CN113904109A - 一种超宽带双极化阵列天线单元 - Google Patents

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周熹
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Abstract

本发明涉及一种超宽带双极化阵列天线单元，属于雷达天线领域。本发明提出一种金属振子天线及其附加结构。由金属底座和辐射臂组合构成振子天线的基础辐射结构，两个结构和尺寸相同的金属振子天线正交组合构成双极化辐射天线结构。天线正上方加载两层介质板，第一层介质板和天线单元平面栅格大小相同，上方刻蚀两条微带线。第二层介质板位于第一层介质板正中心，并且尺寸小于第一层介质板。第二层介质板上方刻蚀十字型微带条，并通过中心加载金属化过孔的方式和第一层介质板下方相连接。本发明的阵列单元天线可以用于超宽带双极化阵列的构建，有效的实现阵列天线超宽带范围内的良好匹配和辐射的稳定性。

Description

一种超宽带双极化阵列天线单元
技术领域
本发明属于雷达天线领域。
背景技术
目前在相控阵雷达领域，接收系统为了确保接收信号的高效性，通常采用双极化工作模式。同时，由于对相控阵系统轻量化和小型化要求的提高，瓦片式集成化子阵结构的有源面阵形式更加引人注目。受限于设备平台的大小和通道密度的要求，天线单元的间距无法做到很大，通常平面尺寸为高频半个波长。紧凑的空间要实现天线的超宽带高效匹配具有很高的难度，常规手段在实现双极化超宽带性能上通常可以做到100％相对带宽下驻波比小于2。但是目前雷达系统中对天线匹配效率的要求日益增高，因此需要更高效的匹配方式实现更小的驻波比。同时在双极化工作模式中两个不同极化天线之间的耦合量大小也和天线的工作效率问题息息相关，如何在保持高效匹配的前提下保持高隔离度成为了目前该领域较为重要的问题。
本发明主要针对超宽带双极化阵列天线提出一种匹配效率高、端口隔离度高的超宽带双极化单元天线。
发明内容
针对双极化超宽带阵列天线中单元匹配效率提高和耦合度降低的问题，本发明设计一种超宽带双极化的单元天线。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种超宽带双极化阵列天线单元，所述天线单元为正方形栅格层叠结构，从下往上依次是金属反射板1，射频连接器2，金属振子3，第一层介质板4，微带线5，第二层介质板6，十字型微带条7；其中微带线5刻蚀在第一层介质板4上表面，十字型微带条7刻蚀在第二层介质板6上表面。
进一步的，金属振子3包括水平极化金属振子3-1和垂直极化金属振子3-2，两者互相垂直放置于金属反射板1上层，并通过左侧金属底座3-3和右侧金属底座3-4固定安装于金属反射板1。水平极化金属振子3-1和垂直极化金属振子3-2外形和尺寸相同，每个单独的金属振子包括左侧金属底座3-3，右侧金属底座3-4，左侧曲线金属条带3-5，右侧曲线金属条带3-6和中间曲线金属条带3-8。
进一步的，金属振子3包括馈电点3-7及右侧金属条带3-6，其中馈电点3-7位于右侧金属条带3-6的下半部分。
进一步的，左侧金属底座3-3和左侧曲线金属条带3-5构成金属振子左半边结构，右侧金属底座3-4和右侧曲线金属条带3-6构成金属振子右半边结构。左侧金属底座3-3和右侧金属底座3-4之间为固定间距，左侧曲线金属条带3-5和右侧曲线金属条带3-6之间为渐变间距，构成中间曲线金属条带3-8。
进一步的，第一层介质板4和第二层介质板6均采用Rogers 5880或者相同电性能的材料。第一层介质板4和金属反射板1平面尺寸相同，厚度1mm；第二层介质板6位于第一层反射板中心位置，结构边长为1/5个高频波长，厚度为1/10个高频波长。
进一步的，微带线包括水平微带线5-1和垂直微带线5-2，水平微带线5-1和垂直微带线5-2刻蚀于第一层介质板4上表面，分别位于水平极化金属振子3-1和垂直极化金属振子3-2正上方。
进一步的，两条微带线交叉刻蚀于第二层介质板6上表面，构成十字型微带结构；十字型微带条7外形尺寸和第二层介质板6相同。十字型微带条7中心位置通过金属化通孔结构和第一层介质板4下表面相连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)本发明的单元天线和阵列可以实现超过100％的相对带，并且端口驻波比在100％相对带宽内小于1.5；
(2)本发明的单元天线和阵列可以实现相邻的不同极化天线端口在超宽带范围内的耦合度降低至-30dB以下。
(3)本发明的天线模型的最终形态和传统的超宽带天线相比坡面高度可以降低至原来的60％以内。
附图说明
图1为本发明单元天线的结构爆炸图；
图2为本发明单元天线金属振子结构示意图；
图3为本发明单元天线构建的4×4大小的阵列天线示意图；
图4为本发明单元天线周期边界下端口电压驻波；
图5为本发明单元天线周期边界下不同极化端口间的耦合大小；
图6为本发明单元天线构建的4×4大小的阵列辐射增益的曲线。
附图说明：1，金属反射板；2-1，水平极化射频连接器；2-2，垂直极化射频连接器；3-1，水平极化金属振子；3-2，垂直极化金属振子；3-3，左侧金属底座；3-4，右侧金属底座；3-5，左侧曲线金属条带；3-6，右侧曲线金属条带；3-7，馈电点；3-8，中间曲线金属条带；4第一层介质板；5-1，水平微带线；5-2，垂直微带线；6，第二层介质板；7，十字型微带条。
具体实施方式
本发明实施例设置频段在S～C频段，相对带宽保持100％以上。
参照图1、图2和图3，本发明提出的一种超宽带双极化阵列天线单元正方形栅格层叠结构，从下往上依次是金属反射板1，射频连接器2，金属振子3，第一层介质板4，微带线5，第二层介质板6，十字型微带条7；微带线5刻蚀在第一层介质板4上表面，十字型微带条7刻蚀在第二层介质板6上表面。水平极化金属振子3-1和垂直极化金属振子3-2互相垂直放置于金属反射板1上层，并通过左侧金属底座3-3和右侧金属底座3-4固定安装于金属反射板1。水平极化金属振子3-1和垂直极化金属振子3-2外形和尺寸相同，每个单独的金属振子由左侧金属底座3-3，右侧金属底座3-4，左侧曲线金属条带3-5，右侧曲线金属条带3-6和中间曲线金属条带3-8构成。馈电点3-7位于右侧金属条带3-6的下半部分。
金属反射板1尺寸设置为27mm×27mm。水平极化金属振子3-1和垂直极化金属振子3-2外形和尺寸相同，每个单独的金属振子由左侧金属底座3-3，右侧金属底座3-4，高度为12mm，金属边厚度为2.8mm。左侧曲线金属条带3-5，右侧曲线金属条带3-6和中间曲线金属条带3-8构成的金属环高度为21.4mm，金属边厚度为2.8mm。金属振子的左半边部分和右半边部分的间隔为1mm。第一层介质板4厚度1mm，第二层介质板6厚度5mm，均采用Rogers5880。微带线5位于水平极化金属振子3-1和垂直极化金属振子3-2正上方，尺寸为2.8mm×10mm。十字型微带条7位于第一层介质板4正中间位置，有两个尺寸为2.8mm×10mm的微带线交叉构成。
1、仿真条件和内容
利用商业仿真软件对实施案例中的单元天线和阵列天线进行仿真。单元天线设置为周期边界条件，模拟仿真得到无限大阵中单元的有源驻波以及最大辐射方向远场各极化分量；
2、仿真结果分析
参照图4，该仿真结果为周期边界条件下，法向扫描时的有源电压驻波比。可见在至少100％相对带宽内，有源驻波均小于1.5，在三倍频带宽内具有较好的阻抗匹配特性；
参照图5，该仿真结果为周期边界条件下，法向扫描时，水平极化天线端口和垂直极化天线端口间的耦合度。可见，在至少100％相对带宽内，端口隔离度小于-30dB，在三倍频带宽内具有较好的端口隔离效果；
参照图6，仿真对象是4×4阵列天线，结果对应法向辐射波束增益值。可见在至少100％相对带宽内，阵列天线的辐射增益高效稳定，在三倍频带宽内具有较高的辐射增益值；
此外，该单元天线的总高度为39.4mm，小于低频点对应波长的0.26倍，和相同频段的超宽带天线相比，总高度为后者的55％，具有一定的低剖面的优势。

Claims (10)

1.一种超宽带双极化阵列天线单元，其特征在于：所述天线单元为正方形栅格层叠结构，从下往上依次是金属反射板(1)，射频连接器(2)，金属振子(3)，第一层介质板(4)，微带线(5)，第二层介质板(6)，十字型微带条(7)；其中微带线(5)刻蚀在第一层介质板(4)上表面，十字型微带条(7)刻蚀在第二层介质板(6)上表面。
2.根据权利要求1所述的超宽带双极化阵列天线单元，其特征在于：所述金属振子(3)包括水平极化金属振子(3-1)和垂直极化金属振子(3-2)，两者互相垂直放置于金属反射板(1)上层，并通过左侧金属底座(3-3)和右侧金属底座(3-4)固定安装于金属反射板(1)。
3.根据权利要求2所述的超宽带双极化阵列天线单元，其特征在于：所述水平极化金属振子(3-1)和垂直极化金属振子(3-2)外形和尺寸相同，每个单独的金属振子包括左侧金属底座(3-3)，右侧金属底座(3-4)，左侧曲线金属条带(3-5)，右侧曲线金属条带(3-6)和中间曲线金属条带(3-8)。
4.根据权利要求1所述的超宽带双极化阵列天线单元，其特征在于：所述金属振子(3)包括馈电点(3-7)及右侧金属条带(3-6)，其中馈电点(3-7)位于右侧金属条带(3-6)的下半部分。
5.根据权利要求3所述的超宽带双极化阵列天线单元，其特征在于：左侧金属底座(3-3)和左侧曲线金属条带(3-5)构成金属振子左半边结构，右侧金属底座(3-4)和右侧曲线金属条带(3-6)构成金属振子右半边结构；左侧金属底座(3-3)和右侧金属底座(3-4)之间为固定间距，左侧曲线金属条带(3-5)和右侧曲线金属条带(3-6)之间为渐变间距，构成中间曲线金属条带(3-8)。
6.根据权利要求1所述的超宽带双极化阵列天线单元，其特征在于：第一层介质板(4)和第二层介质板(6)均采用Rogers 5880或者相同电性能的材料。
7.根据权利要求1所述的超宽带双极化阵列天线单元，其特征在于：第一层介质板(4)和金属反射板(1)平面尺寸相同，厚度1mm；第二层介质板(6)位于第一层反射板中心位置，结构边长为1/5个高频波长，厚度为1/10个高频波长。
8.根据权利要求1所述的超宽带双极化阵列天线单元，其特征在于：所述微带线(5)包括水平微带线(5-1)和垂直微带线(5-2)，水平微带线(5-1)和垂直微带线(5-2)刻蚀于第一层介质板(4)上表面，分别位于水平极化金属振子(3-1)和垂直极化金属振子(3-2)正上方。
9.根据权利要求1所述的超宽带双极化阵列天线单元，其特征在于：两条微带线交叉刻蚀于第二层介质板(6)上表面，构成十字型微带结构；十字型微带条(7)外形尺寸和第二层介质板(6)相同。
10.根据权利要求1所述的超宽带双极化阵列天线单元，其特征在于：所述十字型微带条(7)中心位置通过金属化通孔结构和第一层介质板(4)下表面相连接。
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