CN112615143B - 一种平面化宽带宽角扫描相控阵天线单元及相控阵天线 - Google Patents

一种平面化宽带宽角扫描相控阵天线单元及相控阵天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种平面化宽带宽角扫描相控阵天线单元及相控阵天线，包括自上而下设置的上层介质基板、中层介质基板、底层介质基板、金属地和射频连接器；上层介质基板上表面有周期排列的匹配圆环；中层介质基板上表面印刷有蝶形偶极子；底层介质基板上表面有去耦合金属条带，在去耦合金属条带的两端分别设置有去耦合金属通孔，去耦合金属通孔穿透底层介质基板连接金属地和去耦合金属条带；射频连接器内芯穿过金属地、底层介质基板和中层介质基板连接至蝶形偶极子上，短路金属通孔贯穿底层介质基板和中层介质基板连接至蝶形偶极子上；本发明引入去耦合金属条带和去耦合金属通孔，消除天线带内谐振点，改善天线在工作带宽内宽角扫描时的驻波性能。

Description

一种平面化宽带宽角扫描相控阵天线单元及相控阵天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种平面化宽带宽角扫描相控阵天线单元及相控阵天线。
背景技术
相控阵天线以其显著的优异性能和灵活的工作方式在雷达系统中的应用逐渐广泛。随着技术的深入应用和发展，不仅对其宽带、宽角扫描等辐射特性的要求大大提高，对其应用环境也提高了要求。在机翼、机身等震动比较剧烈的环境，仍需保证相控阵天线的可靠性和稳定性。由此，由多层介质板压合的平面化相控阵天线逐渐得到青睐，配合选用对温度不敏感高稳定度的介质板材料，使得此类单元形式可运用的范围较广，对环境的要求不苛刻，这也更加说明了相控阵的多样灵活工作形式和优异特性。
而对平面化相控阵天线，由于是多层介质板压合而成的，在单元尺寸较大的时候容易在工作带宽内出现谐振点，限制工作带宽，影响驻波性能。
鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。
发明内容
为解决上述技术缺陷，本发明引入了去耦合金属条带和2个去耦合金属通孔消除了天线带内谐振点，采用的技术方案在于，提供一种平面化宽带宽角扫描相控阵天线单元，包括自上而下设置的上层介质基板、中层介质基板、底层介质基板、金属地和射频连接器；所述上层介质基板设置在所述中层介质基板正上方，且所述上层介质基板和所述中层介质基板之间设置有间隙；所述中层介质基板上表面印刷有蝶形偶极子；
所述底层介质基板上表面印制有去耦合金属条带，位于相邻两个所述蝶形偶极子臂的正下方；在所述去耦合金属条带的两端各设置有1个去耦合金属通孔，所述去耦合金属通孔穿透所述底层介质基板连接所述金属地和所述去耦合金属条带；
所述射频连接器设置在所述金属地的下方，射频连接器内芯穿过所述金属地、所述底层介质基板和所述中层介质基板连接至所述中层介质基板上表面的所述蝶形偶极子上，短路金属通孔贯穿所述底层介质基板和所述中层介质基板连接至所述中层介质基板上表面的所述蝶形偶极子上，所述射频连接器内芯和所述短路金属通孔对所述蝶形偶极子进行馈电。
较佳的，所述上层介质基板和所述中层介质基板之间的间隙通过泡沫板填充。
较佳的，所述底层介质基板上设置有圆柱状的腔槽。
较佳的，所述去耦合金属条带设置为矩形、圆形或椭圆形。
较佳的，所述上层介质基板上表面印刷有周期排列的匹配圆环。
一种平面化宽带宽角扫描相控阵天线，包括若干所述平面化宽带宽角扫描相控阵天线单元，相邻所述平面化宽带宽角扫描相控阵天线单元共用一所述去耦合金属条带或所述去耦合金属通孔。
与现有技术比较本发明的有益效果在于：1、使用了上表面印制有周期排列的匹配圆环的上层介质基板作为宽角匹配层，改善了天线工作带宽内的驻波性能；2、引入了2个去耦合金属条带和去耦合金属通孔，消除了天线带内谐振点，改善了天线在工作带宽内宽角扫描时的驻波性能；3、本发明的平面化宽带宽角扫描相控阵天线，在有源驻波比小于3的情况下，可以在4∶1的阻抗带宽内实现E面、H面±60°扫描，有很高的工程应用价值。
附图说明
图1为所述天线单元的结构立体视图；
图2为所述天线单元的结构剖视图；
图3为所述上层介质基板的结构视图；
图4为所述中层介质基板的结构视图；
图5为所述底层介质基板的结构视图；
图6为所述底层介质基板的内部结构视图；
图7为所述底层介质基板的结构俯视图；
图8为所述底层介质基板的结构剖视图；
图9为所述对比用天线单元的结构视图；
图10为所述天线单元E面有源驻波仿真结果图；
图11为所述天线单元H面有源驻波仿真结果图；
图12为对比用天线单元E面有源驻波仿真结果图；
图13为对比用天线单元H面有源驻波仿真结果图；
图14为椭圆形所述去耦合金属条带的结构示意图；
图15为圆形所述去耦合金属条带的结构示意图；
图16为所述平面化宽带宽角扫描相控阵天线的结构视图。
图中数字表示：
1-上层介质基板；2-中层介质基板；3-底层介质基板；4-金属地；5-射频连接器；6-匹配圆环；7-蝶形偶极子；8-去耦合金属条带；9-去耦合金属通孔；10-射频连接器内芯；11-短路金属通孔。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
实施例一
本发明所述平面化宽带宽角扫描相控阵天线包括若干天线单元。
如图1、图2所示，图1为所述天线单元的结构立体视图，图2为所述天线单元的结构剖视图。所述天线单元包括自上而下设置的上层介质基板1、中层介质基板2、底层介质基板3、金属地4和射频连接器5。
所述上层介质基板1设置在所述中层介质基板2正上方，且所述上层介质基板1和所述中层介质基板2之间设置有间隙，所述上层介质基板1和所述中层介质基板2之间的间隙可通过泡沫板填充。
如图3所示，图3为所述上层介质基板的结构视图；所述上层介质基板1上表面印刷有周期排列的匹配圆环6。
如图4所示，图4为所述中层介质基板的结构视图；所述中层介质基板2上表面印刷有蝶形偶极子7。
如图5所示，图5为所述底层介质基板的结构视图；所述底层介质基板3设置在所述中层介质基板2和所述金属地4之间，且所述底层介质基板3上设置有圆柱状的腔槽，所述腔槽设置在没有贴片和金属通孔的位置处，以减小所述底层介质基板3的等效介电常数。
所述底层介质基板3上表面印制有矩形去耦合金属条带8，位于相邻两个所述蝶形偶极子7臂的正下方。在所述去耦合金属条带8的两端分别设置有2个去耦合金属通孔9，所述去耦合金属通孔9穿透所述底层介质基板3连接至所述金属地4。
如图6、图7、图8所示，图6为所述底层介质基板的内部结构视图；图7为所述底层介质基板的结构俯视图；图8为所述底层介质基板的结构剖视图。
所述射频连接器5设置在所述金属地4的下方，射频连接器内芯10穿过所述金属地4、所述底层介质基板3和所述中层介质基板2连接至所述中层介质基板上表面的所述蝶形偶极子7上，短路金属通孔11贯穿所述底层介质基板3和所述中层介质基板2连接至所述中层介质基板2上表面的所述蝶形偶极子7上，所述射频连接器内芯10和所述短路金属通孔11一起对所述蝶形偶极子7进行馈电。
为了验证去所述耦合金属条带8和所述去耦合金属通孔9的去带内谐振点的作用，进行了以下两个模型的有源驻波仿真：
1)本发明的天线单元；2)对比用天线单元
对比用天线单元在本发明的所述天线单元的基础上删去所述去耦合金属条带8和所述去耦合金属通孔9，所述对比用天线单元的结构如图9所示。
本发明的天线单元有源驻波仿真结果如图10、图11所示，对比用天线单元有源驻波仿真结果如图12、图13所示。
由图可以看出，对比用天线单元在工作带宽内有谐振点存在，而本发明的天线单元没有带内谐振点。
本发明的天线单元组成的平面化宽带宽角扫描相控阵天线在有源驻波比小于3的情况下，在4∶1的阻抗带宽内实现E面、H面±60°扫描，有很高的工程应用价值。
实施例二
如图14、图15所示，本实施例与实施例一的区别在于所述去耦合金属条带8形状是圆形、椭圆形或其他可以自然而然想到的形状。
实施例三
本实施例给出了平面化宽带宽角扫描相控阵天线单元组成的8*8阵列天线，以便更好地说明本发明。
天线阵面如图16所示，8*8阵列天线在排列的两个维度上均为8个单元，通过调整阵列的排布和端口的激励可以实现不同角度下的波束扫描。使用本发明的天线单元形式，以任何布阵方式组成的任何天线阵列均为本实施案例的拓展，在本发明的保护范围之内。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种平面化宽带宽角扫描相控阵天线单元，其特征在于，包括自上而下设置的上层介质基板、中层介质基板、底层介质基板、金属地和射频连接器；所述上层介质基板设置在所述中层介质基板正上方，且所述上层介质基板和所述中层介质基板之间设置有间隙；所述中层介质基板上表面印刷有蝶形偶极子；所述上层介质基板上表面印刷有周期排列的匹配圆环；
所述底层介质基板上表面印制有去耦合金属条带，所述去耦合金属条带位于相邻两个蝶形偶极子臂端部侧边的正下方；在所述去耦合金属条带的两端各设置有1个去耦合金属通孔，所述去耦合金属通孔穿透底层介质基板连接所述金属地和所述去耦合金属条带；
所述射频连接器设置在所述金属地的下方，射频连接器内芯穿过所述金属地、所述底层介质基板和所述中层介质基板连接至所述中层介质基板上表面的所述蝶形偶极子上，短路金属通孔贯穿所述底层介质基板和所述中层介质基板连接至所述中层介质基板上表面的所述蝶形偶极子上，所述射频连接器内芯和所述短路金属通孔对所述蝶形偶极子进行馈电。
2.如权利要求1所述的平面化宽带宽角扫描相控阵天线单元，其特征在于，所述去耦合金属条带设置为矩形、圆形或椭圆形。
3.一种平面化宽带宽角扫描相控阵天线，其特征在于，包括若干如权利要求1或2所述的平面化宽带宽角扫描相控阵天线单元，相邻所述平面化宽带宽角扫描相控阵天线单元共用一所述去耦合金属条带或2个所述去耦合金属通孔。
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