CN116315625A - 一种基于宽带90°巴伦的圆极化扫描栅格阵列 - Google Patents

一种基于宽带90°巴伦的圆极化扫描栅格阵列 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于宽带90°巴伦的圆极化扫描栅格阵列，属于微波天线技术领域。该阵列由圆极化天线单元栅格布阵组成，圆极化天线单元包括从上到下依次设置的辐射贴片层、第一介质基板、空气间隙层、金属接地层、第二介质基板、馈电网络层。该圆极化天线单元以旋转放置的微带贴片作为辐射器，采用金属背腔实现稳定单向辐射，该种结构可以有效降低天线组阵后单元间的耦合；下层馈电网络采用180°功分移相网络组合超宽带移相器，可以极大程度实现宽带移相，从而拓宽圆极化天线的阻抗带宽和轴比带宽。

Description

一种基于宽带90°巴伦的圆极化扫描栅格阵列
技术领域
本发明属于微波天线技术领域，具体涉及一种基于宽带90°巴伦的圆极化扫描栅格阵列。
背景技术
宽带相控阵在诸多领域有着重要的应用。现代通信技术的快速进步使得跳频的范围越来越宽，跳频的速率也越来越高，如果天线的性能只有很窄的工作带宽，那么它已经不能满足各类用户对于现代通讯的要求。在雷达领域，宽带相控阵技术是解决多目标分辨、目标识别、属性判断等难题的重要途径，其对雷达抗干扰能力的提升，对军事领域意义重大；在通信领域，相控阵带宽的增加提升了通信的信道容量，避免了信道的拥挤；在多功能应用上，更宽的带宽允许相控阵兼顾探测、电子对抗、通信等功能，使多功能集成化相控阵成为可能。
按照电场方向的变化方式，可以将天线分成线极化、圆极化和椭圆极化。相比线极化天线，圆极化天线具有很多优点，线极化波穿过雨雾区时易发生极化偏转造成能量损失，而圆极化波通过雨雾区遇阻碍反射波旋向反向，与入射波极化隔离，具有很强的抗干扰和抗衰减能力；圆极化波能够同时被水平极化和垂直极化天线接收到。因此，圆极化相控阵天线具有更好的抗干扰和抗雨雾衰减能力，在卫星通信中得到广泛应用。
因此，研究宽带圆极化相控阵天线，以利于其组成的阵列天线能够实现圆极化大角度扫描，具有重大的研究意义和工程意义。
申请号为201910692191.5的专利文献公开了一种宽带圆极化阵列天线，其中心馈电网络包括带开口的方形贴片，方形贴片的四个角分别连接一个枝条状的贴片，枝条状贴片以此旋转90°的结构排列，实现了阻抗匹配带宽宽、轴比带宽宽、圆极化特性好的优势。但该天线尺寸较大不便于组成阵列天线，且没有考虑天线单元之间的耦合，不具有组成天线阵列的潜力。
CN114665254A(申请号为202111446979.1的专利文献公开了一种顺序相位馈电的宽带圆极化阵列天线及其穿戴设备，其介质基板的一面是辐射单元，另外一面是耦合缝隙单元。该天线实现了低剖面、性能稳定的特点，但是其阻抗带宽和轴比带宽不够宽，在宽带应用方面受限。
现阶段关于超宽带圆极化扫描阵列研究还比较少，关于如何实现超宽带圆极化的宽角扫描，还需要进行深入研究。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种基于宽带90°巴伦的圆极化扫描栅格阵列。本发明的天线阵列由圆极化天线单元栅格布阵组成，圆极化天线单元分为辐射器、金属背腔和超宽带馈电网络；以旋转放置的微带贴片作为辐射器，采用金属背腔实现稳定单向辐射，该种结构可以有效降低天线组阵后单元间的耦合；下层馈电网络采用180°功分移相网络组合超宽带移相器，可以大大提高天线阻抗带宽和轴比带宽。
本发明采取的技术方案是：
一种基于宽带90°巴伦的圆极化扫描栅格阵列，其特征在于，该阵列由圆极化天线单元栅格布阵组成。
所述圆极化天线单元，包括从上到下依次设置的辐射贴片层、第一介质基板、空气间隙层、金属接地层、第二介质基板、馈电网络层。
所述辐射贴片层，包括设置于第一介质基板上表面的四个90°旋转对称的辐射贴片；所述辐射贴片上设置有馈电点，该馈电点外侧设置环形耦合缝，等效出的寄生电容用于抵消馈电铜柱带来的电感效应。
所述馈电网络层，为中心对称结构，用于为4个辐射贴片馈入等幅且相位依次相差90°的信号；包括180°功分移相器、两个T型结功分器、两个宽带90°巴伦、以及两个弯折微带线。
所述180°功分移相器的中心与圆极化天线单元的中心重合，包括馈电缝隙、以及两段对称设置于馈电缝隙两侧的渐变微带线；所述180°功分移相器的两个输出端分别连接一个T型结功分器。
所述T型结功分器的一个输出端连接弯折微带线的输入端，另一个输出端连接宽带90°巴伦。
所述宽带90°巴伦，由电长度为90°的第一耦合线、第二耦合线平行设置构成；第一耦合线和第二耦合线的其中一端通过第一微带线连接短路点，第一耦合线的另一端连接T型结功分器的输出端，第二耦合线的另一端通过馈电铜柱连接辐射贴片的馈电点。
所述短路点通过金属通孔连接所述金属接地层。
所述弯折微带线的输出端通过馈电铜柱连接辐射贴片的馈电点。
进一步地，所述辐射贴片为矩形金属贴片，其长宽比为2.3-2.6；所述馈电点位于矩形贴片邻近圆极化天线单元边缘的短边中心位置处。
进一步地，所述第一介质基板的型号为R5880，介电常数为2.2，介质板厚度为5.2mm；所述第二介质基板的型号为RO4350B，介电常数为3.48，介质基板厚度为0.508mm。
进一步地，所述弯折微带线的每个弯折处均为90°弯折，且在90°弯折处的外侧切角处理，减小微带传输线在弯折处所带来的不连续性。
进一步地，所述圆极化天线单元的外侧设置一圈金属围栏，用于提高天线的方向图的稳定性，同时在阵列中降低圆极化天线单元之间的耦合效应，改善天线阵列扫描效果。
本发明中，圆极化天线单元通过馈电缝隙进行馈电时，激励信号通过180°功分移相器激励信号器被分为两个等幅、相位差为180°的信号；该180°功分移相器具有天然的180°相位差，而且在宽带范围内能够保持良好的相位一致性，组合T型结功分器实现四路功分的同时可以展宽带宽。超宽带90°巴伦能够实现超宽带90°移相而且具有良好的相位一致性，但并不是准确的90度移相，因此组合弯折微带线进行进一步调整优化。然后结合前述结构共同组成馈电网络实现对天线的0°、90°、180°、270°顺序旋转馈电，改善天线单元的轴比特性。最后通过铜柱和金属过孔对辐射贴片进行馈电，辐射左旋圆极化波。由于本发明的宽带馈电网络具有宽带移相的特性，使得天线的轴比带宽很高。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提出了一种基于宽带90°巴伦的圆极化扫描栅格阵列，其单元结构与一般微带贴片天线不同，采用了金属背腔式的结构，能够减轻阵列中单元之间的耦合效应。
(2)本发明提出的天线单元采用180°功分移相器组合宽带90°巴伦馈电的方式，实现圆极化的超宽带，实现了53％的阻抗带宽和44％的3dB轴比带宽。
(3)本发明所提出的一种基于宽带90°巴伦的圆极化扫描栅格阵列，扫描至±50°时，增益衰落低于6dB。
附图说明
图1是本发明所述天线单元的结构图；
图2是本发明所述天线单元的俯视图；
图3是本发明所述天线单元的侧视图；
图4是本发明所述天线单元的仰视图；
图5是本发明所述天线阵列的俯视图；
图6是本发明所述天线阵列的仰视图；
图7是本发明所述天线单元的S参数的仿真曲线；
图8是本发明所述天线单元的端口馈电，天线边射方向的轴比随频率变化的仿真曲线；
图9是本发明所述天线单元的4GHz频率E和H面上的仿真辐射方向图；
图10是本发明所述天线阵列在4GHz频率于xoz面从-50度扫描到0度扫描图。
附图标号说明：1第一介质基板，2.空气层，3.接地层，4.第二介质基板，5.馈电点，6.180°功分移相器，7.弯折输出微带线，8.T型结功分器，9.宽带90°巴伦，10.馈电铜柱，11.环形耦合缝，12.矩形微带贴片，13.短路铜柱，14.第一耦合线，15.第二耦合线，16.第一微带线。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步描述。
本实施例的基于宽带90°巴伦的圆极化扫描栅格阵列，由圆极化天线单元栅格布阵组成，如图5、图6所示，阵列以4×3栅格布阵的排列方式，x方向阵元间距0.66倍波长，相邻两行在x方向错开0.33倍波长，在xoz面实现±50度扫描。图1、图3是本发明所述圆极化天线单元，从上到下包括辐射贴片层、第一介质基板、空气间隙层、金属接地层、第二介质基板、馈电网络层。其中，所述第一介质基板的型号为R5880，介电常数为2.2，介质板厚度为5.2mm；所述空气层厚度为5.2mm；所述第二介质基板的型号为RO4350B，介电常数为3.48，介质基板厚度为0.508mm。
所述辐射贴片层，如图2所示，包括设置于第一介质基板上表面的四个90°旋转对称的矩形辐射贴片，其长边和短边的分别为20mm和2.1mm，长边距离介质基板2.3mm，短边距离介质基板6.3mm；所述矩形辐射贴片上邻近圆极化天线单元边缘的短边中心位置处设置有馈电点，该馈电点与矩形辐射贴片的短边间距为1mm，其外侧设置有缝隙宽度为0.3mm的环形耦合缝，等效出的寄生电容用于抵消馈电铜柱带来的电感效应。
所述馈电网络层，如图4所示，为中心对称结构，用于为4个矩形辐射贴片馈入等幅且相位依次相差90°的信号；包括180°功分移相器、两个T型结功分器、两个宽带90°巴伦、以及两个弯折微带线。
所述180°功分移相器的中心与圆极化天线单元的中心重合，包括馈电缝隙、以及两段对称设置于馈电缝隙两侧的渐变微带线；所述180°功分移相器的两个输出端分别连接一个T型结功分器。其中，渐变微带线的长度为12mm，馈电缝隙长为1.5mm。
所述T型结功分器的一个输出端连接弯折微带线的输入端，另一个输出端连接宽带90°巴伦。T型结功分器的输出端的长宽分别为11mm和0.7mm。
所述宽带90°巴伦，由电长度为90°的第一耦合线、第二耦合线平行设置构成；第一耦合线和第二耦合线的其中一端通过第一微带线连接短路点，第一耦合线的另一端连接T型结功分器的输出端，第二耦合线的另一端通过馈电铜柱连接辐射贴片的馈电点。
所述短路点通过半径为0.5mm的金属通孔连接所述金属接地层。
所述弯折微带线的输出端通过馈电铜柱连接辐射贴片的馈电点，弯折微带线的宽度均为1.2mm，其特性阻抗为50欧姆，弯折微带线的切角处均为45°。
图7是本发明所述一种基于宽带90°巴伦的圆极化天线单元的S参数的仿真曲线，从图中看出，所述天线单元的中心频率为4GHz，在该频点处，输入端口得到良好的匹配。天线的阻抗带宽为53％。
图8是本发明所述一种基于宽带90°巴伦的圆极化天线单元轴比随频率变化的仿真曲线，从图中看出，中心频率(4GHz)处的轴比均小于1.5dB，3dB轴比带宽均大于44％。
图9是本发明所述一种基于宽带90°巴伦的圆极化天线单元的4GHz频率的E和H面上的仿真辐射方向图，可见辐射左旋圆极化波，增益为8.84dBi，E面的波束宽度为67°，H面的波束宽度为67°，E面和H面方向图较为一致。
图10是本发明所述相控阵在4GHz于xoz面从-50度扫描到0度的扫描图，由于扫描对称性，只给出了小于零度的扫描结果。在图中，在主波束指向0°时，增益为18.3dBi，如图中所示阵列实现覆盖整个工作频段的圆极化扫描，增益波动小于6dB。
综上所述，本实施例的一种基于宽带90°巴伦的圆极化天线单元基于180°功分移相器组合超宽带90°巴伦的馈电网络实现了大于53％的阻抗带宽和44％的3dB轴比带宽。本实施例所使用的180°功分移相器具有天然的180°相位差，而且在宽带范围内能够保持良好的相位一致性，组合T型结功分器实现四路功分的同时可以展宽带宽。超宽带90°巴伦能够实现超宽带90°移相而且具有良好的相位一致性，结合前述结构共同组成馈电网络实现对天线的0°、90°、180°、270°顺序旋转馈电，改善天线单元的轴比特性。基于该单元组成的天线阵列通过本实施例提供的栅格布阵方式能够实现xoz面的宽带宽角扫描，在主波束指向0°时，增益为19.3dBi，当扫描至±50°时，增益降低小于6dB。本实施例一种基于宽带90°巴伦的圆极化扫描栅格阵列能应用于S波段卫星通信领域。

Claims (5)

1.一种基于宽带90°巴伦的圆极化扫描栅格阵列，其特征在于，该阵列由圆极化天线单元栅格布阵组成；
所述圆极化天线单元，包括从上到下依次设置的辐射贴片层、第一介质基板、空气间隙层、金属接地层、第二介质基板、馈电网络层；
所述辐射贴片层，包括设置于第一介质基板上表面的四个90°旋转对称的辐射贴片；所述辐射贴片上设置有馈电点，该馈电点外侧设置环形耦合缝；
所述馈电网络层，为中心对称结构，用于为4个辐射贴片馈入等幅且相位依次相差90°的信号；包括180°功分移相器、两个T型结功分器、两个宽带90°巴伦、以及两个弯折微带线；
所述180°功分移相器的中心与圆极化天线单元的中心重合，包括馈电缝隙、以及两段对称设置于馈电缝隙两侧的渐变微带线；所述180°功分移相器的两个输出端分别连接一个T型结功分器；
所述T型结功分器的一个输出端连接弯折微带线的输入端，另一个输出端连接宽带90°巴伦。
所述宽带90°巴伦，由电长度为90°的第一耦合线、第二耦合线平行设置构成；第一耦合线和第二耦合线的其中一端通过第一微带线连接短路点，第一耦合线的另一端连接T型结功分器的输出端，第二耦合线的另一端通过馈电铜柱连接辐射贴片的馈电点；
所述短路点通过金属通孔连接所述金属接地层；
所述弯折微带线的输出端通过馈电铜柱连接辐射贴片的馈电点。
2.如权利要求1所述的一种基于宽带90°巴伦的圆极化扫描栅格阵列，其特征在于，所述辐射贴片为矩形金属贴片，其长宽比为2.3-2.6；所述馈电点位于矩形贴片邻近圆极化天线单元边缘的短边中心位置处。
3.如权利要求2所述的一种基于宽带90°巴伦的圆极化扫描栅格阵列，其特征在于，所述第一介质基板的型号为R5880，介电常数为2.2，介质板厚度为5.2mm；所述第二介质基板的型号为RO4350B，介电常数为3.48，介质基板厚度为0.508mm。
4.如权利要求2所述的一种基于宽带90°巴伦的圆极化扫描栅格阵列，其特征在于，所述弯折微带线的每个弯折处均为90°弯折，且在90°弯折处的外侧切角处理，减小微带传输线在弯折处所带来的不连续性。
5.如权利要求4所述的一种基于宽带90°巴伦的圆极化扫描栅格阵列，其特征在于，所述圆极化天线单元的外侧设置有一圈金属围栏。
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