CN114421148A - 一种双极化超宽带宽角紧耦合阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双极化超宽带宽角紧耦合阵列天线，包括周期性阵列排列的M×N个双极化单元；每个双极化单元包括介质板、周期性金属覆层、蝶形偶极子、指数渐变巴伦、金属地板、Wilkinson功分器和阻性频率选择表面；周期性金属覆层位于蝶形偶极子上方，并与蝶形偶极子平行，指数渐变巴伦位于金属地板与蝶形偶极子之间，Wilkinson功分器位于金属地板下方；每两个指数渐变巴伦与一个Wilkinson功分器组成一个馈电网络，在宽频带内实现从偶极子到同轴端口的阻抗变换以及对偶极子的平衡馈电。该天线具有低剖面，拓展天线带宽特性，同时兼顾了单元方向图一致性，适用于多功能雷达、电子对抗、通信等领域。
Description
技术领域
本发明涉及宽带相控阵领域，特别涉及一种超宽带宽角紧耦合阵列天线。
背景技术
随着星载、机载、舰载各平台综合电子系统的发展，对具有侦测、干扰、探测和通信等多功能一体化的雷达系统的需求日益迫切，具有宽角扫描能力的超宽带相控阵雷达成为了国内外研究热点。此外，双极化技术由于在雷达应用中可提高其对目标的检测和识别概率而备受关注。基于紧耦合技术的超宽带阵列天线具有共用性强、体积小、剖面低、易实现宽角扫描等优点，因此，对双极化超宽带宽角紧耦合阵列天线技术的研究在雷达天线领域具有重大的意义。
2020年，崔学武，位朝垒等人提出了《一种低剖面宽带宽角紧耦合天线单元及阵列》的专利申请，申请号：202021050273.4，公开号：
CN111525255A，该天线包括宽角匹配层、耦合层、天线层、以及馈电层、整体结构采用多层印制板工艺加工而成。但该阵列天线的扫描能力有限，且结构较为复杂。
2021年，屈世伟，杜思谊等人提出了《一种基于槽耦合结构的高隔离度双极化紧耦合相控阵天线单元》的专利申请，申请号：202110249410.X，公开号：CN113078460A，该天线提出了一种槽耦合过渡结构，在保证相控阵天线驻波与辐射性能确定前提下优化了天线的极化隔离度，并可实现E面、H面±60°的波束扫描。但该天线的工作带宽只有两倍频，不适用于多功能雷达系统。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种双极化超宽带宽角紧耦合阵列天线。该天线辐射场的极化方向与介质基板平行，为±45°极化，通过加载阻性频率选择表面，消除了限制天线工作带宽的短路零点，实现9倍频程的超宽工作频带，且在D面具有±60°的扫描能力。该天线将馈电网络、周期性金属覆层与辐射偶极子集成在同一块介质板上，降低了物理实现的难度。该天线解决了现有双极化阵列天线带宽窄，扫描角度范围小的问题，同时兼顾了单元方向图一致性。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
本发明提供了一种双极化超宽带宽角紧耦合阵列天线，包括周期性阵列排列的M×N个双极化单元，M≥2，N≥2；
每个双极化单元包括介质板、周期性金属覆层、蝶形偶极子、指数渐变巴伦、金属地板、Wilkinson功分器和阻性频率选择表面；介质板为两块对折的矩形板，阻性频率选择表面和金属地板分别水平设置在对折的介质板内侧；在介质板的两侧分别印刷周期性金属覆层、两对蝶形偶极子、两个指数渐变巴伦和一个Wilkinson功分器；
周期性金属覆层位于蝶形偶极子上方，并与蝶形偶极子平行，指数渐变巴伦位于金属地板与蝶形偶极子之间，Wilkinson功分器位于金属地板下方；
两对蝶形偶极子、两个指数渐变巴伦和一个Wilkinson功分器依次连接，每两个指数渐变巴伦与一个Wilkinson功分器组成一个馈电网络，在宽频带内实现从偶极子到同轴端口的阻抗变换以及对偶极子的平衡馈电。
作为优选，介质板设为两块，且垂直交叉放置。通过在两块介质板上各开一个宽度为板厚的槽缝，将对插处设置在偶极子中心处，可以在不影响天线辐射性能的前提下将两块介质板互相固定。
作为优选，周期性金属覆层设为两组，每组由16个矩形金属贴片两两成对等间距排列成两层。调整矩形金属贴片的尺寸与间距可以改变覆层的反射/透射特性，从而改善天线的匹配程度。
作为优选，蝶形偶极子设为四对，每对蝶形偶极子的偶极子臂由矩形金属贴片倒角而成，倒角的角部分别连接指数渐变巴伦。倒角使偶极子在宽频带内的阻抗特性更为稳定。
作为优选，指数渐变巴伦设为四个，每一个指数渐变巴伦为微带线-平行双线结构，包括直线型金属贴片和两侧的渐变式金属贴片，渐变式金属贴片由上至下依次渐扩，下方与Wilkinson功分器相连。渐变式金属贴片可以将功分器输入的不平衡电流转换成平衡电流输出到偶极子上。
作为优选，Wilkinson功分器设为两个分别设于介质板的两侧的对称结构，Wilkinson功分器为一对等间距对称弯折结构，各弯折结构之间设有隔离电阻。每个Wilkinson功分器将一个50Ω输入端口均分为两个100Ω输出端口，两个100Ω输出端口分别连接两个指数渐变巴伦，两个100Ω输出端口之间设有三个200Ω的隔离电阻。Wilkinson功分器实现了50Ω到100Ω的阻抗变换，隔离电阻提高了两个输出端口间的隔离度，避免了两个单元产生互扰。
作为优选，阻性频率选择表面设为两个，每个频率选择表面都包括一块介质基板和在其上的一个环形阻性贴片。环形阻性贴片的尺寸与宽度决定了阻性频率选择表面的吸收效果，阻性频率选择表面的工作频率与距离地板的高度相关，通过调整以上参数，可以使阻性频率选择表面的吸收频带覆盖天线的短路零点，从而有效拓展天线的阻抗带宽。
作为优选，所述介质基板的材质为FR-4，介质板的材质为Rogers RT/duroid4350，介质基板的厚度与介质板的厚度相同。改变介质基板的厚度，可以改变阻性频率选择表面的反射特性。
作为优选，天线在工作频带内有源驻波比≤3，工作频带覆盖2GHz至18GHz的频率范围，极化方式为双极化，D面扫描范围为±60°。解决了现有双极化阵列天线带宽窄，扫描角度范围小的问题，同时兼顾了单元方向图一致性。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
1.本发明使用周期性金属覆层代替传统的介质覆层，不仅能够实现对天线驻波比特性的优化，增大天线的相扫角度，还能够极大程度地减轻天线的整体重量。
2.本发明采用两个指数渐变巴伦结合一个Wilkinson功分器给两个偶极子馈电的方式，实现了双单元子阵布阵方案，降低了天线的阻抗匹配难度。
3.本发明阻性频率选择表面设置在偶极子与金属地板之间，用于吸收短路点处天线向地板所辐射的电磁波，拓展天线带宽；利用阻性频率选择表面吸收由地板导致的短路零点，极大地拓宽了天线的阻抗带宽，双层阻性频率选择表面的加载也对天线扫描角度的提高起到了一定的积极作用。
4.本发明将每一组周期性金属覆层、每两对蝶形偶极子、每两个指数渐变巴伦以及一个Wilkinson功分器印刷在同一块介质板的两侧，简化了天线结构，降低了天线的加工难度。
此天线具有超宽带、宽角扫描、低剖面等优点，适合用于多功能雷达、电子对抗和通信等领域。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1为本发明具体实施方式中双极化超宽带宽角紧耦合阵列天线的结构示意图；
图2为本发明具体实施方式中阵列单元的立体结构图；
图3为本发明具体实施方式中阵列单元的主视图；
图4为本发明具体实施方式中阵列单元的侧视图；
图5为本发明具体实施方式中指数渐变馈电巴伦的结构示意图；
图6为本发明具体实施方式中Wilkinson功分器的结构示意图；
图7为本发明具体实施方式中阻性频率选择表面的结构示意图；
图8为本发明具体实施方式中工作在D面相扫60°情况下的有源驻波比曲线图；
图9为本发明具体实施方式中工作在9GHz处D面相扫60°情况下的主极化与交叉极化方向图。
图中：1、介质板；2、周期型金属覆层；3、蝶形偶极子；4、指数渐变巴伦；5、金属地板；6、Wilkinson功分器；7、阻性频率选择表面；22、23、24、第一、第二、第三隔离电阻。
1-1、左介质板；1-2、右介质板；2-1、第一组周期性金属覆；2-2、第二组周期性金属覆；3-1、3-2、前两对蝶形偶极子；3-3、3-4、后两对蝶形偶极子；4-1、4-2、前两个指数渐变巴伦；4-3、4-4、后两个指数渐变巴伦；6-1、左侧Wilkinson功分器；6-2、右侧Wilkinson功分器；7-1、第一阻性频率选择表面；7-2、第二阻性频率选择表面；7A、方环形阻性金属贴片；7B、方形介质基板。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
参照图1，本发明双极化超宽带宽角紧耦合阵列天线，由M×N个双极化单元周期性阵列排列组成，即将双极化单元绕Z轴方向旋转45°，分别沿X轴和Y轴方向呈周期性阵列排列。在一个实施例中，双极化单元按照6×36的周期性排列构成阵列天线，并对位于阵列中间的2×16个单元进行馈电，其他单元连接匹配负载，实现D面扫描。
参照图2、图3和图4，每个双极化单元包括介质板1、周期型金属覆层2、蝶形偶极子3、指数渐变巴伦4、金属地板5、Wilkinson功分器6和阻性频率选择表面7；其中：介质板1设为两块，两块介质板竖直交叉放置，二者夹角为直角，两块介质板1对折后，通过在两块介质板上各开一个宽度为板厚的槽缝，将对插处设置在蝶形偶极子中心处，可以在不影响天线辐射性能的前提下将两块介质板互相固定。在两块介质板之间设置有两块平行布置的阻性频率选择表面7，阻性频率选择表面7下方间隔布置金属地板5。
在一个实施例中，双极化单元的长度为Dx＝11.4mm，宽度为Dy＝11.4mm。介质板1材质为Rogers RT/duroid 4350，厚度均为0.508mm。
在介质板1上方设置有周期性金属覆层2和蝶形偶极子3，周期性金属覆层2位于蝶形偶极子3的上方，并与蝶形偶极子3平行，蝶形偶极子3下方设有连接到Wilkinson功分器6的蝶形偶极子3。指数渐变巴伦4位于蝶形偶极子3和金属地板5之间，Wilkinson功分器6位于金属地板5下方。
周期性金属覆层2，其设为两组，每一组周期性金属覆层由16个矩形金属贴片两两成对等间距排列组成两层。
参见图3、4所示，每一组周期性金属覆层、每两对蝶形偶极子、每两个指数渐变巴伦以及一个Wilkinson功分器印刷在同一块介质板的两侧，即第一组周期性金属覆层2-1、前两对蝶形偶极子3-1和3-2、前两个指数渐变巴伦4-1和4-2、左侧Wilkinson功分器6-1，印刷在左介质板1-1的两侧；第二组周期性金属覆层2-2、后两对蝶形偶极子3-3和3-4、后两个指数渐变巴伦4-3和4-4、右侧Wilkinson功分器6-2，印刷在右介质板1-2的两侧。
在一个实施例中，周期性金属覆层2矩形贴片的长度为Lf＝2.25mm，宽度为Wf＝0.5mm，每对矩形金属贴片的间距为Df＝3mm。
蝶形偶极子3设为四对，每对蝶形偶极子的偶极子臂由矩形金属贴片倒角而成，倒角的角部分别连接指数渐变巴伦4。
在一个实施例中，蝶形偶极子3的偶极子臂的长度为Lp＝4.65mm，宽度为Wp＝2mm，中心距离地板的高度为Hp＝12mm，蝶形偶极子与周期性金属覆层的间距为Ds＝0.4mm。
参照图5，指数渐变巴伦4设为四个，四个指数渐变巴伦结构相同，即每一个指数渐变巴伦为微带线-平行双线结构，包括直线型金属贴片和两侧的渐变式金属贴片，渐变式金属贴片由上至下依次渐扩，下方与Wilkinson功分器6相连。
在一个实施例中，指数渐变巴伦4直线型金属贴片的宽度为Wt1＝0.2mm，渐变式金属贴片的宽度由Wt1＝0.2mm渐变为Wt2＝2mm。
金属地板5位于指数渐变巴伦4和Wilkinson功分器6之间，水平布置在阻性频率选择表面7下方。
参照图6，Wilkinson功分器6设为两个，两个Wilkinson功分器结构相同，分别设于介质板的两侧，上方连接指数渐变巴伦4。Wilkinson功分器6为一对等间距对称弯折结构，各弯折结构之间设有隔离电阻。
每一个Wilkinson功分器将一个50Ω输入端口均分为两个100Ω输出端口，两个100Ω输出端口之间设有三个200Ω的隔离电阻22、23和24，左侧Wilkinson功分器6-1的两个100Ω输出端口分别连接前两个指数渐变巴伦4-1和4-2，右侧Wilkinson功分器6-2的两个100Ω输出端口分别连接后两个指数渐变巴伦4-3和4-4。
在一个实施例中，50Ω输入端口的微带线线宽为Wm1＝1mm，100Ω输出端口的微带线线宽为0.2mm。
参照图7，阻性频率选择表面7设为两个，分别为第一阻性频率选择表面7-1和第二阻性频率选择表面7-2；两个阻性频率选择表面结构相同，即每个频率选择表面都由一个方环形阻性金属贴片7A印刷在一块方形介质基板7B上构成。
在一个实施例中，方环形阻性金属贴片7A的外边长为Lr＝10.4mm，环宽为Wr＝0.5mm，方阻为50Ω/方，方形介质基板7B的边长Lu＝10.692mm，材质为FR-4，厚度为0.508mm。
本发明的效果，可以通过以下仿真进一步说明：
仿真1，采用高频结构仿真软件HFSS对本发明实施例阵列天线在D面相扫60°情况下的有源驻波比进行仿真，结果如图8；
仿真2，采用高频结构仿真软件HFSS对本发明实施例阵列天线在9GHz出D面相扫60°情况下的主极化与交叉极化方向图进行仿真，结果如图9；
其中：图8中纵坐标表示天线的有源驻波比，横坐标表示频率，单位为GHz；图9中极径坐标表示阵列天线的归一化增益，单位为dB，极角坐标表示扫描角度，单位为deg。
从图8可以看出，天线具有9倍频程的工作带宽；
从图9可以看出，天线的D面扫描范围为±60°。
综上，本发明双极化超宽带宽角紧耦合阵列天线的工作带宽可达9个倍频，在D面实现了±60°的大角度相位扫描，且具有双极化与低剖面特性，提高了对目标的检测和识别精度，适用于多功能雷达、电子对抗、通信等领域。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种双极化超宽带宽角紧耦合阵列天线，其特征在于，包括周期性阵列排列的M×N个双极化单元，M≥2，N≥2；双极化单元绕Z轴方向旋转45°，分别沿X轴和Y轴方向呈周期性阵列排列；
每个双极化单元包括介质板、周期性金属覆层、蝶形偶极子、指数渐变巴伦、金属地板、Wilkinson功分器和阻性频率选择表面；介质板为两块对折的矩形板，阻性频率选择表面和金属地板分别水平设置在对折的介质板内侧；在介质板的两侧分别印刷周期性金属覆层、两对蝶形偶极子、两个指数渐变巴伦和一个Wilkinson功分器；
周期性金属覆层位于蝶形偶极子上方，并与蝶形偶极子平行，指数渐变巴伦位于金属地板与蝶形偶极子之间，Wilkinson功分器位于金属地板下方；
两对蝶形偶极子、两个指数渐变巴伦和一个Wilkinson功分器依次连接，每两个指数渐变巴伦与一个Wilkinson功分器组成一个馈电网络，在宽频带内实现从偶极子到同轴端口的阻抗变换以及对偶极子的平衡馈电。
2.根据权利要求1所述的双极化超宽带宽角紧耦合阵列天线，其特征在于，所述介质板设为两块，且垂直交叉放置。
3.根据权利要求1所述的双极化超宽带宽角紧耦合阵列天线，其特征在于，所述周期性金属覆层设为两组，每组由16个矩形金属贴片两两成对等间距排列成两层。
4.根据权利要求1所述的双极化超宽带宽角紧耦合阵列天线，其特征在于，所述蝶形偶极子设为四对，每对蝶形偶极子的偶极子臂由矩形金属贴片倒角而成，倒角的角部分别连接指数渐变巴伦。
5.根据权利要求1所述的双极化超宽带宽角紧耦合阵列天线，其特征在于，所述指数渐变巴伦设为四个，每一个指数渐变巴伦为微带线-平行双线结构，包括直线型金属贴片和两侧的渐变式金属贴片，渐变式金属贴片由上至下依次渐扩，下方与Wilkinson功分器相连。
6.根据权利要求1所述的双极化超宽带宽角紧耦合阵列天线，其特征在于，所述Wilkinson功分器设为两个分别设于介质板的两侧的对称结构，Wilkinson功分器为一对等间距对称弯折结构，各弯折结构之间设有隔离电阻。
7.根据权利要求6所述的双极化超宽带宽角紧耦合阵列天线，其特征在于，每个Wilkinson功分器将一个50Ω输入端口均分为两个100Ω输出端口，两个100Ω输出端口分别连接两个指数渐变巴伦，两个100Ω输出端口之间设有三个200Ω的隔离电阻。
8.根据权利要求1所述的双极化超宽带宽角紧耦合阵列天线，其特征在于，所述阻性频率选择表面设为两个，每个频率选择表面都包括一块介质基板和在其上的一个环形阻性贴片。
9.根据权利要求8所述的双极化超宽带宽角紧耦合阵列天线，其特征在于，所述介质基板的材质为FR-4，介质板的材质为Rogers RT/duroid 4350，介质基板的厚度与介质板的厚度相同。
10.根据权利要求1所述的双极化超宽带宽角紧耦合阵列天线，其特征在于，天线在工作频带内有源驻波比≤3，工作频带覆盖2GHz至18GHz的频率范围，极化方式为双极化，D面扫描范围为±60°。
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