CN116706566B - 一种法布里-珀罗腔结构式大间距相控阵天线 - Google Patents

一种法布里-珀罗腔结构式大间距相控阵天线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及天线工程技术领域，具体涉及一种法布里‑珀罗腔结构式大间距相控阵天线，包括：大间距相控阵天线单元，以及大间距相控阵天线单元上方等间距设置的两层相位调控超表面。本发明中的法布里‑珀罗腔结构式大间距相控阵天线，具有高增益、低栅瓣、扫描角度大、损耗低、增益损失小等优势；且结构简单，部分反射面的生成不需要倚靠算法优化以及电路控制，方便实现。

Description

一种法布里-珀罗腔结构式大间距相控阵天线
技术领域
本发明涉及天线工程技术领域，具体涉及一种法布里-珀罗腔结构式大间距相控阵天线。
背景技术
相控阵天线是微波通信、雷达等系统中广泛使用的一种天线技术，在现代化科技中具有无可替代的作用，如在舰船、地面防空、空中预警以及车辆探测等方面有十分广阔的应用前景。但是相控阵天线的波束扫描角度通常受到一些条件的约束，例如天线单元间距超过一定距离时，波束扫描超过特定的扫描角度会在主波束的反方向出现栅瓣，栅瓣的出现会导致主瓣增益的降低，更会严重影响系统性能。因此，为了避免栅瓣的产生，通常使用的相控阵天线阵元间距为0.5倍工作波长以内，以获得更大的低栅瓣扫描区域。然而小的单元间距会出现天线单元的设计难度提高、散热困难、高成本等一系列问题。因此相控阵天线阵元间距与栅瓣是一个矛盾的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种法布里-珀罗腔结构式大间距相控阵天线，包括：大间距相控阵天线单元，以及大间距相控阵天线单元上方等间距设置的两层相位调控超表面；
所述大间距相控阵天线单元包括6个相控阵天线阵元、第一介质基板、6片方形金属贴片以及金属层；所述第一介质基板底面为一层全覆盖的金属层；所述6个相控阵天线阵元以间距为λ0排列为直线阵的方式排列在所述第一介质基板上表面；所述每个方形金属贴片与所述每个相控阵天线阵元下表面连接，且通过50欧姆的馈电微带线与所述第一介质基板的馈电口连接；其中，λ0表示工作波长；
所述相控阵天线阵元包括第二介质基板以及设置在所述第二介质基板上表面的刻有十字型缝的方形金属贴片；
所述两层相位调控超表面结构完全一致，由第三介质基板和以8mm为间距规律排列在所述第三介质基板上表面和下表面的用于相位调控的方形金属环组成。
优选的，所述大间距相控阵天线单元与所述第一层相位调控超表面以及两层相位调控超表面之间的间距均设置为0.5λ0，以形成法布里-珀罗谐振腔；其中，λ0表示工作波长。
进一步的，所述大间距相控阵天线单元与所述第一层相位调控超表面以及两层相位调控超表面之间形成的法布里-珀罗谐振腔，包括：
两层相位调控超表面对±24°内扫描的主瓣波束在形成的法布里-珀罗谐振腔体内进行多次反射，提升主瓣增益；对于辐射角度为相位调控超表面作用角度范围以外的栅瓣则是在形成的法布里-珀罗谐振腔体内进行非同相反射，并在透射中因为存在透射相位差导致增益的降低，从而实现主瓣增益的提升以及对栅瓣的抑制。
优选的，所述第一介质基板与所述第二介质基板的介电常数均为3.55，介质厚度均为0.81mm。
优选的，所述第三介质基板的介电常数为2.2，介质厚度为0.52mm。
优选的，所述第一介质基板上表面的方形金属贴片与所述第二介质基板上表面的刻有十字型缝的方形金属贴片中心对齐。
优选的，所述相控阵天线阵元的馈电采用背馈的方式，相控阵天线阵元之间的相位差由通过馈电口外接的移相器控制。
进一步的，所述相控阵天线阵元的背馈电方式，包括：SMA的外径与金属地焊接，内芯穿过馈电口焊接到50欧姆的馈电微带线上，SMA发起电信号通过馈电微带线激励第一介质基板上的矩形贴片，进而耦合第二介质基板上刻有十字型缝的方形金属贴片。
本发明首次提出了采用双层相位调控超表面调制电磁波的反射相位实现一倍波长间距下相控阵天线栅瓣抑制的方法，在10GHz实现了±24°扫描角内栅瓣低于-10dB，最大增益仅降低1.2dB，辐射效率高于92％，相较于现有的超表面加载的大间距相控阵天线同时拥有更大的扫描角范围和单元间距；
本发明中的法布里-珀罗腔结构式大间距相控阵天线，具有高增益、低栅瓣、扫描角度大、损耗低、增益损失小等优势；且结构简单，部分反射面的生成不需要倚靠算法优化以及电路控制，方便实现；
本发明通过加载超表面，超表面与天线单元之间有空气层，并且相控阵天线单元的间距可以增大，利于整体散热问题和单元间的互耦问题，同时还可大幅减少有源器件的使用数量，降低成本，在微波通信，雷达等领域能够得以重要应用。
附图说明
图1为本发明实施例的天线部分整体结构示意图；
图2为本发明实施例的相控阵天线阵元的侧视图；
图3为本发明本发明实施例的相控阵天线阵元的俯视图；
图4为本发明实施例的射线光学模型图，其中左边的电磁波表示栅瓣的非同相反射叠加，右边的电磁波表示主瓣的同相反射叠加；
图5为本发明实施例的相位调控超表面单元在不同入射角下的反射系数曲线；
图6为本发明实施例的相控阵天线阵元的辐射性能示意图；
图7为本发明大间距相控阵天线在扫描到不同角度时加载两层相位调控超表面前/后的辐射方向图；
图中：1：第一介质基板；2：第二介质基板；3：相位调控超表面；4：第一介质基板底面的全覆盖金属层；5：馈电微带线；6：刻有十字型缝的方形金属贴片；7：方形金属环。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种法布里-珀罗腔结构式大间距相控阵天线，如图1所示，包括：大间距相控阵天线单元，以及大间距相控阵天线单元上方以间距hc设置的两层相位调控超表面；
如图2和图3所示，所述大间距相控阵天线单元包括6个相控阵天线阵元、第一介质基板、6片方形金属贴片以及金属层；所述第一介质基板底面为一层全覆盖的金属层；所述6个相控阵天线阵元以间距为λ0排列为直线阵的方式排列在所述第一介质基板上表面；所述每个方形金属贴片与所述每个相控阵天线阵元下表面连接，且通过50欧姆的馈电微带线与所述第一介质基板的馈电口连接；其中，λ0表示工作波长；所述相控阵天线阵元包括第二介质基板以及设置在所述第二介质基板上表面的刻有十字型缝的方形金属贴片；
所述大间距相控阵天线单元与所述相控阵天线阵元之间的间距设置为h1，以满足工作匹配。
所述两层相位调控超表面结构完全一致，由第三介质基板和以8mm为间距规律排列在所述第三介质基板上表面和下表面的用于相位调控的方形金属环组成。
在本发明实施例中，如图4所示，展示了本发明实施例的射线跟踪法模型图，其中左边的电磁波表示栅瓣，右边的电磁波表示主瓣；由法布里-珀罗腔天线理论可知，固定谐振腔高度hc为0.5λ0，当部分反射面的反射相位为π时，波束可以同相叠加，实现增益的提升，而当反射系数不为π时，则会因为非同相的相位叠加导致增益降低，从而实现对栅瓣的抑制。
在本实施例中，大间距相控阵天线由所述的6个相控阵天线阵元以一个波长间距排列为直线阵，该间距取值大于传统相控阵单元的最大间距d0≤0.5λ0，其中，d0满足最大扫描角θmax下无栅瓣扫描的最大约束条件λ0为工作波长。
在本实施例中，所述大间距相控阵天线单元与所述第一层相位调控超表面以及两层相位调控超表面之间的间距hc均设置为0.5λ0，以形成法布里-珀罗谐振腔；其中，λ0表示工作波长。
所述大间距相控阵天线单元与所述第一层相位调控超表面以及两层相位调控超表面之间形成的法布里-珀罗谐振腔，包括：
两层相位调控超表面对±24°内扫描的主瓣波束在形成的法布里-珀罗谐振腔体内进行多次反射，提升主瓣增益；对于辐射角度为相位调控超表面作用角度范围以外的栅瓣则是在形成的法布里-珀罗谐振腔体内进行非同相反射，并在透射中因为存在透射相位差导致增益的降低，从而实现主瓣增益的提升以及对栅瓣的抑制。
由直线相控阵理论可知，主瓣角度θ与栅瓣角度θs满足：kd(sinθs-sinθ)＝±2π。当间距d取λ0时，可以进一步得到：sinθs-sinθ＝±1，可知，当θ扫描到30°时，θs为-30°，此时主瓣和栅瓣关于θ＝0°对称，辐射能量相同，无法从增益或角度上判定主瓣和栅瓣。因此将主瓣的最大扫描角设置为25°，此时栅瓣出现的角度为-90°至-36°，可见栅瓣相对于主瓣在法线方向上有更大的偏角。主瓣和栅瓣可以通过这种偏角上的差异被相位调控超表面的角度选择特性区分。
如图5所示，为所述相位调控超表面单元在在不同入射角下的反射系数、反射相位曲线，相位调控超表面的角度选择特性体现为：对于电磁波入射角小于25°时，能够保持稳定的反射系数和反射相位，即反射系数为0.6，反射相位为-172°；当入射角为35°时，反射系数为0.67，反射相位为-154°；当入射角为55°时，反射系数为0.83，反射相位为-142°。因此，当电磁波入射角小于25°时，相位调控超表面作为部分反射面能够提供稳定反射特性，而当入射角大于35°后，反射系数和反射相位都会快速增加，已经无法提供稳定的反射特性。
在本实施例中，所述第一介质基板与所述第二介质基板的介电常数均为3.55，介质厚度均为0.81mm，即h0＝0.81mm。
在本实施例中，所述第三介质基板的介电常数为2.2，介质厚度为0.52mm。
在本实施例中，所述第一介质基板上表面的方形金属贴片与所述第二介质基板上表面的刻有十字型缝的方形金属贴片中心对齐。
在本实施例中，所述相控阵天线阵元的馈电采用背馈的方式，相控阵天线阵元之间的相位差由通过馈电口外接的移相器控制，通过控制天线单元之间的相位差实现主瓣波束扫描。
如图6所示，展示了相控阵天线阵元的辐射性能，可以看到驻波比在9.1-11.5GHz小于2，增益在匹配带宽内从8.4dBi增加到了9.6dBi，方向图在极坐标的上半区域接近于点源辐射方向图，并且交叉极化低于40dB。
所述相控阵天线阵元的背馈电方式，包括：SMA的外径与金属地焊接，内芯穿过馈电口焊接到50欧姆的馈电微带线上，SMA发起电信号通过馈电微带线激励第一介质基板上的矩形贴片，进而耦合第二介质基板上刻有十字型缝的方形金属贴片。
在本发明实施例中，如图7所示，本发明的大间距相控阵天线在扫描到不同角度时加载两层相位调控超表面前/后的辐射方向图。
图7-a为本发明实施例的大间距相控阵天线在扫描至0°时，加载两层相位调控超表面前/后的辐射方向图。当扫描角为0°的时候，加载两层相位调控超表面前/后的增益分别为16.4dBi和19.8dBi，栅瓣分别为-14.2dB和-17.6dB，实现了3.4dBi的增益提高以及3.4dB的栅瓣降低。
图7-b为本发明实施例的大间距相控阵天线在扫描至10°时，加载两层相位调控超表面前/后的辐射方向图。当扫描角为10°的时候，加载两层相位调控超表面前/后的增益分别为16.2dBi和19.5dBi，栅瓣分别为-6.3dB和-18.0dB，实现了3.3dBi的增益提高以及11.7dB的栅瓣降低。
图7-c为本发明实施例的大间距相控阵天线在扫描至16°时，加载两层相位调控超表面前/后的辐射方向图。当扫描角为16°的时候，加载两层相位调控超表面前/后的增益分别为15.5dBi和19.3dBi，栅瓣分别为-3dB和-15.5dB，实现了3.8dBi的增益提高以及12.5dB的栅瓣降低。
图7-d为本发明实施例的大间距相控阵天线在扫描至20°时，加载两层相位调控超表面前/后的辐射方向图。当扫描角为20°的时候，加载两层相位调控超表面前/后的的增益分别为15.1dBi和19.0dBi，栅瓣分别为-1.7dB和-12.6dB，实现了3.9dBi的增益提高以及10.9dB的栅瓣降低。
图7-e为本发明实施例的大间距相控阵天线在扫描至24°时，加载两层相位调控超表面前/后的辐射方向图。当扫描角为24°的时候，加载两层相位调控超表面前/后的增益分别为15.0dBi和18.6dBi，栅瓣分别为-1.0dB和-10.0dB，实现了3.6dBi的增益提高以及10dB的栅瓣降低。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种法布里-珀罗腔结构式大间距相控阵天线，其特征在于，包括：大间距相控阵天线单元，以及大间距相控阵天线单元上方等间距设置的两层相位调控超表面；
所述大间距相控阵天线单元与所述第一层相位调控超表面以及两层相位调控超表面之间的间距均设置为0.5λ0，以形成法布里-珀罗谐振腔；其中，λ0表示工作波长；
两层相位调控超表面对±24°内扫描的主瓣波束在形成的法布里-珀罗谐振腔体内进行多次反射，提升主瓣增益；对于辐射角度为相位调控超表面作用角度范围以外的栅瓣则是在形成的法布里-珀罗谐振腔体内进行非同相反射，并在透射中因为存在透射相位差导致增益的降低，从而实现主瓣增益的提升以及对栅瓣的抑制；
所述大间距相控阵天线单元包括6个相控阵天线阵元、第一介质基板、6片方形金属贴片以及金属层；所述第一介质基板底面为一层全覆盖的金属层；所述6个相控阵天线阵元以间距为λ0排列为直线阵的方式排列在所述第一介质基板上表面；所述每个方形金属贴片与所述每个相控阵天线阵元下表面连接，且通过50欧姆的馈电微带线与所述第一介质基板的馈电口连接；
所述相控阵天线阵元包括第二介质基板以及设置在所述第二介质基板上表面的刻有十字型缝的方形金属贴片；
所述两层相位调控超表面结构完全一致，由第三介质基板和以8mm为间距规律排列在所述第三介质基板上表面和下表面的用于相位调控的方形金属环组成。
2.根据权利要求1所述的一种法布里-珀罗腔结构式大间距相控阵天线，其特征在于，所述第一介质基板与所述第二介质基板的介电常数均为3.55，介质厚度均为0.81mm。
3.根据权利要求1所述的一种法布里-珀罗腔结构式大间距相控阵天线，其特征在于，所述第三介质基板的介电常数为2.2，介质厚度为0.52mm。
4.根据权利要求1所述的一种法布里-珀罗腔结构式大间距相控阵天线，其特征在于，所述第一介质基板上表面的方形金属贴片与所述第二介质基板上表面的刻有十字型缝的方形金属贴片中心对齐。
5.根据权利要求1所述的一种法布里-珀罗腔结构式大间距相控阵天线，其特征在于，所述相控阵天线阵元的馈电采用背馈的方式，相控阵天线阵元之间的相位差由通过馈电口外接的移相器控制。
6.根据权利要求5所述的一种法布里-珀罗腔结构式大间距相控阵天线，其特征在于，所述相控阵天线阵元的背馈电方式，包括：SMA的外径与金属地焊接，内芯穿过馈电口焊接到50欧姆的馈电微带线上，SMA发起电信号通过馈电微带线激励第一介质基板上的矩形贴片，进而耦合第二介质基板上刻有十字型缝的方形金属贴片。
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