CN216872263U - 基于低剖面频率选择表面的宽带波束扫描共形阵列天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于低剖面频率选择表面的宽带波束扫描共形阵列天线，包括偶极子馈源、半圆柱带通阵列天线、半圆柱带阻阵列天线，所述半圆柱带通阵列天线与半圆柱带阻阵列天线连接后构成中空的三维圆柱体阵列天线，所述偶极子馈源位于所述三维圆柱体阵列天线的轴心位置，所述半圆柱带通阵列天线用于透射电磁波；所述半圆柱带阻阵列天线用于反射电磁波；通过机械旋转所述三维圆柱体阵列天线，改变三维圆柱体阵列天线中半圆柱带通阵列天线和半圆柱带阻阵列天线的空间位置，得到不同波束指向，进而实现水平面360°波束扫描。所述阵列天线具有结构简单、成本低、损耗低、宽带性能好等优点。

Description

基于低剖面频率选择表面的宽带波束扫描共形阵列天线

技术领域

本实用新型涉及天线技术领域，尤其涉及一种基于低剖面频率选择表面的宽带波束扫描共形阵列天线。

背景技术

在现有技术中，从扫描天线阵的结构来说，主要有两种：一种为平面扫描天线阵，由于其剖面薄、体积小、重量轻、易集成等优异特点得到了广泛应用，但其波束扫描范围有限，其最大扫描角为120°左右，且扫描过程中随扫描角度增加增益下降剧烈，无法实现更大范围扫描；另一种为共形扫描天线阵，其天线单元不再分布在同一平面上，而是共形于三维载体表面上，使其波束扫描范围可以轻易实现半球区域以上覆盖，并且在扫描过程中天线增益波动较小。但是共形扫描天线阵通常体积冗余，整体剖面较高，因此在尽可能低剖面情况下实现大角度扫描范围是一大挑战。

频率选择表面是一种调节电磁波特性的技术手段，其由周期性排列的导电贴片单元，或者是由导电贴片上的开槽单元形成的单层或多层二维周期性阵列结构。频率选择表面对频率具有选择透过性，或选择反射性。当频率选择表面的谐振单元在某一频率形成谐振时，它能使这一频率电磁波几乎完全透射，即带通型频率选择表面；或电磁波几乎完全反射，即带阻型频率选择表面。其独特的性能已广泛应用于军用和民用的各个方面，涵盖了大部分的电磁波谱，包括微波、毫米波及红外波段。

现有技术用来实现空间超大范围扫描的最优方案是采用共形天线阵。其中球面共形的天线阵面临整体剖面过高的显著缺点，导致其体积冗余，在应用中面临对载体空间要求高、结构复杂、装配困难等难题。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是如何提供一种结构简单、成本低、损耗低、宽带性能好的宽带波束扫描共形阵列天线。

为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：一种基于低剖面频率选择表面的宽带波束扫描共形阵列天线，其特征在于：包括偶极子馈源、半圆柱带通阵列天线、半圆柱带阻阵列天线，所述半圆柱带通阵列天线与半圆柱带阻阵列天线连接后构成中空的三维圆柱体阵列天线，所述偶极子馈源位于所述三维圆柱体阵列天线的轴心位置，偶极子馈源用于发射电磁波，所述半圆柱带通阵列天线用于透射电磁波，当其在某一工作频率形成谐振时，能使这一频率的电磁波通过；所述半圆柱带阻阵列天线用于反射电磁波，当其在某一工作频率形成谐振时，能使这一频率的电磁波在其表面反射回来；通过机械旋转所述三维圆柱体阵列天线，改变三维圆柱体阵列天线中半圆柱带通阵列天线和半圆柱带阻阵列天线的空间位置，得到不同波束指向，进而实现水平面360°波束扫描；

所述半圆柱带通阵列天线包括若干个带通阵列单元，所述带通阵列单元包括第一介质层，所述第一介质层的上表面形成有第一方形金属贴片，所述第一介质层的下侧设置有第二介质层，所述第一介质层与第二介质层之间形成有第一方形金属环和第二方形金属贴片，所述第二方形金属贴片位于所述第一方形金属环内且两者之间不互相接触，所述第二介质层的下表面形成有第三方形金属贴片；

所述半圆柱带阻阵列天线包括若干个带阻阵列单元，所述带阻阵列单元包括第三介质层，所述第三介质层的上表面形成有第四方形金属贴片，所述第三介质层的下侧设置有第四介质层，所述第三介质层与第四介质层之间形成有第二方形金属环和第五方形金属贴片，所述第五方形金属贴片位于所述第二方形金属环内且两者之间通过方向条连接到一起，所述第四介质层的下表面形成有第六方形金属贴片。

进一步的技术方案在于：所述第一方形金属环的外圈与所述第一介质层的外圈相互重合，所述第一方形金属贴片、第二方形金属贴片以及第三方形金属贴片在上下投影方向重合。

进一步的技术方案在于：所述方向条设置有四条，分别与第五方形金属贴片的四条边以及第二方形金属环内侧的四条边连接。

进一步的技术方案在于：所述第二方形金属环的外圈与所述第三介质层的外圈相互重合，所述第四方形金属贴片、第五方形金属贴片以及第六方形金属贴片在上下投影方向重合。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本实用新型所述扫描共形阵列天线中带通阵列单元及带阻阵列单元具有重量轻、剖面低以及结构简单等优点，阵列天线的加工成本和难度也大大降低；带通阵列单元及带阻阵列单元结构关于原点中心对称，可实现双极化特性，同时具有低损耗特性，并由于其频率选择性表面结构，具有良好的宽带性能；相对于电控波束扫描天线本实用新型只需要通过机械旋转即可得到不同波束指向，在水平面实现360°波束扫描，具有成本低廉及结构简单等优点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1为本实用新型实施例中带通阵列单元的侧面示意图；

图2为本实用新型实施例中带阻阵列单元的侧面示意图；

图3为本实用新型实施例中带通阵列单元中第一方形金属环和第二方形金属贴片的俯视示意图；

图4为本实用新型实施例中带阻阵列单元中第二方形金属环和第五方形金属贴片的俯视示意图；

图5为本实用新型实施例中带通阵列单元的S-参数图；

图6为本实用新型实施例中带阻阵列单元的S-参数图；

图7为本实用新型实施例中所述共形阵列天线的馈源；

图8为本实用新型所述共形阵列天线的结构示意图；

图9为本实用新型所述共形阵列天线的机械旋转不同角度时的归一化方向图；

其中：1、第一方形金属贴片；2、第一介质层；4、第二介质层；5、第三方形金属贴片；6、第四方形金属贴片；7、第三介质层；9、第四介质层；10、第六方形金属贴片；11、第一方形金属环；12、第二方形金属贴片；13、第二方形金属环；14、第五方形金属贴片；15、方向条；16、偶极子馈源；17、宽带波束扫描共形阵列天线。

具体实施方式

下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

如图8所示，本实用新型实施例公开了一种基于低剖面频率选择表面的宽带波束扫描共形阵列天线，包括偶极子馈源16、半圆柱带通阵列天线、半圆柱带阻阵列天线，所述半圆柱带通阵列天线与半圆柱带阻阵列天线连接后构成中空的三维圆柱体阵列天线，所述偶极子馈源16位于所述三维圆柱体阵列天线的轴心位置，偶极子馈源16用于发射电磁波，所述半圆柱带通阵列天线用于透射电磁波，当其在某一工作频率形成谐振时，能使这一频率的电磁波通过；所述半圆柱带阻阵列天线用于反射电磁波，当其在某一工作频率形成谐振时，能使这一频率的电磁波在其表面反射回来；通过机械旋转所述三维圆柱体阵列天线，改变三维圆柱体阵列天线中半圆柱带通阵列天线和半圆柱带阻阵列天线的空间位置，得到不同波束指向，进而实现水平面360°波束扫描。

偶极子馈源16放至于三维圆柱体阵列天线内的中心位置，馈源用于发射电磁波；半圆柱带通型阵列天线单元用于透射电磁波，当其在某一工作频率形成谐振时，它能使这一频率电磁波通过带通型阵列天线单元；半圆柱带阻型阵列天线单元用于反射电磁波，当其在某一工作频率形成谐振时，与带通型阵列天线单元不同，它能使这一频率的电磁波在带阻型阵列天线单元反射回来；

所述的带通阵列单元和带阻阵列单元结构关于原点中心对称，在xoy水平面上的x与y方向上，单元具有相同的性能，具有双极化特性；阵列天线可以工作在10GHz，单位数N

M为10×10，天线的直径小于80mm，高度小于200mm。由于阵列规模拓展性强，该设计还可以延展到其他天线口面尺寸和频段。

进一步的，参阅图1和图3，半圆柱带通型阵列天线包括5×10个带通阵列单元，所述半圆柱带通阵列天线包括若干个带通阵列单元，所述带通阵列单元包括第一介质层2，所述第一介质层2的上表面形成有第一方形金属贴片1，所述第一介质层2的下侧设置有第二介质层4，所述第一介质层2与第二介质层4之间形成有第一方形金属环11和第二方形金属贴片12，所述第二方形金属贴片12位于所述第一方形金属环11内且两者之间不互相接触，所述第二介质层4的下表面形成有第三方形金属贴片5。所述第一方形金属环11的外圈与所述第一介质层2的外圈相互重合，所述第一方形金属贴片1、第二方形金属贴片12以及第三方形金属贴片5在上下投影方向重合。

所提出的带通阵列单元的第一方形金属贴片1、第一方形金属环11、第二方形金属贴片12以及第三方形金属贴片5沿xoy平面水平放置，带通阵列单元结构关于原点中心对称且呈三维立体结构；

在实例中，带通阵列单元的介质层高度可以选取很薄甚至可以没有，但考虑需要具有一定硬度的介质板支撑，故板材厚度选取为0.05波长，即=2mm；带通阵列单元的介质层材料为Rogers Ro3003，相对介电常数为3.0；为了使带通阵列单元透射电磁波，第一方形金属环11与第二方形金属贴片12无连接，第一方形金属环11宽度为=10mm，第二方形金属贴片12宽度为=6mm；带通阵列单元的所述第一方形金属贴片1、第二方形金属贴片12以及第三方形金属贴片5沿xoy平面的截面积相等，宽度均为=6mm；

进一步的，参阅图2和图4，半圆柱带阻阵列天线由5×10个带阻阵列单元构成，所述半圆柱带阻阵列天线包括若干个带阻阵列单元，所述带阻阵列单元包括第三介质层7，所述第三介质层7的上表面形成有第四方形金属贴片6，所述第三介质层7的下侧设置有第四介质层9，所述第三介质层7与第四介质层9之间形成有第二方形金属环13和第五方形金属贴片14，所述第五方形金属贴片14位于所述第二方形金属环13内且两者之间通过方向条15连接到一起，所述第四介质层9的下表面形成有第六方形金属贴片10。

所提出的带阻阵列单元的第四方形金属贴片6、第二方形金属环13、第五方形金属贴片14、方向条15及第六方形金属贴片10沿xoy平面水平放置，带阻阵列单元结构关于原点中心对称且呈三维立体结构；进一步的，所述方向条15设置有四条，分别与第五方形金属贴片14的四条边以及第二方形金属环13内侧的四条边连接。进一步的，所述第二方形金属环13的外圈与所述第三介质层7的外圈相互重合，所述第四方形金属贴片6、第五方形金属贴片14以及第六方形金属贴片10在上下投影方向重合。

在实例中，带阻阵列单元的介质层高度和材料与带通阵列单元相同，具有设计简单及阵列天线加工简单等优点；为了使带阻阵列单元反射电磁波，第二方形金属环13与第五方形金属贴片14之间通过四通道方向条15相连接，方向条15的长度为=1mm，宽度为

=1mm，第二方形金属环13宽度为=10mm，第五方形金属贴片14宽度为

=6mm；

图5是带通阵列单元在工作频点为10.0GHz时，带通阵列单元的S-参数图；单元在频段8GHz到12GHz区间，透射幅度最大损耗为0.869dB，单元的透射幅度损耗较小，且从图中可看出该带通阵列单元具有较好的宽带性能；

图6是带阻型阵列单元在工作频点为10.0GHz时，带通阵列单元的S-参数图；单元在频段8GHz到12GHz区间，反射幅度最大损耗为1.525dB，单元的反射幅度损耗较小，且从图中可看出该带通阵列单元具有较好的宽带性能；

图7为本实用新型的宽带波束扫描共形阵列天线的偶极子馈源(16)，馈源位于三维圆柱体阵列天线内的中心位置，馈源用于发射电磁波；

参阅图8，半圆柱带通型阵列天线和半圆柱带阻型阵列天线沿一定的曲率半径依次相连，构成一个圆柱形宽带波束扫描共形阵列天线17；相对于电控波束扫描天线，本实用新型的低剖面频率选择表面的宽带波束扫描共形阵列天线只需要通过机械旋转，改变阵列天线中带通型阵列天线和带阻型阵列天线的空间位置，即可得到不同波束指向，进而实现水平面360

波束扫描；

图9是本实用新型的低剖面频率选择表面的宽带波束扫描共形阵列天线在工作频点为10.0GHz时，在不同的机械旋转角度下的阵列天线归一化方向图；从图中可以看出该阵列天线可实现水平面360°波束扫描；

综上，本实用新型实施例所述阵列天线具有如下优点：

（1）本实用新型中的带通阵列单元及带阻阵列单元具有重量轻、剖面低以及结构简单等优点，阵列天线的加工成本和难度也大大降低；

（2）本实用新型的带通阵列单元及带阻阵列单元结构关于原点中心对称，可实现双极化特性，同时具有低损耗特性，并由于其频率选择性表面结构，具有良好的宽带性能；

（3）本实用新型的基于低剖面频率选择表面的宽带波束扫描共形阵列天线，相对于电控波束扫描天线，本实用新型只需要通过机械旋转即可得到不同波束指向，在水平面实现360

波束扫描，具有成本低廉及结构简单等优点。

Claims (8)

1.一种基于低剖面频率选择表面的宽带波束扫描共形阵列天线，其特征在于：包括偶极子馈源（16）、半圆柱带通阵列天线、半圆柱带阻阵列天线，所述半圆柱带通阵列天线与半圆柱带阻阵列天线连接后构成中空的三维圆柱体阵列天线，所述偶极子馈源（16）位于所述三维圆柱体阵列天线的轴心位置，偶极子馈源（16）用于发射电磁波，所述半圆柱带通阵列天线用于透射电磁波，当其在某一工作频率形成谐振时，能使这一频率的电磁波通过；所述半圆柱带阻阵列天线用于反射电磁波，当其在某一工作频率形成谐振时，能使这一频率的电磁波在其表面反射回来；通过机械旋转所述三维圆柱体阵列天线，改变三维圆柱体阵列天线中半圆柱带通阵列天线和半圆柱带阻阵列天线的空间位置，得到不同波束指向，进而实现水平面360°波束扫描；

所述半圆柱带通阵列天线包括若干个带通阵列单元，所述带通阵列单元包括第一介质层（2），所述第一介质层（2）的上表面形成有第一方形金属贴片（1），所述第一介质层（2）的下侧设置有第二介质层（4），所述第一介质层（2）与第二介质层（4）之间形成有第一方形金属环（11）和第二方形金属贴片（12），所述第二方形金属贴片（12）位于所述第一方形金属环（11）内且两者之间不互相接触，所述第二介质层（4）的下表面形成有第三方形金属贴片（5）；

所述半圆柱带阻阵列天线包括若干个带阻阵列单元，所述带阻阵列单元包括第三介质层（7），所述第三介质层（7）的上表面形成有第四方形金属贴片（6），所述第三介质层（7）的下侧设置有第四介质层（9），所述第三介质层（7）与第四介质层（9）之间形成有第二方形金属环（13）和第五方形金属贴片（14），所述第五方形金属贴片（14）位于所述第二方形金属环（13）内且两者之间通过方向条（15）连接到一起，所述第四介质层（9）的下表面形成有第六方形金属贴片（10）。

2.如权利要求1所述的基于低剖面频率选择表面的宽带波束扫描共形阵列天线，其特征在于：所述第一方形金属环（11）的外圈与所述第一介质层（2）的外圈相互重合，所述第一方形金属贴片（1）、第二方形金属贴片（12）以及第三方形金属贴片（5）在上下投影方向重合。

3.如权利要求1所述的基于低剖面频率选择表面的宽带波束扫描共形阵列天线，其特征在于：所述第一介质层（2）和第二介质层（4）的厚度

=2mm，相对介电常数为3.0，所述第一方形金属贴片（1）的边长为

=6mm；所述第一方形金属环（11）的边长

=10mm。

4.如权利要求1所述的基于低剖面频率选择表面的宽带波束扫描共形阵列天线，其特征在于：所述方向条（15）设置有四条，分别与第五方形金属贴片（14）的四条边以及第二方形金属环（13）内侧的四条边连接。

5.如权利要求1所述的基于低剖面频率选择表面的宽带波束扫描共形阵列天线，其特征在于：所述第二方形金属环（13）的外圈与所述第三介质层（7）的外圈相互重合，所述第四方形金属贴片（6）、第五方形金属贴片（14）以及第六方形金属贴片（10）在上下投影方向重合。

6.如权利要求1所述的基于低剖面频率选择表面的宽带波束扫描共形阵列天线，其特征在于：所述第三介质层（7）和第四介质层（9）的厚度

=2mm，相对介电常数为3.0，所述第四方形金属贴片（6）的边长为

=6mm；所述第二方形金属环（13）的边长

=10mm，所述方向条（15）的长度为

=1mm，宽度为

=1 mm。

7.如权利要求1所述的基于低剖面频率选择表面的宽带波束扫描共形阵列天线，其特征在于：所述带通阵列单元工作在频段8 GHz到12 GHz区间，透射幅度最大损耗为0.869dB。

8.如权利要求1所述的基于低剖面频率选择表面的宽带波束扫描共形阵列天线，其特征在于：所述带阻阵列单元工作在频段8 GHz到12 GHz区间，反射幅度最大损耗为1.525dB。

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