CN114725685B - 基于横向连接折叠偶极子的平面紧耦合超宽带相控阵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于横向连接折叠偶极子的平面紧耦合超宽带相控阵。包括横向连接折叠偶极子单元、位于偶极子单元上方的星形超材料广角阻抗匹配层、位于偶极子单元下方竖直放置的同轴馈线、位于偶极子单元下方水平放置的金属反射地板以及位于偶极子单元下方垂直于金属反射地板的金属壁；横向连接折叠偶极子单元包括上下两层水平放置的介质基板和两排垂直放置的排针，两排排针的两端分别与上层介质板上表面的金属贴片和下层介质板下表面的金属贴片相连接；下层介质板上表面的微带贴片与同轴馈线的内导体相连接。本发明的结构拓展了平面紧耦合相控阵的最低工作频率，结构简单，机械强度高，易于集成和实现共形，且馈电简捷无需复杂的馈电网络。

Description

基于横向连接折叠偶极子的平面紧耦合超宽带相控阵
技术领域
本发明属于天线技术领域，尤其涉及基于横向连接折叠偶极子的平面紧耦合超宽带相控阵。
背景技术
由于宽频谱、高增益和具有波束赋形等优势，超宽带相控阵在卫星通信、气象水文、空中交通、深空探测、遥感测绘和生物医学等领受到了广泛关注。
传统的超宽带天线单元主要有微带贴片天线、Vivaldi天线和金属波导天线等。然而传统的天线有剖面高，造价高，体积庞大笨重，集成度低等缺点，限制了其应用范围。
为了克服传统天线的缺点，近年来一种新型的紧耦合天线阵列技术应运而生，其设计思路不同于传统的超宽带相控阵。紧耦合阵列通过阵元间的强互耦效应来实现相控阵天线的超宽带性能，其剖面低，单元尺寸小。
虽然紧耦合天线阵列技术是实现超宽带的一种有效手段，但其天线结构和馈电网络通常是垂直的立式结构，机械强度较弱，容易变形，不利于装配、集成和共形。此外，由于紧耦合阵列偶极子单元是一种平衡结构，其输入阻抗较高，而通常实际馈电时都采用不平衡的馈电结构，因而需要巴伦或阻抗变换器将不平衡的电磁能量转化为平衡的电磁能量传输到平衡结构的偶极子中，以实现宽带阻抗匹配性能。然而剖面较高、设计复杂的宽带巴伦不仅无形中增加了天线阵列的设计难度和周期，而且还会增加设计成本，同时，巴伦的使用也会带来能量损耗。
综上，研发具有平面化，低剖面，低成本和馈电结构简单的超宽带相控阵已经成为军用和民用领域的迫切需求。
近年来，有关紧耦合相控阵的平面化研究尽管已取得了一些进展，但是仍面临诸多亟待解决的问题和挑战：1.在目前的平面紧耦合阵列中，天线单元结构都采用多层堆叠的PCB工艺，加工难度较大，加工精度要求高,成本昂贵，且天线阵列工作的最低频率仅为1.06GHz，该平面超宽带阵列(The Planar Ultra-wideband Modular Antenna(PUMA)Array)由Vouvakis团队提出。然而对于UHF波段而言，由于其物理尺寸大，采用多层堆叠的PCB工艺是不现实的。2.在目前的平面紧耦合阵列中，天线阵列辐射面和反射地面之间都需要介电常数较低的介质或填充泡沫作为支撑层，这不仅会提高天线加工的成本，而且不利于天线的轻量化设计。3.在目前的平面紧耦合阵列中，为了消除工作频带内的共模谐振模式以及缓解低频环路模式，都采用了添加短路过孔的方法，而短路过孔的实现仍然依赖于多层堆叠的PCB工艺，因此，对于UHF频段的平面紧耦合阵列而言，消除工作频带内的共模谐振模式和缓解低频环路模式仍然面临挑战；4.在目前的平面紧耦合阵列中，由于其工作的最低频率仅为1.06GHz，因此，拓展平面紧耦合阵列的最低工作频率非常之必要。
基于此，研究工作在UHF频带内的平面紧耦合超宽带阵列具有非常重要的实际工程意义。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于横向连接折叠偶极子的平面紧耦合超宽带相控阵,以解决上述的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：
一种基于横向连接折叠偶极子的平面紧耦合超宽带相控阵，包括：横向连接折叠偶极子单元、位于偶极子单元上方的星形超材料广角阻抗匹配层、位于偶极子单元下方竖直放置的同轴馈线、位于偶极子单元下方水平放置的金属反射地板以及位于偶极子单元下方垂直于金属反射地板的金属壁；SMA连接器穿过金属反射板上的孔与同轴馈线相连接；所述横向连接折叠偶极子单元包括上层水平放置的第一介质基板、下层水平放置的第二介质基板和两排垂直放置的排针，所述两排排针的两端分别与第一介质基板上表面的第一金属贴片和第二介质基板下表面的第二金属贴片相连接；所述第二介质基板上表面的微带贴片与同轴馈线的内导体相连接；所述星形超材料广角阻抗匹配层由第三介质基板和第三介质基板上表面的星形第三金属贴片组成。
进一步的，所述垂直金属壁与第二下层介质基板下表面的第二金属贴片之间有间隙。
进一步的，所述排针由间距相等的16个金属针和塑胶组成。
进一步的，所述微带贴片是T形的。
进一步的，所述同轴馈线为标准的50Ω同轴线，SMA连接器为标准的50ΩSMA连接器。
进一步的，所述位于偶极子单元下方垂直于金属反射地板的金属壁的厚度为1.7mm。
进一步的，所述第一介质基板与第二介质基板均为F4B，介电常数为2.2，厚度为1mm；第三介质基板为F4B，介电常数为3.0，厚度为2mm。
本发明的基于横向连接折叠偶极子的平面紧耦合超宽带相控阵，具有以下优点：
1、本发明公开了一种基于横向连接折叠偶极子的平面紧耦合超宽带相控阵，该阵列单元由横向连接折叠偶极子组成，采用折叠结构一方面在不增加天线纵向尺寸的情况下拓宽了天线的最低工作频率，实现了天线的小型化设计，另一方面折叠结构的两个开路末端形成的容性间隙正好抵消了偶极子输入阻抗在高频时的感性电抗分量，从而拓宽了天线的上限工作频率，这样就实现了天线的超宽带性能；
2、横向连接折叠偶极子在工作频带内的输入阻抗接近50Ω，可以直接采用标准的50Ω同轴线缆馈电，不仅避免使用复杂的馈电网络，而且减小了因馈电网络引起的损耗以及节约了成本；
3、金属壁的使用消除了天线在工作频带内的共模谐振模式，缓解了限制天线带宽的低频环路模式，保证了天线的超宽带性能；
4、星形的超材料广角阻抗匹配层代替了传统在天线阵列上方覆盖较厚的介质匹配层，实现了天线的低剖面和轻量化设计，同时也减小了成本；
5、金属壁的支撑作用也使得天线阵面和金属反射地面之间无需再填充支撑介质或泡沫，使得天线具有较好的机械强度。
附图说明
图1为本发明实施例的基于横向连接折叠偶极子的平面紧耦合超宽带相控阵的立体结构示意图；
图2为本发明实施例的阵列单元的结构示意图；
图3为本发明实施例的阵列单元的正视图；
图4为本发明实施例的阵列单元的侧视图；
图5为本发明实施例的星形超材料广角阻抗匹配层的示意图；
图6为本发明实施例的T型微带贴片转50Ω同轴线的馈电结构示意图；
图7为本发明实施例的单元E面0-75度全频段端口有源电压驻波比情况；
图8为本发明实施例的单元H面0-50度全频段端口有源电压驻波比情况；
图9(a)为本发明实施例中单元组成16×16面阵后，E面0.7GHz处0度、±30度、±75度的扫描方向图；
图9(b)为本发明实施例中单元组成16×16面阵后，E面0.7GHz处0度、±30度、±75度的交叉极化图；
图10(a)为本发明实施例中单元组成16×16面阵后，E面3GHz处0度、±30度、±75度的扫描方向图；
图10(b)为本发明实施例中单元组成16×16面阵后，E面3GHz处0度、±30度、±75度的交叉极化图；
图11(a)为本发明实施例中单元组成16×16面阵后，H面0.7GHz处0度、±30度、±50度的扫描方向图；
图11(b)为本发明实施例中单元组成16×16面阵后，H面0.7GHz处0度、±30度、±50度的交叉极化图；
图12(a)为本发明实施例中单元组成16×16面阵后，H面3GHz处0度、±30度、±50度的扫描方向图；
图12(b)为本发明实施例中单元组成16×16面阵后，H面3GHz处0度、±30度、±50度的交叉极化图。
图中标记说明：1、偶极子单元；2、星形超材料广角阻抗匹配层；3、同轴馈线；4、金属反射地板；5、金属壁；6、第一介质基板；7、第二介质基板；8、排针；9、第一金属贴片；10、第二金属贴片；11、微带贴片；12、内导体；13、间隙；14、SMA连接器；15、孔；16、第三介质基板；17、第三金属贴片。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种基于横向连接折叠偶极子的平面紧耦合超宽带相控阵做进一步详细的描述。
图1所示为一种基于横向连接折叠偶极子的平面紧耦合超宽带相控阵的立体图，该图所示的阵列规模为16×16。
图2至图6所示为基于横向连接折叠偶极子的平面紧耦合超宽带相控阵的单元模型图，包括：横向连接折叠偶极子单元1、位于偶极子单元1上方的星形超材料广角阻抗匹配层2、位于偶极子单元1下方竖直放置的同轴馈线3、位于偶极子单元1下方水平放置的金属反射地板4以及位于偶极子单元1下方垂直于金属反射地板4的金属壁5；标准的50ΩSMA连接器14穿过金属反射板4上的孔15与同轴馈线3相连接；所述横向连接折叠偶极子单元1包括上层水平放置的第一介质基板6、下层水平放置的第二介质基板7和两排垂直放置的金属排针8，所述两排排针8的两端分别与第一介质基板6上表面的第一金属贴片9和第二介质基板7下表面的第二金属贴片10相连接；所述第二介质基板7上表面的T形微带贴片11与同轴馈线3的内导体12相连接；所述星形超材料广角阻抗匹配层2由第三介质基板16和第三介质基板16上表面的星形第三金属贴片17组成；所述垂直金属壁5与第二下层介质板7下表面的第二金属贴片10之间有间隙13。
本发明不同于传统的偶极子单元形式，而是采用横向连接折叠的偶极子，一方面折叠结构使天线在不增加纵向尺寸的情况下增加了天线的电长度，拓展了天线的最低工作频率，实现了天线的小型化设计；另一方面，折叠结构的两个开路末端形成的容性间隙正好抵消了偶极子输入阻抗在高频时的感性电抗，从而拓宽了天线的最高工作频率，最终实现了天线的超宽带设计。
本发明的横向连接折叠偶极子的有源输入阻抗在较宽的工作频带内都接近50Ω，因此可直接采用标准的50Ω同轴馈线3对天线进行馈电，避免了使用复杂的馈电网络。
为了实现天线折叠结构的经济性和便捷化，采用两排金属排针8替代天线折叠部分的两个竖直金属连接结构。
为了进一步改善天线单元的有源驻波，尤其是工作频率低频段的有源驻波，采用T形微带贴片11以此增强其与第二介质基板7下表面第二金属贴片10的耦合。
为了消除天线阵列工作频带中出现的共模谐振模式，引入了两个垂直于地面的金属壁5，而非采用传统的依赖于多层堆叠PCB的短路过孔技术。
为了缓解限制天线阵列带宽的低频环路模式，引入的金属壁5与第二介质基板7下表面的第二金属贴片10之间有间隙13，从而产生耦合。
金属壁5的引入使天线与地板之间无需填充任何介质或泡沫作为支撑，有利于减少天线的制造成本。
图7所示为本实施例在E面0-75度扫描状态下的端口对应的驻波特性，从图中可见，在驻波比要求小于3.1的情况下，基于横向连接折叠偶极子的平面紧耦合超宽带相控阵在60度扫描范围内具有6.5:1的阻抗带宽。
图8所示为本实施例在H面0-50度扫描状态下的端口对应的驻波特性，从图中可见，在驻波比要求小于3.6的情况下，基于横向连接折叠偶极子的平面紧耦合超宽带相控阵在50度扫描范围内具有5.6:1的阻抗带宽。
图9(a)和(b)所示分别为本实施例的基于横向连接折叠偶极子的平面紧耦合超宽带相控阵单元组成16×16面阵，在E面0.7GHz频点处0度、±30度以及±75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30dB以上的交叉极化特性.
图10(a)和(b)所示分别为本实施例的基于横向连接折叠偶极子的平面紧耦合超宽带相控阵单元组成16×16面阵，在E面3GHz频点处0度、±30度以及±75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30dB以上的交叉极化特性.
图11(a)和(b)所示分别为本实施例的基于横向连接折叠偶极子的平面紧耦合超宽带相控阵单元组成16×16面阵，在H面0.7GHz频点处0度、±30度以及±50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.
图12(a)和(b)所示分别为本实施例的基于横向连接折叠偶极子的平面紧耦合超宽带相控阵单元组成16×16面阵，在H面3GHz频点处0度、±30度以及±50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.
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
本申请实施例的术语“包括”、“具有”、“引入”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (7)

1.一种基于横向连接折叠偶极子的平面紧耦合超宽带相控阵，其特征在于，包括：横向连接折叠偶极子单元(1)、位于偶极子单元(1)上方的星形超材料广角阻抗匹配层(2)、位于偶极子单元(1)下方竖直放置的同轴馈线(3)、位于偶极子单元(1)下方水平放置的金属反射地板(4)以及位于偶极子单元(1)下方垂直于金属反射地板(4)的金属壁(5)；SMA连接器(14)穿过金属反射地板(4)上的孔(15)与同轴馈线(3)相连接；所述横向连接折叠偶极子单元(1)包括上层水平放置的第一介质基板(6)、下层水平放置的第二介质基板(7)和两排垂直放置的排针(8)，所述两排排针(8)的两端分别与第一介质基板(6)上表面的第一金属贴片(9)和第二介质基板(7)下表面的第二金属贴片(10)相连接；所述第二介质基板(7)上表面的微带贴片(11)与同轴馈线(3)的内导体(12)相连接；所述星形超材料广角阻抗匹配层(2)由第三介质基板(16)和第三介质基板(16)上表面的星形第三金属贴片(17)组成。
2.根据权利要求1所述的基于横向连接折叠偶极子的平面紧耦合超宽带相控阵，其特征在于，所述金属壁(5)与第二介质基板(7)下表面的第二金属贴片(10)之间有间隙(13)。
3.根据权利要求1所述的基于横向连接折叠偶极子的平面紧耦合超宽带相控阵，其特征在于，所述排针(8)由间距相等的16个金属针和塑胶组成。
4.根据权利要求1所述的基于横向连接折叠偶极子的平面紧耦合超宽带相控阵，其特征在于，所述微带贴片(11)是T形的。
5.根据权利要求1所述的基于横向连接折叠偶极子的平面紧耦合超宽带相控阵，其特征在于，所述同轴馈线(3)为标准的50Ω同轴线，SMA连接器(14)为标准的50ΩSMA连接器。
6.根据权利要求1所述的基于横向连接折叠偶极子的平面紧耦合超宽带相控阵，其特征在于，所述位于偶极子单元(1)下方垂直于金属反射地板(4)的金属壁(5)的厚度为1.7mm。
7.根据权利要求1所述的基于横向连接折叠偶极子的平面紧耦合超宽带相控阵，其特征在于，所述第一介质基板(6)与第二介质基板(7)均为F4B，介电常数为2.2，厚度为1mm；第三介质基板(16)为F4B，介电常数为3.0，厚度为2mm。
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