CN112787098B - 二维圆极化宽角扫描相控阵天线 - Google Patents

二维圆极化宽角扫描相控阵天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种二维毫米波圆极化宽角扫描相控阵天线，涉及毫米波天线技术领域。本发明通过下述技术方案实现：天线辐射贴片以中心开十字刻等长的高阻抗匹配微带线连接矩形寄生贴片对天线进行阻抗匹配，在天线辐射贴片边角的对角平分线对称中心上，制有风车形微带辐射贴片激励等幅同相极化正交的简并模，馈电探针穿过天线介质层，通过四个矩形寄生贴片连接天线辐射贴片，每个天线单元四个馈电探针4通过等幅依次相差90°的旋转馈电结构进行馈电，风车形微带辐射贴片与四个金属化探针的四个矩形寄生贴片矩形块进行连接馈电，分别馈入相位依次相差90°的等幅激励形成圆极化辐射，天线阵列按单元间距等间距矩形排列布阵，组成天线阵列阵面。

Description

二维圆极化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，具体涉及一种二维毫米波圆极化宽角扫描天线阵列。
背景技术
随着现代航空航天技术的发展，对于各种雷达相控阵天线的要求日益增加。相较于传统的机械扫描雷达系统，相控阵天线具有更加便捷的波束控制，更加灵敏便捷的波束响应，能够实现高速高性能的波束扫描和波束追踪。同时，相控阵天线具有轻重量、低剖面和装机体积小的优点，故其受到越来越多的关注。然而，平面相控阵天线严重受限于波束扫描范围窄的制约，随着天线阵列扫描角度在俯仰面内的增大，天线扫描增益会出现严重的下降，无法形成有效的波束扫描。根据工程经验，平面相控阵天线在俯仰面内正常工作的扫描范围为±45°以内，在±60°方向将出现5dB左右的增益损失，无法继续工作。近年来，众多研究发现相控阵列的性能很大程度上取决于阵列单元的性能，因此构建宽波束单元再进行组阵的方式成为了实现宽角度相控阵扫描的一种有效的方法。传统的微带天线由于其自身具有结构简单、剖面薄、重量轻等优点被广泛应用,但同时也存在带宽窄、增益不高等缺点。常规设计中，常通过将辐射贴片形状设计成等面积正六边形、三角形、圆形等形状的方法，适当调节天线的中心频率、回波损耗、带宽及相对带宽、增益和方向性系数等参数，但由于微带天线本身高Q值的特点，这几种天线形式无法解决微带天线设计中的带宽和增益问题。
在实际工程应用中，除了对宽角扫描增益有需求外，普遍还对天线的工作频段、极化方式及轴比等电性能指标有约束设计要求。在对快速移动目标跟踪及卫星通讯的应用中，对阵列天线的工作带宽、极化方式和宽角扫描能力的要求愈发严苛。因此，对阵列天线宽带二维大角度扫描的研究变得很有必要。传统实现阵列天线宽角扫描的方法有利用宽波束天线单元技术，宽角阻抗匹配技术等。在实际应用中，这些技术往往掣肘于工作带宽较窄、扫描维度和极化方式受限等因素。在现有技术公开的文献中，文献“Dual-PolarizedWide-Angle Scanning-Phased Array Based on Multi-Mode Patch Elements” (Ding,X., GaoG.F., ChengY.F., &ShaoW.(2019). IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. vol.18, no.3, pp.546-550) 提出了一款双极化二维宽角扫描相控阵，在phi=0°和phi=90°方位面分别实现了-68°~ +68°的宽角扫描，且在phi=0°的方位面有着水平线极化，在phi=90°的方位面有着垂直线极化。这是一种较为典型的二维宽角扫描相控阵，但这种设计结果无法实现在多个方位面内（例如phi=0°和phi=90°）实现相同极化扫描，也未能在phi=45°的方位面实现宽角扫描，与实际工程应用需求相去甚远。
随着现代通信对大用户容量，高速率和低时延的要求越来越高，天线在其中发挥的作用也越来越关键。对天线单元或阵列的阻抗带宽、方向图、极化和增益特性都提出了更高的要求，多样化的需求使得更多的天线形式涌现出来。其中，圆极化天线因其可以减轻卫星通信信号在传播过程中的多径干扰和电磁波穿过电离层时的法拉第旋转效应，并提供给天线更多的空间取向自由度而比线极化天线更受青睐。然而，由于阵列波束在大角度扫描时，阵元之间互耦及传统的平面阵列几何结构的限制，给展宽阵列天线扫描角带来了很大的挑战。一种常用的扩展阵列波束扫描角的方法是利用宽波束天线单元技术：通过向天线单元加载高阻抗表面、像素块状寄生层口及利用单元之间的强耦合来展宽阵列单元波束宽度；使用磁电偶极子及利用磁流源带来的宽波束特性，也可获得宽波束单元；此外，还有报导文献利用人工磁导体结合镜像理论来展宽阵元波束宽度。以上这些实现方式均基于宽波束阵列单元及较窄的单元间距来达到阵列宽扫描角的目的。但是，由于阵列安装尺寸及阵元间距的限制，采用该方案的阵列只适合在一维方向上实现较大的扫描角且多为线极化，而且阵元之间过小的间距及天线单元的宽波束特性会使得阵元之间的互耦增强，从而使得阵列的端口阻抗匹配变得困难。
张剑，任思，蓝海，张云，何海丹(2013)公开的“宽角扫描圆极化相控阵天线子阵”，提出了一种宽角扫描圆极化相控阵天线子阵，旨在提供一种具有良好的宽角扫描增益特性和宽角扫描圆极化特性，可较好避免反旋的相控阵天线子阵。该专利申请虽然实现了圆极化扫描，但扫描角度未能得到很好的拓展，扫描区域也不连续，无法在phi=45°的方位面呈现。此外，该方案展示的圆极化相控阵工作带宽较窄，扫描波束的轴比性能也不理想。
由以上可知，要在满足实际工程需求前提下实现天线阵列的宽角扫描，实现方位面内实现任意剖面连续工作，并保持良好的圆极化、工作带宽和轴比性能，是平面二维圆极化宽角扫描相控阵技术的研究难点和工程应用关键。
发明内容
本发明针对现有技术圆极化平面阵列的扫描角受限和三维宽角扫描阵列体积大的问题和现有技术存在的不足之处，在实现方位面内任意剖面连续工作，并保证良好的圆极化、带宽和轴比等指标前提下，提供一种可工作于30GHz毫米波频段的二维圆极化宽角扫描相控阵天线。
本发明为解决以上描述的技术问题采取的技术方案：一种二维圆极化宽角扫描相控阵天线，包括：固定在天线介质层2上表面的天线辐射贴片1和下表面上的金属地板3，通过天线馈电探针4完成馈电激励构成宽波束圆极化宽角相控阵的天线单元，其特征在于：天线辐射贴片1以中心开十字刻等长的高阻抗匹配微带线6连接矩形寄生贴片7对天线进行阻抗匹配，在天线辐射贴片1边角的对角平分线对称中心上，制有风车形微带辐射贴片5激励等幅同相极化正交的简并模，馈电探针4穿过天线介质层2，通过至少四个矩形寄生贴片7的金属焊盘连接天线辐射贴片1，每个天线单元四个馈电探针4通过等幅依次相差90°的旋转馈电结构进行馈电，在宽角扫描范围内实现天线单元良好的圆极化工作特性，风车形微带辐射贴片5分别从对称中心延伸至外侧，与四个金属化探针的四个矩形寄生贴片7矩形块进行连接馈电，并通过对馈电口分别馈入相位依次相差90°的等幅激励形成圆极化辐射，阵元布阵间距取工作频带中频30GHz对应的0.46倍波长（4.6mm），天线阵列按照此单元间距等间距矩形排列布阵，组成天线阵列阵面。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
（1）本发明针对现有圆极化平面阵列的扫描角受限和三维宽角扫描阵列体积大的问题，固定在天线介质层2上表面的天线辐射贴片1和下表面上的金属地板3通过天线馈电探针4完成馈电激励，构成宽波束圆极化宽角相控阵的天线单元，实现了宽角圆极化扫描，整个天线单元结构具有低剖面、轻重量、高增益、低旁瓣和宽波束的性能。天线单元的中心贴片通过大幅切角减小整体电尺寸，形成了多转折的风车形状，使得电流流过其边缘的等效路径长度增加，从而实现了小型化和宽带化，能够有效展宽天线的阻抗带宽，优化天线参数配置。从天线单元风车贴片向外延伸的四个偶极臂进一步增加了电流流动的等效路径长度，进一步缩小了天线的电尺寸。仿真与测试结果表明, 基于该单元结构组成的8×8天线阵列在±60°方向实现了19 dBi以上的绝对扫描增益，其3 dB波束宽度覆盖范围为-66°～64°，在主波束扫描覆盖范围内轴比（axial ratio, AR）均小于3 dB，且在扫描范围内增益变化平稳，可实现良好的宽角范围的圆极化扫描特性。与常见的相控阵相比，宽角方向的扫描增益得到了较好的提升，扫描角度有了较大的提升，扫描过程中实现了较好的增益平坦度。
（2）本发明以等长的高阻抗匹配微带线6连接矩形寄生贴片7对天线在较宽的带宽范围内对天线进行阻抗匹配，减少天线端口的反射信号，增加天线的阻抗带宽和轴比带宽。在天线辐射贴片1边角的对角平分线对称中心上制有风车形微带辐射贴片5激励等幅同相极化正交的简并模，通过对每个馈电端口的相位依次相差90°的相位差的旋转馈电结构，在宽角扫描范围内可以呈现较好的圆极化特性。利用等间距矩形布阵方式组成8×8的阵列天线，在30GHz附近的毫米波频带内实现±60°方向的波束扫描。与常见的相控阵相比，能够在方位面内任意连续剖面实现宽角扫描。
（3）本发明中天线单元通过风车形微带辐射贴片5和四个矩形寄生贴片7的多转折结构延长电流路径，实现了天线小型化的设计。相对于三角形、圆形、正六边形等常规微带贴片天线设计，风车形微带辐射贴片5表现处了更佳的带宽性能和辐射性能。风车形微带辐射贴片5通过四个馈电探针4等幅依次相差90°的旋转馈电技术，能够在天线中较容易地激励起左旋（LHCP）或右旋（RHCP）的圆极化工作方式。由于天线单元实现了较好的轴比特性，抑制了栅瓣并提高了天线的辐射强度，天线在宽角扫描范围内获得了良好的圆极化工作性能。在此基础上组成的8×8微带圆极化天线阵列，在保证没有栅瓣的前提下尽可能增大了阵列单元之间的布阵间距，有效地减小了单元之间互耦，实现了俯仰面内±60°角域内的波束扫描，展现出了宽频带，高增益，窄波束宽度和良好的方向性的特性。
（4）本发明通过对口径效率和布阵间距的优化构建了规模为8×8的相控天线阵列，按照天线单元间距以中心工作频率f对应的0.46倍波长等间距矩形排列布阵，组成天线阵列阵面。这种阵列排布方式使得阵列扫描在避免出现栅瓣的前提下可以最大限度地减弱天线单元间的互耦影响。根据仿真结果，在29~31GHz的频带内，64元天线阵列在±60°方向实现了19dBi以上的绝对扫描增益，扫描波束的圆极化轴比小于3dB，各阵元的有源驻波比均小于3。进一步的仿真结果表明,该相控阵天线阵列可实现±70°范围内的二维扫描，在俯仰角±70°的大角度扫描方向，其相对法线方向的增益下降可控制在5dB以内。
本发明宽角扫描相控天线阵列是二维平面阵列，呈8行8列均匀矩形排布，共有64个单元。由于采用宽增益波束和宽轴比波束的天线单元，在30GHz左右的毫米波频段内，本相控阵天线阵列可以在方位面的连续剖面内实现俯仰角的宽角扫描，其在±60°的大角度扫描方向实现了19dBi以上的绝对扫描增益，且在宽角扫描范围内保持较好的轴比，呈现了良好的圆极化特性。
本发明适用于对天线增益要求高、空域扫描范围大的接收和发射机中使用。
附图说明
图1是本发明二维圆极化宽角扫描相控阵天线阵列的俯视图；
图2是图1所述相控阵天线单元的俯视图；
图3是图2的侧视图；
图4是本发明二维圆极化宽角扫描相控阵天线阵列的安装示意图；
图中：1天线辐射贴片，2天线介质层，3金属地板，4馈电探针，5风车形微带辐射贴片，6高阻抗匹配微带线，7矩形寄生贴片，8宽角扫描天线阵列，9金属腔体，10毛纽扣连接器，11焊盘。
具体实施方式
参阅图1-图3。在以下描述的优选实施例中，一种二维圆极化宽角扫描相控阵天线，包括：由固定在天线介质层2上表面的天线辐射贴片1，天线介质层2下表面的金属地板3以及天线馈电探针4构成的宽波束圆极化宽角相控阵天线单元，其中：天线辐射贴片1以中心开十字刻等长的高阻抗匹配微带线6连接矩形寄生贴片7对天线进行阻抗匹配，在天线辐射贴片1边角的对角平分线对称中心上制有风车形微带辐射贴片5激励等幅同相极化正交的简并模；馈电探针4穿过天线介质层2，通过四个矩形寄生贴片7的金属焊盘连接天线辐射贴片1。每个天线单元四个馈电探针4通过等幅依次相差90°的旋转馈电技术同时对天线单元进行馈电，在宽角扫描范围内实现天线单元良好的圆极化工作特性。风车形微带辐射贴片5分别从对称中心延伸至外侧与四个金属化探针的四个矩形寄生贴片7矩形块进行连接馈电，并通过对馈电口分别馈入相位依次相差90°的等幅激励形成圆极化辐射。
风车形微带辐射贴片5包括：位于中心点上的矩形贴片与其四个对角上相连的梯形贴片形成风车形微带贴片5，四个对角上梯形贴片以90°相位指向中心点，高阻抗匹配微带线6穿过风车形微带贴片5十字交叉对称轴，与矩形寄生贴片7形成T形的垂直连接的哑铃结构，馈电探针4首端通过矩形寄生贴片7的中部边缘，在贯通天线介质层2后，连接金属地板3末端形成的齐平金属焊盘11。馈电探针4首端与矩形寄生贴片7的中部边缘相连，在贯通天线介质层2后其末端形成金属焊盘11与金属地板3齐平。由于馈电点的对称性，对方向图几乎无干扰，加载电磁信号使贴片形成多调谐电路，从而降低Q值展宽带宽。
基于圆极化宽波束天线单元组阵，得到8×8的二维圆极化宽角扫描天线阵列。综合考虑天线阵元间互耦效应和阵列的栅瓣问题，天线各阵元按照等间距进行矩形布阵，阵元间距取中频30GHz对应的0.46倍波长4.6mm，8×8天线阵列整体尺寸为40.8mm×40.8mm，最终实现图1所示的8×8矩形阵列。天线阵列为单层印制板结构，整个阵列叠层结构与天线单元一致。
整个圆极化宽角扫描天线单元为平面单层微带形式，其结构层次从上至下依次为天线辐射贴片1、天线介质层2、金属地板3、馈电探针4以及馈电针末端的预留焊盘11。其中，天线辐射贴片1为金属印刷层，金属印刷层包括：风车形微带辐射贴片5和连接矩形寄生贴片7的高阻抗匹配微带线6，风车形微带贴片5中心位置的四条短边外接四条偶极臂形高阻抗匹配微带线6，用以实现辐射贴片在宽带工作时的阻抗匹配。高阻抗匹配微带线6的另一端连接了矩形寄生贴片7，这种寄生贴片设计增加了天线单元的辐射波束宽度，并为天线单元的馈电提供了足够的空间和间距，避免馈电探针集中在风车型贴片上带来耦合影响。天线辐射贴片1之下为天线介质层2，天线介质层起到参与辐射和起到支撑辐射结构的作用，天线介质层之下为金属地板3，馈电探针4的末端为预留的金属焊盘11，以便与后级输入进行连接。在天线辐射贴片1中，风车形微带贴片5为天线的主要辐射部分，其通过对矩形贴片大幅切角得到风车形结构，实现了整体小型化设计。矩形寄生贴片7的外端连接了馈电探针4，单个天线单元共具备四个馈电点，通过四个馈电探针4，对天线单元同时馈入幅度相等但相位依次相差90°的旋转馈电输入，实现了天线单元良好的圆极化工作特性。
参阅图4。天线阵列安装使用时，将宽角天线扫描阵列8、天线金属腔体9和毛纽扣连接器10进行一体化组装。天线金属腔体9为铝材质的金属腔体，腔体中预留了阵列和毛纽扣的安装位置，分别如虚线位置所示。首先，把宽角扫描天线阵列8与金属腔体9通过焊接进行无缝装配。然后将毛纽扣连接器10安装在金属腔体9中的对应预留位置，利用毛纽扣连接器10的塑料套筒的弹性特性，使其与金属腔体9之间形成相互紧密的结合。毛纽扣连接器10首端的金属探针与宽角扫描天线阵列8的焊盘11按压连接，其末端的金属探针伸出金属腔体外，可与后端输入相连。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种二维圆极化宽角扫描相控阵天线，包括：固定在天线介质层（2）上表面的天线辐射贴片（1）和下表面上的金属地板（3），通过天线馈电探针（4）完成馈电激励构成宽波束圆极化宽角相控阵的天线单元，其特征在于：天线辐射贴片（1）以中心开十字刻等长的高阻抗匹配微带线（6）连接矩形寄生贴片（7）对天线进行阻抗匹配，在天线辐射贴片（1）边角的对角平分线对称中心上，制有风车形微带辐射贴片（5）激励等幅同相极化正交的简并模；风车形微带辐射贴片（5）分别从对称中心延伸至外侧，与四个金属化探针的四个矩形寄生贴片（7）矩形块进行连接馈电，并通过对馈电口分别馈入相位依次相差90°的等幅激励形成圆极化辐射；其中，风车形微带辐射贴片（5）包括：位于中心点上的矩形贴片与其四个对角上相连的梯形贴片形成风车形微带贴片（5），四个对角上梯形贴片以90°相位指向中心点，高阻抗匹配微带线（6）穿过风车形微带贴片（5）十字交叉对称轴，与矩形寄生贴片（7）形成T形的垂直连接的哑铃状结构，馈电探针（4）首端通过矩形寄生贴片（7）的中部边缘，在贯通天线介质层（2）后，连接金属地板（3）末端形成的齐平金属焊盘（11）；馈电探针（4）穿过天线介质层（2），通过四个矩形寄生贴片（7）连接天线辐射贴片（1），每个天线单元四个馈电探针（4）通过等幅依次相差90°的旋转馈电结构进行馈电，在宽角扫描范围内实现天线单元良好的圆极化工作特性，阵元布阵间距取工作频带中频30GHz对应的0.46倍波长，天线阵列按照此单元间距等间距矩形排列布阵，组成天线阵列阵面。
2.如权利要求1所述的二维圆极化宽角扫描相控阵天线，其特征在于：基于圆极化宽波束天线单元组阵，得到8×8的二维圆极化宽角扫描天线阵列。
3.如权利要求1所述的二维圆极化宽角扫描相控阵天线，其特征在于：天线各阵元按照等间距进行矩形布阵，整个阵列叠层结构与天线单元一致。
4.如权利要求1所述的二维圆极化宽角扫描相控阵天线，其特征在于：整个圆极化宽角扫描天线单元为平面单层微带形式，其结构层次从上至下依次为天线辐射贴片（1）、天线介质层（2）、金属地板（3）、馈电探针（4）以及馈电针末端的预留焊盘（11），其中，天线辐射贴片（1）为金属印刷层，金属印刷层包括：风车形微带辐射贴片（5）和连接矩形寄生贴片（7）的高阻抗匹配微带线（6），风车形微带贴片（5）中心位置的四条短边外接四条偶极臂形高阻抗匹配微带线（6），用以实现辐射贴片在宽带工作时的阻抗匹配。
5.如权利要求1所述的二维圆极化宽角扫描相控阵天线，其特征在于：天线辐射贴片（1）为金属印刷层，金属印刷层包括：风车形微带辐射贴片（5）和连接矩形寄生贴片（7）的高阻抗匹配微带线（6），风车形微带贴片（5）中心位置的四条短边外接四条偶极臂形高阻抗匹配微带线（6），用以实现辐射贴片在宽带工作时的阻抗匹配。
6.如权利要求1所述的二维圆极化宽角扫描相控阵天线，其特征在于：高阻抗匹配微带线（6）的另一端连接了矩形寄生贴片（7）。
7.如权利要求1所述的二维圆极化宽角扫描相控阵天线，其特征在于：矩形寄生贴片（7）的外端连接了馈电探针（4），单个天线单元具备四个馈电点，通过四个馈电探针（4），对天线单元同时馈入幅度相等，且相位依次相差90°的旋转馈电输入，实现了天线单元良好的圆极化工作特性。
8.如权利要求1所述的二维圆极化宽角扫描相控阵天线，其特征在于：天线介质层（2）之下为金属地板（3），馈电探针（4）的末端预留有与后级输入进行连接的金属焊盘（11）。
9.如权利要求1所述的二维圆极化宽角扫描相控阵天线，其特征在于：在天线辐射贴片（1）中，风车形微带贴片（5）为天线的主要辐射部分，其通过对矩形贴片大幅切角得到风车形结构。
10.如权利要求9所述的二维圆极化宽角扫描相控阵天线，其特征在于：天线单元的中心贴片通过大幅切角减小整体电尺寸，形成了多转折的风车形状 。
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