CN114883785B - 一种薄型双极化超宽带宽角扫描阵列天线 - Google Patents

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Abstract

现有技术中的紧耦合天线单元间距往往较为紧凑，而有限的尺寸不仅增加了后端组件的设计难度，还会导致通道数增多，系统成本上升。本发明提出了一种薄型双极化超宽带宽角扫描阵列天线，包括反射板和设置于所述反射板上表面的多个天线单元；每个天线单元包括两个正交的平面偶极子、耦合贴片、介质板和馈电装置；其中耦合贴片位于偶极子交汇处上方，用于增强单元间耦合电容以拓展带宽；馈电装置包含两个独立的外导体、绝缘子和内导体，为天线提供超宽带信号并抑制大单元间距下的驻波不良谐振。本发明的阵列天线可实现双极化超宽带宽角扫描电性能，薄型和平面化特征利于集成共形，大单元间距能有效降低系统成本，适用于多功能雷达系统。

Description

一种薄型双极化超宽带宽角扫描阵列天线
技术领域
本发明属于微波天线技术领域，具体涉及一种薄型双极化超宽带宽角扫描阵列天线。
背景技术
面对快速增长的通信系统高数据率传输需求和日益复杂化的雷达探测与成像应用，现代无线电子系统越来越要求其搭载的相控阵天线更为集成化和多功能化，使用单个或极少数的阵列完成覆盖多极化宽频段的信号的发射和接收成为相控阵天线的未来发展趋势。除了多极化、超宽带的电性能需求，许多载体平台往往还希望相控阵天线实现平面结构并具备较低的剖面高度，以有效降低平台天线的突出或外露部分，并适应其气动性能。在相控阵雷达设计中，组件往往占据高昂的成本费用，因此，为了减少相控阵天线的有源通道数量、降低成本，在满足不出现扫描栅瓣的前提条件下，最大程度地增大阵列单元间距也是相控阵天线设计中的重要指标。
现有技术中，常见的宽带相控阵天线主要有槽线天线、贴片天线和紧耦合偶极子天线等形式。其中，紧耦合偶极子天线因其宽带和低剖面特点近年来备受行业的重视。对于紧耦合天线阵，整个阵列可等效看作是连续均匀的电流面，所有单元协同工作，利用它们之间的电容耦合效应实现整个阵列的超宽带性能。出于节约成本、方便集成等目的，现有的紧耦合偶极子天线通常采用非平衡馈电装置。对于这种馈电装置，差模电流和共模电流是并存的，一旦单元间接地导体的距离达到半波长就会引发共模谐振，从而使天线无法正常工作。因此，现有的紧耦合天线单元间距往往较为紧凑，而有限的尺寸不仅增加了后端组件的设计难度，还会导致通道数增多，系统成本上升。
发明内容
为克服现有技术中的不足，本发明提出了一种薄型双极化超宽带宽角扫描阵列天线，可实现双极化超宽带宽角扫描电性能，薄型和平面化特征利于集成共形，大单元间距能有效降低系统成本，适用于多功能雷达系统。
阵列天线包括反射板1和天线单元，天线单元按照矩形栅格周期排布于反射板1上，天线单元包括两个相同且正交的偶极子2、介质板3、耦合贴片4和馈电装置；其中，馈电装置包括外导体一5、外导体二6、绝缘子7和内导体8，馈电装置下方接入阻抗为50欧姆的标准同轴线9。
相邻的天线单元成L型位置关系，四个相邻的天线单元构成十字型结构，偶极子2印制于介质板3的下表面，介质板3的上表面印制有耦合贴片4，耦合贴片4位于相邻四个相邻天线单元交汇处的正上方，对相邻天线单元中的四个相邻偶极子皆有覆盖。
馈电装置的外导体一5和外导体二6为空心半圆柱形态，相互独立且轴心相对，外导体一5的直径大于外导体二6的直径，外导体一5和外导体二6的上端分别与对应的偶极子2焊接，下端与反射板1焊接，绝缘子7在外导体一5和外导体二6之间；内导体8为三段式结构，嵌在绝缘子7的内部，第一段与标准同轴线9相接并与外导体一5平行，第二段与偶极子2平行，第三段为开路，与外导体二6平行。
进一步地，反射板1采用轻量化铝材制成。
进一步地，偶极子2为梭形形状。
进一步地，介质板3采用介电常数为2.94的Arlon CLTE-XT高频板，厚度为0.05λh。
进一步地，耦合贴片4直径为0.3λh。
进一步地，外导体一5和外导体二6的材料为镀金铜，内径分别为0.05λh和0.04λh，厚度均为0.75mm。
进一步地，绝缘子7采用介电常数为2.1的聚四氟乙烯材料制成。
进一步地，内导体8直径为0.024λh，其第一段、第二段和第三段的长度分别为0.23λh、0.165λh和0.14λh。
进一步地，天线单元间距为0.75λh，剖面高度为0.35λh。
进一步地，相邻印制线之间的最小距离为0.15mm。
其中，λh为阵列天线最高工作频率对应的自由空间波长。
本发明的有益效果在于
本发明提出的天线结构有利于实现更佳的阻抗匹配；偶极子臂采用梭形设计，防止相邻偶极子在末端干涉并优化阻抗匹配，另外还采用耦合贴片为偶极子提供额外的电容分量，实现带宽拓展；通过采用两个相互独立且拉开一定距离的空心半圆柱作为接地导体来缩减阵列中接地导体的距离，消除大单元间距下天线的共模谐振现象；通过大单元间距降低后端组件的设计难度，并减少有源通道数，从而降低系统成本；采用厚度为0.05λh介质板，为偶极子和耦合贴片提供附着功能的同时，辅助阵列天线在扫描态下的阻抗匹配，以实现宽角扫描性能；具有平面化结构且剖面高度小，方便与载体平台共形。
附图说明
图1为结构示意图。
图2为俯视示意图。
图3为天线单元的结构示意图。
图4为天线单元的侧视示意图。
图5为有源驻波比曲线。
图6为正交极化端口有源隔离度曲线。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本申请进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互结合。
如图1和2所示，以8×8个天线单元规模为例的小面阵，单元依照矩形栅格周期排布于反射板1上。为了减小后向辐射，反射板1每边都比8×8个天线单元组成的辐射口径大一个单元间距，天线单元如图3和图4所示。阵列天线的一个天线单元内包含两个相同且正交的偶极子2、介质板3、耦合贴片4和馈电装置；其中，馈电装置包括外导体一5、外导体二6、绝缘子7和内导体8，馈电装置下方接入特性阻抗为50欧姆的标准同轴线9。
相邻的天线单元成L型位置关系，四个相邻的天线单元构成十字型结构。偶极子2为梭形形状，两端窄中间粗，既防止相邻偶极子2在末端干涉，也利于天线的阻抗匹配。偶极子2印制于介质板3的下表面，介质板3的上表面印制有圆形的耦合贴片4，耦合贴片4位于相邻四个天线单元交汇处的正上方，对相邻天线单元中的四个相邻偶极子皆有覆盖，用于增强相邻偶极子间的耦合电容以拓展低频带宽。
馈电装置的外导体一5和外导体二6为空心半圆柱形态，相互独立且轴心相对。这种设计可以缩减紧耦合天线阵列中接地导体的距离，消除大单元间距下天线的共模谐振现象。外导体一5的直径大于外导体二6的直径，以实现从标准同轴线9到偶极子2更佳的阻抗匹配。外导体一5和外导体二6的上端分别与对应的偶极子2焊接，下端与反射板1焊接，绝缘子7在外导体一5和外导体二6之间。内导体8为三段式结构，嵌在绝缘子7的内部，第一段与标准同轴线9相接并与外导体一5平行，第二段与偶极子2平行，第三段为开路，与外导体二平行6，为偶极子2提供具有宽带特性的耦合信号。
介质板3采用介电常数为2.94的Arlon CLTE-XT高频板，绝缘子7采用介电常数为2.1的聚四氟乙烯材料。外导体一5和外导体二6皆使用镀金铜，保证结构强度的同时防止氧化，反射板1则使用轻量化的铝材。
天线单元间距为0.75λh，介质板3厚度为0.05λh，天线单元剖面高度为0.35λh，内导体8直径为0.024λh，其第一段、第二段和第三段的长度分别为0.23λh、0.165λh和0.14λh，外导体一5和外导体二6的内径分别为0.05λh和0.04λh，耦合贴片4直径为0.3λh。考虑到加工装配的可实现性以及天线的机械强度，外导体一5和外导体二6的厚度设置为0.75mm。考虑到印制线的加工精度和电性能容差，相邻印制线之间的最小距离设置为0.15mm，位于偶极子2末端交汇位置。
天线单元实现的主要性能指标为：
工作频率：fl～3.36fl(相对带宽108％)，所述fl为阵列天线最低工作频率；
扫描范围：±45°(fl～2.36fl范围内)；
驻波特性：全空域扫描驻波比小于2.5；
端口隔离度：全空域扫描隔离度小于-15dB；
对实施例的阵列天线进行仿真，得到的仿真结果如图5和图6所示。该实施例中正交极化天线完全相同，其电性能也完全一致，此处给出其中一个极化的天线有源驻波比仿真结果，如图5所示，为本实施例的扫描有源驻波比曲线，图中横坐标表示工作频率，纵坐标表示有源驻波比，其中，曲线501为法向有源驻波比，曲线502为天线沿E面扫描30°的有源驻波比，曲线503为天线沿E面扫描45°的有源驻波比，曲线504为天线沿H面扫描30°的有源驻波比，曲线505为天线沿H面扫描45°的有源驻波比。阵列天线单元间距较大时会出现栅瓣现象，根据相控阵天线的栅瓣理论计算公式(d为单元间距，θm为最大扫描角，λ为工作波长)，该实施例中天线法向扫描时带内预计无栅瓣出现，天线扫描角为30°和45°时，栅瓣预计发生频率分别在2.99fl,和2.63fl,，这与曲线502～505中的奇点位置基本一致。根据扫描驻波比结果看出，该实施例中的天线在沿法向扫描时可实现108％的阻抗带宽；当扫描角度逐渐增大时，天线受到栅瓣影响其带宽有所缩减，但在±45°的扫描范围内仍能保证fl～2.36fl的工作频带。
图6为实施例的阵列天线正交端口有源隔离度曲线，图中横坐标表示工作频率，纵坐标表示有源隔离度，其中，曲线601为法向有源隔离度，曲线602为天线沿E面扫描30°的有源隔离度，曲线603为天线沿E面扫描45°的有源隔离度，曲线604为天线沿H面扫描30°的有源隔离度，曲线605为天线沿H面扫描45°的有源隔离度。根据扫描有源隔离度结果看出，该实施例中的双极化天线具有良好的端口有源隔离度。
本发明不局限于上述具体的实施方式，本发明可以有各种更改和变化。凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种薄型双极化超宽带宽角扫描阵列天线，其特征在于：包括反射板(1)和天线单元，天线单元按照矩形栅格周期排布于反射板(1)上，天线单元包括两个相同且正交的偶极子(2)、介质板(3)、耦合贴片(4)和馈电装置；其中，馈电装置包括外导体一(5)、外导体二(6)、绝缘子(7)和内导体(8)，馈电装置下方接入阻抗为50欧姆的标准同轴线(9)；
相邻的天线单元成L型位置关系，四个相邻的天线单元构成十字型结构，偶极子(2)为梭形形状，印制于介质板(3)的下表面，介质板(3)的上表面印制有耦合贴片(4)，耦合贴片(4)位于相邻四个相邻天线单元交汇处的正上方，对相邻天线单元中的四个相邻偶极子皆有覆盖，用于增强相邻偶极子间的耦合电容以拓展低频带宽；
馈电装置的外导体一(5)和外导体二(6)为空心半圆柱形态，相互独立且轴心相对，外导体一(5)的直径大于外导体二(6)的直径，外导体一(5)和外导体二(6)的上端分别与对应的偶极子(2)焊接，下端与反射板(1)焊接，绝缘子(7)在外导体一(5)和外导体二(6)之间；内导体(8)为三段式结构，嵌在绝缘子(7)的内部，第一段与标准同轴线(9)相接并与外导体一(5)平行，第二段与偶极子(2)平行，第三段为开路，与外导体二(6)平行。
2.如权利要求1所述的一种薄型双极化超宽带宽角扫描阵列天线，其特征在于：所述反射板(1)采用轻量化铝材制成。
3.如权利要求1所述的一种薄型双极化超宽带宽角扫描阵列天线，其特征在于：介质板(3)采用介电常数为2.94的Arlon CLTE-XT高频板，厚度为0.05λh，λh为阵列天线最高工作频率对应的自由空间波长。
4.如权利要求1所述的一种薄型双极化超宽带宽角扫描阵列天线，其特征在于：耦合贴片(4)直径为0.3λh，其中λh为阵列天线最高工作频率对应的自由空间波长。
5.如权利要求1所述的一种薄型双极化超宽带宽角扫描阵列天线，其特征在于：外导体一(5)和外导体二(6)的材料为镀金铜，内径分别为0.05λh和0.04λh，厚度均为0.75mm，其中λh为阵列天线最高工作频率对应的自由空间波长。
6.如权利要求1所述的一种薄型双极化超宽带宽角扫描阵列天线，其特征在于：绝缘子(7)采用介电常数为2.1的聚四氟乙烯材料制成。
7.如权利要求1所述的一种薄型双极化超宽带宽角扫描阵列天线，其特征在于：内导体(8)直径为0.024λh，其第一段、第二段和第三段的长度分别为0.23λh、0.165λh和0.14λh，λh为阵列天线最高工作频率对应的自由空间波长。
8.如权利要求1所述的一种薄型双极化超宽带宽角扫描阵列天线，其特征在于：天线单元间距为0.75λh，剖面高度为0.35λh，λh为阵列天线最高工作频率对应的自由空间波长。
9.如权利要求1所述的一种薄型双极化超宽带宽角扫描阵列天线，其特征在于：相邻印制线之间的最小距离为0.15mm。
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