CN112701471B - 全介质集成超宽带低剖面多形态共形相控阵天线 - Google Patents

全介质集成超宽带低剖面多形态共形相控阵天线 Download PDF

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Abstract

本发明属于天线工程与无线通信技术领域，涉及一种全介质集成超宽带低剖面多形态共形相控阵天线。该天线为由阵元组成的平面阵列或者是共形阵列，每个阵元包括从上到下层叠设置的宽角宽带匹配层、馈电巴伦层、辐射天线层、人工磁表面层、介质隔离层、以及地板。本发明将传统连续电流面天线中的垂直馈电巴伦替换为偶极子上方的水平方向容性耦合的馈电贴片，并采用人工超材料宽角宽带匹配层以及人工磁表面，在保证天线宽角宽带扫描特性的同时大幅度降低天线剖面，适用于高速通信系统中宽角、宽带扫描相控阵天线的平面或柱面共形。

Description

全介质集成超宽带低剖面多形态共形相控阵天线
技术领域
本发明属于天线工程与无线通信技术领域，涉及一种全介质集成超宽带低剖面多形态共形相控阵天线，适用于高速通信系统中宽角、宽带扫描相控阵天线的平面或柱面共形。
背景技术
宽带相控阵天线是现代高速通信系统的重要组成部件，如在电子对抗系统中一个宽带相控阵天线可以替代多组窄带天线，可以大幅度节省重量、体积和成本。近年来，集宽角宽带扫描、低剖面等多功能一体化的相控阵天线已成为研究热点，而共形天线阵相比于平面天线阵，装配于飞机、导弹和高速车辆上时具有更低的空气阻力，成为更好的选择。
共形天线通常需要具有低剖面、可弯曲等特点，才能更方便地装配于载体平台上，或直接采用3D打印技术进行加工，然而3D打印技术常受限于加工精度、尺寸、成本、效率等因素。另一方面，印制电路板(PCB)作为一种非常成熟的加工工艺，在天线设计中广泛得到采纳，如文献“A Multibeam Cylindrically Conformal Slot Array Antenna Based on aModified Rotman Lens”(IEEE Transactions on Antennas and Propatation)中，采用PCB工艺设计了一款共形SIW开槽天线阵，然而带宽仅5％左右，不适合宽带应用。基于连续电流面的阵列(Current Sheet Array，CSA)具有超宽带的优势，其垂直馈电巴伦和短路针等结构易于通过PCB工艺实现，通过将天线分为多个子阵或子面进行加工也便于实现弯曲的天线结构和低剖面特性。
传统连续电流面天线阵的不足之处在于，其剖面高度往往需要中心频率的四分之一波长(λ0/4)以上，限制其剖面的主要因素是来自地面的等效电感，而为了实现单向辐射和高增益，地面是不可或缺的。虽然在相邻阵元间通过缝隙的电容引入容性耦合从而抵消地面电感，可以从一定程度上降低剖面，但是实现剖面高度低于λ0/4的宽角、宽带扫描阵列依然非常困难，如文献“Dual-Polarized Tightly Coupled Array With SubstrateLoading”(IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters)中的紧耦合偶极子阵列，虽然实现了超宽带宽角扫描，但即使不计地面下方馈电巴伦的高度，天线层的剖面也约有λ0/2。本专利提出了一种低剖面的共形连续电流面天线阵设计方案。
发明内容
本发明在背景技术的基础上，提出一种新型的低剖面共形天线阵的设计方法，设计出的全介质集成超宽带低剖面多形态共形相控阵天线具有宽角、宽带扫描能力，在传统连续电流面天线阵的基础上大幅度降低了天线剖面，并可以通过成熟的PCB工艺进行制作。
本发明采用的技术方案如下：
一种全介质集成超宽带低剖面相控阵天线，该天线为由阵元组成的平面阵列或者是共形阵列，每个阵元包括从上到下层叠设置的宽角宽带匹配层、馈电巴伦层、辐射天线层、人工磁表面层、介质隔离层、以及地板。
所述宽角宽带匹配层为超材料匹配层，用于阻抗匹配。
所述馈电巴伦层包括第二介质基板、以及设置于第二介质基板上表面的馈电贴片，所述馈电贴片上设置有馈电点。与传统的设置于偶极子下方的竖立型馈电渐变巴伦不同，本发明的馈电贴片通过与偶极子之间的容性耦合馈电，可抵消地面电感效应，降低天线阻抗，在实现良好匹配的同时降低天线整体剖面。
所述辐射天线层包括第三介质基板、以及设置于第三介质基板上表面的贴片偶极子，所述贴片偶极子的两臂分别设置有一个连接地板的金属化过孔，所述贴片偶极子的其中一臂上还设置有一圆孔，用于使同轴探针穿过并与偶极子没有电接触。
所述人工磁表面层包括第四介质基板、以及设置于第四介质基板上下表面且周期性排布的金属贴片。所述人工磁表面层通过改变偶极子镜像电流的相位，降低地面电感，减小地面与偶极子之间所需要的间距。
所述介质隔离层用于隔离人工磁表面层与地板。
所述地板上设置有通孔，用于同轴探针穿过并连接馈电点。
进一步地，所述馈电贴片为电筒形状的对称八边形结构。
进一步地，所述宽角宽带匹配层为人工超材料表面，包括第一介质基板、以及设置于第一介质基板上表面的周期排列的金属开口环。相比于传统的介质匹配层具有更小的厚度，更好的阻抗匹配性能，尤其是H面大角度扫描时的阻抗匹配。
进一步地，所述金属贴片为方形金属贴片。
本发明天线单元及天线阵不仅具有宽角、宽带扫描能力，且采用全介质集成的紧凑型堆叠结构，不但可以通过成熟的PCB工艺进行加工，还无需垂直支撑结构及垂直馈电巴伦，便于装配，具有更好的结构稳定性。更进一步地，采用人工超材料表面、紧耦合的贴片巴伦、人工磁表面，在保证阻抗匹配的同时大幅度地降低了天线剖面。最后，本发明天线单元既可以用于平面阵列中，也可以装载于非平面地板上，实现低剖面天线阵的共形。
附图说明
图1为本发明天线单元结构示意图；其中(a)图为多层结构3D视图，(b)图为多层结构主视图，(c)图为馈电巴伦层、辐射天线层的俯视图。
图2为本发明实施例3×16共形天线阵；E面(xoz面)拱形排布了16个子阵，子阵沿H面(yoz面)排布，每个子阵有3个单元。
图3为本实施例人工磁表面反射相位随频率变化图。
图4为实施例8×8平面阵E、D、H面从侧射扫描到60度的仿真有源驻波；1中(a)、(b)为E面扫描；(c)、(d)为H面扫描；(e)、(f)为D面扫描。
图5为实施例3×16共形阵E面从侧射扫描到60度的仿真及实测有源驻波；其中(a)为侧射；(b)为E面扫描到30度；(c)为E面扫描到45度；(d)为E面扫描到60度。
具体实施方式
实施例1：8×8平面阵设计
本实施例中阵元结构如图1，单元尺寸为12×12mm2，工作频率6～12GHz，天线为多层结构，从上到下依次为宽角宽带匹配层(01)、馈电巴伦层(02)、辐射贴片层(03)、人工磁表面层(04)、介质隔离层(05)、地板(06)。所采用介质基板的相对介电常数为：第一介质基板：3.0；第二～第五介质基板：2.2。第一介质基板厚度为：2.3mm；第二介质基板厚度为：：0.254mm；第三介质基板厚度为：1mm，第四介质基板厚度为：0.254mm；第五介质基板厚度为：0.787mm。
宽角宽带匹配层上设置有周期性排布的超材料单元(011)，单元结构为金属开口环。
馈电巴伦层上设置有馈电贴片(022)，贴片上设置馈电点021，同轴馈电探针穿过下层介质基板和地板中的过孔(031、041、051、061)的连接该馈电点，馈电贴片通过容性耦合给两个偶极子臂馈电，可抵消地面电感效应，降低天线阻抗，实现良好的匹配。
辐射贴片层上设置有对称的贴片偶极子，其两个臂上分别设置有贯穿下层介质基板连接到地板的金属化过孔(032、042、052，033、043、053)，作为平衡馈电之用。
人工磁表面层上正反面均设置有均匀排布的方形贴片单元(044)，其反射相位随频率变化的曲线见图3，在大部分工作频段内反射相位在±90度以内。
介质隔离层设置于人工磁表面层与地板之间，用于避免二者短接，通过优化其厚度，可以获得人工磁表面与地板间良好的隔离。
地板06上设置有通孔061，馈电用的同轴探针从其中穿过。
该单元整体剖面小于0.15λ0(λ0为中心频率波长)，相比于传统偶极子天线需要的约0.25λ0的剖面高度，降低了42％的剖面高度。
使用该单元组成8×8平面阵，阵面大小96×96mm2，其中心单元E面、H面、D面从0度扫描到60度的有源驻波见图4，可见任意切面在30度以内扫描时整个频带内驻波低于2，扫描到45度低于2.5，扫描到60度低于3。
实施例2：3×16共形阵设计
本实施例中共形阵主视图见图2，阵列单元与实施例1中一致。其E面为xoz面，以阵元中心为参考基准，在半径为250mm，角度范围44度的弧面上排布有16个子阵；子阵内部排布方向为H面，即yoz面，每个子阵由三个单元构成。
该共形阵中心单元在E面从侧射扫描到60度的有源驻波见图5，除了60度实测结果在窄带内略高于2.5以外，仿真与实测结果在带内60度扫描范围内均低于2.5。
综上所述，本发明提出了一种低剖面共形天线阵的设计方法，基于该方法设计出的全介质集成超宽带低剖面多形态共形相控阵天线，巧妙地将传统连续电流面天线中的垂直馈电巴伦替换为偶极子上方的水平方向容性耦合的馈电贴片，并采用人工超材料宽角宽带匹配层以及人工磁表面，在保证天线宽角宽带扫描特性的同时大幅度降低天线剖面。本发明内容详细介绍了一个8×8平面阵和一个3×16共面阵的实施例，但上述描述不应被认为是本发明的限制。

Claims (3)

1.一种全介质集成超宽带低剖面相控阵天线，该天线为由阵元组成的平面阵列或者是共形阵列，每个阵元包括从上到下层叠设置的宽角宽带匹配层、馈电巴伦层、辐射天线层、人工磁表面层、介质隔离层、以及地板；
所述宽角宽带匹配层为超材料匹配层，用于阻抗匹配；
所述馈电巴伦层包括第二介质基板、以及设置于第二介质基板上表面的馈电贴片，所述馈电贴片上设置有馈电点；所述馈电贴片为电筒形状的对称八边形结构；
所述辐射天线层包括第三介质基板、以及设置于第三介质基板上表面的贴片偶极子，所述贴片偶极子的两臂分别设置有一个连接地板的金属化过孔，所述贴片偶极子的其中一臂上还设置有一圆孔，用于使同轴探针穿过并与偶极子没有电接触；
所述人工磁表面层包括第四介质基板、以及设置于第四介质基板上下表面且周期性排布的金属贴片；
所述介质隔离层用于隔离人工磁表面层与地板；
所述地板上设置有通孔，用于同轴探针穿过并连接馈电点。
2.如权利要求1所述的一种全介质集成超宽带低剖面相控阵天线，其特征在于，所述宽角宽带匹配层为人工超材料表面，包括第一介质基板、以及设置于第一介质基板上表面的周期排列的金属开口环。
3.如权利要求1所述的一种全介质集成超宽带低剖面相控阵天线，其特征在于，所述金属贴片为方形金属贴片。
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