CN112018525A - 一种低剖面双极化强耦合超宽带平面偶极子相控阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低剖面双极化强耦合超宽带平面偶极子相控阵天线及其研制方法。通过利用十字交叉偶极子结构，实现了在一个平面内放置两种辐射互相垂直的极化波的偶极子。天线上方放置的人工超材料阻抗匹配层取代传统介质匹配层，有效降低了剖面高度和天线整体质量，使得天线更易于加工和安装。阻性材料使用改善了整个频带内的驻波，同时拓展低频带宽，使天线拥有了更好的宽带特性。本发明在0.25‑2GHz(8:1)频带内E面±60°扫描H面±45°扫描有源驻波小于3，各方位面平均辐射效率高于70％，剖面高度仅为0.453个高频波长，适用于要求超宽带、双极化和低剖面的应用平台。

Description

一种低剖面双极化强耦合超宽带平面偶极子相控阵天线

技术领域

本发明属于天线工程技术、无限通信技术领域，具体涉及一种基于强互耦效应的超宽带相控阵天线、宽角扫描低剖面相控阵天线及其研制方法。

背景技术

在过去几十年时间里，拥有宽带、宽角扫描功能的相控阵天线在军事和商用领域受到越来越多的重视，被多用于卫星通讯和射电天文等系统中。传统的宽带相控阵天线实现方法，通常是先设计出比预期天线阵更宽带宽的天线单元，然后再根据扫描需求选择合适的布阵方式，并采取措施抑制或者减小单元之间的耦合，同时采用其他结构来补偿扫描所造成的阻抗适配。比如在单元之间放入隔板、栅栏、加大单元距离来抑制单元耦合，引入沟槽结构、寄生结构来补偿扫描所造成的阻抗失配。虽然这些技术可以一定程度上解决这些问题，但是无疑增大了天线的复杂程度和设计工作量。由传统的天线设计理论中栅瓣抑制条件，天线单元间距一味增大引入栅瓣，极大降低了天线的扫描能力。由此可见，传统超宽带相控阵实现所需设备量大，技术复杂，制造成本高，不易于调试和维护。

近些年，国际天线领域学者们提出了利用强耦合天线阵单元来实现宽带相控阵天线的新思路。该思路的理论基础最早可以追溯到1965年Wheeler提出的连续电流面理论。强互耦天线阵的设计思想有别于传统宽带天线阵，前者需要加大天线之间的耦合，将天线作为整体考虑；后者则需要抑制或者减小单元之间的互耦，天线阵是通过孤立单元的布阵实现。紧密排列的天线阵元相互强烈耦合，使得偶极子单元上的电流分布在很宽带宽范围内几乎恒定不变，使得天线可以工作在较宽带宽内。在专利号为US6512487的美国专利中，相邻偶极子单元的辐射臂通过交指结构相连，交指结构增加的容性电抗有效抵消地面的感性电抗加载，获得了较宽工作带宽。该方案中充当宽角扫描阻抗匹配层的介质板材具有与工作波长正比的厚度，因此有较高的剖面高度和较大的重量，不利于安装于一些复杂平台载体上，不易集成和轻量化。

在专利号为CN108539435的中国专利中，发明人提出了一种基于开槽天线及频率选择表面的宽带宽角扫描相控阵天线。这种天线也使用经典末端交指的形式提供较强的电容耦合，达到超宽带特性。同时利用多层频率选择表面，使该天线能扫描到一个很大角度。但是多层频率选择表面带来了剖面高度较高和多层介质板粘合问题，给安装和加工带来了较大难度。

在专利号为CN110011044A的中国专利中，发明人提出了一款超低剖面强耦合超宽带相控阵天线。该天线可以在3.3个倍频范围内实现E、H面±60°二维宽角扫描，剖面高度仅为高频波长的0.03倍。但是该天线所需的由磁介质作为介质基板的人工磁导体结构在工程上实现难度较大。

在专利号为CN109494464A的中国专利中，发明人提出了一款低交叉极化超宽带强耦合对拓偶极子相控阵天线。该天线通过改进传统竖直型强耦合相控阵天线，利用双层介质基板以及对拓偶极子结构克服了该类型天线固有的交叉极化差的特点。在馈电巴伦部分，设计有独特的金属通孔，用以抑制阵列高频段的谐振，并在一定程度上提高了阵列单元之间的隔离度。单开口的金属环形超材料宽角阻抗匹配层在一定程度上降低了剖面高度。但是该天线仍然为单极化，主要原因是竖直的天线在空间结构上比较难以实现两个天线互相垂直交叉放置而互相影响较小；同时天线和巴伦都竖立放置天然的使得剖面比平面放置的天线更高。

综上所述，针对越来越趋于功能高度集成化，复杂化的电子系统，展开具有新结构的宽带宽角扫描的相控阵天线研究具有非常重要的实际工程意义。本发明通过对人工超材料阻抗匹配层、阻性材料的应用，结构上使平面偶极子和巴伦垂直相连馈电，使得天线整体在竖直方向上高度不包括天线偶极子本身的宽度，极大地降低了天线整体剖面高度。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述问题，提出一种低剖面双极化强耦合超宽带平面偶极子相控阵天线。

为了实现该目的，本发明采用下述技术方案：一种基于十字交叉平面偶极子及人工超材料宽角匹配层宽带相控阵天线，包括最下方铝制金属地板、上下表面可印刷金属的介质基板、天线馈电巴伦、印有双开口金属谐振环介质基板；同轴接头内芯穿过下层金属地板上的开孔与微带线相连，天线馈电巴伦正负极与打印在介质表面的天线单元相连馈电，辐射天线和馈电巴伦互相垂直，巴伦馈电的同时起一定支撑的作用，不需要额外结构加以稳定。天线所在的介质基板正面打印十字交叉结构的平面偶极子辐射单元，在一个平面内实现双极化偶极子的放置；在介质基板的背面、十字交叉结构的正下方，打印一个金属圆形寄生贴片，用于加大天线之间的耦合，有效改善低频驻波，提高低频带宽。印刷所用介质基板均为超薄质量轻的材料，可以使得天线阵列整体质量轻且易于安装。在距离地板上一定距离的位置，放置有交指形状的电阻性材料，用以吸收地板反射的一部分辐射能力。地板为一整块铝板，起固定整个天线和反射能量的作用。

本发明具有的有益效果为：提出一款基于强耦合超宽带宽角扫描低剖面双极化相控阵天线。该天线能实现0.25-2GHz(8:1)频带范围内E面±60°扫描，H面±45°扫描，剖面高度为0.453个高频波长。天线采用十字交叉型的偶极子，可以在介质基板同一平面上同时容纳下两个彼此中心对称的偶极子，在尽量简单的结构中实现了双极化。同时交叉槽的部分和下面金属圆形寄生贴片引入大量容性电抗，偶极子之间的紧密耦合抵消随着频率变化地板产生的感性电抗，获得了较高的频带特性。平面偶极子辐射单元与天线馈电巴伦垂直放置，使得天线整体在竖直方向上减少了偶极子自身的宽度，极大减小了天线的剖面高度，同时不需要额外支撑结构能实现较稳固的安装。打印金属双开口谐振环的介质基板作用相当于人工超材料阻抗匹配层，用以取代传统厚重的介质匹配层，减轻天线重量的同时降低了剖面高度，有利于天线的轻量化和易共形。金属环形结构与平面偶极子形成新的寄生电容效应能有效抵消地板在低频段的强电感效应，有利于天线低剖面和超宽带的同时实现。交指形状的电阻性材料的应用，在保证全频段扫描各方向角平均辐射效率大于70％的情况下，实现整个频段内驻波的降低和带宽拓展。本天线使用的馈电巴伦、平面偶极子辐射单元、双开口金属谐振环均印刷在介质薄板上，加工容易，成本较低，组装方便，整体重量轻并且结构稳固。

附图说明

图1为所提供的强耦合超宽带宽角扫描低剖面相控阵单元示意图。其中，100为铝制金属地板，101为天线馈电巴伦，102为十字交叉平面偶极子辐射单元，103为十字交叉结构正下方放置的金属圆形寄生贴片，104为打印偶极子和圆形金属贴片的介质基板，105为打印双开口金属谐振环的介质基板，106为双开口金属谐振环，107为电阻性材料。

图2为图1单元组成的16×16的面阵。

图3为图1单元的正面示意图(垂直方向结构和巴伦结构更加清晰)。

图4为图1所示单元仿真E面0-60°扫描驻波情况。

图5为图1所示单元仿真H面0-45°扫描驻波情况。

图6为图2所示天线在无限大周期环境中仿真2GHz时，扫描E面0°、60°时的辐射方向图。

图7为图2所示天线在无限大周期环境中仿真1GHz时，扫描E面0°、60°时的辐射方向图。

图8为图2所示天线在无限大周期环境中仿真0.25GHz时，扫描E面0°、60°时的辐射方向图。

图9为图2所示天线在无限大周期环境中仿真2GHz时，扫描H面0°、45°时的辐射方向图。

图10为图2所示天线在无限大周期环境中仿真1GHz时，扫描H面0°、45°时的辐射方向图。

图11为图2所示天线在无限大周期环境中仿真0.25GHz时，扫描H面0°、45°时的辐射方向图。

图12为天线在0.25-2GHz频带内，天线侧射时，主极化与交叉极化增益对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的，技术方案和有点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步的详细描述。

本实施例的强耦合超宽带宽角扫描低剖面平面偶极子相控阵天线采用16×16的平面阵列形式，如图2所示。其基本天线单元如图1所示。最下层铝制金属地板100起固定和支撑的作用，同时可以反射天线向后辐射的能量，增加天线的增益和定向性。竖行介质基板101为天线馈电巴伦，起阻抗变换和非平衡-平衡的电流转换的作用，其前后表面印刷有矩形和梯形组合的金属贴片，组合成微带线巴伦。地板在特定地方打孔，同轴内芯穿过孔洞与巴伦金属贴片相连进行馈电。102为十字交叉平面偶极子辐射单元，中心对称十字交叉的两个偶极子双臂分别对应两个互相垂直的线极化方式。偶极子以印刷的方式打印在介质基板104上。在偶极子十字交叉槽的下方，介质基板104的背面，打印有圆形的金属圆形寄生贴片103。金属贴片极大的增加了偶极子之间的耦合，这是强耦合天线带宽的主要来源。与天线基板紧密放置的介质基板105上打印有双开口金属谐振环106，所构成的人工超材料宽角阻抗匹配层作用类似于传统的介质宽角扫描匹配层，但是比传统介质匹配层更薄，质量更轻。所用打印介质基板101、104材质均采用Rogers5880，介电常数2.2；打印双开口金属谐振环的介质基板材质为Arlon AD300A，介电常数3.0。用泡沫板材支撑的电阻性材料107放置于天线和地板之间，材质为ITO薄膜，用于吸收一部分来自地板反射的能量，有效改善天线的有源阻抗匹配情况，交指结构引入的寄生电容也能抵消一部分随着频率改变地板产生的电感，进一步拓展低频带宽。具体的，将每个基本天线单元向二维方面分别延伸，即可构成任意大小的平面阵列。图2为由该天线单元构成的16×16阵列。其他结构与图1中详细描述的相同。

为了更好的展示天线细节，图3为天线的正视图。可以清楚地看到天线在竖直方向的结构和巴伦的细节。

图4和图5分别给出了本发明中所述基本天线单元在不同扫描角度下E面、H面电压驻波比随频率变化的仿真结果。从图4图5中可以看出，在E面±60°扫描范围内和H面±45°扫描范围内，电压驻波比小于3的带宽范围为0.25-2GHz(8:1)。实现了天线的宽带宽角扫描。

图6给出天线在2GHz时，扫描E面0°、60°时的辐射方向图。从图中可见，本实施例的相控阵天线在2GHz时具有良好的交叉极化特性，且扫描过程中没有较大的增益损失。

图7给出天线在1GHz时，扫描E面0°、60°时的辐射方向图。从图中可见，本实施例的相控阵天线在1GHz时具有优良的交叉极化特性，且扫描过程中没有较大的增益损失。

图8给出天线在0.25GHz时，扫描E面0°、60°时的辐射方向图。从图中可见，本实施例的相控阵天线在0.25GHz时具有优良的交叉极化特性，且扫描过程中没有较大的增益损失。

图9给出天线在2GHz时，扫描H面0°、45°时的辐射方向图。从图中可见，本实施例的相控阵天线在2GHz时具有良好的交叉极化特性，且扫描过程中没有较大的增益损失。

图10给出天线在1GHz时，扫描H面0°、45°时的辐射方向图。从图中可见，本实施例的相控阵天线在1GHz时具有优良的交叉极化特性，且扫描过程中没有较大的增益损失。

图11给出天线在0.25GHz时，扫描H面0°、45°时的辐射方向图。从图中可见，本实施例的相控阵天线在0.25GHz时具有优良的交叉极化特性，且扫描过程中没有较大的增益损失。

图12给出天线在0.25-2GHz频带内，天线侧射时，主极化与交叉极化增益对比图。可以看出，本实施例中除去高频时交叉极化特性有些许恶化之外(小于20dB大于10dB)，其他频段均具有优良的交叉极化特性(大于25dB)

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种低剖面双极化强耦合超宽带平面偶极子相控阵天线，包括的结构有：双面打印的介质基板(104)，一面打印十字交叉平面偶极子辐射单元(102)，一面打印金属圆形寄生贴片(103)，天线馈电巴伦(101)、介质基板(105)、双开口金属谐振环(106)、电阻性材料(107)、铝制金属地板(100)；相互垂直放置的平面偶极子辐射单元(102)之间通过金属圆形寄生贴片(103)和十字槽之间耦合，实现超宽带特性；天线馈电巴伦(101)，采用介质基板双面打印电路，在一个较低剖面内实现同轴线端口到天线馈电端口的阻抗变换和电流非平衡-平衡的转换，且能有效抑制超宽带天线带内出现的共模谐振；平面偶极子和巴伦垂直相连接馈电，使得天线整体在竖直方向上高度不包括天线偶极子本身的宽度，极大地降低了天线整体剖面高度。

2.根据权利要求1所述的低剖面双极化平面强耦合超宽带平面偶极子相控阵天线，其特征在于交指状的电阻性材料(107)，电阻性材料一方面吸收来自地板的反射波，降低了辐射端口的阻抗变化剧烈程度，提高了整个工作频带内的匹配情况；另一方面，交指状结构产生的寄生电容，抵消了一部分地板产生电感，改善了天线的低频驻波，使得带宽进一步拓展。

3.根据权利要求1所述的低剖面双极化强耦合超宽带平面偶极子相控阵天线，其特征在于介质基板(105)及印刷在基板上的双开口金属谐振环(106)；周期性的双开口金属圆环结构，通过改变圆环的大小和开口的大小，能够在一定范围内提供独特的介电常数来取代其材料原本的介电常数，实现超宽带范围内宽角阻抗匹配；且独特的双开口金属圆环结构与平面偶极子形成新的寄生电容效应有利于抵消地板在低频段的强电感效应，进一步拓展天线的宽带特性，有利于天线低剖面和超宽带特性的同时实现。

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