CN110838614B - 一种低剖面双极化宽角度扫描平板相控阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微波天线技术领域，具体涉及一种低剖面双极化宽角度扫描平板相控阵天线，包括自上而下依次设置的介质基板和地板，所述介质基板的上表面均匀设置有多个单元天线，所述单元天线包括由内而外依次设置的圆形贴片、圆环贴片和方环形贴片，所述圆形贴片内设置有圆形贴片加载缝隙，所述圆环贴片内设置有圆环贴片加载缝隙，所述单元天线还包括第一激励探针、第二激励探针、第三激励探针和方环形短路探针阵列。本发明每个单元天线能够同时激励起圆形贴片的TM₁₁模式和圆环贴片的TM₂₁模式形成宽辐射波束宽度，并且在阵列单元间引入降耦结构以降低阵列间的耦合从而避免扫描盲点的出现，可用于机载雷达、车载雷达、舰载雷达以及电子对抗等领域中。

Description

一种低剖面双极化宽角度扫描平板相控阵天线

技术领域

本发明涉及微波天线技术领域，具体涉及一种低剖面双极化宽角度扫描平板相控阵天线。

背景技术

阵列天线能够通过电磁波在空间中的干涉作用形成单元天线所辐射方向图的叠加进而达成高方向性的效果，然而高方向性的代价是波数覆盖范围的减小。为了提升阵列天线的波束覆盖，机械转动辅助扫描的方式早期被采用，这种扫描机制往往受限于机械转动的速度与精度。二十世纪六十年代以来，随着集成电路与半导体技术的发展，相控阵天线逐渐引起研究者们的注意，其能够实现高精度的实时扫描波束切换。平板相控阵天线是一种具有低剖面、低成本以及易于安装集成等优点的相控阵天线，在现代军事与民用应用中具有突出的应用前景。然而限制平板相控阵天线应用的一大难题是其较窄的波束扫描范围，这主要是由于阵列单元天线一般具有较窄的波束宽度所造成的，因此实现宽角扫描平板相控阵天线的关键技术在于扩展单元天线的波束宽度。

为了解决这一问题，表面波辅助技术、镜像原理以及方向图可重构技术等方法被引入到阵列单元的设计中以提高其辐射波束宽度，进而实现宽角扫描相控阵天线的设计。其中，方向图可重构技术是一种较好的设计方法，其能够使得相控阵天线在宽角扫描过程中具有较高的增益和较低的旁瓣电平。文献“A Wide-Angle Scanning Planar PhasedArray with Pattern Reconfigurable Magnetic Current Element， (Xiao Ding, You-Feng Cheng， Wei Shao， Hua Li， Bing-Zhong Wang and E. Anagnostou Dimitris，IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2017，65(3): 1434–1439)”通过将八木原理与镜像原理相结合并采用可重构技术设计了一款宽角度扫描相控阵天线。所设计的天线能够在E面内实现-75° ~ +75°的主波束扫描范围，并且具有较高的增益平坦度（增益波动小于±0.75 dB）。然而，该设计的弊端是相控阵天线需要极其复杂的偏置网络与馈电网络，因而具有很高的设计复杂度，在很多实际应用中并不适用。

近年来，贴片模式技术被应用于宽角度扫描相控阵天线的设计。文献“A Wide-Angle Scanning Phased Array with Microstrip Patch Mode ReconfigurationTechnique，(Xiao Ding, You-Feng Cheng，Wei Shao and Bing-Zhong Wang，IEEETransactions on Antennas and Propagation，2017，65(9): 4548–4555)”通过可重构技术可以实现贴片模式TM₀₁模式与TM₂₀的切换，进而提出了一种具有宽角度扫描特性的平板相控阵天线。该天线可以实现±75°范围内的主波束扫描，并且增益波动小于±1 dB。然而，该天线所重构出的两个模式之间具有不同的电场极化，因而在宽角度扫描内的极化问题会影响其在实际应用中的可行性。

从上述分析中可以看出，可重构贴片模式技术的研究在宽角度扫描平板相控阵天线的设计中具有非常重要的意义与价值，但需要解决好宽角扫描过程中的极化问题，以及避免使用复杂的馈电网络与直流偏置电路，因此，本发明提高一种基于TM₁₁和TM₂₁混合模式的低剖面双极化宽角度扫描平板相控阵天线。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于TM₁₁和TM₂₁混合模式的低剖面双极化宽角度扫描平板相控阵天线，由5×5个单元天线组成，每个单元天线能够同时激励起圆形微带贴片的TM₁₁模式和圆环微带贴片的TM₂₁模式形成宽辐射波束宽度，并且在阵列单元间引入降耦结构以降低阵列间的耦合从而避免扫描盲点的出现。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种低剖面双极化宽角度扫描平板相控阵天线，包括自上而下依次设置的介质基板和地板，所述介质基板的上表面均匀设置有多个单元天线，所述单元天线包括由内而外依次设置的圆形贴片、圆环贴片和方环形贴片，所述圆形贴片内设置有圆形贴片加载缝隙，所述圆环贴片内设置有圆环贴片加载缝隙，所述单元天线还包括第一激励探针、第二激励探针、第三激励探针和方环形短路探针阵列，所述第一激励探针、第二激励探针的顶部分别依次穿过地板、介质基板，并与圆形贴片连接，所述第三激励探针的顶部分别依次穿过地板、介质基板，并与圆环贴片连接，所述方环形短路探针阵列与方环形贴片对应设置，方环形短路探针阵列的两端分别与地板、方环形贴片连接。

进一步地，所述圆形贴片加载缝隙包括多个U型加载缝隙和多个弧形加载缝隙，所述U型加载缝隙、弧形加载缝隙依次交替、首尾相连、闭合成环设置。

进一步地，所述弧形加载缝隙位于同一圆周上。

进一步地，所述圆形贴片加载缝隙包括四个U型加载缝隙和四个弧形加载缝隙。

进一步地，所述圆环贴片加载缝隙包括多个第一矩形加载缝隙组和多个第二矩形加载缝隙组，所述第一矩形加载缝隙组包括多个第一矩形加载缝隙，且第一加载缝隙组与弧形加载缝隙对应设置，所述第二矩形加载缝隙组包括多个第二矩形加载缝隙，且第二加载缝隙组与U型加载缝隙对应设置。

进一步地，所述第一矩形加载缝隙组包括四个第一矩形加载缝隙A和一个第一矩形加载缝隙B，所述第一矩形加载缝隙A与第一矩形加载缝隙B平行设置，且第一矩形加载缝隙A对称设置在第一矩形加载缝隙B的两侧。

进一步地，所述第二矩形加载缝隙组包括两个第二矩形加载缝隙，所述第二矩形加载缝隙的延长线经过U型加载缝隙。

进一步地，所述单元天线呈阵列排布设置，单元天线与方环形贴片一一对应设置，且所述方环形贴片构成方环形贴片网。

进一步地，所述介质基板的上表面设置有5×5个单元天线。

进一步地，所述方环形短路探针阵列包括多个圆柱探针。

进一步地，单元天线通过3个SMA接头探针（3个SMA接头探针分别为第一激励探针、第二激励探针、第三激励探针）馈电，第一激励探针、第二激励探针用于激励起圆形贴片上的相互垂直的两个TM₁₁模式，第三激励探针用于激励起圆环贴片上的TM₂₁模式。

进一步地，在地板上对应第一激励探针、第二激励探针、和第三激励探针的圆心处分别刻蚀了一个圆形缝隙，所述圆形缝隙用于对激励探针和地板进行隔离。

在工作过程中，当第三激励探针激励，而第一激励探针、第二激励探针同时接匹配负载时，单元天线在yoz平面辐射出心形方向图，记录为模式1；当第二激励探针激励，而第一激励探针、第三激励探针同时接匹配负载时，单元天线在xoz平面辐射出心形方向图，记录为模式2；当第一激励探针激励，而第二激励探针、第三激励探针同时接匹配负载时，单元天线辐射出侧射方向图，记录为模式3。并且，模式1与模式2的极化方向相互垂直，模式1与模式3在xoz平面内的电场极化方向相同，模式1与模式2在yoz平面内的电场极化方向相同，因此模式1分别与模式2、模式3相结合时，不会出现计划不同的情况；所述相控阵天线的所有单元天线工作在模式1时能实现yoz平面内-45° ~ +45°范围内的宽角度扫描，所有单元天线工作在模式2时能实现xoz平面内-45° ~ +45°范围内的宽角度扫描，所有单元天线工作在模式3时能实现xoz平面和yoz平面内-63° ~ 0°以及0° ~ +63°范围内的宽角度扫描。因此，结合模式1和3最终可以实现yoz平面内-63° ~ +63°范围内的宽角度扫描，结合模式2和3最终可以实现xoz平面内-63° ~ +63°范围内的宽角度扫描，且两个平面内的扫描方向图的极化相互垂直实现双极化。仿真结果表明，所述相控阵天线在xoz平面和yoz平面内的主播束覆盖范围为±63°，扫描范围内的天线增益为14.7 ~ 17.7 dBi，增益波动小于3dB。

本发明的有益效果是：

（1）本发明提出了一种新型的混合模式宽波束单元天线，该天线能够结合圆环贴片的TM₂₁模式和圆形贴片的TM₁₁模式，实现天线远场辐射方向图波束宽度的拓展；

（2）本发明所提出的宽波束单元天线能够通过切换馈电端口实现双极化可重构，并且在不同的极化下能够实现极化电场所在平面内宽波束性能的切换；

（3）本发明最终实现了基于上述极化可重构宽波束单元天线的5×5双极化宽角度扫描相控阵天线，可以实现双平面内不同极化条件下±63°范围内的波束扫描，并且扫描范围内的天线增益为14.7 ~ 17.7 dBi，增益波动小于3dB。通过本发明的实施，能有效机载雷达、车载雷达、舰载雷达以及电子对抗等应用中天线的性能。

附图说明

图1为本发明相控阵天线的俯视图；

图2为本发明单元天线和降耦结构的俯视图；

图3为本发明单元天线和降耦结构的侧视图；

图4为本发明单元天线和降耦结构的仰视图；

图5为相控阵天线的单元天线在不同端口激励条件下仿真得到的S参数；

图6为相控阵天线的单元天线工作在模式2时4.6 GHz频率处xoz平面内仿真得到的辐射方向图；

图7为相控阵天线的单元天线工作在模式3时4.6 GHz频率处xoz平面内仿真得到的辐射方向图；

图8为相控阵天线工作在模式2和模式3时在扫描范围内仿真得到的有源反射系数；

图9为相控阵天线工作在模式2时4.6 GHz频率处仿真得到的阵列辐射方向图；

图10为相控阵天线工作在模式3时4.6 GHz频率处仿真得到的阵列辐射方向图；

图中，1-介质基板，2-单元天线，3-地板，4-圆形贴片，5-圆环贴片，6-方环形贴片，7-U型加载缝隙，8-弧形加载缝隙，9-第一激励探针，10-第二激励探针，11-第三激励探针，12-方环形短路探针阵列，13-第一矩形加载缝隙A，14-第一矩形加载缝隙B，15-第二矩形加载缝隙。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1~图4所示，一种低剖面双极化宽角度扫描平板相控阵天线，包括自上而下依次设置的介质基板1和地板3，所述介质基板1的上表面均匀设置有多个单元天线2，所述单元天线2包括由内而外依次设置的圆形贴片4、圆环贴片5和方环形贴片6，所述圆形贴片4内设置有圆形贴片加载缝隙，所述圆环贴片5内设置有圆环贴片加载缝隙，所述单元天线2还包括第一激励探针9、第二激励探针10、第三激励探针11和方环形短路探针阵列12，所述第一激励探针9、第二激励探针10的顶部分别依次穿过地板3、介质基板1，并与圆形贴片4连接，所述第三激励探针11的顶部分别依次穿过地板3、介质基板1，并与圆环贴片5连接，所述方环形短路探针阵列12与方环形贴片6对应设置，方环形短路探针阵列12的两端分别与地板3、方环形贴片6连接。圆环贴片5上能够激励起TM₂₁谐振模式，圆形贴片4上能够激励起TM₁₁谐振模式，圆环贴片加载缝隙的作用是调节圆环贴片5上所激励起的TM₂₁谐振模式的工作频率，圆形贴片加载缝隙的作用是调节圆形贴片4上所激励起的TM₁₁谐振模式的工作频率，圆形短路探针阵列12的作用是提升上述TM₁₁模式与TM₂₁模式之间的隔离度，方环形贴片6与方环形短路探针阵列12的作用是降低阵列单元间的互耦效应。第一激励探针9和第二激励探针10分别能够激励起圆形贴片4上极化方向相互垂直的两个TM₁₁模式，第三激励探针11能够激励起圆环贴片5上的TM₂₁模式。

具体地，所述圆形贴片加载缝隙包括多个U型加载缝隙7和多个弧形加载缝隙8，所述U型加载缝隙7、弧形加载缝隙8依次交替、首尾相连、闭合成环设置。

具体地，所述弧形加载缝隙8位于同一圆周上。优选地，所述U型加载缝隙7的开口背离弧形加载缝隙8的圆心。

具体地，所述圆形贴片加载缝隙7包括四个U型加载缝隙7和四个弧形加载缝隙8。

具体地，所述圆环贴片加载缝隙包括多个第一矩形加载缝隙组和多个第二矩形加载缝隙组，所述第一矩形加载缝隙组包括多个第一矩形加载缝隙，且第一加载缝隙组与弧形加载缝隙8对应设置，所述第二矩形加载缝隙组包括多个第二矩形加载缝隙15，且第二加载缝隙组与U型加载缝隙7对应设置。

具体地，所述第一矩形加载缝隙组包括四个第一矩形加载缝隙A13和一个第一矩形加载缝隙B14，所述第一矩形加载缝隙A13与第一矩形加载缝隙B14平行设置，且第一矩形加载缝隙A13对称设置在第一矩形加载缝隙B14的两侧。

具体地，所述第二矩形加载缝隙组包括两个第二矩形加载缝隙15，所述第二矩形加载缝隙15的延长线经过U型加载缝隙7。

具体地，所述单元天线2呈阵列排布设置，单元天线2与方环形贴片6一一对应设置，且所述方环形贴片6构成方环形贴片网，即方环形贴片网以一个方环形贴片6为基本单元，构成均匀设置的方环形贴片网，而一个方环形贴片6内由内而外依次设置有一个圆形贴片4和一个圆环贴片5。

具体地，所述介质基板1的上表面设置有5×5个单元天线2。

具体地，所述方环形短路探针阵列12包括多个圆柱探针。

具体地，单元天线2通过3个SMA接头探针（3个SMA接头探针分别为第一激励探针9、第二激励探针10、第三激励探针11）馈电，第一激励探针9、第二激励探针10用于激励起圆形贴片4上的相互垂直的两个TM₁₁模式，第三激励探针11用于激励起圆环贴片5上的TM₂₁模式。

具体地，在地板3上对应第一激励探针9、第二激励探针10、和第三激励探针11的位置分别刻蚀了一个圆形缝隙，所述圆形缝隙用于对激励探针和地板3进行隔离。

使用时，当第三激励探针11激励，而第一激励探针9、第二激励探针10同时接匹配负载时，单元天线2在yoz平面辐射出心形方向图，记录为模式1；当第二激励探针10激励，而第一激励探针9、第三激励探针11同时接匹配负载时，单元天线在xoz平面辐射出心形方向图，记录为模式2；当第一激励探针9激励，而第二激励探针10、第三激励探针11同时接匹配负载时，单元天线2辐射出侧射方向图，记录为模式3；并且，模式1与模式2的极化方向相互垂直，模式1与模式3在xoz平面内的电场极化方向相同，模式1与模式2在yoz平面内的电场极化方向相同，因此模式1分别与模式2、模式3相结合时，不会出现计划不同的情况；所述相控阵天线的所有单元天线工作在模式1时能实现yoz平面内-45° ~ +45°范围内的宽角度扫描，所有单元天线工作在模式2时能实现xoz平面内-45° ~ +45°范围内的宽角度扫描，所有单元天线工作在模式3时能实现xoz平面和yoz平面内-63° ~ 0°以及0° ~ +63°范围内的宽角度扫描；因此，结合模式1和3最终可以实现yoz平面内-63° ~ +63°范围内的宽角度扫描，结合模式2和3最终可以实现xoz平面内-63° ~ +63°范围内的宽角度扫描，且两个平面内的扫描方向图的极化相互垂直实现双极化；仿真结果表明，所述相控阵天线在xoz平面和yoz平面内的主播束覆盖范围为±63°，扫描范围内的天线增益为14.7 ~ 17.7 dBi，增益波动小于3dB。

试验例

将本发明的相控阵天线进行试验检测，检测结果如图5~10所示，其中，

图5是本试验例中低剖面双极化宽角度扫描平板相控阵天线中的单元天线分别在模式1、2、3的S参数；从图中可以看出，所述单元天线工作在三个模式时能够共同谐振在4.6GHz，并且三个端口间的隔离度都高于30 dB。

图6是本试验例中低剖面双极化宽角度扫描平板相控阵天线中的单元天线工作在模式2时4.5 GHz处的仿真辐射方向图，图7是本试验例中低剖面双极化宽角度扫描平板相控阵天线中的单元天线工作在模式3时4.5 GHz处的仿真辐射方向图，从图中可以看出，所述单元天线的模式2能够在xoz平面辐射出侧射方向图，模式3能够在xoz平面辐射出心形方向图，并且两个方向图的极化方向相同。由于模式1和2具有旋转对称性，因此只给出了模式2的辐射性能。

图8是本试验例中低剖面双极化宽角度扫描平板相控阵天线工作在模式2和模式3时在扫描范围内仿真得到的有源反射系数；从图中可以看出，在4.6 GH在处，相控阵天线在宽角度扫描范围内的有源反射系数始终低于-10 dB，这保证了相控阵天线在扫描范围内工作时无扫描盲点的出现。

图9是本试验例中低剖面双极化宽角度扫描平板相控阵天线工作在模式2时4.6GHz频率处仿真得到的阵列辐射方向图，图10是本试验例中低剖面双极化宽角度扫描平板相控阵天线工作在模式3时4.6 GHz频率处仿真得到的阵列辐射方向图；从图中可以看出，所述相控阵天线工作在模式1时，可以实现-45° ~ +45°范围内的波束扫描，所述相控阵天线工作在模式1时，可以实现-63° ~ -45°和+45° ~ +63°范围内的波束扫描相控阵天线可以实现±63°范围内的波束扫描，并且扫描范围内的天线增益为14.7 ~ 17.7 dBi，增益波动小于3dB。根据模式2与模式3的旋转对称性，可以推测所述相控阵天线能够实现双平面内不同极化条件下±63°范围内的波束扫描。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种低剖面双极化宽角度扫描平板相控阵天线，其特征在于，包括自上而下依次设置的介质基板和地板，所述介质基板的上表面设有多个单元天线，所述单元天线包括由内而外依次设置的圆形贴片、圆环贴片和方环形贴片，所述圆形贴片内设置有圆形贴片加载缝隙，所述圆环贴片内设置有圆环贴片加载缝隙，所述单元天线还包括第一激励探针、第二激励探针、第三激励探针、方环形短路探针阵列和圆形短路探针阵列，所述第一激励探针、第二激励探针的顶部分别依次穿过地板、介质基板，并与圆形贴片连接，所述第三激励探针的顶部依次穿过地板、介质基板，并与圆环贴片连接，所述方环形短路探针阵列与方环形贴片对应设置，方环形短路探针阵列的两端分别与地板和方环形贴片连接；所述圆形短路探针阵列与圆环贴片的内侧对应设置，圆形短路探针阵列的两端分别与地板和圆环贴片连接；

当第三激励探针激励，而第一激励探针、第二激励探针同时接匹配负载时，单元天线在yoz平面辐射出心形方向图，记录为模式1；当第二激励探针激励，而第一激励探针、第三激励探针同时接匹配负载时，单元天线在xoz平面辐射出心形方向图，记录为模式2；当第一激励探针激励，而第二激励探针、第三激励探针同时接匹配负载时，单元天线辐射出侧射方向图，记录为模式3；

模式1与模式2的极化方向相互垂直，结合模式1和模式3能实现yoz平面内的角度扫描，结合模式2和模式3能实现xoz平面内的角度扫描，且两个平面内的扫描方向图的极化相互垂直，实现双极化；

工作过程中，第一激励探针、第二激励探针和第三激励探针只有其中任一个激励探针激励，另两个激励探针同时接匹配负载，从而使圆形贴片和圆环贴片并不同时馈电，实现圆形贴片和圆环贴片之间的隔离。

2.根据权利要求1所述的一种低剖面双极化宽角度扫描平板相控阵天线，其特征在于，所述圆形贴片加载缝隙包括多个U型加载缝隙和多个弧形加载缝隙，所述U型加载缝隙、弧形加载缝隙依次交替、首尾相连、闭合成环设置。

3.根据权利要求2所述的一种低剖面双极化宽角度扫描平板相控阵天线，其特征在于，所述弧形加载缝隙位于同一圆周上。

4.根据权利要求2所述的一种低剖面双极化宽角度扫描平板相控阵天线，其特征在于，所述圆形贴片加载缝隙包括四个U型加载缝隙和四个弧形加载缝隙。

5.根据权利要求2所述的一种低剖面双极化宽角度扫描平板相控阵天线，其特征在于，所述圆环贴片加载缝隙包括多个第一矩形加载缝隙组和多个第二矩形加载缝隙组，所述第一矩形加载缝隙组包括多个第一矩形加载缝隙，且第一加载缝隙组与弧形加载缝隙对应设置，所述第二矩形加载缝隙组包括多个第二矩形加载缝隙，且第二加载缝隙组与U型加载缝隙对应设置。

6.根据权利要求5所述的一种低剖面双极化宽角度扫描平板相控阵天线，其特征在于，所述第一矩形加载缝隙组包括四个第一矩形加载缝隙A和一个第一矩形加载缝隙B，所述第一矩形加载缝隙A与第一矩形加载缝隙B平行设置，且第一矩形加载缝隙A对称设置在第一矩形加载缝隙B的两侧。

7.根据权利要求5所述的一种低剖面双极化宽角度扫描平板相控阵天线，其特征在于，所述第二矩形加载缝隙组包括两个第二矩形加载缝隙，所述第二矩形加载缝隙的延长线经过U型加载缝隙。

8.根据权利要求1所述的一种低剖面双极化宽角度扫描平板相控阵天线，其特征在于，所述单元天线呈阵列排布设置，所述方环形贴片构成方环形贴片网。

9.根据权利要求8所述的一种低剖面双极化宽角度扫描平板相控阵天线，其特征在于，所述介质基板的上表面设置有5×5个单元天线。

10.根据权利要求1所述的一种低剖面双极化宽角度扫描平板相控阵天线，其特征在于，所述方环形短路探针阵列包括多个圆柱探针。

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