CN110620293A - 一种基于六臂螺旋阵列结构的稀疏阵天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于六臂螺旋阵列结构的稀疏阵天线，其为六边形阵面结构，包含六条旋转对称的螺旋阵列结构，螺旋阵列结构包含若干个线阵，相邻的两个线阵之间形成有一定夹角，线阵包含若干个天线单元。本发明采用旋转对称的六臂螺旋阵列结构作为阵列排布的基本形式，获得较高的阵面稀疏化性能，采用基于LTCC工艺的六边形双层微带贴片单元作为辐射基本单元，实现微带天线单元的宽带小型化设计，在满足宽角度扫描的要求下实现相控阵天线的低成本稀疏化设计，结构简单。

Description

一种基于六臂螺旋阵列结构的稀疏阵天线
技术领域
本发明涉及天线设计领域，尤其涉及一种基于六臂螺旋阵列结构的稀疏阵天线，主要应用于雷达、成像等领域。
背景技术
近年来，随着现代雷达技术的发展，传统低频段已经被大量占用，相互之间的干扰也不可避免，毫米波以其丰富的频谱资源和高抗干扰性能，越来越受到广大研究人员的青睐。相控阵天线利用相位扫描代替传统的机械扫描来实现对目标的跟踪照射，是现代雷达系统的发展趋势。毫米波相控阵天线也日益成为人们关注和研究的热点问题。
由于在雷达系统的设计过程中，天线阵列往往需要成千上万的阵列单元来达到一定的功能，通常造价高昂且结构复杂。而稀疏阵以较少的单元实现天线增益、扫描性能等技术指标要求，通过降低相控阵通道数目以大大降低系统的成本和馈电网络的复杂度，是降低天线成本和系统复杂度的较好方式之一。常用的稀布阵面排布技术包括基本栅格结构、分形结构、解析算法、以及一些智能优化算法。基本的栅格结构只是通过增大间距和抽取单元来降低天线通道数目，降低天线的通道数目非常有限，而解析算法和一些智能优化算法通过目标函数寻优来找到稀疏阵阵列排布的最佳位置，往往阵列结构复杂且单元排布毫无规律。而分形结构利用明确的几何关系确定单元排布，结构简单且规律性强可适用于阵列天线的通用化、模块化设计。
六臂对称螺旋结构是一种基于六臂螺旋旋转对称的几何分形结构，单元通过将六边形单元沿着其六条边长进行复制、旋转、再复制、再旋转等一系列过程实现阵列单元的旋转对称排列，并实现一定的占空比以达到阵列稀疏化的效果。排布规律简单且稀疏化效果显著是实现高增益、宽角度扫描稀布相控阵天线的一个较好的选择。
天线单元是相控阵天线的基本组成单元，其带宽、增益等性能是决定相控阵天线性能指标的关键。由于毫米波波长较短，天线性能受加工误差的影响较大，波导、介质等天线形式在毫米波段难以实现高精度加工，且不利于天线集成化设计。如何选取相控阵天线的辐射单元，既具有较高的加工精度又有利于集成化模块化设计，是毫米波相控阵天线研究的难点问题。基于上述原因，研发一种基于六臂螺旋阵列结构的稀疏阵天线实为必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于六臂螺旋阵列结构的稀疏阵天线，采用旋转对称的六臂螺旋阵列结构作为阵列排布的基本形式，获得较高的阵面稀疏化性能，采用基于LTCC工艺的六边形双层微带贴片单元作为辐射基本单元，实现微带天线单元的宽带小型化设计，在满足宽角度扫描的要求下实现相控阵天线的低成本稀疏化设计，结构简单。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种基于多臂螺旋阵列结构，其为多边形阵面结构，包含多条旋转对称的螺旋阵列结构，所述螺旋阵列结构包含若干个线阵，相邻的两个线阵之间形成有一定夹角，所述线阵包含若干个天线单元。
优选地，所述多臂螺旋阵列结构为六臂螺旋阵列结构，所述多边形阵面结构为六边形阵面结构。
优选地，所述六边形阵面结构为正六边形阵面结构；每条对称螺旋阵列的线阵的数量为八个，相邻的两个线阵之间的夹角为120度；八个线阵的天线单元数目从内到外依次分别为3个、2个、4个、6个、8个、10个、12个和12个，一条螺旋阵列结构的天线单元总数为57个；六边形阵面结构的天线单元的总数目为337个。
优选地，所述天线单元为分层结构且从上到下依次设有顶部贴片层、顶部介质层、中间介质层、中间贴片层、底部介质层和底部接地层。
优选地，所述中间贴片层和所述底部贴片层之间通过金属化通孔连接；
所述底部接地层包含空心圆的金属地、环形缝隙和圆形金属贴片，所述金属化通孔和所述圆形金属贴片连接；所述底部接地层的环形缝隙和所述圆形金属贴片构成同轴端口，同轴端口的特征阻抗现与TR组件的标准阻抗匹配连接。
优选地，所述天线单元为堆叠式微带贴片结构，所述顶部贴片层为顶部微带贴片层，所述中间贴片层为中间微带贴片层；所述顶部微带贴片层和所述中间微带贴片层均为方形贴片且采用堆叠式耦合的形式；所述顶部微带贴片层的尺寸略小于所述中间微带贴片层。
优选地，稀疏阵天线阵列与同面积同等单元间距的满阵相比，其稀疏比k由下式决定：
k＝1-337/n (1)
其中，n为同面积同单元间距的满阵单元数目；[]为取整符号；a为六边形阵列模块的边长；d为阵列单元间距；
相控阵天线单元尺寸通过以下公式决定：
其中，d为天线单元间距；λ为中心频率对应的波长；θm为相控阵天线对应的扫描角度。
为实现一定角度的扫描，线阵单元间距小于1个波长，本发明还提供了一种稀疏阵天线，包含若干个如上文所述的多臂螺旋阵列模块，所述多臂螺旋阵列模块沿着垂直于模块边长的方向布置，2个以上所述多臂螺旋阵列模块边缘并列连接组成大规模天线阵。
优选地，所述的稀疏阵天线基于低温共烧陶瓷方法按照螺旋阵列结构的天线单元中的顶部介质层、中间介质层、底部介质层逐层加工并一体化压合成型。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明的一种基于六臂螺旋阵列结构的稀疏阵天线，采用旋转对称的六臂螺旋阵列结构作为阵列排布形式，获得较高的阵面稀疏化性能，利用基于LTCC工艺的双层微带贴片单元作为辐射基本单元，实现微带天线单元的宽带小型化设计；本发明的天线具有结构简单，低成本、宽扫描角的特点；在保持宽带、低损耗天线性能的同时，具有小型化、集成化的紧凑结构，天线的模块化设计方法便于大规模组阵和通用化设计，适用于雷达应用平台下，低成本相控阵的应用需求；具体如下：
(1)本发明的基于六臂螺旋阵列结构的稀疏阵天线，可满足毫米波相控阵天线低成本的应用需求；
(2)与传统稀疏阵天线不同，本发明的天线采用非规则栅格的稀疏布阵，利用旋转对称的六臂螺旋阵列结构给出阵列单元的排布位置，在获得一定增益和扫描角度的前提下，实现降低相控阵天线通道数目的作用，同时具有结构简单，加工方便的特点；
(3)本发明的天线单元的设计基于LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic，低温共烧陶瓷)工艺，有利于实现天线单元与相控阵TR(Transmitter and Receiver，其是无线收发系统中频与天线之间的部分)组件的低损耗、高精度集成，且重复性好，适合大批量生产；
(4)本发明采用堆叠式贴片单元作为天线阵的基本辐射单元，利用堆叠式贴片加金属化过孔耦合的方式有利于展宽天线带宽，且金属化过孔可作为探针与TR组件的无缝对接，具有低损耗的优点，加工方便、易集成的特点；
(5)本发明的基于六臂螺旋阵列设计的天线模块，在沿着模块边长方向可拓展，两个以上天线模块可组成更大口径的天线阵，可利用多模块组阵的方式实现和差波束的工作模式，且可解决大口径阵列天线的应用需求，可推广至其他毫米波频段甚至THz波段，适用于其他任意尺寸天线单元形式。
附图说明
图1为本发明的基于对称六臂螺旋阵列结构稀疏阵的阵面排布示意图；
图2为本发明的基于六臂螺旋阵列结构稀疏阵天线单元的侧视图；
图3为本发明的基于六臂螺旋阵列结构稀疏阵天线单元的俯视图；
图4为本发明的基于六臂螺旋阵列结构稀疏阵天线单元的仰视图；
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供的一种基于六臂对称螺旋结构的稀疏阵天线，其是一种宽带、宽扫描角的相控阵天线阵面模块，主要用于宽扫描角、低成本相控阵的应用需求。
如图1所示，本发明的基于六臂螺旋阵列结构的稀疏阵天线，包含有六臂螺旋阵列结构，六臂螺旋阵列结构为六边形阵面结构(正六边形)。
该六臂螺旋阵列结构设置有六条旋转对称的螺旋阵列结构100，每条螺旋阵列结构100由多个线阵结构1组成，每条线阵1由多个天线单元11组成。
如图1所示，每条对称螺旋阵列100的线阵1有八个，相邻的两个线阵1之间的夹角为120度；其中，八个线阵1的天线单元数目从内到外依次分别为3个、2个、4个、6个、8个、10个、12个和12个，则一条螺旋阵列结构共计57个天线单元11。
本实施例中天线单元总数目为337个。本发明的基于六臂螺旋阵面的稀疏阵天线阵列与同面积同等单元间距的满阵相比，其稀疏比k由下式决定：
其中，n为同面积同单元间距的满阵单元数目；[]为取整符号；a为六边形阵列模块的边长；d为阵列单元间距。因此，本实施例中的阵列单元数目与同等面积满阵的单元数目相比，其稀疏比为42％。
如图2-图4所示，在竖向方向看，天线单元11为分层结构且从上到下依次设有顶部贴片层121、顶部介质层122、中间介质层123、中间贴片层124、底部介质层125和底部接地层126。顶部贴片层121和中间贴片层124均为方形单元。如图3所示为天线单元的俯视图。天线单元11是堆叠式微带贴片结构，分为顶层微带贴片层(即顶部贴片层121)和中间层微带贴片层(即中间贴片层124)。即顶层微带贴片层121和中间层微带贴片层124均为方形贴片，且采用堆叠式耦合的形式，顶层微带贴片层121尺寸略小于中间层微带贴片层124。
本实施例中，顶部介质层122、中间介质层123和底部介质层125作为微带的基板主要是用于支撑微带贴片和提供低损耗微波介质；顶部贴片层121和中间层贴片层构成堆叠式微带谐振器实现微波谐振和辐射；底部接地层126包含微带天线单元的金属地，同时包含同轴输入/输出接口结构，便于与外部TR组件端口连接。
中间贴片层124和底部贴片层126之间通过金属化通孔127连接，中间层微带贴片层124通过金属化通孔127与背面端口连接。底部接地层126含有空心圆的金属地1261、环形缝隙1262和圆形金属贴片1263。金属化通孔127和底部接地层126的圆形金属贴片1263连接；底部接地层126的环形缝隙1262和圆形金属贴片1263构成同轴端口，为实现天线单元与TR组件探针阻抗匹配，需优化同轴端口的内外径R1和R2，实现一定的端口阻抗，本实施例中按常规设计同轴端口的阻抗为标准的50欧，以实现与TR组件的标准阻抗匹配连接。
天线单元尺寸通过以下公式决定：
其中，d为天线单元间距；λ为中心频率对应的波长；θm为天线对应的扫描角度。为了满足角度扫描的需求，天线单元间距的要小于λ；顶层微带贴片的尺寸略小于中间层微带贴片尺寸。
本发明的基于六臂螺旋阵列结构的稀疏阵天线加工时，基于LTCC(LowTemperature Co-fired Ceramic，低温共烧陶瓷)工艺将分为多层逐层加工，然后一体化压合成型。本实施例优选三层陶磁介质(即顶部介质层122、中间介质层123和底部介质层125)。
本发明的基于六臂螺旋阵列结构的稀疏阵天线的其他尺寸设计均为微带天线阵常规设计，此处不再赘述。
以本实施例所述的模块化天线子阵为天线模块，在沿模块边长方向可拓展，两个以上天线模块可组成更大口径的天线阵，可利用多模块组阵的方式实现和差波束的工作模式。
本实施例的天线通过优化微带贴片的尺寸，天线可以达到较宽的阻抗匹配带宽。通过对利用六臂螺旋阵列结构对天线单元进行组阵并进行方向图综合可以得到一定角度范围的波束扫描。
由上可知，本发明通过六臂螺旋的阵面设计，在保证天线带宽和扫描角度的前提下降低阵列的通道数目约为满阵的58％，可实现降低天线成本的目的。
综上所述，本发明公开了一种基于六臂螺旋阵列结构的稀疏天线阵。天线阵面包括六条六边形单元阵列，每条六边形单元阵列包括8种规格的直线阵。天线阵列单元为探针馈电的双层微带贴片单元。本发明利用六臂螺旋阵列作为相控阵天线单元的组阵方式，实现稀疏阵设计，具有结构简单，加工方便，低成本的优势，同时满足系统应用宽扫描角的需求。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种多臂螺旋阵列结构，其特征在于，其为多边形阵面结构，包含多条旋转对称的螺旋阵列结构(100)，所述螺旋阵列结构(100)包含若干个线阵(1)，相邻的两个线阵之间形成有一定夹角，所述线阵(1)包含若干个天线单元(11)。
2.如权利要求1所述的多臂螺旋阵列结构，其特征在于，
所述多臂螺旋阵列结构为六臂螺旋阵列结构，所述多边形阵面结构为六边形阵面结构。
3.如权利要求2所述的多臂螺旋阵列结构，其特征在于，
所述六边形阵面结构为正六边形阵面结构；
每条对称螺旋阵列(100)的线阵(1)的数量为八个，相邻的两个线阵(1)之间的夹角为120度；
八个线阵(1)的天线单元数目从内到外依次分别为3个、2个、4个、6个、8个、10个、12个和12个，一条螺旋阵列结构的天线单元(11)总数为57个；六边形阵面结构的天线单元的总数目为337个。
4.如权利要求2或3所述的多臂螺旋阵列结构，其特征在于，
所述天线单元(11)为分层结构且从上到下依次设有顶部贴片层(121)、顶部介质层(122)、中间介质层(123)、中间贴片层(124)、底部介质层(125)和底部接地层(126)。
5.如权利要求4所述的多臂螺旋阵列结构，其特征在于，
所述中间贴片层(124)和所述底部贴片层(126)之间通过金属化通孔(127)连接；
所述底部接地层(126)包含空心圆的金属地(1261)、环形缝隙(1262)和圆形金属贴片(1263)，所述金属化通孔(127)和所述圆形金属贴片(1263)连接；
所述底部接地层(126)的环形缝隙(1262)和所述圆形金属贴片(1263)构成同轴端口，同轴端口的特征阻抗与TR组件的标准阻抗匹配连接。
6.如权利要求5所述的多臂螺旋阵列结构，其特征在于，
所述天线单元(11)为堆叠式微带贴片结构，所述顶部贴片层(121)为顶部微带贴片层，所述中间贴片层(124)为中间微带贴片层；所述顶部微带贴片层和所述中间微带贴片层均为方形贴片且采用堆叠式耦合的形式；
所述顶部微带贴片层的尺寸略小于所述中间微带贴片层。
7.如权利要求6所述的多臂螺旋阵列结构，其特征在于，
稀疏阵天线阵列与同面积同等单元间距的满阵相比，其稀疏比k由下式决定：
k＝1-337/n (1)
其中，n为同面积同单元间距的满阵单元数目；[]为取整符号；a为六边形阵列模块的边长；d为阵列单元间距；
相控阵天线单元尺寸通过以下公式决定：
其中，d为天线单元间距；λ为中心频率对应的波长；θm为相控阵天线对应的扫描角度。
8.如权利要求7所述的多臂螺旋阵列结构，其特征在于，
线阵单元间距小于1个波长。
9.一种稀疏阵天线，其特征在于，包含若干个如权利要求1-8任意一项所述的多臂螺旋阵列模块，所述多臂螺旋阵列模块沿着垂直于模块边长的方向布置，2个以上所述多臂螺旋阵列模块边缘并列连接组成大规模天线阵。
10.如权利要求9所述的稀疏阵天线，其特征在于，其基于低温共烧陶瓷方法按照螺旋阵列结构的天线单元(11)中的顶部介质层(122)、中间介质层(123)、底部介质层(125)逐层加工并一体化压合成型。
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