CN105552538A - 一种二维大角度扫描平面相控阵天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种二维大角度扫描平面相控阵天线，属于天线技术领域。该相控阵天线单元包括介质基板、设于基板正面的辐射贴片及微带馈线、设于基板背面的接地板。本发明对辐射贴片进行开槽设计，不仅为馈电网络提供了放置空间，还缩小了天线尺寸；采用同轴背馈的方式，并将信号分为两路对辐射贴片进行等幅同相馈电，以此激励起天线的TM11模，使天线的辐射方向图具有宽波束的特性，从而使相控阵天线具有大角度扫描的能力；同时为了达到良好的匹配效果，在辐射贴片内部的馈电网络以渐变式微带线的形式进行设计。最后，将天线单元等间距排列成面阵结构，由于单元本身的波束覆盖角度较大，将其合理布阵之后可实现二维大角度波束扫描。

Description

一种二维大角度扫描平面相控阵天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，特别涉及一种新型基于模式理论的二维大角度扫描平面相控阵天线。
背景技术
相控阵天线是随着雷达***发展而诞生的产物。传统平面相控阵天线是通过电控制阵元相位的方法来改变方向图的波束指向，但研究表明这种传统相控阵天线其扫描范围仅仅局限在阵面法线-45°～+45°。狭小的扫描范围极大程度地极限了相控阵的应用领域和发展空间，因此具备大角度扫描能力的相控阵雷达越来越受到人们重视，成为天线领域一个重要的研究课题。
文献“毫米波方向图可重构天线及其相控阵研究”(发表期刊：2011年全国微波毫米波会议论文集；发表日期：2011年；作者：王秉中，丁霄)提出了一种可大角度扫描并且增益较高的相控阵天线，该天线单元采用缝隙耦合馈电的方式，通过改变馈电网络的结构，使得天线具有方向图可重构的特性。据此单元设计了一个1×4单元的宽角度线极化扫描直线阵列。文献只进行了一维的波束扫描，并未拓展到二维层面上，而且在工作时不仅需要调整单元间的相差，还需对每个单元进行控制，增加了天线的控制难度及制作复杂度，降低了相控阵的可靠性。
文献“BalancedantipodalVivaldiantennaforwidebandwidthphasedarrays”(发表期刊：IEEEProc-MmowAntennasPropag；发表日期：1996年4月；作者：J.D.S.Langley,P.S.Hall,P.Newham)提出了一种以维瓦尔第天线为单元的相控阵，其中维瓦尔第天线能够在一维方向上实现宽波束辐射，因此组阵后，相控阵没有在一维面上有大角度扫描的能力，未能实现二维面的大角度扫描，而且据其结果显示，相控阵天线的扫描增益平坦度衰落在5dB以上。
目前，绝大多数报道仅实现一维宽角扫描，很少有报道拓展到二维宽角扫描。因此，如何实现二维宽角扫描，且在宽角扫描过程中保持高质量扫描波束是相控阵天线研究领域中一个机遇和挑战并存的课题。
发明内容
针对现有技术和问题，本发明的目的在于提供一种能够实现二维大角度扫描平面相控阵天线。
本发明基于模式理论设计二维宽波束天线单元，根据微带天线的模式理论进行分析发现，工作在TM11模式下的微带天线具有二维宽波束覆盖的特性，当其工作时会在其各边均产生一个驻波零点，电场在方形贴片四个顶角最强，而走向贴片中心，电场逐步衰减，在方形贴片正中心处，电场为零，其辐射最大方向便会偏离边射方向。因此本发明采用以下技术方案：
一种二维宽波束天线单元，包括介质基板、设于基板正面的辐射贴片及微带馈线、设于基板背面的金属接地板，其特征在于：所述辐射贴片为正方形，其中心与基板中心重合，辐射贴片中心开有正方形凹槽；
所述微带馈线为设置于辐射贴片凹槽内的渐变式微带馈线，其中心位置为馈电点，两末端分别与凹槽的一对角相连；
所述金属接地板的尺寸和基板的尺寸相同；
所述天线单元通过同轴线馈电，同轴线内导体穿过基板与馈电点相连，外导体与接地板相连。
所述天线单元等间距排列组成阵列天线。
据理论分析，TM11模式下的辐射贴片应为方形，本发明为了简化天线结构，对贴片进行开槽设计，将贴片设计为方环结构，不仅为馈电网络提供了放置空间，还缩小了天线尺寸，利于相控阵的设计。本发明采用同轴背馈的方式进行馈电，并将信号分为两路，对辐射贴片的一对对角进行等幅同相馈电，以此激励起天线的TM11模，使天线的辐射方向图具有宽波束的特性，从而使相控阵天线具有大角度扫描的能力，同时为了达到良好的匹配效果，在辐射贴片内部的馈电网络以渐变式微带线的形式进行设计。最后，将辐射单元等间距排列成面阵结构，由于单元本身的波束覆盖角度较大，将其合理布阵之后可实现二维大角度波束扫描。采用CSTMicrowaveStudio仿真软件对阵列进行仿真实验，并对相邻单元间的距离进行了优化，最终得到了良好的扫描效果。
本发明利用高次模式工作下的微带天线作为辐射单元，通过简单的结构设计及馈电形式激励起必要的高次模，从而得到宽波束辐射效果，并将其二维组阵，实现二维大角度扫描。具体实验结果表明：相控阵的二维扫描波束主瓣最大指向均可覆盖±30°～±60°，扫描波束增益平坦度被控制在3dB以内，整个二维扫描3dB波束覆盖范围可覆盖±15°～±90°。
附图说明
图1为本发明宽波束覆盖微带天线结构图；
图2为本发明大角度扫描相控阵天线结构图；
图3为本发明宽波束覆盖微带天线的仿真回波损耗；
图4为本发明宽波束覆盖微带天线的方向图；
图5为本发明大角度扫描相控阵天线的XOZ面扫描方向图。
图6为本发明大角度扫描相控阵天线的YOZ面扫描方向图。
图中：1.辐射贴片，2.介质基板，3.金属接地板，4.同轴馈电端口，5.微带馈线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述。
该相控阵天线工作的中心频率为5.8GHz，相控阵天线单元结构如图1(a)、(b)，包括介质基板2，辐射贴片1，微带馈线5，与介质板面积相等的金属接地板3，及同轴馈电端口4。
如图1(a)所示，所述辐射贴片为中心开槽的正方形贴片，尺寸为边长wo＝17.2mm，凹槽边长ws＝5.2mm。介质基板采用介电常数为4.4，厚度为1mm的FR4材质，其边长w＝50mm，金属地板与介质板贴合，大小相同。微带馈线5为中心对称的渐变式微带馈线，设置于辐射贴片凹槽内，其中心为馈电点，连接同轴线内导体对贴片进行馈电，其具体尺寸是中心线宽0.8mm，特性阻抗50欧，最细处宽0.32mm，两端位置线宽0.27mm，特性阻抗100欧。
将单元进行合理排布之后，设计了如图2所示的4×4结构的二维大角度扫描相控阵天线，相邻单元的中心间距是25mm。
利用CSTMicrowaveStudio对该相控阵天线单元进行建模仿真，其仿真回波损耗如图3所示，图中标示出了-10dB基准线。从图中可以看出，该天线工作在5.8GHz，回波损耗为-35dB，在5.77～5.83GHz频带范围内，相控阵天线的回波损耗均小于-10dB。
图4给出了宽波束天线在XOZ面和YOZ面的辐射方向图。其辐射是一个圆环状，在XOZ和YOZ面上其3dB波束宽度均为±35°～±90°。
图5和图6分别给出了相控阵天线在XOZ面和YOZ面内的扫描方向图。表1和表2分别详细地列出了XOZ面和YOZ面扫描方向图相关数据。从表中可以看出，本发明相控阵天线在XOZ面联合3dB波束宽度范围覆盖±15°～±85°，YOZ面联合3dB波束覆盖范围覆盖±15°～±90°。
表1XOZ面辐射方向图增益性能
表2YOZ面辐射方向图增益性能

Claims (3)

1.一种二维宽波束天线单元，包括介质基板、设于基板正面的辐射贴片及微带馈线、设于基板背面的金属接地板，其特征在于：所述辐射贴片为正方形，其中心与基板中心重合，辐射贴片中心开有正方形凹槽；
所述微带馈线为设置于辐射贴片凹槽内的渐变式微带馈线，其中心位置为馈电点，两末端分别与凹槽的一对角相连；
所述天线单元通过同轴线馈电，同轴线内导体穿过基板与馈电点相连，外导体与接地板相连。
2.如权利要求1所述的一种二维宽波束天线单元，其特征在于：所述金属接地板的尺寸和基板的尺寸相同。
3.如权利要求1所述的一种二维宽波束天线单元，其特征在于：所述天线单元等间距排列组成二维宽波束阵列天线。
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