CN112701494A - 一种全介质集成平面化超宽带低剖面宽角扫描相控阵天线 - Google Patents

一种全介质集成平面化超宽带低剖面宽角扫描相控阵天线 Download PDF

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Abstract

该发明公开了一种全介质集成平面化超宽带低剖面宽角扫描相控阵天线，属于雷达技术，天线工程技术领域。本发明包括最下层金属地板，四层天线介质基板，连接天线介质基板的三层半固化片以及两层起到宽角阻抗匹配的介质基板，额外的通过加载耦合贴片结构及短路探针，消除了天线带内的共模谐振，实现了天线在超宽带下的大角度扫描性能，并且由于是平面结构的多层PCB可模块化制作的天线，拥有加工方便、结构简单、易于组装、易于集成共形与机械强度高等优点。并且无需设计复杂的馈电网络。

Description

一种全介质集成平面化超宽带低剖面宽角扫描相控阵天线
技术领域
本发明属于雷达技术，天线工程技术领域，具体涉及一种一种全介质集成平面化超宽带低剖面宽角扫描相控阵天线，特别涉及低剖面、超宽带、宽角扫描技术，适用于微波、毫米波等雷达和通信系统中。
背景技术
相控阵天线技术广泛应用于各种雷达系统中，其具有可以进行快速的宽角扫描而不需要移动天线；自适应波束形成；多波束；分布式口径；低雷达散射截面；随着工作时间的延长整体工作性能变化小。使用相控阵天线的雷达系统能够智能地实现大空域内的波束扫描，在设定的空域内获取目标信息，快速灵活地改变天线波束和指向形状，反应时间短、数据率高，能够对整个空间内的各频段电磁波进行发送和接收，对多个目标实现搜索、跟踪、捕获、识别等任务的精确完成。
随着雷达观测目标种类的增多以及近十年来无线通信的快速发展，对相控阵天线的要求也越来越高，超宽带相控阵天线技术正是在这种需求下快速发展起来的。超宽带相控阵覆盖着较宽的工作频段，可以很好的满足不同应用频段的相控阵雷达或无线通信系统的工作需求。
现在广泛使用的渐变开槽天线形式等天线可以覆盖超宽带的工作频带，但其交叉极化较差，天线剖面高度高，占用空间大，因此难以进行集成化及共面化设计。
本发明正是针对相控阵天线技术的超宽带宽角扫描以及低剖面化技术而提出。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述关键问题,提出一种全介质集成平面化超宽带低剖面宽角扫描相控阵天线。其解决了现有相控阵天线阵列重量过大、剖面较高、交叉极化性能较差及难以集成化的问题。
本发明采用一种全介质集成平面化超宽带低剖面宽角扫描相控阵天线，其结构包括最下层金属地板，四层天线介质基板，连接天线介质基板的三层半固化片以及两层起到宽角阻抗匹配的介质基板。
技术方案为一种全介质集成平面化超宽带低剖面宽角扫描相控阵天线，该相控阵天线由阵列排布的基本单元组成，各基本单元由如下结构组成：位于最下层的金属地板107，金属地板107上依次堆叠第四天线介质基板106、第三天线介质基板105、第二天线介质基板104、第一天线介质基板103、第二宽角阻抗匹配介质基板102、第一宽角阻抗匹配介质基板101，所述第四天线介质基板106、第三天线介质基板105、第二天线介质基板104、第一天线介质基板103两两之间采用半固化片连接；所述第一天线介质基板103的上表面设置两条偶极子臂分别为第一偶极子臂和第二偶极子臂，第一天线介质基板103的下表面设置两条矩形耦合贴片；所述第一偶极子臂和第二偶极子臂均为等腰梯形贴片，且两者顶边和高相等，但第一偶极子臂的底边长于第二偶极子臂；所述的两条矩形耦合贴片分别对应位于第一偶极子臂和第二偶极子臂底边的下方，边缘与第一天线介质基板103的边缘齐平；第一偶极子臂的顶部通过金属柱与金属地板107连接，位于第一偶极子臂对应下方的矩形耦合贴片通过金属化过孔与金属地板107连接；所述金属地板中固定馈电同轴接头112，馈电同轴接头112的内芯穿过第四到第一天线介质基板与第二偶极子臂的顶部连接；所述第二宽角阻抗匹配介质基板102与第一天线介质基板103之间设有空气间隙，该空气间隙采用泡沫填充；
所述相控阵天线中相邻基本单元的相邻矩形贴片连接为一个整体贴片。
进一步的，金属地板107厚度为2mm；第一到第四天线介质基板1的厚度依次为0.5mm、2mm、2mm、2mm，相对介电常数都为2.2；所述半固化片的厚度为0.101mm，相对介电常数为3.52；第一宽角阻抗匹配介质基板厚度为1mm，相对介电常数为2.2，第二宽角阻抗匹配介质基板厚度为3mm，相对介电常数为3.0；所述第二宽角阻抗匹配介质基板102与第一天线介质基板103之间设有空气间隙为1mm。
本发明的有益效果是：通过加载耦合贴片结构及短路探针，消除了天线带内的共模谐振，实现了天线在超宽带下的大角度扫描性能，并且由于是平面结构的多层PCB可模块化制作的天线，拥有加工方便、结构简单、易于组装、易于集成共形与机械强度高等优点。并且无需设计复杂的馈电网络。通过设计非对称的偶极子臂114与117，改善了天线的阻抗匹配，拓宽了天线的阻抗带宽，并且可以使天线在大角度扫描情况下的输入阻抗更加稳定。另外，通过在偶极子上方加载两层宽角阻抗匹配介质基板102与103以及102与天线基板103之间的1mm空气匹配层，可以极大地改善天线在H面大角度扫描时的有源驻波。
附图说明
图1为实施例1中所述12×12的一种全介质集成平面化超宽带低剖面宽角扫描相控阵天线的结构示意图。
图2为实施例1中所述的一种全介质集成平面化超宽带低剖面宽角扫描相控阵天线的基本单元示意图。
图3为实施例1中所述基本天线单元的E面有源电压驻波比的仿真结果。
图4为实施例1中所述基本天线单元的H面有源电压驻波比的仿真结果。
图5为实施例1的12×12阵列12GHz频点下在0°、60°扫描角下的E面方向图。
图6为实施例1的12×12阵列12GHz频点下在0°、60°扫描角下的H面方向图。
具体实施方式
为了使本发明的目的，技术方案和优点更加清楚，下面结合实施实施方式和附图，对本发明作进一步详细描述。
本实施例的一种全介质集成平面化超宽带低剖面宽角扫描相控阵天线，其阵列规模为12×12。12个天线单元沿着x方向排列，单元间距为12mm，12个天线单元沿着y方向排列，单元间距为12mm。如图1所示，包括最下层金属地板107。四层天线介质基板103、104、105、106。四层介质的相对介电常数都为2.2，其厚度分别为0.5mm、2mm、2mm、2mm。在介质基板103上表面印刷有偶极子臂114与117，其中偶极子臂114前端宽度为1mm，末端宽度为3mm，长度为5.4mm。偶极子臂117前端宽度为1.2mm，末端宽度为4mm，长度为5mm。下表面印刷有矩形耦合贴片113，其宽度为4.7mm，长度为12mm。耦合贴片通过金属化过孔108与金属地板107连接。连接103、104、105、106四层介质基板的半固化片109、110、111的厚度为0.101mm，其相对介电常数为3.52。最上层覆盖有两层具有宽角阻抗匹配作用的介质基板101与102，其中101的厚度为1mm，相对介电常数为2.65。102的厚度为3mm，相对介电常数为3.0，这两层介质基板起宽角阻抗匹配的作用，改善天线单元在大角度扫描时的性能。其中介质板102与103介质板之间有1mm的空气间隙，利用泡沫进行填充。馈电同轴接头112固定在金属地板中，其内芯116连接偶极子臂117，接地金属柱115与偶极子臂114连接。
天线工作时，由同轴内芯116将电流传导至偶极子臂114，另一段偶极子臂114通过接地柱115形成与偶极子臂116等幅反向的电流，从而偶极子可以将能量辐射至自由空间。

Claims (2)

1.一种全介质集成平面化超宽带低剖面宽角扫描相控阵天线，该相控阵天线由阵列排布的基本单元组成，各基本单元由如下结构组成：位于最下层的金属地板107，金属地板107上依次堆叠第四天线介质基板106、第三天线介质基板105、第二天线介质基板104、第一天线介质基板103、第二宽角阻抗匹配介质基板102、第一宽角阻抗匹配介质基板101，所述第四天线介质基板106、第三天线介质基板105、第二天线介质基板104、第一天线介质基板103两两之间采用半固化片连接；所述第一天线介质基板103的上表面设置两条偶极子臂分别为第一偶极子臂和第二偶极子臂，第一天线介质基板103的下表面设置两条矩形耦合贴片；所述第一偶极子臂和第二偶极子臂均为等腰梯形贴片，且两者顶边和高相等，但第一偶极子臂的底边长于第二偶极子臂；所述的两条矩形耦合贴片分别对应位于第一偶极子臂和第二偶极子臂底边的下方，边缘与第一天线介质基板103的边缘齐平；第一偶极子臂的顶部通过金属柱与金属地板107连接，位于第一偶极子臂对应下方的矩形耦合贴片通过金属化过孔与金属地板107连接；所述金属地板中固定馈电同轴接头112，馈电同轴接头112的内芯穿过第四到第一天线介质基板与第二偶极子臂的顶部连接；所述第二宽角阻抗匹配介质基板102与第一天线介质基板103之间设有空气间隙，该空气间隙采用泡沫填充；
所述相控阵天线中相邻基本单元的相邻矩形贴片连接为一个整体贴片。
2.如权利要求1所述的一种全介质集成平面化超宽带低剖面宽角扫描相控阵天线，其特征在于，所述金属地板107厚度为2mm；第一到第四天线介质基板1的厚度依次为0.5mm、2mm、2mm、2mm，相对介电常数都为2.2；所述半固化片的厚度为0.101mm，相对介电常数为3.52；第一宽角阻抗匹配介质基板厚度为1mm，相对介电常数为2.2，第二宽角阻抗匹配介质基板厚度为3mm，相对介电常数为3.0；所述第二宽角阻抗匹配介质基板102与第一天线介质基板103之间设有空气间隙为1mm。
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