CN116231317B - 轻量化阻性环加载的双极化低剖面强耦合超宽带相控阵 - Google Patents

轻量化阻性环加载的双极化低剖面强耦合超宽带相控阵 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轻量化阻性环加载的双极化低剖面强耦合超宽带相控阵天线，包括平行双极化偶极子单元、渐变线馈电巴伦、阻性环、微带功分器、固定基板、金属反射地板；平行双极化偶极子单元由两个平行放置的不同极化的单元组成，两种极化单元之间通过集总电阻相连，共同印刷在同一介质基板上；渐变线馈电巴伦其上方分别与对应极化的单元进行焊接，下方垂直镶嵌于固定基板中；阻性环结构处于平行双极化偶极子单元下方特定高度，取代了以往较厚重的阻性材料，实现了天线的轻量化。本发明通过对偶极子排布的精心设计达到了双极化特性，并加载阻性环结构实现了低剖面和轻量化的物理特点以及超宽带、宽角扫描等优良辐射性能。

Description

轻量化阻性环加载的双极化低剖面强耦合超宽带相控阵
技术领域
本发明属于天线工程技术领域，具体涉及一种轻量化阻性环加载的双极化低剖面强耦合超宽带相控阵天线。
背景技术
随着电子信息产业的不断发展，尤其是军事领域愈发对天线性能的严苛要求，独立的单一天线已不能满足需求，相控阵天线便由此诞生。近年来，无论是雷达系统、无线通信系统还是军事电子平台，相控阵天线被应用到的领域越来越全面，对其的性能要求也越来越多。首先，天线的剖面高度是物理尺寸上最重要的设计要求之一，为了避免装载的天线设备在载体上伸出过多结构以至于影响整体结构的连续性和气动性，减小天线的剖面高度，是提高系统稳定性和可实行性的必要途径。其次，天线的工作带宽也一直是相控阵天线的关注点，为了使雷达系统在一个天线辐射孔径同时满足通信、探测、侦查、干扰等多种功能，一幅可工作于超宽频带的相控阵天线是必然选择。最后，在应用到军事领域时，为了避免天线重量对载体性能的影响，轻量化的设计也成为越来越多相控阵天线的要求。
基于上述对相控阵天线所提出的新要求，一种通过加强阵列单元之间电容耦合来实现超宽带的天线，即强耦合天线应运而生。这种新型的宽带相控阵是于2003年由俄亥俄州立大学的B.Munk教授在美国专利号6512487专利“宽带相控阵及相关技术”(WidebandPhased Array Antenna and Associated Methods)中首次提出的。通过单元间的强电容耦合，此种天线不仅没有使阵列带宽变窄，反而起到了积极的作用，可以同时满足低剖面、轻量化、超宽频带、宽角扫描、低交叉极化等要求。近年来一些研究将阻性材料加载作为提升天线辐射性能的技术新途径。在申请号为CN201910301638.1的中国专利“基于磁介质型人工磁导体的超低剖面强耦合超宽带相控阵”中，磁介质型人工磁导体的引入也极大程度上降低了天线剖面，但其带宽依然仅有3个倍频程。在申请号为CN202210384772.4的中国专利“一种阻性材料加载的十倍频程双极化强耦合相控阵天线”中，通过加载交指型阻性频率选择表面，对带内共模谐振引起的不良反射进行吸收，实现了工作在0.2-2GHz范围内的十倍频程超宽带天线，但其剖面高度没有得到改善，高达0.63倍高频波长。在申请号为CN202110120853.9的中国专利“铁氧体加载的双极化低剖面强耦合超宽带相控阵天线”中，通过加载铁氧体材料，利用铁氧体材料的高磁导率和高介电常数的性质，使得天线在实现十倍频程超宽带的同时，剖面高度仅为0.42倍高频波长。但是铁氧体结构的加载会使得天线加工成本高昂和重量过重，不利于实际应用。
上述专利及文章在天线加载阻性表面等新型材料方面各具特色，但仍难以满足实际工程应用对天线带宽、剖面高度以及天线重量等因素的全方位挑战。因此，对阻性材料加载的天线结构展开研究从而获得更高性能的天线技术指标，具有非常重要的实际工程意义。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供的轻量化阻性环加载的双极化低剖面强耦合超宽带相控阵天线，解决了现有相控阵天线中天线带宽较窄、成本较高、重量较大、剖面较高的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：轻量化阻性环加载的双极化低剖面强耦合超宽带相控阵天线，包括强耦合平行双极化偶极子单元、渐变线式馈电巴伦、阻性环、微带功分器、固定基板、金属反射地板；所述强耦合平行双极化偶极子单元由两个平行放置的不同极化的单元组成，其中相连偶极子单元工作在水平极化状态，长槽型偶极子单元工作在垂直极化状态；所述渐变线馈电巴伦包括水平极化馈电巴伦和垂直极化馈电巴伦，其上方分别与对应极化的强耦合偶极子单元进行焊接，下方垂直镶嵌于金属反射地板之上的固定基板中，位于金属反射地板下方的微带功分器上方与水平极化馈电巴伦进行焊接。
进一步地，渐变线式馈电巴伦包括两面渐变线形状的金属结构，印刷在介质基板的两侧，通过渐变微带线实现了宽带阻抗变换功能。
进一步地，所述强耦合平行双极化偶极子单元的两个极化单元之间通过一个特定阻值的集总贴片电阻连接，同时，在水平极化、垂直极化的单元末端由印刷在介质基板上下两层的交叠贴片和交趾结构来增强电容耦合，进一步拓宽天线带宽。
进一步地，所述阻性环处于天线下方特定高度，阻性环由金属条带、集总贴片电阻和介质基板组成，介质基板上设置有三个矩形安装槽，两种不同极化方向的天线的巴伦介质基板分别穿过阻性环介质基板上设置的矩形安装槽，组合而成的结构不仅避让了渐变线式馈电巴伦，而且实现了拓展天线带宽的优异特性。
进一步地，金属地板上设置圆柱通孔和矩形长槽，固定基板位于金属地板上方，且设置安装槽，金属地板平行于天线的介质基板并设置在其底端，两种极化方向的渐变线式馈电巴伦介质基板分别安装在固定基板的安装槽内，其中垂直极化单元的末端由同轴电缆穿过圆柱形通孔与天线介质基板末端馈电巴伦电连接，以焊接的方式固定；水平极化单元的末端由微带功分器通过矩形长槽与天线介质基板末端馈电巴伦电连接，以焊接的方式固定。
综上所述，本发明的有益效果为：本发明提供的轻量化阻性环加载的双极化低剖面强耦合超宽带相控阵天线，采用渐变线式巴伦进行馈电，实现了极宽频带内的天线馈电；平行双极化偶极子单元末端的双层贴片加载，加强了偶极子之间的耦合，达到拓展带宽的效果，而单元之间由集总电阻相连，保证了天线的低交叉极化性能；阻性环结构起到了拓展带宽，降低剖面的效果，同时取代了以往较厚重的阻性材料，达到了减轻天线重量，简化天线结构的目的；而且阻性环结构由集总电阻和金属条带组成代替了阻性薄膜的加载，进一步降低了加工成本。
附图说明
图1为本发明提供的轻量化阻性环加载的双极化低剖面强耦合超宽带相控阵天线结构示意图。
图2为本发明提供的实施例中强耦合平行双极化偶极子单元。
图3为本发明提供的实施例中阻性环表面结构俯视图。
图4为本发明提供的实施例中图2所示垂直极化单元端口E面及H面扫描的全频段端口电压驻波比情况。
图5为本发明提供的实施例中图2所示水平极化单元端口E面及H面扫描的全频段端口有源电压驻波比情况。
图6为本发明提供的实施例中图1所示单元组成10×10面阵后，垂直极化状态在2GHz处0度、60度的主极化扫描方向图及交叉极化情况。
图7为本发明提供的实施例中图1所示单元组成10×10面阵后，垂直极化状态在1GHz处0度、60度的主极化扫描方向图及交叉极化情况。
图8为本发明提供的实施例中图1所示单元组成10×10面阵后，垂直极化状态在0.2GHz处0度、60度的主极化扫描方向图及交叉极化情况。
图9为本发明提供的实施例中图1所示单元组成10×10面阵后，水平极化状态在2GHz处0度、60度的主极化扫描方向图及交叉极化情况。
图10为本发明提供的实施例中图1所示单元组成10×10面阵后，水平极化状态在1GHz处0度、60度的主极化扫描方向图及交叉极化情况。
图11为本发明提供的实施例中图1所示单元组成10×10面阵后，水平极化状态在0.2GHz处0度、60度的主极化扫描方向图及交叉极化情况。
其中：1、天线介质基板；101、相连偶极子单元；102、长槽型偶极子单元；103、类工字型金属贴片；104、相连偶极子单元金属贴片；105、单元之间的集总电阻；106、交趾结构；2、垂直极化馈电巴伦；3、水平极化馈电巴伦；4、阻性环；401、阻性环介质基板；402、阻性环金属条带部分；403、阻性环集总贴片电阻部分；5、固定基板；6、金属反射地板；7、微带功分器；8、微波同轴接头
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，轻量化阻性环加载的双极化低剖面强耦合超宽带相控阵天线，包括天线介质基板1、相连偶极子单元101、长槽形偶极子单元102、水平极化馈电巴伦2、垂直极化馈电巴伦3、阻性环4、金属反射地板6、微带功分器7以及微波同轴接头8构成。
所述天线介质基板1由2层相对介电常数为2.2的Rogers5880型号基板材料构成，相连偶极子单元101和长槽形偶极子单元102印刷在两层基板中间，其中相连偶极子单元101工作在水平极化状态，长槽形偶极子单元102工作在垂直极化状态。类工字型金属贴片103和相连偶极子单元金属贴片104印都刷在天线介质基板1的上下两层，类工字型金属贴片103同时增强了两种极化单元之间的电容耦合，相连偶极子单元金属贴片104增强了同极化单元之间的电容耦合，都起到了进一步拓宽带宽的作用。
所述相连偶极子单元101和长槽形偶极子单元102的俯视图如图2所示，相连偶极子单元101单元之间通过增加交趾结构106来加强同极化单元之间的电容耦合，相连偶极子单元101和长槽形偶极子单元102单元之间通过集总电阻105相连，提高了单元之间的隔离度，保证了低交叉极化性能。
所述垂直极化馈电巴伦2由印刷在相对介电常数为10的Taconic CER-10型号基板材料上的渐变微带线组成，其上方与长槽形偶极子单元102进行焊接；水平极化馈电巴伦3由印刷在相对介电常数为2.2的Rogers5880型号基板材料上的渐变微带线组成，上方与相连偶极子单元101进行焊接，两种极化的馈电巴伦整体穿过阻性环介质基板401上的矩形安装槽，下方垂直镶嵌于位于固定基板5上的安装槽中。金属地板6位于固定基板5的下方，分别为两个极化的天线设置了圆柱通孔和矩形开槽，微波同轴接头8穿过圆柱通孔与垂直极化巴伦2末端连接，一分二功分器7穿过矩形开槽与水平极化馈电巴伦3末端连接，实现天线的馈电。
所述阻性环4俯视图如图4所示，阻性环介质基板401是介电常数为2.2的Rogers5880型号基板材料，位于天线下方的特定位置，其上表面的金属条带402将12枚特定阻值的集总电阻403串接成环，这种结构可以代替阻性膜的使用，在保证性能不变的同时进一步降低了加工成本。
天线整体高度为0.40个频段最高频波长。需要说明的是，若高频元件阵元间距小于其最高频率的半波长，则在整个工作频带内扫描到任何角度(除了±90度)，皆不会产生栅瓣。相连偶极子单元之间的距离为0.48个频段最高频波长。长槽型偶极子单元之间的距离为0.25个频段最高频波长。
图4给出了本实施例的长槽型偶极子单元(垂直极化单元)在E面和H面不同扫描状态下的端口对应有源驻波特性，从图中可见，在有源驻波比小于2.7的情况下，在E面60度扫描范围内具有十倍频程的阻抗带宽，在有源驻波比小于3.5的情况下H面30度扫描范围内具有十倍频程的阻抗带宽。
图5给出了本实施例的相连偶极子单元(水平极化单元)在E面和H面不同扫描状态下的端口对应有源驻波特性，从图中可见，在有源驻波比小于2.5的情况下，在E面30度扫描范围内具有十倍频程的阻抗带宽，在有源驻波比小于3.5的情况下H面30度扫描范围内具有十倍频程的阻抗带宽。
图6给出了本实施例所提供的10×10面阵，垂直极化状态在2GHz频点处0度以及60度扫描的情况下的主极化与交叉极化情况。从图中可见，本实施例天线阵列主极化天线增益在2GHz处可达到21dB，具有20dB以上的交叉极化特性，同时主副瓣比可达到13dB以上，扫描时波束指向准确。
图7给出了本实施例所提供的10×10面阵，垂直极化状态在1GHz频点处0度以及60度扫描的情况下的主极化与交叉极化情况。从图中可见，本实施例天线阵列主极化天线增益在1GHz处可达到17dB，具有20dB以上的交叉极化特性，同时主副瓣比可达到13dB以上，扫描时波束指向准确。
图8给出了本实施例所提供的10×10面阵，垂直极化状态在0.2GHz频点处0度以及60度扫描的情况下的主极化与交叉极化增益情况，同样具有良好的交叉极化特性及波束扫描特性。
图9给出了本实施例所提供的10×10面阵，水平极化状态在2GHz频点处0度以及30度扫描的情况下的主极化与交叉极化增益情况。从图中可见，本实施例天线阵列主极化天线增益在2GHz处可达到21dB，具有30dB以上的交叉极化特性，同时主副瓣比可达到12dB以上，扫描时波束指向准确。
图10给出了本实施例所提供的10×10面阵，水平极化状态在1GHz频点处0度以及30度扫描的情况下的主极化与交叉极化增益情况。从图中可见，本实施例天线阵列主极化天线增益在2GHz处可达到16dB，具有30dB以上的交叉极化特性，同时主副瓣比可达到12dB以上，扫描时波束指向准确。
图11给出了本实施例所提供的10×10面阵，水平极化状态在0.2GHz频点处0度以及30度扫描的情况下的主极化与交叉极化增益情况，同样具有良好的交叉极化特性及波束扫描特性。

Claims (4)

1.轻量化阻性环加载的双极化低剖面强耦合超宽带相控阵天线，其特征在于，包括强耦合平行双极化偶极子单元、渐变线式馈电巴伦、阻性环(4)、固定基板(5)、金属反射地板(6)、微带功分器(7)、微波同轴接头(8)；所述强耦合平行双极化偶极子单元由两个平行放置的不同极化的单元组成，其中相连偶极子单元(101)由两个领结型强耦合偶极子通过交趾结构(106)首尾相连而成，工作在水平极化状态，长槽型偶极子单元(102)工作在垂直极化状态，两种极化单元之间通过集总电阻(105)相连，共同印刷在同一介质基板上；所述渐变线馈电巴伦包括水平极化馈电巴伦(3)和垂直极化馈电巴伦(2)，其上方分别与对应极化的偶极子单元进行焊接，下方垂直镶嵌于金属反射地板(6)之上的固定基板(5)中，位于金属反射地板(6)下方的微带功分器(7)上方与水平极化馈电巴伦(3)进行焊接，位于金属反射地板(6)下方的微波同轴接头(8)与垂直极化馈电巴伦(2)电连接，以焊接的方式固定。
2.根据权利要求1所述的轻量化阻性环加载的双极化低剖面强耦合超宽带相控阵天线，其特征在于，所述长槽型偶极子单元(102)和传统的强耦合偶极子单元相比其输入阻抗较小，由垂直极化馈电巴伦(2)和其下方的微波同轴接头(8)直接馈电，避免了复杂的阻抗变换设计。
3.根据权利要求1所述的轻量化阻性环加载的双极化低剖面强耦合超宽带相控阵天线，其特征在于，位于相连偶极子单元(101)末端和长槽型偶极子单元(102)之间的类工字型金属贴片(103)在增强水平和垂直极化单元之间电容耦合的同时，增强了垂直极化方向H面电流耦合，改善了天线在垂直极化方向上的H面扫描性能。
4.根据权利要求1所述的轻量化阻性环加载的双极化低剖面强耦合超宽带相控阵天线，其特征在于，所述阻性环(4)处于天线下方特定高度，由印刷在介质基板(401)上的金属条带(402)将十二枚特定阻值的集总电阻(403)串接成环，取代了以往较厚重的阻性材料，实现了天线的轻量化。
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