CN105356054A - 一种宽角度波束扫描的超材料相控阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种宽角度扫描的超材料相控阵天线。该相控阵天线为平面结构，由若干天线单元周期排布而成。一种典型的相控阵天线单元由金属波导、加载介质和馈电端口组成。相控阵天线阵面上方覆盖有超材料，起到宽角度波束扫描范围内阻抗匹配的作用。本发明涉及的相控阵天线可以在宽角度范围内实现电磁信号的发送和接收，提高天线的辐射效率，改善辐射波的交叉极化特性或圆极化轴比特性。

Description

一种宽角度波束扫描的超材料相控阵天线

技术领域

本发明涉及的相控阵天线可以在波束大角度扫描过程中实现良好的有源阻抗匹配，从而提高天线***的辐射效率，改善天线的辐射方向图。该超材料相控阵天线支持线极化电磁场或圆极化电磁场，辐射场的交叉极化特性或圆极化轴比特性良好。本发明适用于雷达探测和移动卫星通信等技术领域。

背景技术

相控阵天线剖面低，易于与载体共形，可以快速准确地控制辐射波束的指向，已经广泛应用于雷达探测领域，同时在移动通信领域具有巨大的应用前景。

为了实现宽角扫描功能，必须严格控制天线单元的间距，避免大角度扫描时出现栅瓣；必须使用宽波束的天线单元形式；需要调节天线单元的互耦特性，避免出现扫描盲点。

目前工程应用的宽角度波束扫描的相控阵天线主要以下几种：

(1)微带天线。这种天线单元使用印制板工艺制作而成，剖面低，方便与载体共形；但这类天线单元波束宽度窄，波束扫描范围受限。

(2)螺旋天线。这种天线形式天然支持圆极化，辐射波束在法线方向轴比特性极佳，但是宽波束轴比特性差，不适合宽角度圆极化波束扫描。并且这种天线形式无法发送或接收线极化信号。

(3)波导口天线。在金属波导中使用介质加载技术，可以缩小布阵周期，保证波束大角度扫描时仍无栅瓣出现。将波导口内部加载的介质向外延伸一段长度，能够改善天线的阻抗匹配特性。但是这种天线形式容易出现扫描盲点。

发明内容

本发明提出一种宽角扫描的超材料相控阵天线。在天线阵面正上方覆盖有超材料，可以改善天线的宽角阻抗匹配特性。超材料覆层由大量周期性排布的金属贴片组成，支持双线极化波和双圆极化波，能够改善天线辐射的交叉极化特性或圆极化轴比特性。

为实现上述技术指标，采用的技术方案为：

一种宽角扫描的超材料相控阵天线1为平面结构，由若干天线单元周期排布而成。每个相控阵天线单元均包括金属波导4和填充在金属波导内的加载介质5，金属波导4的下端口为馈电口6，金属波导4的上端口为辐射口，其特征在于：在每个相控阵天线单元的辐射口的上方架设有超材料覆层2。

其中，所述的超材料覆层2由射频板7和多个亚波长金属贴片8组成，亚波长金属贴片8印刷在射频板7的上表面。

其中，相控阵天线单元的布阵周期是亚波长金属贴片布阵周期的整数倍。

其中，超材料覆层与辐射口之间的间隙为0.02～0.2工作波长。

其中，在超材料覆层与辐射口之间还设置有支撑材料层3，超材料覆层的下表面贴合支撑材料层3的上表面，支撑材料层3的下表面贴合辐射口面。

其中，所述的支撑材料层3的介电常数范围为1～1.1，损耗正切小于0.01。

其中，加载介质5上表面与辐射口面相齐平。

本发明相比于背景技术，技术优点为：

(1)超材料覆层2可以抑制表面波模式，有效减小天线单元之间的互耦。相比介质段延伸匹配法，本发明可在整个无栅瓣扫描区域实现更优异的阻抗匹配，回波损耗更低，天线辐射效率更高。

(2)超材料覆层2上印刷的金属贴片对称性高，支持双线极化或双圆极化电磁信号。

(2)超材料覆层2采用印制板工艺制作而成，工艺成熟稳定，加工精度高，结构简单，便于安装固定。

(3)加载介质5的切面与金属波导4口面平齐，便于加工制作。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是相控阵天线单元的结构示意图。

图3是超材料覆层的结构示意图。

具体实施方式

下面，结合图1至图3对本发明作进一步说明。

一种宽角扫描的超材料相控阵天线，包括多个相控阵天线单元，相控阵天线单元布阵形式灵活，既可采用方形布阵，也可采用三角形布阵。每个相控阵天线单元均包括金属波导4和填充在金属波导内的加载介质5，金属波导4的下端口为馈电口6，金属波导4的上端口为辐射口，在每个相控阵天线单元的辐射口的上方架设有超材料覆层2。所述的超材料覆层2由射频板7和多个亚波长金属贴片8组成，亚波长金属贴片8印刷在射频板7的上表面。相控阵天线单元的布阵周期是亚波长金属贴片布阵周期的整数倍。加载介质5可选用聚四氟乙烯注塑而成，介质上表面与辐射口面相齐平。

作为一个实施例，超材料覆层与辐射口之间空气，两者之间的间隙为0.02～0.2工作波长。

作为另一个实施例，在超材料覆层与辐射口之间还设置有支撑材料层3，超材料覆层的下表面贴合支撑材料层3的上表面，支撑材料层3的下表面贴合辐射口面。所述的支撑材料层3的介电常数范围为1至1.1，损耗正切小于0.01。

超材料覆层的设计流程如下：

(1)使用等效介质理论和电磁计算方法设计得到实现宽角阻抗匹配所需要的材料参数。

(2)使用横向周期排布的亚微长金属贴片获得所需要的结构参数。

(3)通过调节金属贴片的外形尺寸，改变等效的超材料厚度，可以使电磁信号在各个方位面，不同俯仰角度下都具有良好的透波效率。

该超材料相控阵天线的简要工作原理如下：

该天线可用于接收天线或发射天线。以发射天线为例，其电磁信号的传送过程为：射频信号经过馈电口6进行金属波导内部形成电磁场信号。电磁场信号到达辐射口面处，经过超材料覆层2有效辐射到自由空间中。通过改变相邻单元之间的相位差，可以精确控制辐射波束的指向。

其中超材料覆层2的作用原理为：该覆层等效于一种各向异性介质，它可以抑制表面波模式的出现，从而实现宽角范围内的阻抗匹配。同时，超材料覆层由弱谐振的金属贴片结构组成，在宽频带范围内的热损耗低，对信号***的信噪比影响小。

Claims (7)

1.一种宽角扫描的超材料相控阵天线，包括多个相控阵天线单元，每个相控阵天线单元均包括金属波导(4)和填充在金属波导内的加载介质(5)，金属波导(4)的下端口为馈电口，金属波导(4)的上端口为辐射口，其特征在于：在每个相控阵天线单元的辐射口的上方架设有超材料覆层(2)。

2.根据权利要求1所述的一种宽角扫描的超材料相控阵天线，其特征在于：所述的超材料覆层(2)由射频板(7)和多个亚波长金属贴片(8)组成，亚波长金属贴片(8)印刷在射频板(7)的上表面。

3.根据权利要求2所述的一种宽角扫描的超材料相控阵天线，其特征在于：相控阵天线单元的布阵周期是亚波长金属贴片布阵周期的整数倍。

4.根据权利要求1所述的一种宽角扫描的超材料相控阵天线，其特征在于：超材料覆层与辐射口之间的间隙为0.02～0.2工作波长。

5.根据权利要求1所述的一种宽角扫描的超材料相控阵天线，其特征在于：在超材料覆层与辐射口之间还设置有支撑材料层(3)，超材料覆层的下表面贴合支撑材料层(3)的上表面，支撑材料层(3)的下表面贴合辐射口面。

6.根据权利要求5所述的一种宽角扫描的超材料相控阵天线，其特征在于：所述的支撑材料层(3)的介电常数范围为1～1.1，损耗正切小于0.01。

7.根据权利要求1所述的一种宽角扫描的超材料相控阵天线，其特征在于：加载介质(5)上表面与辐射口面相齐平。