CN115117608B - 一种紧耦合超宽带双极化相控阵天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种紧耦合超宽带双极化相控阵天线，包括辐射单元、位于辐射单元上方的宽角匹配结构、位于辐射单元下方竖直放置的馈电结构、用于支撑馈电结构的支撑介质板以及金属接地板，辐射单元包括水平放置的介质基板，介质基板上印刷有加强耦合贴片和相互垂直交叉排布的偶极子单元，加强耦合贴片设于偶极子单元垂直交叉部分的下方，宽角匹配结构包括频率选择表面结构，频率选择表面结构包括周期排列的金属化孔，位于偶极子单元上方，辐射单元、宽角匹配结构和支撑介质板上均开设有第一通孔，周期排列的金属化孔围绕第一通孔设置；本发明提供的紧耦合超宽带双极化相控阵天线结构简单，体积小、重量轻，便于加工和组装，造价成本低廉。

Description

一种紧耦合超宽带双极化相控阵天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体是涉及到一种紧耦合超宽带双极化相控阵天线。
背景技术
相控阵天线天线不仅具有扫描速度快，稳定性高的优点，还能实现波束赋形和多波束扫描。因此近年来相控阵技术广泛应用与机载和空间应用中雷达和通信系统。而在目前相控阵的研究领域中，超宽带，尤其是可以覆盖多个工作频段的相控阵天线设计成为一个重要趋势。超宽带天线阵列不仅在于节省空间，提高系统集成度，而且可以提高数据传输的容量和速率，实现数据高速传输的通信系统。因此，超宽带相控阵技术在军用和民用领域有着广泛的应用前景。另一方面，现代雷达与通讯系统对相控阵天线的要求也逐步提高，除了轻量化、低剖面等指标，还要求天线具有双极化、辐射效率高等电性能优势。对于雷达系统来说，双极化、宽带与宽扫描角的天线有利于减少平台中天线的数量，进而促进雷达系统的散热并减小其重量，这在空间有限的平台中显得尤为关键。极化纯净度在双极化天线阵列中是一个极为重要的指标，特别的，对于通信系统来说，从发射机接收到的功率是极化损耗因子的函数，极化失配所导致的能量损失会降低通信系统接收信号的能力。类似的，由于极化失配引起的畸变也严重影响了系统探测特定目标的能力。
宽带阵列天线通常是由宽带天线作为阵列单元的，常见的宽带天线主要有下列几种形式：双锥天线，喇叭天线、非频变天线(螺旋天线，对数周期天线)、渐变槽天线。但一般来说传统宽带相控阵天线的设计方法难以兼顾宽带和超宽角扫描，例如有研究表明对以阿基米德螺旋天线为阵列的宽带双极化相控阵天线，通过采取非周期的同心环排布方式以及遗传算法进行优化，可在0.94-2.1GHz的频段内实现30°的最大无栅瓣扫描角；微带贴片相控阵的最大扫描角可达66°，但带宽仅有3.3％。Vivaldi天线是一类非周期连续渐变短射天线的统称，包括开槽天线、渐变开槽天线和端射槽线天线等。其拓展带宽的思路是通过纵向延长单元尺寸来降低最低截至频率。因此为实现超宽带性能，Vivaldi天线的高度通常为2-3λhigh。如此高的剖面限制了它们在一些气动布局要求高的载体平台中使用。此外其槽线纵向电流较大在天线扫描时将带来交叉极化分量的上升。特别是在对角面内扫描时，常常会观察到交叉极化分量甚至大于主极化分量的现象。
Munk团队在研究频率选择表面时发现，倾斜排布的偶极子阵列相距愈紧密，呈现出愈宽带带宽。于是，在wheeler的连续电流片理想模型基础上，Munk打破相邻偶极子单元间的电连接，在它们末端引入电容耦合，以抵消地板在低频处带来的电感，从而实现约4：1的阻抗带宽，比直接相连的偶极子阵列带宽更宽。2003年Munk与美国Harris公司合作，研制了一款工作于2-18GHz的28×28双极化阵列样机，该样机在地板上方的结构剖面仅为λlow/10(λlow是最低工作频率)。后来人们一般将这类天线称为紧耦合相控阵天线。在上述紧耦合天线样机中，采用了外置巴伦、双筒轴线和接地屏蔽装置作为馈电网络。然而，这套外置的馈电结构却存在价格昂贵、体积重量大的缺点，难以投入实际应用。为解决这一问题，Vouvakis团队于2010年提出一类平面超宽带模块化天线阵(Planar Ultra-widebandModular Antenna,PUMA)。该设计馈电结构十分简单，偶极子仅由平行双线馈电，其中一根与同轴接头内导体相连，另一根直接接地。使用短路探针将由共模谐振引起的谐振点移出工作频带。最终，该天线阵工作在7～21GHz频段内，可实现±45°扫描角覆盖。但由于是不平衡馈电，该设计的工作带宽较窄，只有3倍频程。另一方面，由于直接采用不平衡馈电结构，阻抗匹配受到一定影响，导致端口间的隔离度较差。Volakis团队自2012年陆续提出加载电阻环和电阻片的紧耦合天线阵，通过在偶极子与地板中间加载电阻片来消除短路。经过验证，该阵列可实现13.3:1的阻抗带宽(Active VSWR＜3.0)，波束扫描范围为±45°。但由于电阻片层的加载，天线的效率受到了一定的影响，并且其剖面达到了1.1λhigh(λhigh是最高工作频率)，并不利于工程实际应用。为了进一步降低紧耦合阵列的剖面，Kasemodel提出的一款设计中，不使用任何覆盖层，而是在天线与地板之间填充高磁导率的铁氧体材料。将天线剖面高度降低至λlow/26，阵列的辐射效率会因此大大降低。不仅如此，铁氧体材料制造成本高、重量大，几乎无法实际应用。
综上所述，传统超宽带天线存在扫描较窄，剖面高，极化纯净度差的问题。新型紧耦合天线阵列可以在较低剖面的情况下实现超宽带宽角扫描，但在馈电网络设计，工程实用性以及造价上还亟需改善。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单，体积小、重量轻，可模块化、便于加工和组装，造价成本低廉的紧耦合超宽带双极化相控阵天线。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下，一种紧耦合超宽带双极化相控阵天线，包括辐射单元、位于辐射单元上方的宽角匹配结构、位于辐射单元下方竖直放置的馈电结构、用于支撑馈电结构的支撑介质板以及与辐射单元平行设置的金属接地板，所述辐射单元包括水平放置的介质基板，所述介质基板上印刷有加强耦合贴片和相互垂直交叉排布的偶极子单元，所述加强耦合贴片设于偶极子单元垂直交叉部分的下方，所述宽角匹配结构包括频率选择表面结构和第二介质板，所述频率选择表面结构包括周期排列的金属化孔，所述第二介质板设于金属化孔与偶极子单元之间，所述金属化孔位于偶极子单元上方，所述辐射单元、宽角匹配结构和支撑介质板上均开设有第一通孔，周期排列的所述金属化孔围绕第一通孔设置。
优选地，所述频率选择表面结构还包括第一介质板，所述第二介质板设于第一介质板与介质基板之间，所述金属化孔贯穿第一介质板，所述第一介质板、第二介质板、介质基板和支撑介质板上均开设有第一通孔，周期排列的所述金属化孔围绕第一通孔设置。
优选地，所述馈电结构为竖直设置的非平衡馈电结构，所述馈电结构包括平行馈电双线分和短路线，两组平行馈电双线分别连接在偶极子单元的两个臂上，所述平行馈电双线包括接地线和馈线，所述馈线连接同轴线，接地线与金属接地板连接，所述加强耦合贴片通过短路线与金属接地板连接。
优选地，所述支撑介质基板包括依次层叠的第一支撑介质板、第二支撑介质板和第三支撑介质板，所述平行馈电双线上设有用于调节调节馈线电抗的两对金属鳍片，两对所述金属鳍片分别印刷于第二支撑介质板的顶面和底面。
优选地，所述金属接地板上开设有第二通孔，所述第二通孔内设有毛纽扣连接器，所述同轴线通过毛纽扣连接器与馈线同轴连接。
优选地，所述毛纽扣连接器包括介质管套和毛纽扣，所述介质管套设于第二通孔内，所述毛纽扣与介质管套同轴设置，且两端分别连接同轴线和馈线。
优选地，所述毛纽扣连接器的特性阻抗为50-120Ω，可视为一段阻抗变换器，所述同轴线的特性阻抗为50Ω。
优选地，所述紧耦合超宽带双极化相控阵天线的阵元的尺寸均为7.1mm×7.1mm，所述第一通孔的半径为2.74mm，两对所述金属鳍片的上下间距为0.762mm。
优选地，所述金属化孔的工作频段为所述紧耦合超宽带双极化相控阵天线的最高工作频率的1/6。
优选地，所述加强耦合贴片为圆形金属片。
本发明的有益效果是，通过采用相互垂直交叉放置的印刷偶极子，并通过一个圆形金属贴片加强其耦合，最大限度的实现了阵元大间距排布；频率选择表面结构的介质匹配层可以改善阵列在H面的扫描特性；采用非平衡结构直接对辐射单元馈电，并通过连接圆形耦合贴片的短路线，在不缩小单元间距的情况下将共模谐振点移出工作频段；两对连接在平行双线上的金属鳍片可改善馈电双线的阻抗匹配特性。在金属接地板内插入的类同轴结构特性阻抗在50欧姆到120欧姆之间，可起到阻抗变换的作用，进一步的拓展带宽。本发明结构简单，且体积小、重量轻，可模块化、便于加工和组装。阵列剖面高度仅为0.48倍高频波长，大大低于传统的Vivaldi天线，有效的降低了交叉极化度。此紧耦合天线阵列阻抗带宽为4-21GHz(边射时VSWR＜2，E面45°扫描VSWR＜2.5，H面45°扫描VSWR＜3)造价成本低廉，具有较强的工程实用性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于紧耦合偶极子的超宽带双极化相控阵天线立体图；该图所示的天线阵列为10×10阵列，但只针对中心8×8阵元进行馈电，外面一圈为哑元，该阵列仅为超宽带宽角扫描相控阵天线一个具体实施例。
图2为偶极子单元的结构示意图。
图3为频率选择表面结构的结构示意图。
图4为馈电结构的结构示意图。
图5为金属接地板的结构示意图。
图6为本实施例在无限大阵列环境中沿着E面扫描的有源驻波比。
图7为本实施例在无限大阵列环境中沿着H面扫描的有源驻波比。
图8为本实施例在无限大阵列环境中沿着E面扫描的隔离度。
图9为本实施例在无限大阵列环境中沿着H面扫描的隔离度。
图10为本实施例在无限大阵列环境中在不扫描状态下的共面极化与交叉极化的增益。
图11为本实施例在无限大阵列环境中分别在E面扫描±45°和H面扫描±45°时的交叉极化。
图12为本实施例在无限大阵列环境中主极化面在5GHz频点不扫描状态下的E面和H面辐射方向图，图12(a)为具体实施例1在5GHz频点边射状态下E面辐射方向图；图12(b)为具体实施例1在5GHz频点边射状态下H面辐射方向图。
图13为本实施例在无限大阵列环境中主极化面在10GHz频点不扫描状态下的E面和H面辐射方向图，图13(a)为具体实施例1在10GHz频点边射状态下E面辐射方向图；图13(b)为具体实施例1在10GHz频点边射状态下H面辐射方向图。
图14为本实施例在无限大阵列环境中主极化面在20GHz频点不扫描状态下的E面和H面辐射方向图，图14(a)为具体实施例1在20GHz频点边射状态下E面辐射方向图；图14(b)为具体实施例1在20GHz频点边射状态下H面辐射方向图。
在图中，1、辐射单元；11、偶极子单元；12、介质基板；13、加强耦合贴片；2、频率选择表面结构；21、第一介质板；22、第二介质板；23、金属化孔；3、馈电结构；31、接地线；32、馈线；33、短路线；34、金属鳍片；35、第一支撑介质板；36、第二支撑介质板；37、第三支撑介质板；4、金属接地板；41、第二通孔；42、介质管套；43、毛纽扣；45、同轴线；5、第一通孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明：
请一并参阅图1，本实施例提供的紧耦合超宽带双极化相控阵天线，将100个阵元进行10×10二维排布，周围一圈的阵元接50欧姆匹配负载作为哑元，该阵列仅为超宽带宽角扫描相控阵天线一个具体实施方式，可以根据实际应用需求，将无限大阵列环境拓展至任意符合实际的有限大阵列下使用。
请一并参阅图1-5，阵元结构包括水平放置的辐射单元1、位于辐射单元1上方的的宽角匹配结构、位于辐射单元1下方竖直放置的馈电结构3以及位于辐射单元下方水平放置的金属接地板4，所述辐射单元1包括水平放置的介质基板12，偶极子单元11印刷在介质基板12的顶面，圆形加强耦合贴片13印刷在介质基板12的底面，两个所述偶极子单元11垂直交叉放置，加强耦合贴片13位于所述偶极子单元1垂直交叉处，所述宽角匹配结构包括频率选择表面结构2和第二介质板22，所述频率选择表面结构2包括周期排列的金属化孔23，所述第二介质板22设于金属化孔23与偶极子单元11之间，所述金属化孔23位于偶极子单元11上方，所述辐射单元1、宽角匹配结构和支撑介质板上均开设有第一通孔5，周期排列的所述金属化孔23围绕第一通孔5设置，所述金属化孔23的工作频段为紧耦合超宽带双极化相控阵天线的最高工作频率的1/6。
通过采用相互垂直交叉放置的印刷偶极子，并通过一个圆形金属贴片加强其耦合，最大限度的实现了阵元大间距排布；频率选择表面结构的介质匹配层可以改善阵列在H面的扫描特性；采用非平衡结构直接对辐射单元馈电，结构简单，且体积小、重量轻，便于加工和组装。阵列剖面高度仅为0.48倍高频波长，大大低于传统的Vivaldi天线，有效的降低了交叉极化度。此紧耦合天线阵列阻抗带宽为4-21GHz(边射时VSWR＜2，E面45°扫描VSWR＜2.5，H面45°扫描VSWR＜3)造价成本低廉，具有较强的工程实用性。
更具体的，所述频率选择表面结构2还包括第一介质板21，对第一介质板21位于偶极子单元11的上方作金属化过孔处理，金属化孔23仅贯穿第一介质板21，所述第二介质板22设于第一介质板21与介质基板12之间，第一介质板21、第二介质板22、介质基板12和支撑介质板上均开设有第一通孔5，可以增加电路调谐的自由度，并改善阵列在H面扫描的驻波比；在本实施例中，五个金属化孔23作为一组，沿偶极子单元延伸方向周期性设置，每个第一通孔5由四组金属化孔23包围。
更具体的，所述馈电结构3为竖直设置的平行双线非平衡馈电结构，所述馈电结构3包括平行馈电双线和短路线33，两组平行馈电双线分别接在偶极子单元11的两个臂上，其中馈电32连接同轴线45的内芯，接地线31与金属接地板4连接。
加强耦合贴片13通过短路线33与金属接地板4连接，以移除在阵列工作频带中可能出现的共模谐振。
在平行馈电双线上增加了两对金属鳍片34结构，以调节馈线32的电抗，两对所述金属鳍片34的上下间距为0.762mm，可以在现有加工允许的精度内增强双线间的耦合，增大馈电双线的电容，改善匹配。
所述辐射单元1下方采用若干层Rogers5880介质板作为支撑介质板。在本实施例中，所述支撑介质基板包括依次层叠的第一支撑介质板35、第二支撑介质板36和第三支撑介质板37，两对所述金属鳍片34分别印刷于第二支撑介质板36的顶面和底面。
更具体的，所述金属接地板4为位于馈电结构3下方，并在所述馈线32的下方设置第二通孔41，第二通孔41内插入类同轴结构的毛纽扣连接器，同轴线45通过毛纽扣连接器43与馈线32同轴连接；毛纽扣连接器包括介质管套42和毛纽扣43，毛纽扣43作为内芯，加强馈线32与同轴线45的电连接，并进一步改善阻抗匹配。
在金属接地板4内插入的类同轴结构的特性阻抗在50欧姆到120欧姆之间，可起到阻抗变换的作用，进一步的拓展带宽，在本实施例中，毛纽扣连接器的特性阻抗为59Ω。
更具体的，所述紧耦合超宽带双极化相控阵天线的阵元的尺寸为7.1mm×7.1mm，即第一介质板21、第二介质板22、介质基板12和第一支撑介质板35、第二支撑介质板36和第三支撑介质板37的尺寸均为7.1mm×7.1mm，第一介质板21、第二介质板22、介质基板12和第一支撑介质板35、第二支撑介质板36和第三支撑介质板37均开设有第一通孔5，第一通孔的半径为2.74mm，以消除阵列在工作频段内可能出现的表面波，并减小阵列整体质量。
第一介质板21、第二介质板22、介质基板12、第一支撑介质板35、第二支撑介质板36和第三支撑介质板37均为Rogers5880，介电常数2.2。
本发明提供的紧耦合超宽带双极化相控阵天线的阵元间距约为栅瓣频率对应波长的一半，根据阵列原理其工作频段的上限可在拓展至栅瓣频率，并且在扫描角θ≤90°的情况下不会在可视空间中出现栅瓣，除此之外还减少了相应的T/R组件的数量，很大程度上降低了造价成本，并且真正实现了超宽带宽角扫描。
图6为该实施例无限大阵列在E面扫描的有源驻波比；由图可见，该实施例在扫描角度为0°时，可在4-21GHz的频带范围内，实现驻波比小于2。当扫描至45°时，该频带范围内，实现驻波比小于3.1。
图7为该实施例无限大阵列在H面扫描的有源驻波比；由图可见，该实施例在扫描角度为0°时，可在4-21GHz的频带范围内，实现驻波比小于2，当扫描至45°时，可在该频带范围内，实现驻波比小于3。
图8为该实施例无限大阵列在E面扫描的隔离度。由图可见，该实施例在扫描角度为0°时，可在4-21GHz的频带范围内，实现隔离度小于-16dB，当扫描至45°时，可在该频带范围内，实现隔离度小于-16dB。
图9为该实施例无限大阵列在H面扫描的隔离度。由图可见，该实施例在扫描角度为0°时，可在4-21GHz的频带范围内，实现隔离度小于-16dB。扫描角度为45°时，可在该频带范围内，实现隔离度小于-16dB。
图10为该实施例无限大阵列在不扫描状态下的共面极化与交叉极化的增益，由图可见，该阵列的交叉极化低于-18dB。
图11为该实施例无限大阵列分别在E面扫描±45°和H面扫描±45°时的交叉极化；由图可见，在两个主平面扫描时，除极个别频点，该阵列的交叉极化值均小于-12dB。
图12为该实施例无限大阵列主极化面在5GHz频点不扫描状态下的E面和H面辐射方向图，图12(a)为具体实施例1在5GHz频点边射状态下E面辐射方向图；图12(b)为具体实施例1在5GHz频点边射状态下H面辐射方向图。
图13为该实施例无限大阵列主极化面在10GHz频点不扫描状态下的E面和H面辐射方向图，图13(a)为具体实施例1在10GHz频点边射状态下E面辐射方向图；图13(b)为具体实施例1在10GHz频点边射状态下H面辐射方向图。
图14为该实施例无限大阵列主极化面在20GHz频点不扫描状态下的E面和H面辐射方向图，图14(a)为具体实施例1在20GHz频点边射状态下E面辐射方向图；图14(b)为具体实施例1在20GHz频点边射状态下H面辐射方向图。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种紧耦合超宽带双极化相控阵天线，其特征在于：包括辐射单元(1)、位于辐射单元(1)上方的宽角匹配结构、位于辐射单元(1)下方竖直放置的馈电结构(3)、用于支撑馈电结构(3)的支撑介质板以及与辐射单元(1)平行设置的金属接地板(4)，所述辐射单元(1)包括水平放置的介质基板(12)，所述介质基板(12)上印刷有加强耦合贴片(13)和相互垂直交叉排布的偶极子单元(11)，所述加强耦合贴片(13)设于偶极子单元(11)垂直交叉部分的下方，所述宽角匹配结构包括频率选择表面结构(2)和第二介质板(22)，所述频率选择表面结构(2)包括第一介质板(21)和周期排列的金属化孔(23)，所述第二介质板(22)设于第一介质板(21)与介质基板(12)之间，所述金属化孔(23)贯穿第一介质板(21)，所述第二介质板(22)设于金属化孔(23)与偶极子单元(11)之间，所述金属化孔(23)位于偶极子单元(11)上方，所述辐射单元(1)的介质基板(12)、所述宽角匹配结构的第一介质板(21)和第二介质板(22)、所述支撑介质板上均开设有第一通孔(5)，周期排列的所述金属化孔(23)围绕第一通孔(5)设置。
2.如权利要求1所述的紧耦合超宽带双极化相控阵天线，其特征在于：所述馈电结构(3)为竖直设置的非平衡馈电结构，所述馈电结构(3)包括平行馈电双线和短路线(33)，两组平行馈电双线分别连接在偶极子单元(11)的两个臂上，所述平行馈电双线包括接地线(31)和馈线(32)，所述馈线(32)连接同轴线(45)，接地线(31)与金属接地板(4)连接，所述加强耦合贴片(13)通过短路线(33)与金属接地板(4)连接。
3.如权利要求2所述的紧耦合超宽带双极化相控阵天线，其特征在于：所述支撑介质板包括依次层叠的第一支撑介质板(35)、第二支撑介质板(36)和第三支撑介质板(37)，所述平行馈电双线上设有用于调节馈线(32)电抗的两对金属鳍片(34)，两对所述金属鳍片(34)分别印刷于第二支撑介质板(36)的顶面和底面。
4.如权利要求3所述的紧耦合超宽带双极化相控阵天线，其特征在于：所述金属接地板(4)上开设有第二通孔(41)，所述第二通孔(41)内设有毛纽扣连接器，所述同轴线(45)通过毛纽扣连接器与馈线(32)同轴连接。
5.如权利要求4所述的紧耦合超宽带双极化相控阵天线，其特征在于：所述毛纽扣连接器包括介质管套(42)和毛纽扣(43)，所述介质管套(42)设于第二通孔(41)内，所述毛纽扣(43)与介质管套(42)同轴设置，且两端分别连接同轴线(45)和馈线(32)。
6.如权利要求4所述的紧耦合超宽带双极化相控阵天线，其特征在于：所述毛纽扣连接器的特性阻抗为50-120Ω，所述同轴线(45)的特性阻抗为50Ω。
7.如权利要求3所述的紧耦合超宽带双极化相控阵天线，其特征在于：所述紧耦合超宽带双极化相控阵天线的阵元的尺寸为7.1mm×7.1mm，所述第一通孔(5)的半径为2.74mm，两对所述金属鳍片(34)的上下间距为0.762mm。
8.如权利要求1所述的紧耦合超宽带双极化相控阵天线，其特征在于：所述金属化孔(23)的工作频段为所述紧耦合超宽带双极化相控阵天线的最高工作频率的1/6。
9.如权利要求1所述的紧耦合超宽带双极化相控阵天线，其特征在于：所述加强耦合贴片(13)为圆形金属片。
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