CN114498048B - 一种宽带宽角扫描低剖面双极化相控阵天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种宽带宽角扫描低剖面双极化相控阵天线，属于天线工程技术领域。本发明天线采用强耦合偶极子天线单元，具有宽带宽的特性；采取平面馈电巴伦和不对称偶极子形式，优化天线驻波；引入超材料宽角匹配层提高阵列的宽角、宽带扫描特性；采用金属接地探针优化双极化端口间的隔离度；介质基板挖孔降低介电常数，抑制扫描盲点；天线层和超材料宽角匹配层采用多层PCB技术，易于加工，结构稳定。仿真结果表明，该天线单元用于相控阵中，可以实现5～12GHz频带内，E、H、D面扫描±60°不出现栅瓣，有源驻波低于2.5；E、H面扫描±60°，隔离度在20dB以上；D面扫描±45°，隔离度在15dB以上，扫描±60°，隔离度在10dB以上。

Description

一种宽带宽角扫描低剖面双极化相控阵天线
技术领域
本发明属于天线工程技术领域，具体涉及一种宽带双极化的相控阵天线，具有结构紧凑、低剖面、大扫描角的特点。
背景技术
在雷达和通信系统中，相控阵天线由于其高增益、快速波束扫描、高精度和易于波束合成等优点，得到了广泛应用。同时，为了保证信号质量，避免极化损失，能够灵活调整极化方向的双极化相控阵天线已成为研究热点。在相控阵天线的研发中，宽带、宽角扫描是两个重要的课题。强耦合的偶极子阵列通常具有超宽带特性，如论文“A 7–21GHz Dual-Polarized Planar Ultrawideband Modular Antenna(PUMA)Array“中，实现了在3:1的超带宽内，E面，D面和H面均扫描至±45°。在论文“Analysis and Characterization of aWide-Angle Impedance Matching Metasurface for Dipole Phased Arrays,”中，通过在偶极子阵列上方放置一层由开口谐振环组成的结构来改善天线大角度扫描时的匹配情况，最终，天线可以在D面和H面均扫描到80°同时传输能量大于70％。然而该文章中并未涉及宽带范围内的匹配性能。
发明内容
本发明在背景技术的基础上，提出了一种宽带宽角扫描低剖面双极化相控阵天线，采用强耦合偶极子单元和超材料宽角匹配层在大带宽范围内实现了宽角扫描，E、H、D面扫描到任意角度驻波均比较低。采用多层PCB板的结构，加工方便，结构稳定。除此之外其剖面较低，可以更好地应用在各个场景。
本发明采用的技术方案如下：
一种宽带宽角扫描低剖面双极化相控阵天线，该天线有阵列排布的天线单元组成，该天线单元整体呈十字形层状结构，但十字形两个相邻的直接长度大于另外两个枝节，该天线单元从上到下包括：超材料宽角匹配层、馈线层、天线层和金属地板；所述超材料宽角匹配层由上到下依次包括：第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板，第一介质基板和第三介质基板上表都阵列排布有矩形金属贴片；
所述馈线层包括第四介质基板和该介质基板上表面设置的平面馈电巴伦，所述平面馈电巴伦有两片，分别设置在十字形层状结构两条较长枝节的末端，并在该枝节内对应设置一个馈电点，馈电点和平面馈电巴伦之间采用馈线连接；平面馈电巴伦形状为梯形；
所述天线层包括第五介质基板、第六介质基板、第七介质基板、第八介质基板；所述第五介质基板上表面设置有水平极化偶极子和垂直极化偶极子，所述水平极化偶极子和垂直极化偶极子结构完全相同，正交排布；每个偶极子包括三片，第一片为梯形，位于十字形长枝节的末端；第二片包括两部分，一部位为矩形，另一部分为梯形；第三部分也包括两部分，一部位为矩形，另一部分为梯形；所述每个偶极子第二片和第三片中梯形顶边朝向同一点，为十字形结构的中心点；每个偶极子的第一片与相邻天线单元的对应偶极子的第三片连通；所述第六层介质基板上表面设置有方形金属耦合片；所述每个偶极子的第一片和第二片通过探针与金属地板连接，方形金属耦合片通过探针与金属地板连接；馈电层中馈电点通过馈电探针与同轴输入端连接，馈电探针不与偶极子和金属地板接触。
进一步的，所述天线工作在5-12GHz，单元天线所占正方形大小为12.5mm×12.5mm，所述超材料宽角匹配层中阵列排布的矩形贴片尺寸为1.93mm×1.93mm；所述馈线层中偶极子的第二片宽度为3.3mm，长度为11.8mm；连接偶极子下表面与金属地板的探针直径为0.7mm，馈电探针直径为0.45mm。连接方形金属耦合片和金属地板的探针直径为2.3mm。
本发明天线采用强耦合偶极子天线单元，具备宽带宽的特性；采用平面馈电巴伦和接地探针优化天线驻波，降低极化隔离度；通过超材料宽角匹配层提高阵列的宽角、宽带扫描特性；超材料宽角匹配层、馈电层、天线层和金属地板之间采用尼龙螺丝连接；天线层以及超材料宽角匹配层采取多层PCB板工艺，剖面低、易于加工且结构稳定。
附图说明
图1为天线单元3D视图，其中图1(a)为超材料宽角匹配层，图1(b)为馈线层，图1(c)为天线层和金属地板。
图2为天线单元侧视图。
图3为天线层不同截面俯视图。其中(a)为天线层第一层介质基板上表面(b)为第二层介质基板上表面,(c)为金属地板。
图4为周期环境下单元有源驻波扫描到不同角度的结果，其中(a)、(b)、(c)分别为H面、E面、D面的仿真结果。
图5为周期环境下单元双极化端口间传输系数曲线，其中(a)、(b)、(c)分别为H面、E面、D面的仿真结果。
具体实施方式
本实施例的天线工作在5-12GHz，其单元结构3D视图、侧视图、俯视图分别见图1～3，阵元大小为12.5mm×12.5mm，为0.5λh×0.5λh(λh为12GHz的波长)。所述超材料宽角匹配层，见图1(a)，包括10～30层，其中阵列排布的矩形贴片尺寸为1.93mm×1.93mm；馈线层40，见图1(b)；天线层和金属地板见图1(c)，其中天线层包括50～80层，一片完整的偶极子的宽度为3.3mm，长度为11.8mm；超材料宽角匹配层和天线层采用多层PCB板工艺，各介质基板间用半固化片粘合。各层的垂直分布见图2。
偶极子单元51和52印制在介质基板50上表面，见图3(a)；方形金属耦合片61印制在介质基板60上表面，见图3(b)。探针82～87均贯穿介质基板50～80，如图1(c)所示，其中探针82、83、85、86连接偶极子下表面与金属地板，直径为0.7mm，84、87为馈电探针，直径为0.45mm。探针81直径为2.3mm，穿过方形金属耦合片和60～80介质基板，下端连接金属地板。
实施例中超材料宽角匹配层采用周期性排布的矩形贴片11、21，分别印制在介质基板10上表面和20下表面，10、30厚度为1mm左右，20厚度稍薄；馈线层采用水平和垂直极化的平面馈电巴伦41和42，印制在介质基板40上表面。平面馈电巴伦的输入端探针43、44贯穿介质基板40，其位置与探针84、87对应。
本实施例单元在H面、E面和D面扫描的有源驻波仿真结果分别如图4(a)、(b)、(c)。H面扫描时，60°扫描在12.6GHz处出现扫描盲点，其有源VSWR＜2.5的带宽为5～12.5GHz；E面扫描的上限工作频率主要取决于大角度(60°)的驻波，扫描到60°时有源VSWR＜2.5的带宽为5～12GHz；D面扫描到60°时有源VSWR＜2.5的带宽为5～12GHz。因此，单元在±60°内扫描的工作带宽为5～12GHz，在该频段内不会出现栅瓣。
本实施例单元在H面、E面和D面扫描时双极化端口间传输系数仿真结果分别如图4(a)、(b)、(c)。5～12GHz工作带宽内，E面和H面扫描到60°端口隔离度在20dB以上；D面扫描到45°端口隔离度在15dB以上，扫描到60°端口隔离度在10dB以上。

Claims (2)

1.一种宽带宽角扫描低剖面双极化相控阵天线，该天线有阵列排布的天线单元组成，该天线单元整体呈十字形层状结构，但十字形两个相邻的枝节长度大于另外两个枝节，该天线单元从上到下包括：超材料宽角匹配层、馈线层、天线层和金属地板；所述超材料宽角匹配层由上到下依次包括：第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板，第一介质基板和第三介质基板上表面都周期性排布有矩形金属贴片；
所述馈线层包括第四介质基板和该介质基板上表面设置的平面馈电巴伦，所述平面馈电巴伦有两片，分别设置在十字形层状结构两条较长枝节的末端，并在该枝节内对应设置一个馈电点，馈电点和平面馈电巴伦之间采用馈线连接；平面馈电巴伦形状为梯形；
所述天线层包括第五介质基板、第六介质基板、第七介质基板、第八介质基板；所述第五介质基板上表面设置有水平极化偶极子和垂直极化偶极子，所述水平极化偶极子和垂直极化偶极子结构完全相同，正交排布；每个偶极子包括三片，第一片为梯形，位于十字形长枝节的末端；第二片包括两部分，一部分为矩形，另一部分为梯形；第三片也包括两部分，一部分为矩形，另一部分为梯形；所述每个偶极子第二片和第三片中梯形顶边朝向同一点，为十字形结构的中心点；每个偶极子的第一片与相邻天线单元的对应偶极子的第三片连通；所述第六介质基板上表面设置有方形金属耦合片；所述每个偶极子的第一片和第二片通过探针与金属地板连接，方形金属耦合片通过探针与金属地板连接；馈电层中馈电点通过馈电探针与同轴输入端连接，馈电探针不与偶极子和金属地板接触。
2.如权利要求1所述的一种宽带宽角扫描低剖面双极化相控阵天线，其特征在于，所述天线工作在5-12GHz，单元天线所占正方形大小为12.5mm×12.5mm，所述超材料宽角匹配层中阵列排布的矩形贴片尺寸为1.93mm×1.93mm；所述天线层中偶极子的第二片宽度为3.3mm，长度为11.8mm；连接偶极子下表面与金属地板的探针直径为0.7mm，馈电探针直径为0.45mm，连接方形金属耦合片和金属地板的探针直径为2.3mm。
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