CN112290204B - 一种平面超宽带模块化天线单元及具有其的天线阵列 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种平面超宽带模块化天线单元，包括：引向介质层，其上面向支撑层的一面设有类偶极子单元；支撑层；第一介质基板，面向支撑层的一面设有对称设置的偶极子单元以及面向第二介质基板的一面设有均布的多个环形金属贴片，其边角设置有第一金属柱，第一介质基板具有贯穿基板本体且电连接至偶极子单元的第一非平衡馈电过孔和第一金属化过孔；第二介质基板，其上设有贯穿基板本体的第二非平衡馈电过孔和第二金属化过孔，其边角设有第二金属柱；金属地板，其上设有同轴连接器，同轴连接器电连接至偶极子单元，金属地板通过第二金属化过孔连接偶极子单元。本申请能够在保证天线超宽带宽角匹配性能的同时，使天线总体剖面更低、单元间距更大。

Description

一种平面超宽带模块化天线单元及具有其的天线阵列

技术领域

本申请属于相控阵雷达天线技术领域，特别涉及一种平面超宽带模块化天线单元及具有其的天线阵列。

背景技术

随着时代的发展，机载雷达作为飞机上最重要的传感器，需具备宽频带、大范围、远距离的探测能力和高隐身性能。因而，相控阵天线需要具备宽带宽角扫描特性，在空间制约的情况下，实现通信、预警、电子对抗、目标跟踪与识别等多功能复用。同时，要求天线阵面具有低剖面特性，易与机体结构实现共形，从而能减少孔径安装对机载平台隐身、气动性能的影响。

紧耦合型天线作为一种新型的微带天线，利用辐射阵列之间的强互耦效应来拓展带宽，具有几个倍频层的阻抗带宽，而且通过加载阻抗匹配层，能具有较好的宽角匹配特性。为了实现超宽带匹配，紧耦合型天线通常需要外部宽带巴伦结构，虽然天线阵面为平面化的结构，但是巴伦本身还具有一定的高度，因而整个天线无法称作是真正意义上的低剖面天线。为解决这一问题，现有技术中提供了一种紧耦合天线阵，称之为平面超宽带模块化天线，该天线未使用任何外置巴伦，馈电结构十分简单，偶极子仅由两根馈电线馈电，其中一根与同轴接头内导体相连，另一根直接接地。

如图1所示为现有技术中的平面超宽带模块化天线单元10，包括：介质基板11、偶极子单元111、第一宽角匹配层12、第二宽角匹配层13、支撑介质层14、金属地板15、非平衡馈电通孔141、接地第二金属化过孔142、同轴连接器16。第一宽角匹配层12位于介质基板11上方，第二宽角匹配层13位于第一宽角匹配层12方，支撑介质层14位于介质基板11下方，金属地板15位于支撑介质层14下方。偶极子单元111印刷在介质基板11上表面。两个非平衡馈电通孔141位于介质基板11和支撑介质层14中，将偶极子单元111的一臂与同轴连接器16内芯相连，另一臂与金属地板15相连。两个接地第二金属化过孔142位于介质基板11和支撑介质层14中，分别将偶极子单元的一臂与金属地板15相接。

然而，传统平面超宽带模块化天线采用多层微波介质基板来辅助实现超宽带和宽角扫描性能，且充当宽角阻抗匹配层的介质基板具有与工作波长成正比的厚度，显著增加了阵面的总剖面高度。此外，天线阵元间距一般小于λ_h/2(λ_h为工作带宽内最高频波长)，因而天线通道数量增加，导致天线孔径后的电子设备数量增多、成本增加、集成的难度增大。所以，传统平面超宽带模块化天线具有较高的剖面高度、较窄的单元间距，很大程度限定了其在实际中的应用。

发明内容

本申请的目的是提供了一种平面超宽带模块化天线单元及具有其的天线阵列，以解决或减轻背景技术中的至少一个问题。

在一方面，本申请提供的技术方案是：一种平面超宽带模块化天线单元，包括：

引向介质层，在所述引向介质层面向支撑层的一面设有用于引向的类偶极子单元；

设置于引向介质层与第一介质基板之间的支撑层；

第一介质基板，所述第一介质基板面向所述支撑层的一面设有对称设置的偶极子单元以及面向第二介质基板的一面设有均布的多个1/4环形金属贴片，所述第一介质基板的边角设置有第一金属柱，所述第一介质基板具有贯穿基板本体且电连接至偶极子单元的第一非平衡馈电过孔和第一金属化过孔；

位于所述第一介质基板与金属地板之间的第二介质基板，所述第二介质基板上设有贯穿基板本体且相适配于第一非平衡馈电过孔和第一金属化过孔的第二非平衡馈电过孔和第二金属化过孔，在所述第二介质基板的边角设有适配于第一金属柱的第二金属柱，所述第二金属柱电连接金属地板；以及

金属地板，在所述金属地板上设有同轴连接器，所述同轴连接器通过第二非平衡馈电过孔连接偶极子单元，所述金属地板通过第二金属化过孔连接所述偶极子单元。

进一步的，所述支撑层为介电系数低于1.1的材料制成。

进一步的，所述介电系数低于1.1的材料包括泡沫。

进一步的，所述环形金属贴片的形状包括圆环结构的1/4、椭圆环结构的1/4、矩形环结构的1/4或菱形环结构的1/4。

进一步的，所述金属柱的形状包括圆形结构的1/4、椭圆形结构的1/4、矩形结构的1/4或菱形结构的1/4。

进一步的，所述类偶极子单元的形状相似于所述偶极子单元，其中，所述相似指的是形状相同、但形状比例不一定相同。

进一步的，所述类偶极子单元与支撑层的边缘距离大于所述偶极子单元与第一介质基板的边缘距离。

进一步的，所述类偶极子单元的排布方向与所述偶极子单元的排布方向一致。

在另一反面，本申请提供的技术方案是：一种天线阵列，所述天线阵列包括：

N×M个天线单元，相邻两个天线单元的边缘相接触，使得相邻两个天线单元中的环形金属贴片、金属柱及金属地板之间能够实现电连接。

本申请所提供的平面超宽带模块化天线单元能够在保证天线超宽带宽角匹配性能的同时，使天线总体剖面更低、单元间距更大，增加了实际应用的可能性，可满足现代探测雷达系统的发展对新一代相控阵天线的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。

图1为传统平面超宽带模块化天线单元结构的叠层示意图

图2为本申请的天线单元叠层结构示意图。

图3为采用本申请的天线单元组成4*4天线阵列侧视图。

图4为采用本申请的天线单元组成4*4天线阵列正视图。

图5为采用本申请的天线单元在E面扫描时的有源驻波特性示意图。

图6为采用本申请的天线单元在H面扫描时的有源驻波特性示意图。

附图标记：

20-天线单元；

21-第一介质基板，211-偶极子单元，212-金属柱，213-第一非平衡馈电过孔，214-第一金属化过孔；

22-支撑层，221-类偶极子单元；

23-引向介质层；

24-第二介质基板，241-环形金属贴片，242-金属柱，243-第二非平衡馈电过孔，244-第二金属化过孔；

25-金属地板；

26-同轴连接器。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。

为了克服背景技术中所指出的问题，本申请中提供了一种平面超宽带模块化天线单元及具有其的天线阵列，在保证天线超宽带宽角匹配性能的同时，天线总体剖面更低、单元间距更大，提高其在工程实际中的应用价值。

如图2所示，本申请提供的平面超宽带模块化天线单元主要包括形状尺寸基本相同的第一介质基板21、支撑层22、引向介质层23、第二介质基板24以及金属地板25。

其中，支撑层22位于第一介质基板21的上方，引向介质层23位于支撑层22上方，第二介质基板24位于第一介质基板21的下方，金属地板25位于第二介质基板24的下方。

第一介质基板21上表面印刷有两个相对称的偶极子单元211，在第一介质基板21下表面印刷环形金属贴片241(图中为显示出环形金属贴片，将其表示在第二介质基板上表面)，环形金属贴片241分布于第一介质基板21的四个顶角处，在每一个天线单元内呈1/4圆环形。可以理解的是，环形金属贴片241的形式还可以为椭圆环形、矩形环、菱形环或是其他变形形状，本处不在一一列举。穿过第一介质基板21的本体具有与偶极子单元211电连接的第一非平衡馈电过孔213和第一金属化过孔214。在第一介质基板21的四角还具有第一金属柱212(或金属板)。

印刷在引向介质层23下表面的类偶极子单元221(图中为显示出类偶极子单元221，将其表示在支撑层22上)，类偶极子单元221与偶极子单元211为相似结构，排布方向一致。其中，所述相似指的是类偶极子单元221与偶极子单元211形状相同，但两者的结构比例可以相同，也不可以不相同。例如，在附图所示实施例中，偶极子单元211的形状比例大于类偶极子单元，即，偶极子单元211与设置其的第一介质基板21的边距小于类偶极子单元221与设置其的引向介质层23的边距。

支撑层22为介电系数低于1.1的材料制成。例如在本申请一优选实施例中，支撑层22采用泡沫材料制成。支撑层22与现有技术中的支撑介质层12作用相同。

第二介质基板24上设有贯穿基板本体的第二非平衡反馈过孔243及第二金属化过孔244，第二非平衡反馈过孔243及第二金属化过孔244分别与第一非平衡反馈过孔213及第一金属化过孔214电连接。第二介质基板24的四周同样设置有第二金属柱242，第二金属柱242的形状与第一金属柱212相同。在本申请所示实施例中，第二金属柱242的形状为1/4的圆柱形。在本申请另一些实施例中，第二金属柱242的形状还可以为1/4的椭圆柱形、矩形、菱形或齿轮等结构。

可以理解的是，当第一介质基板21/第二介质板24为正六边形或其他多边形时，环形金属贴片241和第一金属柱212/第二金属柱242的数量将与之匹配。

如图3和图4所示，采用本申请的天线单元通过叠层构成的4*4规模的天线阵面。

天线阵列中，偶极子单元211作为辐射单元，类偶极子单元221为引向单元，类偶极子单元221可以对天线辐射波束进行导向作用，使更多的能量辐射出去，减小了金属地板25对阵列辐射的影响，改善天线的宽带宽角匹配性能。引向介质层23可采用介质薄膜来支撑类偶极子单元221，显著减小天线的剖面高度。第一介质基板21和引向介质层23之间采用低介电常数的泡沫为主要成分的支撑层22填充，实现天线的轻量化设计。环形金属贴片241与偶极子单元211辐射臂共同构成了平板电容结构，在较大阵元间距的情况下，增加了天线单元之间的耦合，有效改善天线在低频段的驻波特性，拓宽了天线的工作带宽，并且有效抑制了天线带内的谐振在天线单元四个顶角上增加了金属柱，实现了表面波的抑制，有效地消除了天线的扫描盲点，增加了天线的扫描范围。

如图4和图5所示的采用本申请的天线单元在E面和H面扫描时的驻波特性示意图，可以看出，在6-18GHz的频段范围内，该天线均实现了E面和H面±60°的扫描(VSWR<2.5，VSWR即VoltageStandingWaveRatio，电压驻波比，简称驻波比)，具有宽频带阻抗带宽。整个天线的高度H＝5.4mm，仅为0.32倍的最高频波长，具有低剖面的特性。阵元宽度L＝8.5mm，为0.51倍的最高频波长。相比于一般的平面超宽带模块化天线，天线剖面高度降低，单元间距有所增加，提高了其在工程实际中的应用价值。

本申请所提供平面超宽带模块化天线单元及通过天线单元构成的天线阵列具有超宽带宽角匹配特性，同时又降低天线的剖面高度，增加阵元间距。本申请所提供的天线单元结构加工难度系数低、易于实现。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种平面超宽带模块化天线单元，其特征在于，包括：

引向介质层（23），用于引向的类偶极子单元（221）设置在支撑层（22）面向所述引向介质层（23）的一面上，所述类偶极子单元（221）的形状相似于偶极子单元（211），所述相似指的是形状相同、形状比例不相同；

设置于引向介质层（23）与第一介质基板（21）之间的支撑层（22）；

第一介质基板（21），所述第一介质基板（21）面向所述支撑层（22）的一面设有对称设置的偶极子单元（211）以及所述第一介质基板（21）面向第二介质基板（24）的一面上均布有多个环形金属贴片（241），所述第一介质基板（21）的边角设置有第一金属柱（212），所述第一介质基板（21）具有贯穿基板本体且电连接至偶极子单元（211）的第一非平衡馈电过孔（213）和第一金属化过孔（214）；

位于所述第一介质基板（21）与金属地板（25）之间的第二介质基板（24），所述第二介质基板（24）上设有贯穿基板本体且相适配于第一非平衡馈电过孔（213）和第一金属化过孔（214）的第二非平衡馈电过孔（243）和第二金属化过孔（244），在所述第二介质基板（24）的边角设有适配于第一金属柱（212）的第二金属柱（242），所述第二金属柱（242）电连接金属地板；以及

金属地板（25），在所述金属地板（25）上设有同轴连接器（26），所述同轴连接器（26）通过第二非平衡馈电过孔（243）连接偶极子单元（211），所述金属地板（25）通过第二金属化过孔（244）连接所述偶极子单元（211）。

2.如权利要求1所述的平面超宽带模块化天线单元，其特征在于，所述支撑层（22）为介电系数低于1.1的材料制成。

3.如权利要求2所述的平面超宽带模块化天线单元，其特征在于，所述介电系数低于1.1的材料包括泡沫。

4.如权利要求1所述的平面超宽带模块化天线单元，其特征在于，所述环形金属贴片（241）的形状包括圆环结构的1/4、椭圆环结构的1/4、矩形环结构的1/4或菱形环结构的1/4。

5.如权利要求1所述的平面超宽带模块化天线单元，其特征在于，所述金属柱（242）的形状包括圆形结构的1/4、椭圆形结构的1/4、矩形结构的1/4或菱形结构的1/4。

6.如权利要求1所述的平面超宽带模块化天线单元，其特征在于，所述类偶极子单元（221）与支撑层（22）的边缘距离大于所述偶极子单元（211）与第一介质基板（21）的边缘距离。

7.如权利要求1或6任一所述的平面超宽带模块化天线单元，其特征在于，所述类偶极子单元（221）的排布方向与所述偶极子单元（211）的排布方向一致。

8.一种天线阵列，其特征在于，所述天线阵列包括：

N×M个如权利要求1至7中任一所述的天线单元（20），相邻两个天线单元的边缘相接触，使得相邻两个天线单元中的环形金属贴片（241）、金属柱（242）及金属地板（25）之间能够实现电连接。

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