CN109687108A - 一种大单元间距的低剖面宽带宽角相控阵天线 - Google Patents

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邢唯益
李伟
张鹏遥
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Abstract

本发明公开了一种大单元间距的低剖面宽带宽角相控阵天线，属于雷达技术、无线通信技术领域。它包含从下至上层叠设置的金属地板、印刷有偶极子金属贴片和寄生金属贴片的中层介质基板、泡沫层、以及印刷有裂口圆环金属贴片的匹配层，天线单元采用三角栅格排布。本发明具有单元间距大、剖面低、工作频带宽、扫描角度大的特点，可用于需要大单元间距、低剖面、宽带宽角扫描的雷达和通信系统。

Description

一种大单元间距的低剖面宽带宽角相控阵天线
技术领域
本发明属于雷达技术，无线通信技术领域，具体涉及一种大单元间距的低剖 面宽带宽角相控阵天线，特别涉及大单元间距、低剖面、宽带宽角扫描，适用于 微波、毫米波等雷达和通信系统中。
背景技术
随着现代移动通信技术与军事电子系统的快速发展，无线系统对天线提出了 越来越高的要求。要求其结构具有低剖面特点以实现天线的集成化、小型化，提 高其与通信作战平台共形一体化的能力，从而降低系统结构尺寸，提高系统的灵 活性和机动性；需要其具有快速波束扫描与大范围空域覆盖，以实现远距离、高 速、大范围信息互换，快速目标探测，精确目标定位等功能；具有较宽工作带宽， 以满足大数据量交互以及多平台多功能融合等特性；同时需要在满足以上需求的 情况下，能够降低成本。大单元间距的低剖面宽带宽角扫描相控阵能够有效满足 以上需求，为无线系统中天线阵的发展提供了一种新的方向。
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。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宽角扫描时状态 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。一般为±45°的扫描范围。由于天线阵元排布紧凑，天线单元的数量也大大 增加，这意味着T/R组件的数量也进一步增加，这增加了馈电设计的复杂度，也 进一步增加了成本。同时，因馈电时需使用巴伦结构，天线的剖面较高，不利于系统小型化。
综上所述，一般的相控阵天线不仅造价高，同时很难在较宽的带宽内实现低 剖面以及大的扫描角。本发明正是针对这一关键问题而提出。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述问题，提供一种三角栅格排布的改善天线阻抗 匹配效果的大单元间距的低剖面宽带宽角相控阵天线。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种大单元间距的低剖面宽 带宽角相控阵天线，包含从下至上层叠设置的金属地板、中层介质基板、泡沫层、 以及匹配层。
所述中层介质基板上表面印刷有偶极子金属贴片和寄生金属贴片，天线采用 非平衡馈电，一根金属柱穿过中层介质基板连通偶极子的其中一臂与金属地板， 另一根金属柱穿过中层介质基板将偶极子的另外一臂与穿过金属地板开孔的同 轴接头内芯相连。
所述天线单元采用三角栅格排布。
进一步地，所述中层介质基板内部挖空有矩形腔体，以减小其等效介电常数。
进一步地，所述偶极子金属贴片为非对称偶极子。
进一步地，所述匹配层包括上表面印刷有周期排布的裂口圆环金属贴片的上 层介质基板，起匹配作用。
进一步地，所述寄生金属贴片位于相邻两个天线单元之间，形状为领结型偶 极子。
进一步地，所述泡沫层采用聚甲基丙烯酰亚胺泡沫。
本发明的有益效果是：利用三角栅格排布实现大单元间距，采用非平衡馈电 结构实现低剖面，采用裂口圆环金属贴片及寄生金属贴片改善天线单元内的阻抗 匹配，有效降低天线的有源电压驻波比，使大单元间距天线同时具有低剖面及宽 带宽角扫描能力。
附图说明
图1为实施例1中所述8×8的大单元间距的低剖面宽带宽角相控阵天线的结构示意图。
图2为实施例1中所述大单元间距的低剖面宽带宽角相控阵天线的基本天线单元示意图，其中图2(a)为基本天线单元整体结构示意图，图2(b)为基本天线 单元侧视图，图2(c)为基本天线单元匹配层示意图，图2(d)为基本天线单 元中层介质基板俯视图。
图3为实施例1中所述大单元间距的低剖面宽带宽角相控阵天线的三角栅格分布示意图。
图4为实施例1中所述基本天线单元的E面有源电压驻波比的仿真结果。
图5为实施例1中所述基本天线单元的H面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
本实施例的一种大单元间距的低剖面宽带宽角相控阵天线采用8×8的平面 阵列形式，如图1所示。包含从下至上层叠设置的金属地板101、中层介质基板 102、泡沫层103、以及匹配层104。图2所示为图1中一个基本天线单元示意图。 最下层金属地板101为3mm厚的铝板，中层介质基板102的相对介电常数1.98， 厚度3.048mm，上表面印刷有偶极子金属贴片106和寄生金属贴片107。偶极子 金属贴片与寄生金属贴片之间，能产生强烈互耦，增加天线的带宽。匹配层104 相对介电常数2.94，厚度1.27mm，上表面印刷有裂口圆环金属贴片105，用于 改善天线的阻抗匹配效果，进一步增大天线的扫描角度。匹配层104和中层介质 基板102之间填充有泡沫层103，采用聚甲基丙烯酰亚胺泡沫，相对介电常数 1.02，厚度2mm。天线采用非平衡馈电，其中一根金属柱109穿过中层介质基板 102连通偶极子106的其中一臂与金属地板101，另一根金属柱穿过中层介质基 板102将偶极子106的另外一臂与穿过金属地板101开孔的同轴接头内芯108 相连。
本实例设计工作频段为6-12GHz。阵列结构图如图1所示，采用三角栅格 排布，8个天线单元沿H面排列，单元间距为13mm，为高频12GHz波长的0.52 倍；8个天线单元沿E面排列，单元间距为14.8mm，为高频12GHz波长的0.592 倍。阵列剖面高度为6.288mm，为高频12GHz波长的0.25倍。
图4和图5分别给出了本实施例中所述基本天线单元在不同扫描角下E面、 H面有源电压驻波比随频率变化的仿真结果。从图4中可以看到，在±60°扫描 范围内，有源电压驻波比小于2.5的阻抗带宽为1.88:1，从图5中可以看到，在 ±60°扫描范围内，有源电压驻波比小于2.5的阻抗带宽为1.9:1，实现大单元间 距相控阵天线的低剖面、宽带宽角扫描。
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。

Claims (6)

1.一种大单元间距的低剖面宽带宽角相控阵天线，包含从下至上层叠设置的金属地板、中层介质基板、泡沫层、以及匹配层；
所述中层介质基板上表面印刷有偶极子金属贴片和寄生金属贴片，天线采用非平衡馈电，一根金属柱穿过中层介质基板连通偶极子的其中一臂与金属地板，另一根金属柱穿过中层介质基板将偶极子的另外一臂与穿过金属地板开孔的同轴接头内芯相连；
所述天线单元采用三角栅格排布。
2.如权利要求1所述的一种大单元间距的低剖面宽带宽角相控阵天线，其特征在于：所述中层介质基板内部挖空有矩形腔体。
3.如权利要求1所述的一种大单元间距的低剖面宽带宽角相控阵天线，其特征在于：所述偶极子金属贴片为非对称偶极子。
4.如权利要求1所述的一种大单元间距的低剖面宽带宽角相控阵天线，其特征在于：所述匹配层包括上表面印刷有周期排布的裂口圆环金属贴片的上层介质基板。
5.如权利要求1所述的一种大单元间距的低剖面宽带宽角相控阵天线，其特征在于：所述寄生金属贴片位于相邻两个天线单元之间，形状为领结型偶极子。
6.如权利要求1所述的一种大单元间距的低剖面宽带宽角相控阵天线，其特征在于：所述泡沫层采用聚甲基丙烯酰亚胺泡沫。
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