CN109494464B - 一种低交叉极化超宽带强耦合对跖偶极子相控阵天线 - Google Patents

一种低交叉极化超宽带强耦合对跖偶极子相控阵天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低交叉极化超宽带强耦合对跖偶极子相控阵天线，包括对跖强耦合偶极子单元、阻抗匹配层和反射地板；对跖强耦合偶极子单元的底部垂直镶嵌于反射地板内，阻抗匹配层设置于对跖强耦合偶极子单元顶部，且与反射地板平行。本发明通过改进传统竖直型强耦合相控阵天线，利用双层介质基板以及对跖偶极子结构克服了该类型天线固有的交叉极化差的弱点；与双层偶极子贴片相连的馈电巴伦部分，设计有独特的金属通孔，用以抑制阵列在高频段的谐振，并在一定程度上提高了阵列单元之间的隔离度。天线上方的开口环形超材料宽角阻抗匹配层，取代了传统纯介质宽角阻抗匹配层，达到了轻量化，易共形，可模块化等特点。

Description

一种低交叉极化超宽带强耦合对跖偶极子相控阵天线
技术领域
本发明属于天线工程技术领域，具体涉及一种低交叉极化超宽带强耦合对跖偶极子相控阵天线。
背景技术
相控阵天线即在阵列天线中增加了相位控制波束的能力。相控阵天线具有纳秒级的快速波束扫描能力，并且完全没有机械波束扫描系统具有的运动惯性、时间延迟以及机械振动等缺点，因此在目标侦查、跟踪、成像以及卫星通信等领域得到广泛应用。具有宽频宽角扫描特性的相控阵天线是现代雷达系统中常用的天线形式。随着现代军事技术的快速发展，各种军事电子系统对相控阵的宽频宽角扫描特性提出了更高的要求。传统的宽带相控阵却难以满足这些要求。传统实现超宽带相控阵的方法，一般都是先设计出比预期更宽的超宽带单元，再根据扫描角范围选择合适的组阵方式，并采取措施抑制或者减小单元之间的耦合，以及补偿扫描所造成的阻抗失配。比如在单元间放入隔板、栅栏来抑制单元耦合、引入沟槽结构等来补偿扫描阻抗，虽然这些技术可以解决以上问题，但这无疑增大了天线设计工作量。此外传统的超宽带相控阵天线也都要采用划分子阵列、光调制/解调、光纤延迟线等技术手段协助完成。可见传统超宽带相控阵的这些实现方法所需设备量很大，所使用的技术复杂，阵列的制造成本更是居高不下，更不有利于调试、维护。例如，现已广泛使用的渐变开槽天线(Vivaldi)形式，虽然具有超宽的工作频带和较为稳定的电性能，但同时也具有交叉极化特性差，天线剖面过高等缺陷。
随着电子技术的快速发展，各种无线电系统所处的电磁环境越来越复杂，电子系统本身也越来越趋于多种功能的高度集成化。研究同时具有低剖面、轻量化、超宽频带、宽角扫描、低交叉极化等特性的相控阵天线十分关键。因此，对新颖的天线结构展开研究从而获得更高性能的天线技术指标，具有非常重要的实际工程意义。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的交叉极化超宽带强耦合对跖偶极子相控阵天线解决了现有相控阵天线中，天线交叉极化较差、重量过大和隔离度特性差的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种低交叉极化超宽带强耦合对跖偶极子相控阵天线，包括对跖强耦合偶极子单元、阻抗匹配层和反射地板；所述对跖强耦合偶极子单元的底部垂直镶嵌于反射地板内，所述阻抗匹配层设置于对跖强耦合偶极子单元顶部，且与反射地板平行。
进一步地，所述对跖强耦合偶极子单元包括天线介质基板组、强耦合偶极子辐射贴片组和馈电巴伦组；
所述天线介质基板组包括第一天线介质基板和第二天线介质基板，强耦合偶极子辐射贴片组包括第一强耦合偶极子辐射贴片、第二强耦合偶极子辐射贴片和第三强耦合偶极子辐射贴片；
所述第一天线介质基板紧贴于第二天线介质基板，且第一天线介质基板与第二天线介质基板接触的内侧表面印刷有第二强耦合偶极子辐射贴片，第一天线介质基板的外侧表面印刷有第一强耦合偶极子辐射贴片，第二天线介质基板的外侧表面印刷有第三强耦合偶极子辐射贴片；
所述第一强耦合偶极子辐射贴片、第二强耦合偶极子辐射贴片和第三强耦合偶极子辐射贴片的一端端部分别连接有第一馈电巴伦、第二馈电巴伦和第三馈电巴伦；
所述第一强耦合偶极子辐射贴片和第三强耦合偶极子辐射贴片的另一端端部分别连接有第一短路贴片和第二短路贴片。
进一步地，所述第一天线介质基板的外侧表面还印刷有第一三角形辐射贴片，第二天线介质基板的外侧表面还印刷有第二三角形辐射贴片；
所述第一三角形辐射贴片和第一强耦合偶极子辐射贴片一体成型；
所述第二三角形辐射贴片和第三强耦合偶极子辐射贴片一体成型。
进一步地，所述第一馈电巴伦和第三馈电巴伦上均设置有六对相互对称的金属化过孔。
进一步地，所述阻抗匹配层上表面均匀印刷有若干个超材料环，且每个超材料环均为周期性开口环形结构。
进一步地，所述阻抗匹配层和反射地板通过尼龙柱连接；
所述反射地板为一整块铝板。
进一步地，所述反射地板上用于镶嵌对跖强耦合偶极子单元的凹槽中间位置设置有用于安置微波同轴电缆的过孔。
本发明的有益效果为：本发明提供的低交叉极化超带宽强耦合对跖偶极子相控阵天线采用双层介质基板，由此所构成的对称结构极大程度上改善了此类天线交叉极化较差的情况；天线所采用的超材料宽角阻抗匹配层取代了以往较厚重的纯介质匹配层，达到了减轻天线重量，简化天线结构的目的，通过六对独特的金属化过孔消除了天线因此种结构而产生的谐振，并一定程度上改善了天线阵列的隔离度特性；该天线整体印刷在PCB板上，易于设计，加工容易，组装灵便，整体重量轻并且结构稳固。
附图说明
图1为本发明提供的低交叉极化超宽带强耦合对跖偶极子相控阵天线单元结构示意图。
图2为本发明提供的实施例中第一天线介质基板外侧表面印刷示意图。
图3为本发明提供的实施例中第一天线介质基板内侧表面印刷示意图。
图4为本发明提供的实施例中第二天线介质基板外侧表面印刷示意图。
图5为本发明提供的实施例中图1单元所组成的8X8面阵。
图6为本发明提供的实施例中图1单元E面0-45度扫描驻波情况。
图7为本发明提供的实施例中图1单元H面0-45度扫描驻波情况。
图8为本发明提供的实施例中8X8面阵10GHz处0度、45度方向面和俯仰面的扫描方向图及交叉极化情况。
图9为本发明提供的实施例中8X8面阵6GHz处0度、45度方向面和俯仰面的扫描方向图及交叉极化情况。
图10为本发明提供的实施例中8X8面阵2GHz处0度、45度方向面和俯仰面的扫描方向图及交叉极化情况。
其中：1、对跖强耦合偶极子单元；2、阻抗匹配层；3、反射地板；4、尼龙柱；5、过孔；101、第一天线介质基板；102、第二天线介质基板；103、第一强耦合偶极子辐射贴片；104、第二强耦合偶极子辐射贴片；105、第三强耦合偶极子辐射贴片；106、第一馈电巴伦；107、第二馈电巴伦；108、第三馈电巴伦；109、第一短路贴片；110、第二短路贴片；111、第一三角形辐射贴片；112、第二三角形辐射贴片；113、金属化过孔；201、超材料环。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，一种低交叉极化超宽带强耦合对跖偶极子相控阵天线，包括对跖强耦合偶极子单元1、阻抗匹配层2和反射地板3；对跖强耦合偶极子单元1的底部垂直镶嵌于反射地板3内，阻抗匹配层2设置于对跖强耦合偶极子单元1顶部，且与反射地板3平行。
如图2至图4所示，对跖强耦合偶极子单元1包括天线介质基板组、强耦合偶极子辐射贴片组和馈电巴伦组；天线介质基板组包括第一天线介质基板101和第二天线介质基板102，强耦合偶极子辐射贴片组包括第一强耦合偶极子辐射贴片103、第二强耦合偶极子辐射贴片104和第三强耦合偶极子辐射贴片105；
第一天线介质基板101紧贴于第二天线介质基板102，且第一天线介质基板101与第二天线介质基板102接触的内侧表面印刷有第二强耦合偶极子辐射贴片104，第一天线介质基板101的外侧表面印刷有第一强耦合偶极子辐射贴片103，第二天线介质基板102的外侧表面印刷有第三强耦合偶极子辐射贴片105；
第一强耦合偶极子辐射贴片103、第二强耦合偶极子辐射贴片104和第三强耦合偶极子辐射贴片105的一端端部分别连接有第一馈电巴伦106、第二馈电巴伦107和第三馈电巴伦108；每个馈电巴伦均是由下至上由宽变窄，阻抗由50欧姆变为110欧姆，以实现馈电同轴与天线之间的匹配。
第一强耦合偶极子辐射贴片103和第三强耦合偶极子辐射贴片105的另一端端部分别连接有第一短路贴片109和第二短路贴片110；短路贴片与反射地板3连接，用于消除特定频点处由于共模电流而引起的共模谐振。
第一天线介质基板101的外侧表面还印刷有第一三角形辐射贴片111，第二天线介质基板102的外侧表面还印刷有第二三角形辐射贴片112；第一三角形辐射贴片111和第一强耦合偶极子辐射贴片103一体成型；第二三角形辐射贴片112和第三强耦合偶极子辐射贴片105一体成型；两个三角形辐射贴片结构相互耦合，从而提高偶极子单元之间的电容分量，满足天线的宽带特性。
上述第一馈电巴伦106和第三馈电巴伦108上均设置有六对相互对称的金属化过孔113；馈电巴伦上的金属化过孔113均沿馈电巴伦结构边缘分布，穿过两侧天线介质基板将两部分强耦合偶极子辐射贴片连接；不同馈电巴伦之间的六对金属化过孔113，通过对电流进行引导，起到了消除天线谐振以及改善天线整列隔离度的效果。
其中，阻抗匹配层采用Rogers6002，介电常数为2.94；天线介质基板都采用Rogers5880，介电常数为2.2；由于采用了两层天线介质基板，所以需要对其中一层基板做特殊处理，即在基板的馈电位置做出合适大小的开槽，便于实际加工时的焊接等工作。
上述阻抗匹配层2上表面均匀印刷有若干个超材料环201，且每个超材料环201均为周期性开口环形结构，该超材料环201结构以较薄的基板及独特的周期性结构，克服了传统宽角阻抗匹配层2重量较重，加工时易留有缝隙等实际问题，实现了天线的轻量化以及模块化。
在单个低交叉极化超宽带强耦合对跖偶极子相控阵天线单元中，阻抗匹配层2和反射地板3通过尼龙柱4连接；阻抗匹配层2上打出过孔5便于尼龙支撑结构通过，用于支撑宽角阻抗匹配层2结构的尼龙柱4，该尼龙柱4上下方都有螺纹，一端旋在反射地板3上，另一端穿过上方阻抗匹配层2，通过尼龙螺母旋紧，完成组装。
反射地板3为一整块铝板，铝板上开出与双层天线介质基板宽度相应的凹槽，将天线介质基板镶嵌在内，完成安装。在凹槽下方的底部中间位置设置有用于安置微波同轴电缆的过孔5，巴伦与微波同轴电缆连接，实现天线的馈电。
需要说明的是，若高频元件阵元间距等于其最高频率的半波长，则在整个工作频带内扫描到任何角度(除了±90度)，皆不会产生栅瓣。本发明中相邻偶极子单元之间的距离为对应频段最高频处的0.45波长，尽可能在保证天线性能的情况下，不减小天线辐射口径，以达到更大的增益。因此，本发明中相控阵天线整体高度为0.5个高频波长，相邻偶极子单元之间的距离为对应频段最高频处的0.45波长。
在本发明的一个实施例中，采用如图5所示的8X8的阵列排列的天线单元，利用仿真软件得到如图6到图10所示仿真图像数据；
图6-7给出了本实施例在E面和H面不同扫描状态下的端口对应驻波特性，从图中可见，在驻波比要求小于3的情况下，双层介质基板对跖偶极子超宽带相控阵在45度扫描范围内具有5:1的阻抗带宽。
图8给出了本实施例所提供的8X8面阵，在10GHz频点处0度以及45度扫描的情况下的主极化与交叉极化情况。从图中可见，双层介质基板对跖偶极子超宽带相控阵具有30dB以上的交叉极化特性，优于大部分此类竖直型强耦合偶极子天线；并且该阵列主极化可达到22dB，主副瓣比可达到13dB以上。
图9给出了本实施例所提供的8X8面阵，在6GHz频点处0度以及45度扫描的情况下的主极化与交叉极化情况。从图中可见，本实施例的双层介质基板对跖偶极子超宽带相控阵具有35dB以上的交叉极化特性；并且该阵列主极化可达到20dB，主副瓣比可达到13dB以上。
图10给出了本实施例所提供的8X8面阵，在2GHz频点处0度以及45度扫描的情况下的主极化与交叉极化情况；同样具有良好的交叉极化特性。
本发明的有益效果为：本发明提供的低交叉极化超带宽强耦合对跖偶极子相控阵天线采用双层介质基板，由此所构成的对称结构极大程度上改善了此类天线交叉极化较差的情况；天线所采用的超材料宽角阻抗匹配层取代了以往交厚重的春节至匹配层，达到了减轻天线重量，简化天线结构的目的，通过六对独特的金属化过孔消除了天线因此种结构而产生的谐振，并一定程度上改善了天线阵列的隔离度特性；该天线整体印刷在PCB板上，易于设计，加工容易，组装灵便，整体重量轻并且结构稳固。

Claims (6)

1.一种低交叉极化超宽带强耦合对跖偶极子相控阵天线，其特征在于，包括对跖强耦合偶极子单元(1)、阻抗匹配层(2)和反射地板(3)；所述对跖强耦合偶极子单元(1)的底部垂直镶嵌于反射地板(3)内，所述阻抗匹配层(2)设置于对跖强耦合偶极子单元(1)顶部，且与反射地板(3)平行；
所述对跖强耦合偶极子单元(1)包括天线介质基板组、强耦合偶极子辐射贴片组和馈电巴伦组；
所述天线介质基板组包括第一天线介质基板(101)和第二天线介质基板(102)，强耦合偶极子辐射贴片组包括第一强耦合偶极子辐射贴片(103)、第二强耦合偶极子辐射贴片(104)和第三强耦合偶极子辐射贴片(105)；
所述第一天线介质基板(101)紧贴于第二天线介质基板(102)，且第一天线介质基板(101)与第二天线介质基板(102)接触的内侧表面印刷有第二强耦合偶极子辐射贴片(104)，第一天线介质基板(101)的外侧表面印刷有第一强耦合偶极子辐射贴片(103)，第二天线介质基板(102)的外侧表面印刷有第三强耦合偶极子辐射贴片(105)；
所述第一强耦合偶极子辐射贴片(103)、第二强耦合偶极子辐射贴片(104)和第三强耦合偶极子辐射贴片(105)的一端端部分别连接有第一馈电巴伦(106)、第二馈电巴伦(107)和第三馈电巴伦(108)；
所述第一强耦合偶极子辐射贴片(103)和第三强耦合偶极子辐射贴片(105)的另一端端部分别连接有第一短路贴片(109)和第二短路贴片(110)。
2.根据权利要求1所述的低交叉极化超宽带强耦合对跖偶极子相控阵天线，其特征在于，所述第一天线介质基板(101)的外侧表面还印刷有第一三角形辐射贴片(111)，第二天线介质基板(102)的外侧表面还印刷有第二三角形辐射贴片(112)；
所述第一三角形辐射贴片(111)和第一强耦合偶极子辐射贴片(103)一体成型；
所述第二三角形辐射贴片(112)和第三强耦合偶极子辐射贴片(105)一体成型。
3.根据权利要求1所述的低交叉极化超宽带强耦合对跖偶极子相控阵天线，其特征在于，所述第一馈电巴伦(106)和第三馈电巴伦(108)上均设置有六对相互对称的金属化过孔(113)。
4.根据权利要求1所述的低交叉极化超宽带强耦合对跖偶极子相控阵天线，其特征在于，所述阻抗匹配层(2)上表面均匀印刷有若干个超材料环(201)，且每个超材料环(201)均为周期性开口环形结构。
5.根据权利要求1所述的低交叉极化超宽带强耦合对跖偶极子相控阵天线，其特征在于，所述阻抗匹配层(2)和反射地板(3)通过尼龙柱(4)连接；
所述反射地板(3)为一整块铝板。
6.根据权利要求1所述的低交叉极化超宽带强耦合对跖偶极子相控阵天线，其特征在于，所述反射地板(3)上用于镶嵌对跖强耦合偶极子单元(1)的凹槽中间位置设置有用于安置微波同轴电缆的过孔(5)。
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