CN115000727B - 一种宽带宽角扫描阵列天线单元 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽带宽角扫描阵列天线单元，包括扫描匹配层、巴伦层、辐射微带层、金属化过孔和同轴连接器；所述扫描匹配层设置于顶部，所述巴伦层和辐射微带层分别位于扫描匹配层之下，所述金属化过孔由巴伦层穿到辐射微带层，所述同轴连接器设置在辐射微带层之下。本发明的天线可以实现工作于2GHz～10GHz频段内，±60°宽角扫描，且扫描时有源驻波比小于2.5。相对传统偶极子天线，其在±60°宽角扫描时阻抗匹配性能有了明显的提高。同时，天线具有低剖面特性，整体天线剖面高度低于1/10个天线低频波长。当其应用于雷达或信息对抗系统中时，可有效降低系统的剖面高度，提高系统的隐身性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种阵列天线领域，尤其涉及的是一种宽带宽角扫描阵列天线单元。
背景技术
来无线通信系统期望获得更大带宽以满足不断增长的数据传输需求，为了覆盖多频段和大扫描范围，未来的移动通信系统将使用多种天线。若使用超宽带天线，将可有效替代多个天线。例如单个超宽带阵列天线可有效覆盖S、C、X和Ku波段。另外，随着现代平台在尺寸上趋于小型化，因此包括小型卫星和无人机在内的平台在集成方面有较高需求。紧耦合偶极子天线具有低剖面特性且可实现扫描时的高隔离度。
超宽带相控阵的设计常涉及尺寸、带宽、扫描角。作为对Vivaldi天线的替代，连接阵列越来越受到学者的关注。这些阵列一般可实现4:1的带宽，为了实现更大的带宽，紧耦合天线开始受到关注。连接阵列和紧耦合天线均具有低剖面和大工作带宽的特性。值得关注的是，近期出现的平衡对踵Vivaldi天线具有低剖面的特性，当使用电容耦合时带宽也可大幅度展宽，但是扫描角较小。折叠式Marchand巴伦被用于平衡馈电和阻抗匹配，当其与紧耦合偶极子天线结合后可有效降低天线的剖面。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：如何在保证天线带宽的同时展宽天线的扫描角，提供了一种宽带宽角扫描阵列天线单元。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括扫描匹配层、巴伦层、辐射微带层、金属化过孔和同轴连接器；所述扫描匹配层设置于顶部，所述巴伦层和辐射微带层分别位于扫描匹配层之下，所述金属化过孔由巴伦层穿到辐射微带层，所述同轴连接器设置在辐射微带层之下。
所述扫描匹配层包括介质层和多个圆环件，所述介质层为长方体结构，长方体上表面的尺寸D1和D2分别与天线单元的两维单元间距相匹配，多个圆环件阵列式排布在介质层上，每个所述圆环件上设置有多个缺陷开口形成不连贯的结构。
作为本发明的优选方式之一，所述圆环件有四个，每个圆环件上有四个缺陷开口。
所述巴伦层包括第一耦合片、单边巴伦和巴伦介质，所述第一耦合片和单边巴伦设置在巴伦介质上，所述单边巴伦包括连为一体的上部的多边形结构和下部的三角形结构，所述多边形内结构内具有多个槽缝，所述第一耦合片的下方通过铜箔连接单边巴伦的三角形结构上；所述巴伦介质的下部设置有用于焊接同轴连接器的长方体结构。
作为本发明的优选方式之一，所述金属化过孔分别设置于巴伦介质、第一耦合片、单边巴伦上。
作为本发明的优选方式之一，所述单边巴伦的多边形结构为五角形，五角形的每个角为矩形。
作为本发明的优选方式之一，所述辐射微带层包括辐射介质，分别设置在辐射介质一面的垂直辐射贴片、巴伦微带，设置于辐射介质另一面的第二耦合片和带状巴伦；所述垂直辐射贴片垂直放置在辐射介质上，所述巴伦微带与同轴连接器连接，所述带状巴伦包括连为一体的上部的多边形结构和下部的三角形结构，所述多边形结构内具有多个槽缝，所述第二耦合片的下方通过铜箔连接到带状巴伦的三角形结构上。
作为本发明的优选方式之一，所述垂直辐射贴片有两个，分别垂直放置在辐射介质上，所述垂直辐射贴片为铜箔制成，两个垂直辐射贴片相对的一条边为圆弧形，其他的边为直线形。
作为本发明的优选方式之一，所述巴伦微带包括连为一体的V形微带和垂直馈线，所述垂直馈线的下方连接同轴连接器，所述V形微带位于垂直辐射贴片之下。
作为本发明的优选方式之一，所述金属化过孔分别设置于辐射介质、垂直辐射贴片、第二耦合片和带状巴伦上。
天线单元垂直于x轴放置，其结构可以分为五个部分：扫描匹配层置于天线单元顶部，用于改善天线单元宽角扫描性能，且其适用于改善水平和垂直两个极化的宽角辐射。单边巴伦层置于天线单元右侧，用于实现天线单元的阻抗匹配和平衡馈电，同时有助于增加相邻天线单元之间的耦合和消除频带内的奇异点。辐射微带层置于天线单元左侧，用于实现天线单元辐射和进一步降低天线单元驻波性能。金属化过孔由巴伦层的铜箔面开始穿过两层微带板到辐射微带层的左侧铜箔面为止，用于实现提高相邻天线单元耦合性能和巴伦接地。同轴连接器置于辐射微带层的下侧，用于天线单元馈电。该天线单元采用微带形式，结构紧凑；顶部增加扫描匹配层可有效展宽两个相互垂直的极化宽角辐射性能；采用带状线巴伦可有效展宽天线单元的带宽且消除频带内的驻波奇异点。
本发明相比现有技术具有以下优点：本发明提供了一种适用于雷达、信息对抗和通信等系统的宽带宽角扫描阵列天线单元，由该天线单元组成的阵列天线具有宽带宽角特性，组阵后相邻辐射贴片通过紧耦合机理改善端口的匹配性能，采用耦合片可展宽带宽。采用本发明中的微带巴伦，并在微带巴伦结构中添加槽缝或盲槽等短路或开路枝节，可有效改善馈电部分的阻抗匹配性能；垂直馈线的引入可有效消除频带内由共模谐振引起的驻波奇异点，进一步展宽天线的带宽。扫描匹配层采用缺陷圆环结构改善天线在大角度扫描时的阻抗匹配性能，进而展宽扫描角。天线可以实现工作于2GHz～10GHz频段内，±60°宽角扫描，且扫描时有源驻波比小于2.5。相对传统偶极子天线，其在±60°宽角扫描时阻抗匹配性能有了明显的提高。采用带状线宽带巴伦结构可在展宽天线带宽的同时将馈线上的电场束缚于有限区域内，当使用其进行双极化天线单元设计时可有效提高两个极化的隔离度，即提高交叉极化性能。同时，天线具有低剖面特性，整体天线剖面高度低于1/10个天线低频波长。当其应用于雷达或信息对抗系统中时，可有效降低系统的剖面高度，提高系统的隐身性能。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为图1的爆炸图；
图3为本发明巴伦层的主视图；
图4为本发明辐射微带层的正面和反面示意图；
图5为本发明天线单元法向和扫描时有源驻波示意图；
图6为本发明天线单元在6GHz处的方向图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1和图2所示，本实施例的宽带宽角扫描阵列天线单元设计，工作频率为2GHz～10GHz，极化方式为水平极化，天线单元呈矩形栅格排布，两维单元间距均为9mm。本实施例的天线单元包括扫描匹配层1、巴伦层2、辐射微带层3、金属化过孔4和同轴连接器5；所述扫描匹配层1设置于顶部，所述巴伦层2和辐射微带层3分别位于扫描匹配层1之下，所述金属化过孔4由巴伦层2穿到辐射微带层3，所述同轴连接器5设置在辐射微带层3之下。
扫描匹配层1包括介质层11和4个圆环件12，所述介质层11为长方体结构，长方体上表面的尺寸D1和D2分别与天线单元的两维单元间距相匹配，多个圆环件12阵列式排布在介质层11上，每个所述圆环件12上设置有4个缺陷开口形成不连贯的结构。
扫描匹配层1中介质层11的厚度为0.762mm，尺寸为9mm*9mm，圆环件12的径向长度为0.4mm，缺陷开口的宽度为0.5mm。
如图3所示，本实施例的巴伦层2包括第一耦合片21、单边巴伦22和巴伦介质23，所述第一耦合片21和单边巴伦22设置在巴伦介质23上，所述单边巴伦22包括连为一体的上部的多边形结构和下部的三角形结构，所述多边形内结构内具有多个槽缝，所述第一耦合片21的下方通过铜箔连接单边巴伦22的三角形结构上；所述巴伦介质23的下部设置有用于焊接同轴连接器5的长方体结构。
巴伦层2中第一耦合片21的尺寸为4mm*2.4mm，弯折形铜箔的宽度为0.3mm，两条弯折形铜箔的距离为1mm。单边巴伦22上部的多边形呈近似五角形，每个角由1个矩形替代，矩形尺寸为1mm*1.5mm。多边形挖去部分的宽度为0.27mm，下部的三角形的高度为6.6mm，底边为2.4mm。巴伦介质2323为长方体，尺寸为9mm*10.4mm*0.254mm。所挖出的小长方体尺寸为2.5mm*1mm*0.254mm。
如图4所示，辐射微带层3包括辐射介质33，分别设置在辐射介质33一面的垂直辐射贴片31、巴伦微带32，设置于辐射介质33另一面的第二耦合片34和带状巴伦35；所述垂直辐射贴片31垂直放置在辐射介质33上，所述巴伦微带32与同轴连接器5连接，所述带状巴伦35包括连为一体的上部的多边形结构和下部的三角形结构，所述多边形结构内具有多个槽缝，所述第二耦合片34的下方通过铜箔连接到带状巴伦35的三角形结构上。
所述垂直辐射贴片31有两个，分别垂直放置在辐射介质33上，所述垂直辐射贴片31为铜箔制成，两个垂直辐射贴片31相对的一条边为圆弧形，其他的边为直线形。所述巴伦微带32包括连为一体的V形微带和垂直馈线，所述垂直馈线的下方连接同轴连接器5，所述V形微带位于垂直辐射贴片31之下。
垂直辐射贴片31的高度为1.5mm，两个垂直辐射贴片31相距0.3mm，巴伦微带32上方的V形微带的宽度为0.3mm，长度为0.9mm，下方的垂直馈线的宽度为0.3mm，长度为6.5mm。辐射介质33的尺寸与巴伦介质23的尺寸相同，第二耦合片34的形状与第一耦合片21的形状类似。
金属化过孔4分布于巴伦介质23、辐射介质33以及垂直辐射贴片31上，从巴伦层2的第一耦合片21、单边巴伦22起始，至辐射微带层3的第二耦合片34、带状巴伦35结束。
同轴连接器5包括内导体、外导体和介质，其内导体与巴伦微带32的垂直馈电下端焊接，实现为天线单元馈电。
金属化过孔4的直径为0.2mm，第一耦合片21上有4个金属化过孔4，相邻金属化过孔4的间距为1mm；单边巴伦22上有3个金属化过孔4，其中两个金属化过孔4穿过巴伦介质23、辐射介质33和垂直辐射贴片31，这两个金属化过孔4相距0.7mm；另一个金属化过孔4穿过巴伦介质23、辐射介质33和巴伦微带32的V形微带。
同轴连接器5的内导体和外导体均为金属材质，介质部分为聚四氟乙烯材质。加工时可将多个不包括扫描匹配层1的天线单元按1列或1行排布整体加工，装配时先将1列或1行不包括扫描匹配层11的天线单元固定后，再将上方的扫描匹配层1固定在天线上方。
如图5所示，该天线单元的法向和扫描状态下有源驻波均小于2.5，天线单元实现了在超宽带频带内的大角度扫描特性。
如图6所示，该天线单元在6GHz处的增益大于2dBi。天线剖面高度仅为11.162mm，小于1/10个天线低频波长。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种宽带宽角扫描阵列天线单元，其特征在于，包括扫描匹配层、巴伦层、辐射微带层、金属化过孔和同轴连接器；所述扫描匹配层设置于顶部，所述巴伦层和辐射微带层分别位于扫描匹配层之下，所述金属化过孔由巴伦层穿到辐射微带层，所述同轴连接器设置在辐射微带层之下；
所述扫描匹配层包括介质层和多个圆环件，所述介质层为长方体结构，长方体上表面的尺寸D1和D2分别与天线单元的两维单元间距相匹配，多个圆环件阵列式排布在介质层上，每个所述圆环件上设置有多个缺陷开口形成不连贯的结构；
所述巴伦层包括第一耦合片、单边巴伦和巴伦介质，所述第一耦合片和单边巴伦设置在巴伦介质上，所述单边巴伦包括连为一体的上部的多边形结构和下部的三角形结构，所述多边形内结构内具有多个槽缝，所述第一耦合片的下方通过铜箔连接单边巴伦的三角形结构上；所述巴伦介质的下部设置有用于焊接同轴连接器的长方体结构；
所述辐射微带层包括辐射介质，分别设置在辐射介质一面的垂直辐射贴片、巴伦微带，设置于辐射介质另一面的第二耦合片和带状巴伦；所述垂直辐射贴片垂直放置在辐射介质上，所述巴伦微带与同轴连接器连接，所述带状巴伦包括连为一体的上部的多边形结构和下部的三角形结构，所述多边形结构内具有多个槽缝，所述第二耦合片的下方通过铜箔连接到带状巴伦的三角形结构上。
2.根据权利要求1所述的一种宽带宽角扫描阵列天线单元，其特征在于，所述圆环件有四个，每个圆环件上有四个缺陷开口。
3.根据权利要求1所述的一种宽带宽角扫描阵列天线单元，其特征在于，所述金属化过孔分别设置于巴伦介质、第一耦合片、单边巴伦上。
4.根据权利要求3所述的一种宽带宽角扫描阵列天线单元，其特征在于，所述单边巴伦的多边形结构为五角形，五角形的每个角为矩形。
5.根据权利要求1所述的一种宽带宽角扫描阵列天线单元，其特征在于，所述垂直辐射贴片有两个，分别垂直放置在辐射介质上，所述垂直辐射贴片为铜箔制成，两个垂直辐射贴片相对的一条边为圆弧形，其他的边为直线形。
6.根据权利要求5所述的一种宽带宽角扫描阵列天线单元，其特征在于，所述巴伦微带包括连为一体的V形微带和垂直馈线，所述垂直馈线的下方连接同轴连接器，所述V形微带位于垂直辐射贴片之下。
7.根据权利要求1所述的一种宽带宽角扫描阵列天线单元，其特征在于，所述金属化过孔分别设置于辐射介质、垂直辐射贴片、第二耦合片和带状巴伦上。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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