CN109638438A - 一种降低空域极化畸变的超宽带相控阵天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可降低空域极化畸变的超宽带相控阵天线，由若干个斜线极化天线单元、与天线单元正交放置的金属隔板和反射底板组成；通过调整金属隔板的尺寸改变天线单元的表面电流分布，从而调节天线水平极化分量场和垂直极化分量场的增益大小，最大程度地抑制相控阵天线在波束扫描情况下的极化畸变。本发明具有宽带宽角特性、结构简单易加工，具有重要的实际工程应用价值。

Description

一种降低空域极化畸变的超宽带相控阵天线
技术领域
本发明属于超宽带相控阵雷达天线技术领域。
背景技术
超宽带相控阵雷达技术是当前相控阵雷达技术发展的重要方向，这主要与相控阵雷达在多目标、多功能情况下要完成的许多新任务密切相关。随着相控阵雷达技术的不断发展，为提高自身的作战能力和范围，除要求雷达天线具有超宽工作频带外，还要求大空域覆盖、宽角度扫描等能力。因此，在改善相控阵天线工作带宽的同时兼顾宽角度扫描特性就成为亟待解决的关键课题。
天线与来波的极化匹配度决定了其侦测的效能，被动侦测相控阵雷达通常采用方位面波束扫描的斜线极化超宽带相控阵天线，以兼顾同时探测水平极化和垂直极化电磁波的能力。
根据天线理论，在给定频率和空间指向的远场区，天线存在着某一确定的极化方式，随着工作频率和空间指向的不同，天线辐射场的极化方式也有所不同，这意味着天线的极化是频率和空域指向的函数，且与天线形式有关，由于单元互耦以及实际单元方向图调制的作用，不同形式天线在波束扫描状态下的水平极化分量场的增益和垂直极化分量场的增益比存在差异，导致天线的极化在各个扫描波位上存在不同程度的畸变，进而影响雷达对水平极化来波和垂直极化来波的侦测能力。特别是超宽带相控阵天线的扫描波位众多，需要针对实际天线进行全尺寸建模仿真与分析并采取相应措施，最大程度地抑制扫描状态下极化畸变，改善雷达的侦测性能。
发明内容
针对上述所陈述现状的不足，即斜线极化的超宽带相控阵天线在波束扫描时水平极化场分量场的增益和垂直极化分量场的增益变化量不能保持一致导致极化畸变严重的问题，本发明设计了一种降低空域极化畸变的超宽带相控阵天线，包括天线单元、金属隔板和反射底板，其中所述天线单元与金属隔板垂直固定于反射底板同侧，金属隔板与天线单元正交放置。相控阵天线单元可以是指数渐变槽或印刷振子等形式，通过单元之间的耦合效应实现超宽带工作特性。本发明可以采用矩形栅格或三角形栅格排布进行单元组阵，天线单元与金属隔板可通过连接器或紧固件等固定器件垂直固定于反射底板同侧，天线单元与金属隔板正交放置。
本发明关键在于与斜线极化天线单元正交放置的金属隔板的引入，该部件影响了天线单元的表面电流分布，进而改善天线单元的空域极化特性，通过调节金属隔板的尺寸，最大程度地降低相控阵天线在波束扫描情况下的极化畸变。
附图说明
图1是三角形栅格排布的32×4单元规模超宽带相控阵天线的俯视图，由45°线极化天线单元1、与天线单元正交的金属隔板2和反射底板3组成，其中天线单元一般首选指数渐变槽天线。
图2是图1超宽带相控阵中一个45°线极化对跖型指数渐变槽天线单元的立体结构图，天线单元为一块表面覆铜的高频介质基板。
图3是图1超宽带相控阵中与天线单元正交放置的一个金属隔板立体结构图，金属隔板一般为铝制。
图4是图1超宽带相控阵在未引入金属隔板情况下的中心单元在波束方位面扫描至0°、10°、30°、45°时的有源驻波曲线。
图5是图1超宽带相控阵在未引入金属隔板情况下，当波束在方位面扫描至0°时工作频带内的总场增益分别与水平分量场增益和垂直分量场增益的比值统计曲线。
图6是图1超宽带相控阵在未引入金属隔板情况下，当波束在方位面扫描至10°时工作频带内的总场增益分别与水平分量场增益和垂直分量场增益的比值统计曲线。
图7是图1超宽带相控阵在未引入金属隔板情况下，当波束在方位面扫描至30°时工作频带内的总场增益分别与水平分量场增益和垂直分量场增益的比值统计曲线。
图8是图1超宽带相控阵在未引入金属隔板情况下，当波束在方位面扫描至45°时工作频带内的总场增益分别与水平分量场增益和垂直分量场增益的比值统计曲线。
图9是图1超宽带相控阵在未引入金属隔板情况下，当波束在方位面扫描至0°、10°、30°、45°时图4谐振频点处的水平分量场方位面的方向图曲线。
图10是图1超宽带相控阵在未引入金属隔板情况下，当波束在方位面扫描至0°、10°、30°、45°时图4谐振频点处的垂直分量场方位面的方向图曲线。
图11是图1超宽带相控阵的中心单元在波束方位面扫描至0°、10°、30°、45°时的有源驻波曲线。
图12是图1超宽带相控阵的波束在方位面扫描至0°时工作频带内的总场增益分别与水平分量场增益和垂直分量场增益的比值统计曲线。
图13是图1超宽带相控阵的波束在方位面扫描至10°时工作频带内的总场增益分别与水平分量场增益和垂直分量场增益的比值统计曲线。
图14是图1超宽带相控阵的波束在方位面扫描至30°时工作频带内的总场增益分别与水平分量场增益和垂直分量场增益的比值统计曲线。
图15是图1超宽带相控阵的波束在方位面扫描至45°时工作频带内的总场增益分别与水平分量场增益和垂直分量场增益的比值统计曲线。
图16是图1超宽带相控阵的波束在方位面扫描至0°、10°、30°、45°时图4谐振频点处的水平分量场方位面的方向图曲线。
图17是图1超宽带相控阵的波束在方位面扫描至0°、10°、30°、45°时图4谐振频点处的垂直分量场方位面的方向图曲线。
具体实施方式
下面结合图1的32×4单元规模的超宽带相控阵天线的实施对本发明进行详细的说明，选取45°线极化对跖型指数渐变槽天线作为单元。
天线单元的尺寸选取规则如下：高度约为最高工作频点(fmax)对应波长的一半(H≈λmin/2，λmin＝c0/fmax)。图2为对跖型指数渐变槽天线单元的立体结构图，包含一块高频介质基板1，介质基板两面分别蚀刻出边界为指数渐变曲线的覆铜面2和3，覆铜面2和3上方为起到引向作用的菱形覆铜面4，可适当提高单元的增益。本实施例中的介质基板选取型号为AD255，介电常数ε＝2.55，损耗正切角小于δ＜0.001。
45°线极化相控阵天线优选等腰直角三角形栅格排布，为保证波束扫描过程中不出现栅瓣，天线单元所占栅格最大尺寸不能超过最高工作频点(fmax)对应波长的一半(D＝λmin/2，λmin＝c0/fmax)，该单元间距情况下天线的绝大多数扫描波位的性能都较好，但在最高工作频点(fmax)附近有源驻波较大，导致阵列增益的下降，可以采用适当减小单元间距的措施增加设计带宽余量，以保证最高工作频点(fmax)工作时的天线增益，一般选取D＝0.85×λmin/2，λmin＝c0/fmax。
为了说明与天线单元正交放置的金属隔板的作用，图4给出了图1的超宽带相控阵未引入金属隔板情况下的中心单元在波束方位面扫描至0°、10°、30°、45°时的有源驻波曲线，从图4中可以看出，当波束扫描至0°和10°时，工作频带内出现较大的谐振，这将导致该频点处的天线效率大大降低。
图5至图8分别统计了图1的超宽带相控阵在未引入金属隔板情况下，当波束在方位面扫描至0°、10°、30°和45°时工作频带内总场增益分别与水平分量场增益和垂直分量场增益的比值曲线。图5表明当波束在方位面扫描至0°时，两分量场的增益比值最大约为1.1dB；图6表明当波束在方位面扫描至10°时，两分量场的增益比值最大约为10.5dB；图7表明当波束在方位面扫描至30°时，两分量场的增益比值最大约为7.5dB；图8表明当波束在方位面扫描至45°时，两分量场的增益比值最大约为10.6dB。上述现象说明当波束扫描时在该频点天线的极化畸变为近似垂直极化，导致雷达探测能力的下降。
图9和图10分别为图1的超宽带相控阵在未引入金属隔板情况下，当波束在方位面扫描至0°、10°、30°、45°时的水平极化分量场的方位面方向图和垂直极化分量场的方位面方向图，从图中可知，两分量场的方位面扫描方向图出现了严重的变形，这也佐证了图5至图8中极化畸变的情形。
为了解决图4至图10超宽带相控阵天线波束扫描过程中分量场的增益不一致导致极化畸变严重的问题，本发明设计的与天线单元正交放置的金属隔板部件是一个很好的解决途径。图11表明，在引入了该部件后，图4中工作频带内的谐振得到了消除。
图12至图15分别统计了图1的超宽带相控阵在引入金属隔板情况下，当波束在方位面扫描至0°、10°、30°、45°时工作频带内总场增益分别与水平分量场增益和垂直分量场增益的比值曲线。图12表明当波束在方位面扫描至0°时，两分量场的增益比值最大约为1.05dB；图13表明当波束在方位面扫描至10°时，两分量场的增益比值最大约为1.06dB；图14表明当波束在方位面扫描至30°时，两分量场的增益比值最大约为1.3dB；图15表明当波束在方位面扫描至45°时，两分量场的增益比值最大约为4.0dB。与图5至图8相比，极大地降低了波束扫描状态下极化的畸变，改善了雷达的探测能力。
图16和图17分别为图1的超宽带相控阵在引入金属隔板情况下，当波束在方位面扫描至0°、10°、30°、45°时的水平极化分量场的方位面方向图和垂直极化分量场的方位面方向图，与图9和图10相比，两分量场的方位面扫描方向图畸变情形得到了改善。
综上，本发明的超宽带相控阵天线具有优越性能，其具有宽带宽角特性、结构简单易加工，具有重要的实际工程应用价值。

Claims (4)

1.一种降低空域极化畸变的超宽带相控阵天线，其特征在于：包括天线单元、金属隔板和反射底板，其中所述天线单元与金属隔板垂直固定于反射底板同侧，金属隔板与天线单元正交放置。
2.根据权利要求1所述的降低空域极化畸变的超宽带相控阵天线，其特征在于：金属隔板的尺寸可调，根据不同应用场合需求调整所述金属隔板的尺寸可降低超宽带相控阵天线在波束扫描情况下的极化畸变。
3.根据权利要求1所述的一种降低空域极化畸变的超宽带相控阵天线，其特征还在于，所述天线可以是矩形栅格排布或三角形栅格排布的天线阵列。
4.根据权利要求1所述的一种降低空域极化畸变的超宽带相控阵天线，其特征还在于，所述天线单元可以是指数渐变槽天线或印刷振子天线。
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