CN111370860B

CN111370860B - 基于交指形阻性表面加载的强耦合超宽带相控阵天线

Info

Publication number: CN111370860B
Application number: CN202010161851.XA
Authority: CN
Inventors: 杨仕文; 柳俊彦; 陈益凯; 屈世伟; 胡俊
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2020-03-10
Filing date: 2020-03-10
Publication date: 2021-01-26
Anticipated expiration: 2040-03-10
Also published as: CN111370860A

Abstract

本发明公开了基于交指形阻性表面加载的强耦合超宽带相控阵天线及其研制方法。通过改进传统竖直型强耦合相控阵天线，在天线与反射地板之间加载一种交趾形阻性表面，拓宽天线工作频带。应用一种超宽带共面带线‑微带线馈电巴伦，与天线辐射贴片集成在同一天线介质基板上，结构简单，加工简便。天线上方印刷金属开口环超材料结构的介质匹配层，取代了传统纯介质宽角阻抗匹配层，质量更轻，厚度更薄。本发明结构简单稳固，易于加工，在f_L～10f_L频段内可达到E面60度扫描有源驻波小于2.5，H面60度扫描有源驻波小于3.6，并且天线整体高度小于0.65个高频波长，利用该设计的相控阵天线尤其适合需要超宽工作频带的应用平台。

Description

基于交指形阻性表面加载的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，特别涉及基于强互耦效应的超宽带相控阵天线及其研制方法。

背景技术

相控阵天线技术早在1925年就已被学者提出，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。传统相控阵天线为了满足大角度扫描，单元间距通常设计的很小，这一特点带来的互耦效应致使在天线设计中必须加入复杂的去耦合结构来保持天线的辐射特性，这使得天线的设计难度和制造成本大大增加。现如今传统超宽带相控阵技术已较为成熟，但是在有限的剖面高度内实现超过十个倍频程的工作带宽依然是相控阵设计的难点。例如现在广泛使用的渐变开槽天线(Vivaldi)形式等天线，虽然可以实现超宽带的阻抗匹配特性，但是依旧存在剖面高度过高、交叉极化较差等缺点，不利于相控阵天线的安装与共形。

现代电子技术及电子系统功能高度集成化的发展趋势对相控阵天线的研究也提出了新的需求，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，此种天线可以在具有较小的单元间距与较低的剖面高度的同时，实现超宽带的阻抗匹配特性。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

本发明的发明目的在于：针对竖直型强耦合天线工作带宽不够，剖面较高等问题，加载一种交指形阻性表面结构，加上超宽带的馈电匹配结构，实现具有较低的剖面高度，并且具有f_L-10f_L(十倍频程)超宽频带覆盖和E面、H面±60°宽角扫描的双极化低剖面超宽频带强耦合偶极子相控阵天线。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

提供基于交指形阻性表面加载的强耦合超宽带相控阵天线，该天线包含印刷在天线介质基板上的对拓偶极子辐射贴片与共面带线-微带线馈电巴伦、呈交叉排列的天线介质基板、寄生耦合贴片、加载在对拓偶极子辐射贴片和金属地板之间的交指形阻性表面、设置与天线介质基板垂直且位于其顶端的介质匹配层、设置与天线介质基板垂直且位于其底端的金属地板以及同轴馈电电缆，所述对拓偶极子辐射贴片与共面带线-微带线馈电巴伦集成于同一块天线介质基板上，其中共面带线-微带线馈电巴伦包括通过共面带线与拓偶极子辐射贴片相连的第一部分以及设置在天线介质基板另一面的第二部分，位于天线介质基板两面的馈电巴伦之间，设计有一系列金属化过孔相互连接。

进一步的，所述对拓偶极子辐射贴片及共面带线-微带线馈电巴伦包括两种不同的极化方向，分别印刷在交叉排列的天线介质基板上。所述交叉排列的天线介质基板包括沿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，两种不同极化方向的天线介质基板在印刷对拓偶极子天线单元末端的结构各不相同，分别设置不同的矩形安装槽相互交叉安装。

进一步的，所述耦合贴片垂直与天线介质基板垂直设置，紧贴于两种极化方向天线介质基板交叉处。所述寄生耦合贴片包括印刷于耦合贴片介质基板面向竖直对拓偶极子一面的三角形金属贴片以及印刷于耦合贴片介质基板另一面的覆盖整个耦合贴片介质基板的矩形金属贴片，三角形金属贴片分别与紧贴的对拓偶极子辐射贴片有电连接，以焊接形式相互连接固定。

进一步的，所述交指形阻性表面由电阻性材料印刷于阻性表面介质基板上，阻性表面介质基板上设置有两个垂直的矩形安装槽，交指形阻性表面垂直于天线介质基板设置于对拓偶极子辐射贴片与金属地板之间，两种不同极化方向的天线介质基板分别穿过阻性材料介质基板上设置的矩形安装槽。

进一步的，所述金属地板上设置圆柱通孔和安装槽，金属地板垂直于天线介质基板并设置在其底端，两种极化方向的天线介质基板分别安装在金属地板的安装槽内，同轴电缆穿过圆柱形通孔与天线介质基板末端馈电巴伦电连接，以焊接的方式固定。

进一步的，所述的介质匹配层包括介质层和印刷在介质层上的周期金属开口环超材料结构，介质匹配层平行于金属地板设置在天线介质基板顶端。

综上所述，本发明的有益效果为：本发明提供的双极化超宽带强耦合对拓偶极子相控阵天线加载了一种交指形式的阻性表面，通过阻性表面的菱形排布为两种不同极化方向的天线单元提供完全一致的电磁特性，并在很宽的频带内优化了天线单元的阻抗匹配特性，达到了超过十倍频程的工作带宽，并能兼顾大角度扫描；同时，这种交指形的阻性表面的加载在拓宽工作频带的同时没有增加天线的剖面高度，带来了同等天线剖面下更宽带的阻抗匹配效果；本发明应用了一种超宽带的共面带线-微带线传输线形式馈电巴伦，与强耦合对拓偶极子天线集成在一层介质基板上，加工简单，安装便利，也有利于天线后端模块的集成与拓展。

附图说明

图1为所提供的基于交指形阻性表面加载的强耦合超宽带相控阵天线单元示意图。其中，100为对拓偶极子辐射贴片，104为天线介质基板。2为寄生耦合贴片，3为交指形阻性表面。4为介质匹配层，5为天线金属地板，6为微波同轴接头。

图2为所提供的印刷在天线介质基板两面的为对拓偶极子辐射贴片以及超宽带共面带线-微带线巴伦剖面示意图。101为设置在偶极子辐射贴片中间的寄生金属条带，提高天线的辐射效率，102为印刷在天线介质基板两侧的超宽带共面带线-微带线巴伦，103为连接天线巴伦两部分的金属化过孔。对于不同极化方向的天线介质基板，分别设置了不同的矩形安装槽用于天线安装。

图3为所提供的寄生耦合贴片结构俯视图，201为上层三角形金属贴片，202为耦合贴片介质基板。

图4为所提供的交指形阻性表面结构俯视图，301为电阻性材料，302为阻性表面介质基板。

图5为所提供的介质匹配层结构俯视图，401为介质层，402为周期金属开口环超材料结构。

图6为图1双极化单元其中一个端口E面0-45度扫描驻波情况。

图7为图1双极化单元其中一个端口H面0-45度扫描驻波情况。

图8为实例中单元12X12组阵后，频率10f_L处0度、60度方位面和俯仰面的扫描方向图及交叉极化情况。

图9为实例中单元12X12组阵后，频率5f_L处0度、60度方位面和俯仰面的扫描方向图及交叉极化情况。

图10为实例中单元12X12组阵后，频率f_L处0度、60度方位面和俯仰面的扫描方向图及交叉极化情况。

具体实施方式

如图1以及图2所示，本实施例基于强互耦效应的竖直型对拓偶极子相控阵天线，由印刷在同一天线介质基板的对拓偶极子辐射贴片100与超宽带共面带线-微带线馈电巴伦102、呈交叉排列的天线介质基板104、紧贴于不同极化对拓偶极子辐射贴片交叉处的寄生耦合贴片2、加载于对拓偶极子辐射贴片与金属地板之间的交指形阻性表面3、垂直于天线介质基板且设置于其顶端的介质匹配层4、垂直于天线介质基板且设置于其底端的金属地板5以及同轴馈电电缆6构成。

所述天线介质基板104采用FR4，介电常数4.4。需要注意的是，天线辐射贴片两臂与共面带线连接处设置为过渡结构，优化了天线的阻抗特性，并且为了提高天线辐射效率在对拓极子辐射贴片中间设置了金属条带结构101；所述超宽带共面带线-微带线馈电巴伦102通过场变换的形式将共面带线的平衡馈电转换成微带线的不平衡馈电，并实现阻抗由120欧姆到50欧姆的变换，以实现馈电同轴与天线之间的匹配，馈电巴伦位于天线介质基板两面的部分分别由一组金属化过孔103连接。为了实现不同极化方向天线单元的共孔径交叉放置，不同极化的天线介质基板如图2所示设置不同的矩形安装槽，X极化的天线介质基板插接在Y极化的天线介质基板上，两种天线介质基板分别穿过阻性表面介质基板302上的矩形安装槽，安装在天线金属地板的安装槽内，天线金属地板分别为两个极化的天线设置了圆柱通孔，微波同轴电缆穿过圆柱通孔与天线巴伦末端连接，实现天线的馈电。

所述寄生耦合贴片2俯视图如图3所示，由四块三角形金属贴片中心对称印刷在材料为FR4，介电常数4.4的正方形耦合贴片介质基板上，介质基板的下面全部由金属覆盖。寄生耦合贴片如图1所示紧贴在两个不同极化天线介质基板交叉处，且与紧贴的对拓极子辐射贴片电连接，以焊接的方式连接固定。

所述交指形阻性表面3俯视图如图4所示，采用25Ω/square电阻性材料301印刷在材料为FR4，介电常数4.4的阻性表面介质基板302上。

所述的介质匹配层4由材料为FR4，介电常数4.4的介质层401和印刷在介质基板上的周期金属开口环超材料结构402组成，周期金属开口环超材料结构的设置缩减了介质匹配层的厚度，减小了天线的剖面高度和总质量。

天线整体高度为0.65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0.41波长。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

图6-7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2.5的情况下，本实例的基于交指形阻性表面加载的强耦合超宽带相控阵天线单元在E面60度扫描范围内具有超过十倍频程的阻抗带宽，在驻波比要求小于3.6的情况下H面60度扫描范围内具有超过十倍频程的阻抗带宽。(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6给出了本实施例所提供的天线单元组成12X12面阵，在频率10f_L处0度以及60度扫描的情况下的主极化与交叉极化情况。从图中可见，本实施例的基于交指形阻性表面加载的强耦合超宽带相控阵天线具有30dB以上的交叉极化特性。并且该阵列主极化可达到23dB，主副瓣比可达到13dB以上。

图7给出了本实施例所提供的天线单元组成12X12面阵，在频率5f_L处0度以及60度扫描的情况下的主极化与交叉极化情况。从图中可见，本实施例的基于交指形阻性表面加载的强耦合超宽带相控阵天线具有30dB以上的交叉极化特性。并且该阵列主极化可达到18dB，主副瓣比可达到13dB以上。

图8给出了本实施例所提供的天线单元组成12X12面阵，在频率f_L处0度以及60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。

以上所述，仅为本发明的多个实施例，应该理解他们只是以一种示例形式被提出，并无限制性。本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征或步骤以外，均可以任何方式组合。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims

1.基于交指形阻性表面加载的强耦合超宽带相控阵天线，其特征在于，该天线结构包括了交叉排列的天线介质基板、印刷在天线介质基板上的耳朵形状的双极化对拓偶极子天线单元、加载于天线辐射单元与金属地板之间的交趾形阻性表面、设置于天线介质基板顶端且与天线介质基板垂直放置的介质匹配层以及设置于天线介质基板底端且与天线介质基板垂直放置的金属地板，所述耳朵形状的双极化偶极子天线单元包括印刷在单层天线介质基板上的对拓偶极子辐射贴片、与辐射贴片集成在同一介质基板的超宽带共面带线-微带线馈电巴伦以及寄生耦合贴片，耳朵形状的偶极子天线通过一段弧形过渡形状与共面带线-微带线馈电巴伦连接，偶极子天线上方设置了三个自下而上渐长的矩形金属条带；所述交趾形阻性表面，由电阻性材料印刷于阻性表面介质基板上，印刷矩形环倾斜45度周期排布，矩形环周期之间以交趾形相连，为两种不同极化方向的天线提供完全一致的能量吸收特性，且优化天线的阻抗匹配特性。

2.根据权利要求1所述的基于交指形阻性表面加载的强耦合超宽带相控阵天线，其特征在于辐射贴片两臂渐变到共面带线的结构优化了天线的阻抗特性；在辐射贴片中间印刷了金属条带，提高天线的辐射效率；印刷在耦合贴片介质基板上的三角形耦合贴片与交叉排列对拓偶极子辐射贴片的末端紧密连接，增强天线单元之间的耦合，拓展了低频的工作带宽。

3.根据权利要求1所述的基于交指形阻性表面加载的强耦合超宽带相控阵天线，其特征在于共面带线-微带线馈电巴伦与对拓偶极子辐射贴片印刷在同一天线介质基板上，馈电巴伦的两部分分别印刷在介质板两面，由一系列金属化过孔相互连接。

4.根据权利要求1所述的基于交指形阻性表面加载的强耦合超宽带相控阵天线，其特征在于所述介质匹配层包括设置于天线介质基板之上的介质层及印刷于介质层上的金属开口环形超材料结构；该结构减小了宽角阻抗匹配层基板的介质厚度，降低天线的剖面高度，并且优化了天线的阻抗匹配。