CN110323575A - 电磁超材料加载的双极化强耦合超宽带相控阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁超材料加载的的双极化强耦合超宽带相控阵天线，包括强耦合折叠偶极子单元、馈电巴伦、超材料宽角阻抗匹配层、微带渐变线和反射地板；强耦合折叠偶极子单元末端为方便双极化设计，进行了开槽。偶极子与所设计的馈电巴伦集成与同一个介质基板，并将底部垂直嵌于反射地板内，宽角阻抗匹配层设置于强耦合偶极子单元顶部，下方则通过弯折微带渐变线完成同轴与巴伦的电连接，并同时达到阻抗匹配效果。本发明通过对偶极子末端的精心设计达到了双极化特性，并引入强耦合折叠偶极子形式，加载新型宽角阻抗匹配层结构达到了低剖面、轻量化的物理特点以及超宽带、低交叉极化等优良辐射性能。

Description

电磁超材料加载的双极化强耦合超宽带相控阵天线

技术领域

本发明属于天线工程技术领域，具体涉及一种超材料宽角阻抗匹配层加载的双极化超宽带强耦合折叠偶极子相控阵天线。

背景技术

相控阵天线技术早在20世纪30年代后期就已出现，其工作原理即在阵列天线中通过改变馈电相位进而控制波束。相控阵天线因其波束快速变化能力、多波束扫描能力、空间信号功率合成能力等，广泛应用于雷达、通信及电子对抗领域。现代雷达、电子通信等技术的发展，以及诸如飞机、导弹等高速平台的出现，对雷达的探测距离、目标快速跟踪识别等能力提出了更高要求。而传统的宽带相控阵却难以满足这些要求。传统相控阵因阵元间存在互耦效应，不仅带宽受到限制，还需要额外设计复杂而臃肿的结构去消除此种效应，避免其影响到天线的辐射性能。虽然传统超宽带相控阵已较为成熟，但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。同时，类似于现已广泛使用的渐变开槽天线(Vivaldi)形式等天线，虽然它们具有超宽的工作频带和较为稳定的电性能，但面临交叉极化特性差，天线剖面过高等局限，不利于天线的安装及共形等进一步发展。

基于上述天线的优缺点，并考虑到现代电子技术及电子系统功能高度集成化的需求，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。近年来，一种加强阵列单元间耦合并加以利用的天线形式，即强耦合天线应运而生。通过单元间的强电容耦合，此种天线不仅缩小了单元横向及纵向尺寸，而且达到了比传统宽带天线更宽的带宽特性。因此，对此种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，本发明提供的双极化超宽带强耦合折叠偶极子相控阵天线解决了现有相控阵天线中，天线重量过大、剖面较高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：一种电磁超材料加载的双极化强耦合超宽带相控阵天线，包括强耦合折叠偶极子单元、宽角阻抗匹配层、馈电巴伦、微带渐变线和反射地板；所述强耦合折叠偶极子与馈电巴伦一体集成于同一介质基板，所述阻抗匹配层设置于对拓强耦合偶极子单元顶部，且与反射地板平行，所述微带渐变线与馈电巴伦相连，且与反射地板平行。

进一步地，所述强耦合折叠偶极子单元及馈电巴伦包括两种不同极化方向，分别印刷于交叉排列的天线介质基板上；

所述天线介质基板组包括沿Y方向极化的第一天线介质基板和沿X方向极化的第二天线介质基板，其上印刷一体化的偶极子与馈电巴伦，其中馈电巴伦在基板正反两侧有不同结构；

所述第一天线介质基板与第二天线介质基板交叉排列，第一天线介质基板在偶极子末端下方位置开槽，第二天线介质基板在偶极子末端上方位置开槽，完成两基板的对插；

进一步地，所述第一天线介质基板与第二天线介质基板的交叉处设置有加强偶极子强耦合作用的寄生结构。该结构包括介质基板及上面印刷的四个三角形贴片，分为两组作用于X极化与Y极化，该贴片与折叠偶极子贴片需保证电连接；

进一步地，所述宽角阻抗匹配层上表面均匀印刷有若干个椭圆超材料环，且每个超材料环均为周期性开口环形结构。

进一步地，所述微带渐变线根据极化方向不同，有两种不同朝向，且它们与反射地板印刷与同一介质基板的正反两面。

本发明的有益效果为：本发明提供的双极化超宽带强耦合折叠偶极子相控阵天线采用Marchand巴伦进行馈电，通过在天线基板上的开槽巧妙设计了双极化单元排布方式，达到了很高的极化纯度；偶极子单元末端所加载的新型寄生结构则一定程度上加强了偶极子之间的耦合，达到拓展频带的效果；下方通过微带渐变线进行同轴与巴伦之间的阻抗变换，并通过不同的微带线朝向避让出足够的空间进行双极化设计；天线所采用的新型椭圆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；该天线与馈电巴伦一体印刷在介质基板上，加工简单，组装灵便，整体重量轻并且结构稳固。

附图说明

图1为本发明提供的电磁超材料加载的双极化强耦合超宽带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沿Y极化方向折叠偶极子及相连巴伦结构示意图。

图3为本发明提供的实施例中偶极子末端交叉处寄生结构俯视图。

图4为本发明提供的实施例中所加载的椭圆环形超材料宽角阻抗匹配层示意图。

图5为本发明提供的实施例中天线底部微带渐变线结构示意图。

图6为本发明提供的实施例中图1双极化单元其中一个端口E面及H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双极化单元其中一个端口E面及H面0-45度全频段交叉极化情况。

图8为本发明提供的实施例中单元组成8X8面阵后，2GHz处0度、45度方位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单元组成8X8面阵后，1GHz处0度、45度方位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单元组成8X8面阵后，0.35GHz处0度、45度方位面和俯仰面的扫描方向图及交叉极化情况。

其中：1、强耦合折叠偶极子单元；2、宽角阻抗匹配层；3、馈电巴伦；4、微带渐变线；5、反射地板；101、第一天线介质基板；102、第二天线介质基板；103、加强耦合的寄生结构；104、双极化开槽；105、沿X极化方向加强耦合的寄生贴片；106、沿Y极化方向加强耦合的寄生贴片；201、椭圆超材料环；301、巴伦馈电部分；302、巴伦耦合部分；401、沿Y极化方向微带渐变线；402、沿X极化方向微带渐变线。

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，一种电磁超材料加载的双极化强耦合超宽带相控阵天线，包括强耦合折叠偶极子单元1、宽角阻抗匹配层2、馈电巴伦3、微带渐变线4和反射地板5；所述强耦合折叠偶极子单元1与馈电巴伦3一体集成于同一介质基板，所述宽角阻抗匹配层2设置于强耦合折叠偶极子单元1顶部，且与反射地板5平行，所述微带渐变线4与馈电巴伦3相连，保证电连接，且与反射地板平行。

如图2至图5所示，强耦合折叠偶极子单元1包括作用于Y极化方向的第一天线介质基板101、作用于X极化方向的第二天线介质基板102以及加强耦合的寄生结构103。其中，第一天线介质基板及第二天线介质基板末端加工有双极化开槽104，以便双极化天线的组装。需要注意的是，每个单元的偶极子贴片与阵列中的下一个单元并没有电连接，二者间有一个间隙来产生达到宽带特性的强耦合效应。在第一天线介质基板101与第二天线介质基板102相交的部分，下方设置有加强耦合的寄生结构103，该结构包含介质基板，以及印刷于其上的沿X极化方向加强耦合的寄生贴片105，沿Y极化方向加强耦合的寄生贴片106。两组贴片需要分别与偶极子进行电连接，从而提高偶极子单元之间的电容分量，加强耦合特性，满足天线的宽带需求。

以第一天线介质基板101为例，其上印刷有偶极子贴片，并在下方与馈电巴伦3一体集成。馈电巴伦采用Marchand巴伦形式，该巴伦包含与下方微带渐变线4相连的巴伦馈电部分301，印制于与偶极子相反的一侧，以及巴伦耦合部分302，印制于与偶极子相同的一侧。该巴伦实现了馈电端与天线端的匹配。

在整个天线的最上方，设置有采用新型椭圆超材料结构的宽角阻抗匹配层2，其上表面均匀印刷有若干个椭圆超材料环201，每个超材料环201均为椭圆周期性开口环形结构，该椭圆超材料环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。

在天线下方，同轴接头与馈电巴伦3之间，设置有一段弯折微带渐变线4。同样由于极化方向不同，为避让出足够的加工空间，分为沿Y极化方向微带渐变线401与沿X极化方向微带渐变线402。以沿Y极化方向微带渐变线401为例，与同轴接头接触的一端微带线较宽，代表阻抗越小，基本等于50欧姆，到渐变线的末端与馈电巴伦相接触时，微带线越来越窄，代表阻抗越大，基本等于100欧姆。弯折的设计使得变换线的实际长度很长，保证了变换的稳定性。在微带线的弯折处倒出了圆角，避免出现变换时的不连续性。

在以上结构中，天线介质基板、巴伦介质基板、增强耦合的寄生结构、宽角阻抗匹配层以及微带渐变线基板都采用Taconic-TLY，介电常数为2.2，其中微带渐变线基板的另一侧全部覆有金属，既作为微带弯折线的地板，又作为整个天线的反射地板。在加工组装时，地板上需开出相应位置及大小的槽让天线及巴伦介质基板穿过，之后通过焊接进行固定。

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。为了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0.45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。

图6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3.2的情况下，双层介质基板对拓偶极子超宽带相控阵在45度扫描范围内具有接近7:1的阻抗带宽。(由于此双极化天线两个端口在结构上完全对称，因此以下图例都只给出其中一个端口的情况)

图7给出了本实施例在E面和H面不同扫描状态下的端口所有频率对应的交叉极化特性，从图中可见，天线在整个工作频段内交叉极化性能都可以在-30dB以下，此性能优于大多数强耦合天线。

图8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。从图中可见，双层介质基板对拓偶极子超宽带相控阵具有30dB以上的交叉极化特性，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1GHz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拓偶极子超宽带相控阵具有35dB以上的交叉极化特性；并且该阵列主极化增益可达到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0.35GHz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及波束扫描特性。

Claims (5)

1.电磁超材料加载的双极化强耦合超宽带相控阵天线，其特征在于，包括强耦合折叠偶极子单元(1)、宽角阻抗匹配层(2)、馈电巴伦(3)、微带渐变线(4)以及反射地板(5)；所述强耦合折叠偶极子单元(1)与馈电巴伦(3)一体集成于同一介质基板，其底部垂直镶嵌于反射地板(5)内；所述阻抗匹配层(2)设置于强耦合折叠偶极子单元(1)顶部，且与反射地板(5)平行；所述微带渐变线(4)与馈电巴伦(3)相连，与反射地板(5)平行。

2.根据权利要求1所述的双极化强耦合超宽带相控阵天线，其特征在于，所述强耦合折叠偶极子单元(1)及馈电巴伦(3)包括两种不同极化方向，分别印刷于交叉排列的天线介质基板上；所述天线介质基板包括沿Y方向极化的第一天线介质基板(101)和沿X方向极化的第二天线介质基板(102)，其上印刷有一体化的偶极子与馈电巴伦，其中馈电巴伦在天线基板正反两面有不同结构，所述第一天线介质基板(101)与第二天线介质基板(102)交叉排列，第一天线介质基板(101)在偶极子末端下方开槽，第二天线介质基板(102)在偶极子末端上方开槽，以这种开槽方式完成对插。

3.根据权利要求2所述的双极化强耦合超宽带相控阵天线，其特征在于，所述第一天线介质基板(101)与第二天线介质基板(102)的交叉处，设置有加强耦合的寄生结构(103)；该寄生结构包括介质基板及其上印刷的四个三角形贴片，三角形贴片分为两组分别作用于X极化及Y极化，该贴片与折叠偶极子贴片需保证电连接。

4.根据权利要求1所述的双极化强耦合超宽带相控阵天线，其特征在于，所述宽角阻抗匹配层(2)上表面均匀印刷有若干个椭圆超材料环(201)，每个椭圆超材料环(201)均为周期性开口环形结构。

5.根据权利要求1所述的双极化强耦合超宽带相控阵天线，其特征在于，所述微带渐变线(4)根据极化方向不同，有两种不同朝向，且它们与反射地板(5)印刷于同一介质基板的正反两面。