CN110086000A - 一种宽带宽扫描角相控阵天线 - Google Patents

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陆杰
韩玉兵
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    • H01Q21/293—Combinations of different interacting antenna units for giving a desired directional characteristic one unit or more being an array of identical aerial elements

Abstract

本发明提供了一种宽带宽扫描角相控阵天线，包括介质层、金属地层、安装铝板层、若干SMP接头和若干贴片天线层；介质层和安装铝板层之间设置金属地层，贴片天线层设置于介质层上端面且按三角栅格排列组成阵列，每一贴片天线层表面设置U型缝隙，SMP接头设置于铝板内，每一SMP接头的外层金属与金属地层连接且内芯穿过介质层与相应的贴片天线层连接。

Description

一种宽带宽扫描角相控阵天线
技术领域
本发明涉及一种微波天线技术，特别是一种宽带宽扫描角相控阵天线。
背景技术
相控阵天线由大量独立的天线单元组成。它的辐射方向图由每个阵元处激励电流的幅度和相位决定。与传统的机械扫描阵列相比，相控阵天线的优势在于可以通过改变每个阵元激励的幅度和相位，实现灵活快速的波束指向切换。切换时间可以缩小只几个毫秒，甚至更少。现如今，相控阵天线发展到宽带宽角扫描相控阵天线阶段，可以满足宽频带、大波束扫描范围等要求。
实现宽带宽角相控阵技术需要采用合适的相控阵宽带单元天线，并使有源单元方向图具备较宽的波束宽度。具备这样性能的单元天线的主要类型有槽缝天线、开口波导槽缝天线、宽波束微带天线、多层贴片天线和偶极子天线等等。在以上众多类型的天线中，波导口径阵元易于实现宽角扫描，然而带宽较窄。锥削槽天线单元带宽和波束都较宽，但剖面高，较为笨重。微带天线剖面较低，成本低，易于和系统集成。如何设计带宽更宽，扫描角度更大的微带天线阵仍是待解决的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种宽带宽扫描角相控阵天线，包括介质层、金属地层、安装铝板层、若干SMP接头和若干贴片天线层；介质层和安装铝板层之间设置金属地层，贴片天线层设置于介质层上端面且按三角栅格排列组成阵列，每一贴片天线层表面设置U型缝隙，SMP接头设置于铝板内，每一SMP接头的外层金属与金属地层连接且内芯穿过介质层与相应的贴片天线层连接。
采用上述宽带宽扫描角相控阵天线，每一贴片天线层的激励电流有不同的幅度和相位。
采用上述宽带宽扫描角相控阵天线，调整贴片天线层的U型缝隙尺寸和位置以改变天线的工作频率。
采用上述宽带宽扫描角相控阵天线，调整内芯与贴片天线层连接处的馈电点位置以改变天线的工作带宽。
采用上述宽带宽扫描角相控阵天线，内芯与贴片天线层连接处的馈电点位置不完全相同。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：(1)本发明的U型缝隙微带天线单元，采用在微带贴片上刻蚀U型槽的结构，有效实现了带宽的提升；(2)本发明的U型缝隙微带天线相控阵，通过三角栅格的排布方式，有效的减少了阵元数目，降低成本；(3)本发明的U型缝隙微带天线相控阵剖面低，易于和系统集成，应用性强。
下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明的U型缝隙微带天线单元示意图；
图3为本发明的U型缝隙微带贴片层的结构示意图；
图4为本发明的U型缝隙微带天线SMP接头安装的结构示意图；
图5为本发明的U型缝隙微带天线无限大阵列的有源驻波；
图6为本发明的U型缝隙微带天线七阵元小型阵列结构示意图；
图7为本发明的七元小阵列中心阵元的方向图；
图8为本发明的七元小阵列中心阵元的天线增益
具体实施方式
结合图1、图2，一种宽带宽扫描角相控阵天线，包括介质层2、金属地层3、安装铝板层4、若干SMP接头7和若干贴片天线层1；介质层2和安装铝板层4之间设置金属地层3，贴片天线层1设置于介质层2上端面且按三角栅格排列组成阵列，每一贴片天线层1表面设置U型缝隙，SMP接头7设置于铝板内，每一SMP接头7的外层金属与金属地层3连接且内芯6穿过介质层2与相应的贴片天线层1连接。每一SMP接头7和对应的贴片天线层1构成一个单元天线。
结合图1，本实施例中的U型缝隙微带天线阵列包括172个阵元，共16行，行与行之间按照三角栅格排列组成阵列。从第1行至第16行的阵元数，分别为4,8,10,12,12,12,14,14,14,12,12,12,10,8,4，一共172个单元天线对应172个端口，每个单元天线结构相同，尺寸相同。天线阵列的圆阵形状，以阵列的中心为原点，覆盖并包括所有阵元。天线阵元间距由天线的工作频率和扫描要求确定。
结合图3，刻蚀U型槽的矩形贴片如图3所示。天线介质采用Rogers 3003的介质基板，介电常数为3.0。通过改变贴片的尺寸，U型缝隙的长度和位置，可以调节天线的工作频率。通过改变缝隙的宽度和馈电点的位置等，可以调节天线的工作带宽。
结合图4，SMP接头7安装在铝板内，外层金属与金属地层连接，内芯6穿过介质层2与贴片天线层1连接。天线介质层2和安装铝板4之间通过锡膏焊焊接。
利用电磁仿真软件HFSS对该天线进行仿真计算，首先验证无限大阵列的有源驻波特性，如图5所示。其中，曲线E plane，H plane和D plane分别是天线阵在E、H、D面扫描至45°时的有源驻波。由图5可知，U型缝隙无限大阵列在三个面扫描至±45°的情况下带宽为8.14-11.59GHz(E面)，8.30-12GHz(D面)和8.50-11.34GHz(H面)。整体可用频段为8.50-11.34GHz，带宽2.84GHz,此频段内有源驻波均小于2。
其次仿真并加工验证了七个阵元的小型圆阵，如图6所示。图7为中心阵元的方向图仿真测试结果对比，图8为中心阵元的天线增益仿真测试结果对比。由图可知，中心阵元在E面和H面测得的3dB波束宽度分别为115°和105°，交叉极化小于-30dB。工作频段内的增益高于5.5dB。测试结果与仿真结果吻合良好，验证了设计的可靠性。
本发明中天线单元采用结构简单的宽带U型缝隙微带天线，辐射信号通过同轴的馈电方式从微带贴片辐射出去。刻蚀的U型缝隙增加了电流长度，有效拓展了带宽。天线阵列由172个天线阵元构成，按照三角栅格排布成16行。每个单元天线端口处的激励电流有不同的幅度和相位，使得天线阵列辐射出不同指向的方向图，达到相控阵波束扫描的要求。微带天线单元的介质层下面的金属铝板用以固定安装整个天线阵列，安装所有的SMP同轴接头。天线介质底部的接地板和金属铝板通过锡膏焊的方式连接，保证了接地性能。本发明提供的U型缝隙微带天线相控阵具有带宽宽、剖面低且易于集成的特点，同时该阵列按照三角栅格排布，相对于矩形栅格排布减少了阵元的数目，降低了生产成本，SMP接口也方便与T/R对接。该天线可以广泛使用于相控阵系统中。

Claims (5)

1.一种宽带宽扫描角相控阵天线，其特征在于，包括介质层(2)、金属地层(3)、安装铝板层(4)、若干SMP接头(7)和若干贴片天线层(1)；其中
介质层(2)和安装铝板层(4)之间设置金属地层(3)，
贴片天线层(1)设置于介质层(2)上端面且按三角栅格排列组成阵列，每一贴片天线层(1)表面设置U型缝隙，
SMP接头(7)设置于铝板内，
每一SMP接头(7)的外层金属与金属地层(3)连接且内芯(6)穿过介质层(2)与相应的贴片天线层(1)连接。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，每一贴片天线层(1)的激励电流有不同的幅度和相位。
3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，调整贴片天线层(1)的U型缝隙尺寸和位置以改变天线的工作频率。
4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，调整内芯(6)与贴片天线层(1)连接处的馈电点位置以改变天线的工作带宽。
5.根据上述任意权利要求所述的天线，其特征在于，包括172个且共共16行的贴片天线层(1)，行与行之间按照三角栅格排列组成阵列，从第1行至第16行的阵元数，分别为4,8,10,12,12,12,14,14,14,12,12,12,10,8,4。
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