CN109950706B

CN109950706B - 用于x波段的圆锥共形相控阵天线

Info

Publication number: CN109950706B
Application number: CN201910300860.XA
Authority: CN
Inventors: 姜文; 卫晓俊; 张文武; 高雨辰; 龚书喜
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2019-04-15
Filing date: 2019-04-15
Publication date: 2020-11-10
Anticipated expiration: 2039-04-15
Also published as: CN109950706A

Abstract

本发明提出了一种用于X波段的圆锥共形相控阵天线，主要解决现有技术中存在的波束扫描角度小以及工作带宽窄的问题。其实现方案是在圆锥载体上共形相位相差180°的两个子阵列，每个子阵列由多个共形单元均匀排列，分别覆盖

的圆锥面，通过改变两个子阵的工作状态，以实现在‑136°≤θ≤‑20°、θ＝0°、20°≤θ≤136°范围内的大角度扫描；即当波束扫描范围是20°≤θ≤136°时，第一子阵工作，第二子阵处于待机状态；当波束扫描范围是‑136°≤θ≤‑20°时，第二子阵工作，第一子阵处于待机状态；波束指向为θ＝0°时，第一子阵与第二子阵同时工作。本发明天线结构简单，扫描角度大，工作带宽较宽，可用于航空航天以及卫星通信系统。

Description

用于X波段的圆锥共形相控阵天线

技术领域

本发明属于微波技术领域，特别涉及一种圆锥共形相控阵天线，可用于航空航天及卫星通信系统。

背景技术

与传统的机械扫描天线通过机械旋转来实现波束扫描相比，相控阵天线波束易形成并且反应速度快、定位精度较高、扫描范围广。相控阵天线在雷达、卫星广播、军事通信、移动基站无线通信、机载通信等众多领域中应用广泛。对于相控阵天线来说，波束扫描范围是一个重要指标，而传统的平面相控阵天线大角度扫描时阵列口径投影面积会减小并且在单元有源阻抗失配的影响下，其扫描角通常不超过±60°，从而使应用范围受到了限制。

近年来，共形相控阵得到了快速发展。共形相控阵天线与物体表面共形，在不破坏载体外形以及动力学特征的前提下充分利用了载体的表面空间。相比于传统的平面相控阵天线，共形相控阵天线具有快速、无惯性波束扫描和波束扫描范围宽的优势，从而在航空航天和卫星通信系统中具有十分广泛的应用。

天线单元是共形天线的根本，因此对于天线单元的研究是共形天线研究的基础性工作。由于飞行器载体平台有限，需要共形的天线单元具有低剖面、易弯曲成形、可承载的特点，因而各种微带天线和缝隙天线是共形天线单元的主要形式。同时，为了实现共形相控阵天线的宽频带、宽角扫描特性，需要天线单元具有较宽的带宽以及较宽的波束宽度。

电子科技大学在其申请的专利文献“一种强互耦超宽带宽角扫描双极化共形相控阵天线”(申请号：201710515792.X，公开号：CN107342457A)中提出了一种强互耦的超宽带宽角扫描双极化共形相控阵天线。其与传统的窄带共形天线相比，由于是通过利用强耦合的偶极子加金属地匹配层，可实现超宽带宽角扫描。该共形天线以锥台为载体，提高了口径效率，并通过对共形介质层进行挖孔处理，使得天线的重量大幅下降。但是，该天线仍然存在的不足之处是，天线的层数较多，导致天线的剖面高度较高。

南京理工大学在其申请的专利文献“一种双频共形相控阵弹载天线”(申请号：201510237899.3，公开号：CN106299631A)中提出了一种双频共形相控阵弹载天线。该天线是共形于圆柱载体上的10×6二维矩形共形相控阵，可以实现宽带宽、双频的特性，且体积小、重量轻，能进行批量生产。但是，该天线由于共形于圆柱载体，扫描角不够宽。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种与圆锥面共形的工作在X波段的宽角扫描相控阵天线，以增大扫描角度，拓展阻抗带宽。

为实现上述目的，本发明天线包括圆锥载体及共形于载体上的两个子阵列，其特征在于：

所述两个子阵，其相位相差180°，通过改变两个子阵的工作状态，以实现在-136°≤θ≤-20°、θ＝0°、20°≤θ≤136°范围内的大角度扫描，当波束扫描范围是20°≤θ≤136°时，第一子阵工作，第二子阵处于待机状态；当波束扫描范围是-136°≤θ≤-20°时，第二子阵工作，第一子阵处于待机状态；波束指向为θ＝0°时，第一子阵与第二子阵同时工作；

每个子阵列由多个共形单元按轴向间距1/2λ₀、周向间距2/3λ₀均匀排列，两个子阵分别覆盖了

的圆锥面，其中λ₀为中心频率10GHz所对应的空气中的波长；

每个共形单元，包括寄生贴片、三个介质基片、主辐射贴片、耦合馈电贴片、短路探针、同轴馈电结构和地板，第一、第二、第三介质基片自上而下依次摆放，寄生贴片位于第一介质基片的上侧，主辐射贴片和耦合馈电贴片平行位于第一介质基片与第二介质基片之间，主辐射贴片中心的短路探针穿过第二介质基片和第三介质基片将主辐射贴片与地板短路，以提高阻抗匹配；同轴馈电结构直接给耦合馈电贴片馈电，耦合馈电贴片通过电容耦合的方式为主辐射贴片馈电。

进一步，所述圆锥载体，自外向内包括第一层圆锥面、第二层圆锥面、第三层圆锥面，这三层圆锥面的相对介电常数分别是1.1、3.2、1.1，厚度比为1.7:2:1，损耗角正切均为0.001，这三层圆锥面分别作为共形单元的三个介质基片，第三层圆锥面的内层金属面作为共形单元的地板；共形单元的寄生贴片、主辐射贴片和耦合馈电贴片按照圆锥载体形状进行共形。

进一步，每个共形单元设有三个谐振点，分别位于8GHz、10.6GHz、12.3GHz处；每个共形单元的频带范围为7.54GHz-12.56GHz，阻抗带宽为50％。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

第一，本发明的圆锥共形相控阵天线采用了波束较宽的共形单元，且由共形单元组成的两个子阵分别覆盖了

的圆锥面，两个子阵协同工作，实现了-136°≤θ≤-20°、θ＝0°、20°≤θ≤136°范围内的大角度波束扫描。

第二，本发明采用两个相位相差180°的子阵同时工作，实现了在θ＝0°方向上合成的阵列电场矢量在XY平面的投影沿着Y方向，该天线阵列辐射场沿Y轴方向的电场为主极化分量，进而实现波束在圆锥轴向汇聚，达到提高轴向增益的效果。

第三，本发明的共形单元通过引入寄生贴片与短路探针来提高其匹配与带宽特性，使其频带范围为7.54GHz-12.56GHz，阻抗带宽为50％，且单元结构简单，方向图波束较宽，适用于共形应用。

附图说明

图1是本发明的整体结构俯视图；

图2是本发明中的子阵列结构示意图；

图3是本发明中的共形单元结构示意图；

图4是本发明中的共形单元的尺寸示意图；

图5是本发明实施例提供的共形单元的S₁₁曲线图；

图6是本发明实施例提供的共形阵列的S₁₁曲线图；

图7是本发明实施例提供的第一子阵工作时不同扫描角下的辐射方向图；

图8是本发明实施例提供的第二子阵工作时不同扫描角下的辐射方向图；

图9是本发明实施例提供的两个子阵同时工作时辐射方向图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明：

参照图1，本发明的圆锥共形相控阵天线，包括圆锥载体和与之共形的两个子阵列。其中，圆锥载体1是天线的基础部分，即本身被用作天线的一部分，该圆锥载体上共形有两个子阵，第一子阵2覆盖了

的圆锥扇面，第二子阵3是由第一子阵以Z轴为中心逆时针旋转180°所得，覆盖了

的圆锥扇面，每个子阵列由53个工作于X波段的共形单元组成。

所述的两个子阵协同工作，当波束扫描范围是20°≤θ≤136°时，第一子阵2工作，第二子阵3处于待机状态；当波束扫描范围是-136°≤θ≤-20°时，第二子阵3工作，第一子阵2处于待机状态；波束指向为θ＝0°时，第一子阵2与第二子阵3相位相差180°且同时工作，实现在θ＝0°方向上合成的阵列电场矢量在XY平面的投影沿着Y方向，该天线阵列辐射场沿Y轴方向的电场为主极化分量，进而实现波束在圆锥轴向汇聚，达到提高轴向增益的效果。

参照图2，本发明中的每个子阵列由53个共形单元构成，共有6列、13行，这些共形单元按轴向间距为1/2λ₀、周向间距为2/3λ₀排列，即子阵中第3列的13个单元的同轴馈电中心以1/2λ₀的间距沿着圆锥母线均匀排列，第1、第2列的第i行单元由第3列第i行单元以Z轴为中心分别顺时针旋转2θ_i、θ_i所得，第4列、第5列、第6列的第i行单元是第3列第i行单元以Z轴为中心分别逆时针旋转θ_i、2θ_i、3θ_i所得，其中θ_i为第i行圆周上弧长为2/3λ₀所对应的弧度。

参照图3和图4，本发明中的共形单元是工作于X波段的微带贴片天线，其包括寄生贴片4、第一介质基片5、主辐射贴片6、耦合馈电贴片7、短路探针8、同轴馈电结构9、第二介质基片10、第三介质基片11和地板12，这三个介质基片5、10、11自上而下依次紧贴摆放，寄生贴片4位于第一介质基片5的上侧，主辐射贴片6和耦合馈电贴片7平行位于第一介质基片5与第二介质10之间，主辐射贴片6中心的短路探针8穿过第二介质基片10和第三介质基片11实现对主辐射贴片6与地板12的短路，以提高阻抗匹配，同轴馈电结构9直接给耦合馈电贴片7馈电，耦合馈电贴片7通过电容耦合的方式为主辐射贴片6馈电。

所述寄生贴片4的长L₁与宽W₁参数比为2:1，主辐射贴片6的长L₂与宽W₂参数比为2:1，耦合馈电贴片7的长L₃与宽W₃的参数比为9:1，耦合馈电贴片7与主辐射贴片6的间距D为0.3mm±0.1mm，本实例中取但不限于L₁＝10mm，W₁＝5mm，L₂＝8.2mm，W₂＝4mm，L₃＝3.7mm，W₃＝0.4mm，D＝0.3mm；

所述第一介质基片5与第三介质基片11采用相对介电常数为ε_r＝1.1的介质材料，第二介质基片10采用相对介电常数为ε_r＝3.2的介质材料，这三个介质基片的厚度比为1.7:1:2，损耗角正切均为0.001，本实例取但不限于第一介质基片5的厚度H₁＝1.7mm，第二介质基片10的厚度H₂＝2mm，第三介质基片11的厚度H₃＝1mm；共形单元的整体剖面高度为0.157λ₀，λ₀为中心频率10GHz所对应的空气中的波长。

所述圆锥载体1的半锥角范围为12°-20°，本实例中圆锥载体1的半锥角取但不限于13.1°，整体高度H取300mm，底面半径R取70mm。该圆锥载体1包含有三层圆锥面，自外向内依次是第一层圆锥面、第二层圆锥面、第三层圆锥面，这三层圆锥面的相对介电常数分别是1.1、3.2、1.1，厚度分别为1.7mm、2mm和1mm，损耗角正切均为0.001，这三层圆锥面分别作为共形单元的三个介质基片，其中第三层圆锥面的内层金属面作为共形单元的地板12；共形单元的寄生贴片4、主辐射贴片6和耦合馈电贴片7按照圆锥载体形状进行共形。

本发明的技术效果可通过以下仿真实验做进一步的描述。

仿真1：利用商业仿真软件HFSS_18.0对上述实施例中单个共形单元的S11参数进行仿真，结果如图5所示。其中，横坐标表示共形单元的工作频率，纵坐标表示共形单元的S₁₁参数值，实线代表共形单元的S₁₁参数值随工作频率的变化曲线。由图5可知，共形单元有三个谐振点，分别位于8GHz、10.6GHz、12.3GHz处，在7.54GHz-12.56GHz频带范围内，共形单元的S11参数小于-10dB，阻抗带宽为50％。

仿真2：利用商业仿真软件HFSS_18.0对上述实施例中第一子阵列中的10个随机选取单元的S11参数进行仿真，结果如图6所示。其中，横坐标表示第一子阵的工作频率，纵坐标表示第一子阵的S₁₁参数值，各曲线代表第一子阵中10个随机选取的单元的S₁₁参数值随工作频率的变化曲线。由图6可知，10个随机单元在X波段8GHz-12GHz频带范围内有源S₁₁参数小于-10dB，由此可知，第一子阵中的各个单元阻抗匹配良好。由于第二子阵是由第一子阵以Z轴为中心逆时针旋转而得，可以推断，第二子阵中的各个单元阻抗匹配良好。

仿真3：利用商业仿真软件HFSS_18.0对上述实施例中第一子阵工作时，不同扫描角下的辐射方向图进行仿真，结果如图7。其中横坐标表示第一子阵的工作频率，纵坐标表示第一子阵的可实现增益，各曲线代表第一子阵在不同扫描角下可实现增益，从图7可见，该第一子阵可实现在20°≤θ≤136°范围内的大角度扫描，且在不同扫描角下的可实现增益如下表1：

表1.不同扫描角下的可实现增益

扫描角(与锥向夹角)(deg)	20°	38°	58°	78°
					可实现增益(dB)	17.20	18.02	17.78	17.25
扫描角(与锥向夹角)(deg)	98°	118°	136°
					可实现增益(dB)	16.88	16.34	15.04

仿真4：利用商业仿真软件HFSS_18.0对上述实施例中第二子阵工作时不同扫描角下的辐射方向图进行仿真，结果如图8。其中，横坐标表示第二子阵的工作频率，纵坐标表示第二子阵的可实现增益，从图8可见，第二子列可实现在-136°≤θ≤-20°范围内的大角度扫描，由于第二子阵3是通过第一子阵2以Z轴为中心旋转180°而得，因此第二子阵3工作时各扫描角下的可实现增益与第一子阵2工作时各扫描角下的可实现增益相同。

仿真5：利用商业仿真软件HFSS_18.0对上述实施例中两个子阵同时工作时的辐射方向图进行仿真，结果如图9。其中，横坐标表示两个子阵的工作频率，纵坐标表示两个子阵的可实现增益，从图9可见，两个子阵可实现在θ＝0°方向上的波束扫描，且可实现增益为16.18dB，与第一子阵2、第二子阵3实现的波束扫描角一起构成了大角度扫描。

Claims

1.用于X波段的圆锥共形相控阵天线，包括圆锥载体及共形于载体上的两个子阵列，其特征在于：

所述两个子阵，其相位相差180°，通过改变两个子阵的工作状态，以实现在-136°≤θ≤-20°、θ＝0°、20°≤θ≤136°范围内的大角度扫描；当波束扫描范围是20°≤θ≤136°时，第一子阵(2)工作，第二子阵(3)处于待机状态；当波束扫描范围是-136°≤θ≤-20°时，第二子阵(3)工作，第一子阵(2)处于待机状态；波束指向为θ＝0°时，第一子阵(2)与第二子阵(3)同时工作；

每个子阵列由多个共形单元按轴向间距

周向间距

均匀排列，两个子阵分别覆盖了

的圆锥扇面，其中λ₀为中心频率10GHz所对应的空气中的波长，

表示扇面角度；

每个共形单元，包括寄生贴片(4)、三个介质基片(5，10，11)、主辐射贴片(6)、耦合馈电贴片(7)、短路探针(8)、同轴馈电结构(9)和地板(12)，三个介质基片(5，10，11)自上而下依次摆放，寄生贴片(4)位于第一介质基片(5)的上侧，主辐射贴片(6)和耦合馈电贴片(7)平行位于第一介质基片(5)与第二介质基片(10)之间，主辐射贴片(6)中心的短路探针(8)穿过第二介质基片(10)和第三介质基片(11)将主辐射贴片(6)与地板(12)短路，以提高阻抗匹配；同轴馈电结构(9)直接给耦合馈电贴片(7)馈电，耦合馈电贴片(7)通过电容耦合的方式为主辐射贴片(6)馈电；寄生贴片(4)在第一介质基片上的投影完全位于主辐射贴片在第一介质基片上的投影之中。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，圆锥载体自外向内包括第一层圆锥面、第二层圆锥面、第三层圆锥面，这三层圆锥面的相对介电常数分别是1.1、3.2、1.1，厚度比为1.7:2:1，损耗角正切均为0.001，这三层圆锥面分别作为共形单元的三个介质基片(5，10，11)，第三层圆锥面的内层金属面作为共形单元的地板(12)；共形单元的寄生贴片(4)、主辐射贴片(6)和耦合馈电贴片(7)按照圆锥载体形状进行共形。

3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，每个共形单元设有三个谐振点，分别位于8GHz、10.6GHz、12.3GHz处。

4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，每个共形单元的频带范围为7.54GHz-12.56GHz，阻抗带宽为50％。

5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，每个共形单元的整体剖面高度为0.157λ₀，λ₀为中心频率10GHz所对应的空气中的波长。

6.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，圆锥载体(1)半锥角范围为12°-20°。

7.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，第一介质基片(5)与第三介质基片(11)采用相对介电常数ε_r＝1.1的介质材料，第二介质基片(10)采用相对介电常数为ε_r＝3.2的介质材料，这三个介质基片(5,10,11)的损耗角正切均为0.001，厚度比为1.7:1:2，长分别相等且宽分别相等。

8.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：寄生贴片(4)和主辐射贴片(6)均为矩形，且寄生贴片(4)的长L₁与宽W₁参数比为2:1；主辐射贴片(6)的长L₂与宽W₂参数比为2:1。

9.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，耦合馈电贴片(7)是采用长方形贴片结构，其长L₃与宽W₃的参数比为9:1。

10.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，耦合馈电贴片(7)与主辐射贴片(6)的间距D为0.3mm±0.1mm。