CN112701455B - 一种大倍频程超宽角扫描相控阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大倍频程超宽角扫描相控阵天线，包括两层锥削的微波介质基板；印刷在微波介质基板上下表面的短Vivaldi天线，作为天线主辐射结构；位于两层微波介质基板中间的用于阻抗变换的两节渐变带状线；印刷在微波介质基板上下表面，位于短Vivaldi天线前端的指数渐变辐射电流片，作为次辐射结构；用于短Vivaldi天线和渐变辐射电流片能量传递的耦合贴片；同介质基板外形可匹配连接的金属固定件；位于介质基板末端，为渐变带状线馈电的微波同轴电缆；介质基板金属包边，用来抑制高次模。本发明在大倍频程、超宽角扫描范围内具备高口径利用率的辐射特性。

Description

一种大倍频程超宽角扫描相控阵天线

技术领域

本发明属于微波天线技术领域，具体为一种大倍频程超宽角扫描相控阵天线。

背景技术

未来战场的电子系统将具有多功能的典型特征，集多种功能于一体，以减少各子系统的相互干扰，从而提高装备系统的资源调度能力和作战效能。天线阵列作为上述电子系统的收发前端，其往往被要求具备大倍频程超宽带、超宽角扫描、高口径利用率等工作能力。现有的宽带相控阵天线系统中常采用的紧耦合偶极子天线、对数周期天线、 Vivaldi天线等。

2011年，美国RockwellCollins公司M.WajihElsallal在国际会议上发表了《AnUltra-Thin,Decade(10:1)Bandwidth,Modular“BAVA”ArraywithLowCross-Polarization》一文，提出了10倍频程(1.8-18GHz)的U型耦合电容槽加载的平衡对踵Vivaldi超宽带天线阵列，可实现E面和H面±45°扫描，但该阵列H面扫描至45°时，有源驻波在 1.8-11.5GHz频带内大于4，由于U型耦合电容槽的加工及装配精度很高，工程实现难度很大，目前并未得到推广。

紧耦合阵列天线是近年来发展的一类超宽带天线形式，其采用偶极子天线作为基本天线单元，可实现大倍频程的工作能力。2016年，美国俄亥俄州立大学JohnL.Volakis 团队在IEEEAntennasandWirelessPropagationLetters发表了《Dual-PolarizedTightly CoupledArrayWithSubstrateLoading》一文,基于紧耦合理论设计了一款13.1倍频程的偶极子阵列天线，该天线阵列E面、H面最大扫描角达45°，由于采用集总电阻片吸收回波，其效率仅为60％。吸收性元件导致阵面大功率工作时的热管理难以进行。2019 年，JohnL.Volakis团队在IEEETranscationonAntennaandPropagation发表了《Dual-linearPolarizedPhasedArraywith9:1Bandwidthand60°ScanningoffBroadside》, 设计了一款9倍频程(2-18GHz)大角度扫描的紧耦合偶极子阵列天线，该天线阵列E面、 H面最大扫描角达60°，但其低频端H面的有源驻波在60°扫描时的高达6，效率仅为 50％，天线介质板厚仅为0.254mm，难以适应恶劣工作环境，且耐大功率性能有限。较低的口径效率意味着需要增加天线的数量才能满足所需的性能，将大大增加系统的成本。此外，上述天线阵列的装配难度较高，可靠性有待工程验证。

如上所述，现有文献报道中，大倍频程超宽带相控阵天线存在着扫描角度有限(≤45°)、大扫描角下有源驻波过大(＞4)、效率低(＜60％)等问题，为保证全频段内高效工作，需要增加相控阵系统的通道数量，极大增加成本。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种大倍频程超宽角扫描相控阵天线。

实现本发明目的的技术方案为：一种大倍频程超宽角扫描相控阵天线，包括若干呈矩阵形式排列的天线单元，所述天线单元包括两层微波介质板、金属结构和金属盖板，所述两层微波介质板外形锥削，锥削面通过金属结构包边，所述两层微波介质板的两个表面均设置有短Vivaldi天线、耦合贴片以及指数渐变辐射电流片，所述短Vivaldi天线由指数渐变槽线转变为线性渐变槽线，指数渐变形式槽线的一端设有谐振腔；所述耦合贴片设置于短Vivaldi天线的线性渐变槽线开口内，所述辐射电流片设置于短Vivaldi 天线线性渐变槽线、耦合贴片上方，所述两层微波介质板中间设有末端扇形处理的渐变带状线，所述渐变带状线后端与微波同轴电缆连接，所述金属结构和金属盖板将微波同轴电缆封装在内部。

优选地，所述耦合贴片为2×2贴片，贴片之间能量的传递通过缝隙耦合。

优选地，所述渐变辐射电流片由对称分布于置于两层微波介质板两侧边缘的22片长度沿天线端射方向指数渐变的贴片组成，贴片之间通过窄缝隙进行电磁耦合。

优选地，所述微波同轴电缆采用SMP馈电连接器。

优选地，所述渐变带状线由粗细不同的带状线线段、带状线线段组成。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明为高效辐射的超宽带超宽角扫描相控阵天线，不采用吸收性元件以及高精度耦合电容结构加载，直接通过在传统短Vivaldi天线前端加载二次辐射电流片，并对其进行指数渐变，以保证其高效端射辐射；本发明所提出阵列单元口径辐射效率全频段大于80％，工作于2-18GHz频段，在H面和E面可实现60°扫描，可应用于大功率多功能一体化的超宽带相控阵系统。

附图说明

图1是一种大倍频程超宽角扫描相控阵天线的立体图。

图2是本发明的基本天线单元结构示意图。

图3是具体实施例中天线单元于主从边界下在2-18GHz频带内H面扫描时的有源驻波特性。

图4是具体实施例中天线单元于主从边界下在2-18GHz频带内E面扫描时的有源驻波特性。

图5是具体实施例中天线单元于主从边界下在2-18GHz频带范围内的端射增益和口径效率。

图6是具体实施例中天线单元于主从边界下在2-18GHz频带内H面归一化方向图。

图7是具体实施例中天线单元于主从边界下在2-18GHz频带内E面归一化方向图。

图8是具体实施例在2GHz频点E面0-60°扫描状态下的辐射方向图。

图9是具体实施例在10GHz频点E面0-60°扫描状态下的辐射方向图。

图10是具体实施例在18GHz频点E面0-60°扫描状态下的辐射方向图。

具体实施方式

一种大倍频程超宽角扫描相控阵天线，包括若干呈矩阵形式排列的天线单元，所述天线单元包括两层微波介质板101、金属结构107和金属盖板108，对所述两层微波介质板101进行切割处理，将其装配于金属结构107中。微波介质板101的两个外表面均设置有短Vivaldi天线102、耦合贴片103以及指数渐变辐射电流片104，短Vivaldi天线102采用圆形的谐振腔，谐振腔开口处狭缝由指数渐变槽线转变为线性渐变槽线；所述耦合贴片103设置于短Vivaldi天线102的线性渐变槽线开口内，所述辐射电流片 104设置于短Vivaldi天线102线性渐变槽线、耦合贴片103上方，所述耦合贴片103 将短Vivaldi天线102传播的电磁信号耦合至渐变辐射电流片104构建的指数槽内，实现能量的高效传输。所述两层微波介质板101中间以末端为扇形的渐变带状线作为馈线 105，且所述馈线105末端采用SMP型微波同轴连接器106作为能量输入端；金属结构 107和金属盖板108将两层微波介质板101、微波同轴连接器106封装在内部。

本发明中，短Vivaldi天线作为主辐射结构，辐射电流片作为次辐射结构，短Vivaldi 天线和辐射电流片之间通过耦合贴片进行电磁波传输，实现能量的高效传递。

进一步的实施例中，耦合贴片103为2×2贴片，贴片之间能量的传递通过缝隙耦合。

进一步的实施例中，所述渐变辐射电流片104由对称分布于置于两层微波介质板101两侧边缘的22片长度沿天线端射方向指数渐变的贴片组成，贴片之间通过窄缝隙进行电磁耦合。多个辐射电流片置于短Vivaldi天线前端，贴片内侧以指数形式渐变，辐射电流片之间通过缝隙进行耦合，以保证端射辐射的特性。

进一步的实施例中，所述微波同轴电缆106采用SMP型微波同轴连接器。

进一步的实施例中，所述渐变带状线由粗细不同的第一带状线线段109、第二带状线线段110 组成以改善馈线105的阻抗匹配特性。

进一步的实施例中，金属结构包含方块固定件和外形匹配件，外形匹配件用于实现介质基板表面印制金属层与金属结构件之间的电连接，方块固定件和外形匹配件通过螺钉紧固，将介质基板加紧，提高恶劣环境的工作可靠性。

进一步的实施例中，所述天线单元沿E面和H面的单元间距为0.5倍高频波长，天线高度3.5倍高频波长。

本发明利用金属结构对介质基板边缘进行金属包边，以抑制介质板内高次模引起的盲点和H面扫描谐振。

实施例

本实施例的一种大倍频程超宽角扫描相控阵天线采用21×21的平面阵列形式，如图 1所示。其基本天线单元结构如图2所示，该天线单元为双面印制微波介质板101和金属结构107共同组成的介质-金属结构。微波介质板101厚度为1mm，介电常数2.2，并经过外形锥削，锥削面通过金属结构107金属包边，以便抑制沿基板内部横向传播的高次模。天线单元间距为高频半波长，以防止在扫描空域内产生栅瓣，天线单元高度为3.5 倍高频波长，保证全频段良好的辐射性能。

微波介质板101最上层和最下层印制相同的图案，包括短Vivaldi天线102，耦合贴片103，以及指数渐变辐射电流片104。

短Vivaldi天线102开口由指数渐变形式槽线转变为线性渐变形式槽线，末端为圆形的谐振腔，作为天线主辐射结构。耦合贴片103由2×2贴片组成，贴片之间能量的传递通过缝隙耦合。耦合贴片103置于短Vivaldi天线102的线性渐变槽线开口内，用于将短Vivaldi天线102传播的电磁信号耦合至渐变辐射电流片104构建的指数槽内，实现能量的高效传输。

辐射电流片104位于短Vivaldi天线102前端，作为次辐射结构，由对称分布于置于微波介质基板两侧边缘的22片长度沿天线端射方向指数渐变的贴片组成，贴片之间通过窄缝隙进行电磁耦合。

微波介质板101中间层为印制的末端扇形处理的两节渐变带状线105，以便实现与70欧姆双面槽线的宽带阻抗变换，末端扇形处理可实现宽带匹配。渐变带状线105后端连接为天线馈电的微波同轴电缆106，采用SMP形式；SMP馈电连接器镶嵌于金属结构107和金属盖板108中。金属盖板108的外形结构可同锥削微波介质板101、金属结构107匹配连接，通过螺钉进行固定，保证工作可靠。

通过以上技术途径，本发明无需吸收性元件的额外加载，无需复杂的耦合结构，可在大于9倍频程的带宽内，实现大于±60°的扫描。

图3和图4分别给出了本实施例中所述天线单元在主从边界条件下H面和E面扫描时的有源驻波比随频率变化的仿真结果。可以看出在H面±60°扫描范围内，大倍频程超宽角扫描相控阵天线单元的在9倍频范围内有源电压驻波比小于3，当扫描到±70°时，有源电压驻波比小于4.1；E面±60°扫描范围内，大倍频程超宽角扫描相控阵天线单元的在9倍频范围内有源电压驻波比小于3.3，当扫描到±70°时，有源电压驻波比小于4.3。

图5给出了该实施例天线单元主从边界条件下法向辐射增益和口径效率。可见，在2-18GHz频带范围内，该大倍频程超宽角扫描相控阵天线单元辐射增益位于-15.5至4.1dBi之间，作为对比，口径效率100％对应的理论增益也在图中给出。可以看到该天线全频段内口径效率大于80％。

图6、图7给出了该实施方案2GHz、10GHz、18GHz三个典型频点处单元E面和 H面辐射方向图，图8至图10给出了本实施例E面扫描时的辐射方向图。可以看到，该大倍频程超宽角扫描相控阵天线扫描方向图表现良好，可实现±60°扫描。

本实施例中的模型仿真采用基于有限元法的三维电磁仿真HFSS软件。基于图2和图3所描述的周期单元，针对实际应用需要，可将该无限大阵列扩展至任何符合实际的有限大阵列。

因此，本发明E面可扫描至60°，有源驻波小于3.3，H面可扫描至60°，有源驻波小于3，全频段效率口径大于80％。上述性能明显优于现有文献报道，可广泛引用于超宽带多功能系统中，尤其对单通道大功率的相控阵系统。

Claims (5)

1.一种大倍频程超宽角扫描相控阵天线，其特征在于，包括若干呈矩阵形式排列的天线单元，所述天线单元包括两层微波介质板(101)、金属结构(107)和金属盖板(108)，所述两层微波介质板(101)外形锥削，锥削面通过金属结构(107)包边，所述两层微波介质板(101)的两个表面均设置有短Vivaldi天线(102)、耦合贴片(103)以及指数渐变辐射电流片(104)，所述短Vivaldi天线(102)由指数渐变槽线转变为线性渐变槽线，指数渐变形式槽线的一端设有谐振腔；所述耦合贴片(103)设置于短Vivaldi天线(102)的线性渐变槽线开口内，所述辐射电流片(104)设置于短Vivaldi天线(102)线性渐变槽线、耦合贴片(103)上方，所述两层微波介质板(101)中间设有末端扇形处理的渐变带状线(105)，所述渐变带状线(105)后端与微波同轴电缆(106)连接，所述金属结构(107)和金属盖板(108)将微波同轴电缆(106)封装在内部；所述辐射电流片(104)由对称分布于两层微波介质板(101)两侧边缘的22片长度沿天线端射方向指数渐变的贴片组成，贴片之间通过窄缝隙进行电磁耦合。

2.根据权利要求1所述的大倍频程超宽角扫描相控阵天线，其特征在于，所述耦合贴片(103)为2×2贴片，贴片之间能量的传递通过缝隙耦合。

3.根据权利要求1所述的大倍频程超宽角扫描相控阵天线，其特征在于，所述微波同轴电缆(106)采用SMP馈电连接器。

4.根据权利要求1所述的大倍频程超宽角扫描相控阵天线，其特征在于，所述渐变带状线由粗细不同的第一带状线线段(109)、第二带状线线段(110)组成。

5.根据权利要求1所述的大倍频程超宽角扫描相控阵天线，其特征在于，所述天线单元沿E面和H面的单元间距为0.5倍高频波长，天线高度3.5倍高频波长。

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