CN112259959A - 低剖面宽带宽扫相控阵天线单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有低剖面宽带宽扫特性的相控阵天线单元，其基本结构包括微波多层混压板、金属背腔和同轴连接器。其中，微波多层混压板由顶层介质基板、中间层介质基板和底层介质基板混压而成；金属背腔置于微波多层混压板正下方，这两者采用粘合工艺形成一个整体；同轴连接器穿过金属背腔，并与底层介质基板上的微带馈线连接。金属背腔结构与多层贴片耦合方式的有机结合，有利于展宽天线单元的工作带宽，而且可以有效地降低剖面。本发明公开的天线单元剖面仅为4.5mm(约0.15λ0，λ0为中心频率波长)，工作频带可涵盖8～12GHz。此外，其还可满足方位面±45°、俯仰面±30°两维相扫需求。可见，本发明公开的天线单元适合于X波段瓦片式两维相控阵应用。

Description

低剖面宽带宽扫相控阵天线单元
技术领域
本发明属于相控阵天线技术领域，具体涉及一种具有低剖面宽带宽扫特性的相控阵天线单元，适用于X波段瓦片式两维相控阵。
背景技术
近年来，相控阵天线越来越广泛地应用于多种平台，如雷达、电子战、通信系统等。随着技术的不断革新发展，融合多功能一体的综合射频电子系统倍受青睐。综合射频系统是将不同频率的系统进行有效整合，因而适应于此的宽带宽扫两维相控阵成为了研究热点。然而，由于系统集成度的提高，对于微波前端尤其是相控阵天线的体积、重量也提出了严格的要求。可见，先进的相控阵天线，如瓦片式相控阵不仅应具有优良的电气性能(如宽带、两维宽扫等)，还必须满足机械结构要求(如低剖面、轻重量等)。
天线单元是组成相控阵天线的基本单元，其性能直接决定相控阵天线的整体性能。大量文献报道了宽带宽扫两维相控阵天线，采用的天线单元形式基本上是紧耦合偶极子、Vivaldi天线、对数周期天线等。但是，这些天线单元剖面高，且不易与有源模块集成。微带天线具有剖面低、易集成的优点，但是传统的微带天线带宽很窄，限制了其应用。当然，也有很多方法用来展宽微带天线的带宽，比如多层耦合馈电、缝隙耦合、背腔结构等，这些方法各有优缺点。
综上可见，需要研究适用于两维相控阵的高性能天线单元，该天线单元应具有宽频带、宽角扫描以及高效率等特性，还应具有低剖面、轻重量以及易集成、易加工等性能。
发明内容
要解决的技术问题
为了解决传统的真理天线采用微带天线而导致的带宽窄的问题，本发明将金属背腔结构与多层贴片耦合方式相结合，提出了一种具有低剖面宽带宽扫特性的相控阵天线单元。
技术方案
一种低剖面宽带宽扫相控阵天线单元，其特征在于：包括微波多层混压板、金属背腔和同轴连接器；所述的微波多层混压板由顶层介质基板、中间层介质基板和底层介质基板混压而成；所述的金属背腔置于微波多层混压板正下方，其中间为矩形腔体；所述的同轴连接器穿过金属背腔，并与底层介质基板上的微带馈线连接。
本发明技术方案更进一步的说：所述的顶层介质基板的上表面中间设有辐射贴片。
本发明技术方案更进一步的说：所述的中间层介质基板上表面中间设有耦合贴片，沿着耦合贴片的两侧对称设置寄生贴片。
本发明技术方案更进一步的说：所述的寄生贴片的尺寸为0.125λ0×0.125λ0，其中λ0为波长。
本发明技术方案更进一步的说：所述的底层介质基板上表面设有微带馈线和寄生馈线，微带馈线和寄生馈线成镜像设置。
本发明技术方案更进一步的说：微带馈线和寄生馈线的间隙尺寸为0.2～0.6mm。
本发明技术方案更进一步的说：所述的金属背腔与微波多层混压板通过粘接工艺形成一个结构整体，从而金属背腔中间设置的矩形腔体为盲腔。
本发明技术方案更进一步的说：所述的矩形腔体的深度为0.05λ0。
一种由上述的具有低剖面宽带宽扫特性的相控阵天线单元组成的平面阵列天线，其特征在于：所述的具有低剖面宽带宽扫特性的相控阵天线单元成8×8阵列排布。
有益效果
本发明提出的一种低剖面宽带宽扫相控阵天线单元，具有如下有益效果：
1、采用金属背腔结构与多层贴片耦合方式实现天线宽带性能，相对带宽达40％，覆盖X波段全频段(8～12GHz)；
2、采用寄生贴片和寄生馈线并结合微带天线特点，可实现两维宽角扫描性能；
3、低剖面低，仅为4.5mm(约0.15λ0，λ0为中心频率波长)，适合瓦片式阵列应用；
4、加工工艺成熟，批量一致性可保证。
附图说明
图1为本发明所述天线单元的结构爆炸视图；
图2为本发明所述天线单元的结构侧视图；
图3为本发明所述天线单元的顶层介质基板尺寸标注图；
图4为本发明所述天线单元的中间层介质基板尺寸标注图；
图5为本发明所述天线单元的底层介质基板尺寸标注图；
图6为本发明所述天线单元的金属背腔尺寸标注图；
图7为本发明所述天线单元组成的8×8平面阵列立体效果图；
图8为8×8平面阵列中心单元的有源驻波比仿真曲线；
图9为8×8平面阵列中心单元的方向图仿真曲线：(a)方位面；(b)俯仰面。
在附图和书面说明中，标号指示本发明的各个部件，在所有附图和整个书面说明中，相同的标号表示相同的部件。具体来说，以上图中标号解释为：1－顶层介质基板，2－中间层介质基板，3－底层介质基板，4－金属背腔，5－辐射贴片，6－耦合贴片，7－寄生贴片，8－微带馈线，9－寄生馈线，10－矩形腔体，11－同轴连接器。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本实施例是一种具有低剖面宽带宽扫特性的相控阵天线单元，其技术要求为：
a)工作频率：8～12GHz(中心频率10GHz，波长λ0为30mm)；
b)扫描范围：方位±45°(H面，x方向)、俯仰±30°(E面，y方向)两维相扫；
c)基本形式：低剖面平面结构单元。
根据工作频率及扫描范围要求，可以确定天线单元的最大外形尺寸，即阵列中的单元间距。参照以下公式：
Figure BDA0002730449300000041
式中：
λmin—最高工作频率对应波长，(mm)；
θmax—最大电扫描角，(°)。
按最高工作频率12GHz计算，则阵列中的天线单元H面间距14.5mm、E面间距17.5mm。从而，天线单元外形尺寸为14.5mm×17.5mm(x方向，y方向)。
参照图1和图2，本发明所述天线单元的组成由上而下依次为顶层介质基板1、中间层介质基板2、底层介质基板3、金属背腔4和同轴连接器11。其中，顶层介质基板1、中间层介质基板2和底层介质基板3均采用高性能Taconic TLY-5微波板材，厚度分别为1mm、1mm和0.5mm，三者通过PCB混压工艺技术形成微波多层混压板；金属背腔4置于微波多层混压板正下方，其中间为矩形腔体10，其与微波多层混压板通过粘接工艺形成一个结构整体；同轴连接器11穿过金属背腔4，并与底层介质基板3上的微带馈线8连接。此外，所述天线单元的外形尺寸为14.5mm×17.5mm×4.5mm(x方向，y方向，z方向)。
参照图3，辐射贴片5位于顶层介质基板1中央，尺寸为W1×L1(7.5mm×7.5mm)，约0.25λ0×0.25λ0。辐射贴片5谐振在低频段，是所述天线单元的主要辐射部分。
参照图4，耦合贴片6位于中间层介质基板2中央，尺寸为W2×L2(4.5mm×4.5mm)，约0.15λ0×0.15λ0。耦合贴片6谐振在高频段，将微带馈线8耦合馈入的能量再耦合到辐射贴片5进行空间辐射。此外，沿着耦合贴片6的两侧对称设置寄生贴片7，尺寸为W3×L3(3.7mm×3.7mm)，约0.125λ0×0.125λ0。耦合贴片6的设置有利于抑制表面波的影响。
参照图5，微带馈线8位于底层介质基板3，线宽Wf(1.2mm)、线长Lf(6.5mm)，主要作用是将输入信号以耦合馈电方式激励耦合贴片6。此外，与微带馈线8镜像设置寄生馈线9，且Wp＝Wf、Lp＝Lf，且两者的间隙尺寸为Dp(0.2～0.6mm，可调整)。寄生馈线9有利于减弱由微带馈线8所产生的寄生辐射对所述天线单元辐射方向图的影响。
参照图6，金属背腔4中央所开的矩形腔体10尺寸为WS×LS(10mm×10mm),深度H S(1.5mm，0.05λ0)。矩形腔体10作为空气腔，有利于通过降低天线Q值而增加所述天线单元的工作带宽。同轴连接器11穿过金属背腔4，与底层介质基板3上的微带馈线8连接。所提出的背馈方式结构简单，易于与T/R组件连接。
参照图7，以所述的天线单元为基本阵元进行组阵，得到8×8平面两维阵列天线。该平面阵可作为大规模两维相控阵的基本组成模块，具有可拓展性。由图8和图9仿真结果可见，在8～12GHz工作频段内，所述的天线单元位于阵中时，1)在要求的方位±45°、俯仰±30°范围内，有源驻波比小于3，具有良好的宽带匹配性能；2)阵中单元方位面与俯仰面方向图具有宽波束、低交叉极化性能。综上可见，本发明所公开的天线单元具有低剖面宽带宽扫特性，适合于X波段瓦片式两维相控阵应用。

Claims (9)

1.一种低剖面宽带宽扫相控阵天线单元，其特征在于：包括微波多层混压板、金属背腔(4)和同轴连接器(11)；所述的微波多层混压板由顶层介质基板(1)、中间层介质基板(2)和底层介质基板(3)混压而成；所述的金属背腔(4)置于微波多层混压板正下方，其中间为矩形腔体(10)；所述的同轴连接器(11)穿过金属背腔(4)，并与底层介质基板(3)上的微带馈线(8)连接。
2.根据权利要求1所述的一种具有低剖面宽带宽扫特性的相控阵天线单元，其特征在于：所述的顶层介质基板(1)的上表面中间设有辐射贴片(5)。
3.根据权利要求1所述的一种具有低剖面宽带宽扫特性的相控阵天线单元，其特征在于：所述的中间层介质基板(2)上表面中间设有耦合贴片(6)，沿着耦合贴片(6)的两侧对称设置寄生贴片(7)。
4.根据权利要求2所述的一种具有低剖面宽带宽扫特性的相控阵天线单元，其特征在于：所述的寄生贴片(7)的尺寸为0.125λ0×0.125λ0，其中λ0为波长。
5.根据权利要求1所述的一种具有低剖面宽带宽扫特性的相控阵天线单元，其特征在于：所述的底层介质基板(3)上表面设有微带馈线(8)和寄生馈线(9)，微带馈线(8)和寄生馈线(9)成镜像设置。
6.根据权利要求4所述的一种具有低剖面宽带宽扫特性的相控阵天线单元，其特征在于：微带馈线(8)和寄生馈线(9)的间隙尺寸为0.2～0.6mm。
7.根据权利要求1所述的一种具有低剖面宽带宽扫特性的相控阵天线单元，其特征在于：所述的金属背腔(4)与微波多层混压板通过粘接工艺形成一个结构整体，从而金属背腔(4)中间设置的矩形腔体(10)为盲腔。
8.根据权利要求7所述的一种具有低剖面宽带宽扫特性的相控阵天线单元，其特征在于：所述的矩形腔体(10)的深度为0.05λ0。
9.一种由权利要求1所述的具有低剖面宽带宽扫特性的相控阵天线单元组成的平面阵列天线，其特征在于：所述的具有低剖面宽带宽扫特性的相控阵天线单元成8×8阵列排布。
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