通孔，14-中间层馈线，15-底层介质基板，16-底层覆铜，17-圆形槽线，18-矩形槽线，19-渐变槽线，20-介质豁口，21-金属压条。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
带状线Vivaldi天线的设计可以通过控制渐变锥削槽中表面波的传播状况，来获得良好的电气性能。天线的几何长度、口径尺寸、锥削槽的形状以及介质基板的介电常数、厚度和形状等参数决定表面波在锥削槽中的传播状况，进而影响天线的阻抗特性和辐射特性。为了实现8～12GHz频段内，方位(E面)±45°、俯仰(H面)±30°两维宽角扫描特性，带状线Vivaldi天线单元的间距可以依据下式进行确定：
式中：
λmin—最高工作频率对应波长，(mm)；
θmax—最大电扫描角，(°)。
按最高工作频率12GHz计算，则天线单元E面间距14.5mm、H面间距16.5mm，显然大于1/2最小工作波长12.5mm。根据前述背景技术分析，必须采取措施进行盲点抑制。
为此，本发明采取了以下方案进行抑制，分别是：
1.H面盲点抑制方法
在Vivaldi天线单元带状线印制板上，沿着中间层馈线、圆形槽线、矩形槽线、渐变槽线的边缘均匀设置一组金属化过孔，贯穿了顶层介质基板和底层介质基板，并且将顶层覆铜和底层覆铜短路处理。这样可以有效地抑制不期望的平行板模，以避免这种阻抗异常现象的发生。除了在一定程度上可抑制阵列天线扫描盲区外，还可有效地保证带状线顶层覆铜和底层覆铜良好接地。
2.E面盲点抑制方法
在带状线Vivaldi天线单元的两侧位置对称设置T形金属隔离杆，其可等效于减少了H面的单元间距，以此组阵可以提高单元间的隔离度，利于E面扫描盲区的抑制。在Vivaldi天线单元带状线印制板的顶层介质基板和底层介质基板上边缘中间位置进行了切豁处理，介质豁口为两级U形台阶且豁口最窄处为1.5mm。由于天线单元的电场能量主要是通过介质豁口向上传播的，并在介质豁口的阶梯处展开能量。这种“集束型”传播方式可以有效地约束电场分布，改善天线单元在阵列中的耦合响应，降低天线单元的有源反射系数，很大程度上降低了阵列扫描时不同天线单元的电场出现反相叠加的概率，进而一定程度上也利于抑制阵列扫描盲区的出现。
本发明的具体结构：
一种具有宽带宽扫特性的两维有源相控阵天线单元，包括带状线印制板1、T形金属隔离杆2、金属压块3、L形金属固定块4以及同轴连接器5；所述的带状线印制板1包括顶层覆铜11、顶层介质基板12、金属化通孔13、中间层馈线14、底层介质基板15以及底层覆铜16；所述的T形金属隔离杆2由一对平行设置的金属杆组成，位于带状线印制板1两侧且与带状线印制板1位置平行；所述的金属压块3和L形金属固定块4用于固定带状线印制板1和同轴连接器5；所述的同轴连接器5的内导体与中间层馈线14底部连接；所述的天线单元工作频率为X波段8～12GHz，中心频率10GHz对应波长λ0为30mm。
T形金属隔离杆2位于带状线印制板1两侧位置对称设置，底部分别固定在金属压块3和L形金属固定块4上表面，高度约为0.5λ0。
金属化通孔13由沿着中间层馈线14、圆形槽线17、矩形槽线18、渐变槽线19的边缘均匀分布的一组直径为0.4mm的通孔组成，贯穿了顶层介质基板12和底层介质基板15，并且将顶层覆铜11和底层覆铜16短路处理。
顶层介质基板12和底层介质基板15的上边缘中间位置进行了切豁处理，介质豁口20为两级U形台阶。
实施例1
本实施例是一种具有宽带宽扫特性的两维有源相控阵天线单元，其主要技术指标为：
a)工作频率：8～12GHz(中心频率波长λ0为30mm)；
b)基本形式：带状线Vivaldi天线单元；
c)相扫能力：可满足方位±45°、俯仰±30°两维相扫要求；
d)外形尺寸：宽度14.5mm、高度25mm、厚度1.2mm。
参照图1，本发明提出的带状线Vivaldi天线单元由带状线印制板1、T形金属隔离杆2、金属压块3、L形金属固定块4以及同轴连接器5组成。其中，T形金属隔离杆2由一对平行设置的金属杆组成，位于带状线印制板1两侧且与带状线印制板1位置平行。T形金属隔离杆2底部分别固定在金属压块3和L形金属固定块4上表面，高度约为0.5λ0即15mm，金属杆的每个臂截面均为边长1.5mm的正方形。金属压块3和L形金属固定块4用于固定带状线印制板1和同轴连接器5。同轴连接器5选为50ΩSMP，其内导体与中间层馈线14底部通过焊接可靠连接。天线单元的最大外形尺寸为25mm×14.5mm×16.5mm，其中25mm为整体高度。
参照图2和图3，天线单元的带状线印制板1包括顶层覆铜11、顶层介质基板12、金属化通孔13、中间层馈线14、底层介质基板15以及底层覆铜16。顶层介质基板12和底层介质基板选用厚度为0.508mm的Rogers 5880微波板材，两者用半固化片整体压合成带状线结构形式。金属化通孔13由沿着中间层馈线14、圆形槽线17、矩形槽线18、渐变槽线19的边缘均匀分布的一组直径为0.4mm的通孔组成，贯穿了顶层介质基板12和底层介质基板15，并且将顶层覆铜11和底层覆铜16短路处理。顶层介质基板12和底层介质基板15的上边缘中间位置进行了切豁处理，介质豁口20为两级U形台阶。其中，第一级台阶宽度5mm、高度2mm，第二级台阶宽度3mm、高度2mm。
实施例2
本实施例是由实施例1拓展而成，主要是针对实际应用中的X波段宽带宽扫两维有源相控阵天线。该两维阵天线由4行(俯仰、H面)×8列(方位，E面)，共计32个实施例1的带状线Vivaldi天线单元组阵而成。32个天线单元在方位与俯仰两维扩展排布，方位单元间距14.5mm，俯仰单元间距16.5mm。为了便于制版加工与阵列装配，将四个天线单元作为一组形成四元线阵。在同一行相邻的两个四元线阵，为了整体固定保证相邻单元电气连接，采用金属压条21进行处理，其形状见图5所示。由于俯仰面相邻两行线阵需要以“背靠背”方式安装。因此，为了保证天线单元装配完成以后极化取向保证一致，需要设计两种四元线阵。这两种四元线阵称为A型和B型，它们除了极化方向相反以外，其他设计参数完全一致、电气性能也相同，见图6和图7所示。
根据实际工程需要，该例子可扩展成由8×8或16×16等实施例1天线单元组成的相控阵阵面模块。

Claims (4)

1.一种具有宽带宽扫特性的两维有源相控阵天线单元，其特征在于包括带状线印制板(1)、T形金属隔离杆(2)、金属压块(3)、L形金属固定块(4)和同轴连接器(5)；所述的带状线印制板(1)依次包括顶层覆铜(11)、顶层介质基板(12)、金属化通孔(13)、中间层馈线(14)、底层介质基板(15)和底层覆铜(16)，顶层覆铜(11)和底层覆铜(16)结构相同，在顶层覆铜(11)的中心线上开有圆形槽线(17)、矩形槽线(18)、渐变槽线(19)，圆形槽线(17)、矩形槽线(18)、渐变槽线(19)依次连接，金属化通孔(13)分布于由沿着中间层馈线(14)、圆形槽线(17)、矩形槽线(18)、渐变槽线(19)的边缘均匀分布的通孔组成，贯穿了顶层介质基板(12)和底层介质基板(15)，并且将顶层覆铜(11)和底层覆铜(16)短路处理；所述的T形金属隔离杆(2)由一对平行设置的金属杆组成，位于带状线印制板(1)两侧对称设置且与带状线印制板(1)位置平行，底部分别固定在金属压块(3)和L形金属固定块(4)上表面；所述的金属压块(3)和L形金属固定块(4)用于固定带状线印制板(1)和同轴连接器(5)；所述的同轴连接器(5)的内导体与中间层馈线(14)底部连接。
2.根据权利要求1所述的一种具有宽带宽扫特性的两维有源相控阵天线单元，其特征在于所述的T形金属隔离杆(2)高度为0.5λ0。
3.根据权利要求1所述的一种具有宽带宽扫特性的两维有源相控阵天线单元，其特征在于所述的金属化通孔(13)的直径为0.4mm。
4.根据权利要求1所述的一种具有宽带宽扫特性的两维有源相控阵天线单元，其特征在于所述的顶层介质基板(12)和底层介质基板(15)的上边缘中间位置进行了切豁处理，介质豁口(20)为两级U形台阶。
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