CN112952374A - 铁氧体加载的双极化低剖面强耦合超宽带相控阵天线 - Google Patents

铁氧体加载的双极化低剖面强耦合超宽带相控阵天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铁氧体加载的双极化低剖面强耦合超宽带相控阵天线，包括四面分裂环形超材料宽角阻抗匹配层、强耦合平面交叠偶极子单元、双Y型馈电巴伦、X型频率选择表面、组合式网状铁氧体、集成微带功分器的反射地板；强耦合平面交叠偶极子单元上表面天线工作在垂直极化状态，下表面天线工作在水平极化状态；双Y型馈电巴伦上、下方分别与强耦合平面交叠偶极子单元和集成微带功分器的反射地板进行焊接；组合式网状铁氧体位于X型频率选择表面与集成微带功分器的反射地板之间的特定位置。本发明通过对偶极子排布的精心设计达到了双极化特性，并加载铁氧体材料达到了低剖面的物理特点以及超宽带、宽角扫描等优良辐射性能。

Description

铁氧体加载的双极化低剖面强耦合超宽带相控阵天线
技术领域
本发明属于天线工程技术领域，具体涉及一种铁氧体加载的双极化低剖面强耦合超宽带相控阵天线。
背景技术
相控阵天线由一个个相同的均匀排布的辐射单元组成，通过控制辐射单元的馈电相位，可以改变辐射方向图的形状进而实现波束的快速扫描。近年来，无论是雷达系统、射电天文系统还是无线通信系统，相控阵天线涉足的领域越来越广，随之涌现的性能需求也越来越多。首先，天线的剖面高度是物理尺寸上最重要的考量因素之一，随着空间使用率的不断增加，减小天线的剖面高度，以实现天线的集成和共形，将天线结构与作战平台一体化，是提高系统稳定性和可实行性的必要途径。其次，天线工作带宽也一直是目前相控阵天线的基本要求为了使不同工作频段的雷达系统均能正常工作，一幅可工作于超宽频带的相控阵天线必然是最优选择。最后，为了保证波束覆盖范围，宽角扫描性能也成为越来越多相控阵天线的设计要求。
基于上述对相控阵天线所提出的新要求，一种加强阵列单元间耦合并加以利用的天线形式，即强耦合天线应运而生。通过单元间的强电容耦合，此种天线不仅缩小了单元横向及纵向尺寸，同时具有低剖面、轻量化、超宽频带、宽角扫描、低交叉极化等特性。同时，近年来一些研究将新型材料加载作为提升天线性能的新途径。如申请号为CN201821278063.3的中国专利“一种铁氧体加载的宽频带整流天线”就提出将铁氧体加载于整流天线上，降低天线工作频率并减小天线体积。但该天线的带宽及扫描角等性能都不满足实际相控阵需求。在申请号为CN201910301638.1的中国专利“基于磁介质型人工磁导体的超低剖面强耦合超宽带相控阵”中，磁介质型人工磁导体的引入也极大程度上降低了天线剖面，但其带宽依然仅有3个倍频程。在专利号为WO 2018/039053的美国专利“具有同相位中心的低剖面超宽带低频模块化相控阵天线”(Low profile,ultra-wide band,low frequency modularphased array antenna with coincident phase center)以及该作者发表于2019年的文章“Dual Polarized Ultrawideband Coincident Phase Center TCDA with 15:1Bandwidth”中，提出了一种带宽高达15倍频程的加载铁氧体材料的相控阵天线，但是该天线的剖面并未得到大幅改善，仍然高达0.46倍高频波长。
上述专利及文章都对铁氧体或磁介质等新型材料在天线加载上的应用做出了贡献，但也都没有达到带宽、扫描角和剖面的统一。因此，对此种新颖的天线结构展开研究从而获得更高性能的天线技术指标，具有非常重要的实际工程意义。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供的铁氧体加载的双极化低剖面强耦合超宽带相控阵天线，解决了现有相控阵天线中，天线带宽较窄，扫描角不广，剖面较高的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种铁氧体加载的双极化低剖面强耦合超宽带相控阵天线，包括四面分裂环形超材料宽角阻抗匹配层、强耦合平面交叠偶极子单元、双Y型馈电巴伦、X型频率选择表面、组合式网状铁氧体、集成微带功分器的反射地板；所述四面分裂环形超材料宽角阻抗匹配层设置于强耦合平面交叠偶极子单元上方，且有方形开槽避让焊点；所述强耦合平面交叠偶极子单元上表面天线工作在垂直极化状态，下表面天线工作在水平极化状态；所述双Y型馈电巴伦上方与强耦合平面交叠偶极子单元进行焊接，下方垂直镶嵌于集成微带功分器的反射地板之上。
进一步地，双Y型馈电巴伦包括两面不同的金属结构，正面Y型金属结构通过渐变微带线实现了阻抗变换功能，反面Y型金属结构通过短路-开路结构组合，实现了将不平衡馈电转换为平衡馈电的功能；此外，反面Y型金属结构最上方与强耦合平面交叠偶极子单元焊接处，设计有另一个微带渐变结构，更好地匹配了天线阻抗。
进一步地，所述强耦合平面交叠偶极子单元上、下表面金属正交放置，同时，上、下偶极子末端都设置有交叠贴片增强电容耦合，进一步拓宽天线频带。
进一步地，所述X型频率选择表面处于天线下方特定高度，切削为X型的基板与其上方覆盖的X型金属结构共同实现了一个带阻型频率选择表面，使得高频段电磁波无法通过，而低频段电磁波可正常通过。
进一步地，所述组合式网状铁氧体由八根特殊设计的开槽矩形铁氧体条带搭建而成，且位于X型频率选择表面与天线地板之间的特定位置，组合而成的结构不仅避让了双Y型馈电巴伦，而且实现了拓展天线带宽的优异特性。
进一步地，所述集成微带功分器的反射地板分别集成了水平极化、垂直极化的馈电功分器，分属不同极化的功分器具有相同线宽，也即阻抗相同，但走线位置及布局分别设置，此外，功分器基板与地板进行多层板粘合，有效将二者集成，避免了贴合不紧密可能带来的性能恶化。
本发明的有益效果为：本发明提供的铁氧体加载的双极化低剖面强耦合超宽带相控阵天线，采用新型双Y型馈电巴伦进行馈电，通过正面Y型结构渐变微带线的设计以及反面Y型结构非平衡馈电到不平衡馈电的转化，实现了极宽频带内的天线馈电；偶极子单元通过交叠放置，不仅加强了偶极子之间的耦合，达到拓展频带的效果，而且满足了双极化的需求；X型频率选择表面的设计使得高频电磁波不通过，低频电磁波正常通过，有效调控了电磁波特性；组合式网状铁氧体则通过铁氧体本身的电磁特性起到了拓展带宽，降低剖面的效果；天线所采用的四面分裂环形超材料宽角阻抗匹配层取代了以往较厚重的纯介质匹配层，达到了减轻天线重量，简化天线结构的目的；功分器层与地板层有效集成，使得该天线加工简单，组装灵便且结构稳固。
附图说明
图1为本发明提供的铁氧体加载的双极化低剖面强耦合超宽带相控阵天线单元结构示意图。
图2为本发明提供的实施例中所加载的四面分裂环形超材料宽角阻抗匹配层示意图。
图3为本发明提供的实施例中所采用的双Y型馈电巴伦正、反面示意图。
图4为本发明提供的实施例中所加载的X型频率选择表面示意图。
图5为本发明提供的实施例中所采用的集成微带功分器的反射地板示意图。
图6为本发明提供的实施例中图1所示单元其中一个端口E面及H面0-60度全频段端口电压驻波比情况。
图7为本发明提供的实施例中图1所示单元侧射时的实际主极化和交叉极化情况与理论增益情况的对比。
图8为本发明提供的实施例中图1所示单元组成6X8面阵后，2GHz处0度、60度的扫描方向图及交叉极化情况。
图9为本发明提供的实施例中图1所示单元组成6X8面阵后，1GHz处0度、60度的扫描方向图及交叉极化情况。
图10为本发明提供的实施例中图1所示单元组成6X8面阵后，0.2GHz处0度、60度的扫描方向图及交叉极化情况。
其中：1、四面分裂环形超材料宽角阻抗匹配层；2、强耦合平面交叠偶极子单元；3、双Y型馈电巴伦；4、X型频率选择表面；5、组合式网状铁氧体；6、集成微带功分器的反射地板；101、四面分裂环形超材料金属贴片；201、垂直极化强耦合平面交叠偶极子单元；202、水平极化强耦合平面交叠偶极子单元；301、双Y型馈电巴伦正面部分；302、双Y型馈电巴伦反面部分；401、X型金属贴片；601、反射地板上所集成的微带功分器。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，一种铁氧体加载的双极化低剖面强耦合超宽带相控阵天线单元，包括四面分裂环形超材料宽角阻抗匹配层1、强耦合平面交叠偶极子单元2、双Y型馈电巴伦3、X型频率选择表面4、组合式网状铁氧体5、集成微带功分器的反射地板6；所述四面分裂环形超材料宽角阻抗匹配层1设置于强耦合平面交叠偶极子单元2上方，且有方形开槽避让焊点；所述强耦合平面交叠偶极子单元2上表面的垂直极化强耦合平面交叠偶极子单元201工作在垂直极化状态，下表面的水平极化强耦合平面交叠偶极子单元202工作在水平极化状态，上下表面交叠处巧妙地增强了各个极化单元的末端耦合，进一步拓宽了带宽，且上下表面单元均对双Y型馈电巴伦3做出相应避让，使得组装时的焊接工作更为灵便；所述双Y型馈电巴伦3上方与强耦合平面交叠偶极子单元1进行焊接，下方垂直镶嵌于集成微带功分器的反射地板6之上。
如图2至图5所示，在整个天线的最上方，设置有采用四面分裂环形超材料结构的宽角阻抗匹配层1，其上表面均匀印刷有若干个四面分裂环形超材料金属贴片101，该结构以较薄的基板及独特的周期性结构，克服了传统宽角阻抗匹配层重量较重，加工时易留有缝隙等实际问题，实现了天线的轻量化以及模块化。
双Y型馈电巴伦3包括两面不同的金属结构，双Y型馈电巴伦正面部分301通过渐变微带线实现了阻抗变换功能，并通过Y型枝节将阻抗变换后的信号传递至反面；双Y型馈电巴伦反面部分302接收到来自双Y型馈电巴伦正面部分301的信号后，通过短路-开路结构组合，实现了将不平衡馈电转换为平衡馈电的功能；进一步地，双Y型馈电巴伦反面部分302与上方强耦合平面交叠偶极子单元2进行焊接，双Y型馈电巴伦正面部分301与下方集成微带功分器的反射地板6焊接，实现了双Y型馈电巴伦3的联通及固定；此外，双Y型馈电巴伦反面部分302最上方与强耦合平面交叠偶极子单元焊接处，设计有另一个微带渐变结构，更好地匹配了天线阻抗。
X型频率选择表面4处于强耦合平面交叠偶极子单元2下方特定高度，该频率选择表面包括切削为X型的基板与其上方覆盖的X型金属贴片401，二者共同实现了一个带阻型频率选择表面，使得高频段电磁波无法通过，而低频段电磁波可正常通过；同时，X型基板的中心处开有特定直径的通孔，供支撑固定结构将其恰好支撑在所需的特定高度处。
组合式网状铁氧体5由八根特殊设计的开槽矩形铁氧体条带搭建而成，每条矩形条带开有四个宽度相同，位置对称的开槽，使得每四个条带可以与另外四个条带进行拼接，拼接后的网状结构位于X型频率选择表面4与集成微带功分器的反射地板6之间的特定位置，该结构提供了避让了双Y型馈电巴伦3的通孔，而且提供了供支撑固定结构将其恰好支撑在所需的特定高度处的通孔，实现了拓展天线带宽的优异特性。
集成微带功分器的反射地板6分别集成了水平极化、垂直极化的馈电功分器601，分属不同极化的功分器具有相同线宽，也即阻抗相同，但走线位置及布局分别设置；在微带线的弯折处倒出了圆角，避免出现变换时的不连续性；此外，功分器基板与地板进行多层板粘合，有效将二者集成，避免了贴合不紧密可能带来的性能恶化。
在以上结构中，四面分裂环形超材料宽角阻抗匹配层1、强耦合平面交叠偶极子单元2、双Y型馈电巴伦3都采用Taconic-TLY型号基板材料，介电常数为2.2；X型频率选择表面4、集成微带功分器的反射地板6都采用Rogers 4350型号基板材料，介电常数为3.66。
需要说明的是，若高频元件阵元间距等于其最高频率的半波长，则在整个工作频带内扫描到任何角度(除了±90度)，皆不会产生栅瓣。为了尽可能在保证天线性能的情况下，不减小天线辐射口径，以达到更大的增益，本发明中相控阵天线相邻偶极子单元之间的距离为对应频段最高频处的0.49倍波长。
图6给出了本实施例在E面和H面0-60度扫描状态下的端口对应驻波特性，从图中可见，在驻波比要求小于3.4的情况下，铁氧体加载的双极化低剖面强耦合超宽带相控阵天线在60度扫描范围内具有10:1的阻抗带宽(由于此双极化天线两个端口在结构上完全对称，因此以下图例都只给出其中一个端口的情况)。
图7给出了本实施例在侧射状态下的端口所有频率对应的实际主极化和交叉极化情况与理论增益情况的对比，从图中可见，天线在整个工作频段内交叉极化性能都可以在-25dB以下，实际增益值与理论增益值平均相差2dB以内，具有良好的辐射性能。
图8给出了采用本实施例所提供的铁氧体加载的双极化低剖面强耦合超宽带相控阵单元组成6X8面阵，在2GHz频点处0度以及60度扫描的情况下的主极化与交叉极化情况。从图中可见，该相控阵天线具有20dB以上的交叉极化特性，并且该阵列主极化可达到20dB，主副瓣比可达到13dB以上。
图9给出了采用本实施例所提供的铁氧体加载的双极化低剖面强耦合超宽带相控阵单元组成6X8面阵，在1GHz频点处0度以及60度扫描的情况下的主极化与交叉极化情况。从图中可见，该相控阵天线仍具有20dB以上的交叉极化特性以及13dB以上的主副瓣比。
图10给出了采用本实施例所提供的铁氧体加载的双极化低剖面强耦合超宽带相控阵单元组成6X8面阵，在0.2GHz频点处0度以及60度扫描的情况下的主极化与交叉极化情况。同样具有良好的交叉极化特性及波束扫描特性。

Claims (4)

1.铁氧体加载的双极化低剖面强耦合超宽带相控阵天线，其特征在于，包括四面分裂环形超材料宽角阻抗匹配层(1)、强耦合平面交叠偶极子单元(2)、双Y型馈电巴伦(3)、X型频率选择表面(4)、组合式网状铁氧体(5)、集成微带功分器的反射地板(6)；所述四面分裂环形超材料宽角阻抗匹配层(1)设置于强耦合平面交叠偶极子单元(2)上方，且有方形开槽避让焊点；所述强耦合平面交叠偶极子单元(2)上表面天线工作在垂直极化状态，下表面天线工作在水平极化状态；所述双Y型馈电巴伦(3)上方与强耦合平面交叠偶极子单元(2)进行焊接，下方垂直镶嵌于集成微带功分器的反射地板(6)之上；所述X型频率选择表面(4)处于强耦合平面交叠偶极子单元(2)下方特定高度，由尼龙螺钉固定；所述组合式网状铁氧体(5)处于X型频率选择表面(4)与集成微带功分器的反射地板(6)之间特定位置，由泡沫板与尼龙螺钉固定。
2.根据权利要求1所述的铁氧体加载的双极化低剖面强耦合超宽带相控阵天线，其特征在于，所述双Y型馈电巴伦(3)包括两面不同的金属结构，其中，双Y型馈电巴伦正面部分(301)通过渐变微带线实现了阻抗变换功能，双Y型馈电巴伦反面部分(302)通过短路-开路结构组合，实现了将不平衡馈电转换为平衡馈电的功能；此外，反面Y型金属结构(302)最上方与强耦合平面交叠偶极子单元(2)焊接处，设计有另一个微带渐变结构，更好地匹配了天线阻抗。
3.根据权利要求1所述的铁氧体加载的双极化低剖面强耦合超宽带相控阵天线，其特征在于，所述X型频率选择表面(4)处于天线下方特定高度，包括切削为X型的基板与其上方覆盖的X型金属贴片(401)，二者共同实现了一个带阻型频率选择表面，使得高频段电磁波无法通过，而低频段电磁波可正常通过。
4.根据权利要求1所述的铁氧体加载的双极化低剖面强耦合超宽带相控阵天线，其特征在于，所述组合式网状铁氧体(5)由八根特殊设计的开槽矩形铁氧体条带搭建而成，每条矩形条带开有四个宽度相同，位置对称的开槽，使得每四个条带可以与另外四个条带进行拼接，实现了拓展天线带宽的优异特性。
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