CN110380233A - 一种低剖面宽带宽角扫描相控阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种低剖面宽带宽角扫描相控阵天线，包括M×N个相控阵列天线单元，其中，M×N≥2，M和N为正整数；所述相控阵列天线单元自上而下依次层叠设置有金属贴片、上层介质基板、纸蜂窝结构、馈电结构、金属背腔、威尔金森功分器、下层介质基板和金属地板；所述纸蜂窝结构包括上层纸蜂窝板和下层纸蜂窝板，所述馈电结构由馈电贴片、馈电介质基板和馈电铜柱组成，所述馈电铜柱的上端和下端分别与馈电介质基板和威尔金森功分器连接；所述金属背腔位于该下层介质基板的上表面，用于实现相控阵列天线的宽带和宽角扫描特性。本发明解决了传统微带贴片相控阵天线带宽窄，剖面高，重量大和角扫描窄的技术问题，扩展天线的实际应用范围。

Description

一种低剖面宽带宽角扫描相控阵天线

技术领域

本发明属于雷达技术领域，具体涉及一种低剖面宽带宽角扫描相控阵天线，可用于具有宽带宽角扫描特性的雷达及无线通信系统中。

背景技术

相控阵天线在雷达和通信中有着广泛的应用，随着无线通信技术的快速发展对相控阵天线的性能指标提出了更高的要求，其中具有更宽的工作频带和更大的扫描范围是相控阵天线所需求的最重要两个特征。在相控阵天线出现之前的机械扫描天线只能通过机械装置的转动来实现天线扫描，相控阵天线则是在阵列天线的基础上发展起来的一种新的天线形式,它通过移相器控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变方向图形状,从而达到波束扫描的目的，由于其能够高速，准确的实现波束扫描，自问世以来就引起了广泛的关注。在相控阵雷达，通信基站，抗干扰导航等诸多应用中，一方面要求天线方向图可以精准的赋形，另一方面希望天线具有良好的频率特性和角度扫描特性。这就对天线的宽频，宽扫描角、低方向图畸变等特性提出了诸多现实要求。

如中国电子科技集团公司第54研究所公开了一种名称为“相控阵腔式微带天线单元”发明专利(申请号201510291889.8，授权公布号CN104953296B)，该发明专利申请公开了一种相控阵腔式微带天线单元，该天线包括从上到下依次贴合的上层介质板、金属围框、下层介质板和金属反射腔，由介质螺钉贯穿固定连接；金属反射腔的下表面通过法兰与同轴接插件相连接；下层贴片在下层介质板的下表面；电容片在下层介质板的上表面，但是，该天线剖面高且重量大；

如电子科技大学公开了一种名称为“一种二维大角度扫描平面相控阵天线”发明专利申请(申请号201510955721.2，申请公布号CN105552538A)，该发明专利申请公开了一种二维大角度扫描平面相控阵天线，它包含介质基板、设于基板正面的辐射贴片及微带馈线、设于基板背面的接地板，对辐射贴片进行开槽设计，不仅为馈电网络提供了放置空间，还缩小了天线尺寸；采用同轴背馈的方式，并将信号分为两路对辐射贴片进行等幅同相馈电，以此激励起天线的TM11模，同时在辐射贴片内部的馈电网络以渐变式微带线的形式进行设计。但是，相对带宽很窄仅为1％。

综上所述，传统相控阵天线很难同时具有低剖面、宽带、轻重量和宽角扫描的特性，而在工程中迫切需要能同时满足这几种特性的天线。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术上的不足，提出一种低剖面宽带宽角扫描相控阵天线，可用于解决现有技术中天线带宽窄，剖面高，重量大和角扫描窄的技术问题，可用于具有宽带宽角扫描特性的雷达及无线通信系统中。

本发明为了实现上述目的，采用以下技术方案：

一种低剖面宽带宽角扫描的相控阵天线，包括M×N个相控阵天线单元，其中，M×N≥2，M和N为正整数；所述相控阵天线单元自上而下依次层叠设置有金属贴片、上层介质基板、纸蜂窝结构、馈电结构、金属背腔、威尔金森功分器、下层介质基板和金属地板；所述纸蜂窝结构包括上层纸蜂窝板和下层纸蜂窝板，所述馈电结构由馈电贴片、馈电介质基板和馈电铜柱组成，所述馈电贴片印制在所述馈电介质基板的上表面，且位于上层纸蜂窝板与下层纸蜂窝板之间，所述馈电铜柱的上端穿过该下层纸蜂窝并与馈电介质基板连接，该馈电铜柱的下端与威尔金森功分器连接；所述的金属背腔位于该下层介质基板的上表面，该金属背腔与下层介质基板形成的凹陷开口朝着相控阵天线的上方，用于实现相控阵天线的宽带和宽角扫描特性。

所述金属贴片中心与上层介质基板中心重合，其中，该金属贴片的长为L1，宽为W1，其中，80mm≤L1≤90mm，宽70mm≤W1≤80mm；

所述馈电贴片长为FL1，宽为FW1，其中，8.5mm≤FL1≤9.5mm，宽31mm≤FW1≤32mm；

所述金属背腔长为GL1，高为GH1，宽为GW1，其中，120mm≤GL1≤130mm，5mm≤GH1≤15mm，100mm≤GW1≤110mm；

所述上层纸蜂窝板的长为PL1，宽为PW1，高为PH1，其中，80mm≤PL1≤90mm，75mm≤PW1≤85mm，10mm≤PH1≤20mm；下层纸蜂窝板的长为PL2，宽为PW2，高为PH2，其中，80mm≤PL2≤90mm，70mm≤PW2≤80mm，5mm≤PH2≤15mm。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明由于采用了包括金属贴片、上层介质基板、纸蜂窝结构、馈电结构、金属背腔、威尔金森功分器、下层介质基板和金属地板的组合作为相控阵天线单元，克服了现有技术中相控阵天线单元剖面高的技术问题，有效的降低了天线的剖面。

2、本发明由于采用了馈电结构和金属背腔，所述馈电结构由馈电贴片、馈电介质基板和馈电铜柱组成，所述的金属背腔位于该下层介质基板的上表面，该金属背腔与下层介质基板形成的凹陷开口朝着相控阵天线的上方；该天线结构设计在整个工作频带内能够满足宽扫描角的要求，克服了现有技术中相控阵天线扫描角较窄和辐射效率低的技术问题，使得相控阵天线的辐射效率大于90.4％。

3、本发明由于采用的馈电结构是由馈电贴片、馈电介质基板和馈电铜柱组成，该馈电贴片和馈电铜柱构成了L型馈电结构，该L型馈电结构能够对相控阵天线进行差分耦合馈电，克服了现有技术中相控阵天线单元工作带宽窄的技术问题，使得相控阵天线的工作带宽展宽为15.3％。

附图说明

图1是本发明相控阵天线的整体结构示意图

图2是本发明相控阵天线单元结构示意图

图3是本发明相控阵天线单元分层结构示意图

图4是本发明相控阵天线的E面有源电压驻波比结果图

图5是本发明相控阵天线的H面有源电压驻波比结果图

图6、图7是本发明相控阵天线的增益和辐射效率的结果图

图8是本发明相控阵天线在1.2GHz、1.3GHz和1.4GHz增益方向图

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施方案进行详细描述：

实施例1

参照图1、图2和图3，一种低剖面宽带宽角扫描的相控阵天线，包括M×N个相控阵天线单元，其中，M×N≥2，M和N为正整数；所述相控阵天线单元自上而下依次层叠设置有金属贴片1、上层介质基板2、纸蜂窝结构3、馈电结构4、金属背腔5、威尔金森功分器6、下层介质基板7和金属地板8；所述纸蜂窝结构3包括上层纸蜂窝板31和下层纸蜂窝板32，所述馈电结构4由馈电贴片41、馈电介质基板42和馈电铜柱43组成，所述馈电贴片41印制在所述馈电介质基板42的上表面，且位于上层纸蜂窝板31与下层纸蜂窝板32之间，所述馈电铜柱43的上端穿过该下层纸蜂窝32并与馈电介质基板42连接，该馈电铜柱43的下端与威尔金森功分器6连接；所述的金属背腔5位于该下层介质基板7的上表面，该金属背腔5与下层介质基板7形成的凹陷开口朝着相控阵天线的上方，用于实现相控阵天线的宽带和宽角扫描特性。

本发明由于采用了纸蜂窝结构，该纸蜂窝结构包括上层纸蜂窝板和下层纸蜂窝板，克服了现有技术中相控阵天线单元质量大的技术问题，使得相控阵天线单元质量减轻。例如，每个天线单元占用面积为12.5cm*10.5cm＝131.25cm²，每平方米面积内单元数为10000/131.25＝76.2，因此每平方米内的总质量仅为21.1232g*76.2＝1.6kg。

馈电结构4由馈电贴片41、馈电介质基板42和馈电铜柱43组成，其中馈电铜柱43上端穿过馈电介质基板42与馈电贴片41连接，形成L型馈电结构，该馈电铜柱43下端与威尔金森功分器6相连接，通过该馈电结构4对天线进行差分耦合馈电，馈入幅度相等、相位相差180°的差分信号，有效的展宽的天线的工作带宽。在下层介质基板的上表面设置有金属背腔5，该金属背腔5与下层介质基板7形成的凹陷开口朝着相控阵天线的上方，能够阻断表面波的传播从而抑制表面波在扫描角度较大时对阻抗匹配的影响，使得相控阵天线的工作带宽得到展宽，且扫描角度变大。

所述金属贴片1中心与上层介质基板2中心重合，其中，该金属贴片1的长为L1，宽为W1，其中，80mm≤L1≤90mm，宽70mm≤W1≤80mm，本实施例取L1＝85.5mm，W1＝73.8mm

所述馈电贴片41长为FL1，宽为FW1，其中，8.5mm≤FL1≤9.5mm，宽31mm≤FW1≤32mm，本实施例取FL1＝9.1mm，FW1＝31.7mm。

所述金属背腔5长为GL1，高为GH1，宽为GW1，其中，120mm≤GL1≤130mm，5mm≤GH1≤15mm，100mm≤GW1≤110mm，本实施例取GL1＝123mm，GH1＝10mm，GW1＝103mm。

所述上层纸蜂窝板31的长为PL1，宽为PW1，高为PH1，其中，80mm≤PL1≤90mm，75mm≤PW1≤85mm，10mm≤PH1≤20mm；下层纸蜂窝板32的长为PL2，宽为PW2，高为PH2，其中，80mm≤PL2≤90mm，70mm≤PW2≤80mm，5mm≤PH2≤15mm，本实施例中取PL1＝82mm，PW1＝79mm，PH1＝11mm，PL2＝82mm，PW2＝72mm，PH2＝9mm。

实施例2

实施例2的结构与实施例1的结构相同，如下参数做了调整：

所述金属贴片1中心与上层介质基板2中心重合，其中，该金属贴片1的长为L1，宽为W1，本实施例取L1＝80mm，W1＝70mm

所述馈电贴片41长为FL1，宽为FW1，其中，本实施例取FL1＝8.5mm，FW1＝31mm。

所述金属背腔5长为GL1，高为GH1，宽为GW1，本实施例取GL1＝120mm，GH1＝5mm，GW1＝100mm。

所述上层纸蜂窝板31的长为PL1，宽为PW1，高为PH1；下层纸蜂窝板32的长为PL2，宽为PW2，高为PH2，本实施例中取PL1＝80mm，PW1＝75mm，PH1＝10mm，PL2＝80mm，PW2＝70mm，PH2＝5mm。

实施例3

实施例3的结构与实施例1的结构相同，如下参数做了调整：

所述金属贴片1中心与上层介质基板2中心重合，其中，该金属贴片1的长为L1，宽为W1，本实施例取L1＝90mm，W1＝80mm

所述馈电贴片41长为FL1，宽为FW1，本实施例取FL1＝9.5mm，FW1＝32mm。

所述金属背腔5长为GL1，高为GH1，本实施例取GL1＝130mm，GH1＝15mm，GW1＝110mm。

所述上层纸蜂窝板31的长为PL1，宽为PW1，高为PH1；下层纸蜂窝板32的长为PL2，宽为PW2，高为PH2，本实施例中取PL1＝90mm，PW1＝85mm，PH1＝20mm，PL2＝90mm，PW2＝80mm，PH2＝15mm。

以下结合附图对本发明的仿真结果作进一步描述：

参照图4、图5、图6、图7和图8：

1、仿真条件和内容

1.1)利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实施例天线的有源电压驻波比在1.2-1.4GHz范围内进行仿真计算。

从图4和图5可知，图中纵坐标表示天线的有源电压驻波比，横坐标表示频率，单位为GHz，在平面扫描角小于30°时整个频段内有源驻波比小于1.8，在平面扫描角小于60°时，整个频段内有源驻波比均小于2。

1.2)利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实施例天线的增益与辐射效率在1.2-1.4GHz范围内进行仿真计算。

由图6可知，图中纵坐标表示天线的增益，单位为dB，横坐标表示频率，单位为GHz，天线的增益随频率增加而增大，增益的最小值为3.8dB，最大为5.2dB。

由图7可知，图中纵坐标表示天线的辐射效率，横坐标表示频率，单位为GHz，天线在整个工作频段上的辐射效率均大于90.4％。

1.3)利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实施例天线在1.2GHz，1.3GHz和1.4GHz处的辐射方向图进行仿真计算。其中：

图8(a)是本实施例在1.2GHz时的E面和H面的辐射方向图；图8(b)是本实施例在1.3GHz时的E面和H面的辐射方向图；图8(c)是本实施例在1.4GHz时的E面和H面的辐射方向图。

从图8(a)，图8(b)和图8(c)可知，本发明天线在1.2GHz，1.3GHz和1.4GHz时具有稳定的定向辐射特性和低交叉极化特性，同时该方向图无畸变且后瓣很小，能够应用于相控阵雷达系统中。

以上描述和实施例仅为本发明的优选实施方式，不构成对本发明的任何限制，应当指出：对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种低剖面宽带宽角扫描相控阵天线，包括M×N个相控阵天线单元，其中，M×N≥2，M和N为正整数；所述相控阵天线单元自上而下依次层叠设置有金属贴片(1)、上层介质基板(2)、纸蜂窝结构(3)、馈电结构(4)、金属背腔(5)、威尔金森功分器(6)、下层介质基板(7)和金属地板(8)；其特征在于，所述纸蜂窝结构(3)包括上层纸蜂窝板(31)和下层纸蜂窝板(32)，所述馈电结构(4)由馈电贴片(41)、馈电介质基板(42)和馈电铜柱(43)组成，所述馈电贴片(41)印制在所述馈电介质基板(42)的上表面，且位于上层纸蜂窝板(31)与下层纸蜂窝板(32)之间，所述馈电铜柱(43)的上端穿过该下层纸蜂窝(32)并与馈电介质基板(42)连接，该馈电铜柱(43)的下端与威尔金森功分器(6)连接；所述的金属背腔(5)位于该下层介质基板(7)的上表面，该金属背腔(5)与下层介质基板(7)形成的凹陷开口朝着相控阵天线的上方，用于实现相控阵天线的宽带和宽角扫描特性。

2.根据权利要求1所述的一种低剖面宽带宽角扫描的相控阵天线，其特征在于，所述金属贴片(1)中心与上层介质基板(2)中心重合，其中，该金属贴片(1)的长为L1，宽为W1，其中，80mm≤L1≤90mm，宽70mm≤W1≤80mm。

3.根据权利要求1所述的一种低剖面宽带宽角扫描的相控阵天线，其特征在于，所述馈电贴片(41)长为FL1，宽为FW1，其中，8.5mm≤FL1≤9.5mm，宽31mm≤FW1≤32mm。

4.根据权利要求1所述的一种低剖面宽带宽角扫描的相控阵天线，其特征在于，所述金属背腔(5)长为GL1，高为GH1，宽为GW1，其中，120mm≤GL1≤130mm，5mm≤GH1≤15mm，100mm≤GW1≤110mm。

5.根据权利要求1所述的一种低剖面宽带宽角扫描的相控阵天线，其特征在于，所述上层纸蜂窝板(31)的长为PL1，宽为PW1，高为PH1，其中，80mm≤PL1≤90mm，75mm≤PW1≤85mm，10mm≤PH1≤20mm；下层纸蜂窝板(32)的长为PL2，宽为PW2，高为PH2，其中，80mm≤PL2≤90mm，70mm≤PW2≤80mm，5mm≤PH2≤15mm。