CN106340727B - 一种基于连接腔体的相控阵天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于雷达技术，无线通信技术领域，具体涉及一种基于连接腔体的相控阵天线。由基本天线单元以矩阵形式排列组成，基本天线单元包含设有长槽的金属地板；地板上方覆盖中层介质基板，其表面印刷有微带馈线；中层介质基板上方设有上层介质基板，其表面印刷有金属贴片。通过同轴接头内芯穿过设置于下层金属地板上的通孔和中层介质基板上相适应的通孔，与微带馈线相连进行馈电。金属贴片作为辐射结构，并与上层介质基板一起构成宽角阻抗匹配层，有效地保障阵列在工作带宽内同时具有大角度扫描能力。本发明具有馈电***简单，低剖面易共形，加工组装方便的特点，可用于需要宽带和大角度扫描范围的雷达和通信***。

Description

一种基于连接腔体的相控阵天线
技术领域
本发明属于雷达技术，无线通信技术领域，具体涉及一种基于连接腔体的相控阵天线，特别涉及宽带、宽角扫描，适用于微波、毫米波等雷达和通信***中。
背景技术
过去几十年里，宽带、宽角扫描相控阵天线在军事和商业领域受到广泛重视，常用于宽带雷达，卫星通信及射电天文等***。军事机载平台对多功能(监视、识别、追踪目标)***的需求也促进了宽带、宽角相控阵天线的发展。在该应用下，小空间和轻重量是天线设计的主要限制，因此在单个天线阵列口径下实现宽带、宽角扫描是非常有益的。在传统的宽带、宽角扫描相控阵天线设计方法中，首先为了避免扫描至大角度时出现栅瓣，天线单元间距必须控制在高频端的半个波长以内；其次天线阵元的尺寸也应小于高频端的半个波长，天线阵元尺寸的限制也增加了宽带设计的难度。最后，在小阵元间距(小于高频端的半个波长)的情况下，阵元间的互耦变得十分强烈，会严重影响单元自身的阻抗和辐射特性。因此即使天线阵列单元在侧射角度下获得很好的宽带阻抗匹配，阵列天线单元的有源阻抗由于互耦会随着扫描角度发生剧烈变化，导致阵元在大角度扫描情况下会严重失配。因此如何抑制阵元间互耦一直是传统相控阵天线设计过程中最大挑战。
近十多年来，国际天线领域相关学者提出了利用强耦合天线阵元来实现宽带相控阵天线的新思路。该思路的理论基础可以追溯到到Wheeler在1965年提出的连续电流面理论。在专利号US6512487的美国专利中，相邻偶极子单元的辐射臂通过交指电容结构相连，交指结构增加的容性电抗有效的抵消了地面的感性电抗加载。由于天线阵元排布紧凑且相互强烈耦合，偶极子单元上的电流分布几乎恒定不变，有效的拓展了带宽，验证了连续电流面理论。然而在实际应用中，强耦合偶极子天线阵的馈电网络需要进行精心设计，以避免馈电网络带来的交叉极化辐射。进一步，为了避免连接偶极子的馈线引起的共模谐振，通常需要180度的外部混合网络或者采用其他复杂的抑制措施。因此，强耦合偶极子阵列的馈电网络复杂笨重，增加了整个天线***的尺寸，重量和成本。另外，为了避免后向辐射，通常在距离阵面四分之一波长(高频段附近)处放置地板，再加上为扩大扫描角范围而放置在阵面上方的宽角阻抗匹配层(通常由若干层厚度，介电常数不同的介质基板构成)，大大增加了天线的剖面高度，不利于天线与平台的集成和共形。
综上所述，传统相控阵天线很难同时具有宽带、宽角扫描的能力，而利用耦合的强耦合偶极子天线阵列也存在着馈电网络设计复杂，剖面高不易集成共形的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述问题，提供了一种基于连接腔体的相控阵天线，避免复杂馈电网络设计，同时剖面低、易共形，加工组装方便，具有宽带、宽角扫描能力。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于连接腔体的相控阵天线，由基本天线单元以矩阵形式排列组成，基本天线单元从下至上依次包括下层金属地板、中层介质基板、微带馈线、上层介质基板和金属贴片。
所述下层金属地板上开有长槽106其深度为0.04～0.15λlow(λlow为低频端波长)，宽度为0.05～0.2λlow。所述长槽填充相对介电常数≥1的介质。长槽两端为开放或封闭的形式。
所述中层介质基板102覆盖在下层金属地板101上，并与其相贴合，大小相适应。其上表面印刷有微带馈线，同轴接头内芯107穿过设置于下层金属地板101上的通孔和中层介质基板102上相适应的通孔，与微带馈线105相连进行馈电，通孔不经过长槽。下层金属地板101的通孔中心与长槽106宽度方向中心相距0.05～0.2λlow。微带馈线长度为0.1～0.4λlow。中层介质基板102的介电常数、厚度及所述微带馈线的宽度根据微带传输线理论进行设计及调整。
所述上层介质基板103的相对介电常数在1～3之间，厚度小于0.1λlow，上表面设有金属贴片104。上层介质基板直接覆盖在中层介质基板上或放置在距离中层介质基板上表面低于0.1λlow的高度位置。金属贴片104以其物理中心对应设于长槽106宽度方向的正上方，长度为0.1～0.4λlow，宽度为0.01～0.04λlow，金属贴片的长边与长槽的宽边平移相交后会形成垂直的关系。组成天线阵列的基本天线单元如图2所示，包括下层金属地板101、中层介质基板102，上层介质基板103，微带馈线105，金属贴片104。每个基本天线单元上有1条微带馈线105，2～8条金属贴片104。
当天线阵列工作时，所述长槽106开口形成连续的等效磁流，根据Wheeler的连续电流面理论，有效增加天线阵列的工作带宽。微带馈线105既作为长槽106的激励结构，其自身也作为辐射结构。金属贴片104也作为辐射结构，并与上层介质基板103一起构成宽角阻抗匹配层，有效地保障阵列在工作带宽内同时具有大角度扫描能力。
进一步的，所述基于连接腔体的相控阵天线，其阵面是平面或曲面。图3给出了天线阵面是曲面的示意图，包括具有连接金属腔体的地板201、印刷微带馈线的介质基板203和印刷金属带线204的介质基板203，以便易与柱面平台共形。
进一步的，所述基于连接腔体的相控阵天线，其长槽的宽边所在截面(E面)为矩形、圆形、U型或梯形。
进一步的，所述基于连接腔体的基本天线单元的长槽106一共两条，呈垂直关系设置于下层金属地板上，且均有对应配套设置的金属贴片、微带馈线、同轴接头内芯和通孔；此时还包括设置于上层介质基板之上的第二上层介质基板，其上金属贴片和其中一个方向的长槽相配套，实现两条长槽与金属贴片、微带馈线、同轴接头内芯和通孔的对应配套，最终以实现双极化辐射。图7给出了双极化基本天线单元的示意图，包括具有长槽的下层地板701、印刷有微带馈线707和708的中层介质基板702，印刷有金属贴片706的上层介质基板703和印刷有金属贴片705的第二上层介质基板704。微波同轴接头内芯709、710穿过下层金属地板701上的开孔分别与正交放置的微带馈线707和708连接，进行馈电形成双极化。金属贴片705和706相互正交放置。第二上层介质基板704的相对介电常数在1～3之间，厚度小于0.05λlow。其余结构尺寸设计与上述单极化辐射相控阵设计类似。
本发明的有益效果是：避免了复杂的馈电网络设计，结构简单，加工组装方便，天线阵面可以是平面或者曲面，易与平台集成共形。
附图说明
图1为实施例1中所述20×2的基于连接腔体的平面相控阵天线的结构分解示意图；
图2为实施例1中所述基于连接腔体平面相控阵天线的基本天线单元示意图；
图3为基于连接腔体的柱面相控阵天线的示意图；
图4为实施例1中所述基本天线单元的有源电压驻波比的仿真结果；
图5为实施例2中所述9×9的基于连接腔体的平面相控阵天线示意图；
图6为地板上长槽横截面为梯形和U形示意图；
图7为实施例3中所述基于连接腔体的双极化平面相控阵天线的基本天线单元结构分解示意图；
图8为实施例3中所述基于连接腔体的9x 9双极化平面相控阵天线的地板示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的，技术方案和优点更加清楚，下面结合实施实施方式和附图，对本发明作进一步详细描述。
实施例1
本实施例的基于连接腔体的宽带宽角扫描相控阵天线采用20×2的平面阵列形式，如图1所示分为三层，包括具有连接金属腔体的下层地板101、印刷有微带馈线105的中层介质基板101和印刷有金属贴片104的上层介质基板103。下层金属地板101为3.5mm厚的铝板，铝板上加工有深度3mm，宽度4mm的矩形截面腔体106，腔体中不填充介质。中层介质基板102的相对介电常数2.2，厚度0.5mm，上面印刷有微带馈线105。上层介质基板103的相对介电常数2.2，厚度3mm，上面印刷有矩形贴片104。微波同轴接头内芯107穿过下层金属地板101上的开孔与微带馈线105相连进行馈电。沿H面排列单元间距为10mm，沿E面排列单元间距为14mm。本实例设计工作频段为7-12GHz，阵列高度为高频12GHz波长的0.28倍，具有低剖面的特性。
图2所示为图1中一个基本天线单元示意图。所述上层介质基板103上的印刷金属贴片104位于连接腔体106的正上方。每个基本天线单元上的印刷金属贴片104的数量为4个，尺寸为6mm×0.7mm，间距为2.5mm。
图4给出了本实施例中子阵单元在不同扫描角下有源电压驻波比随频率变化的仿真结果。从图4中可以到，在±65°扫描范围内，有源电压驻波比小于2的阻抗带宽达53％，实现相控阵天线的宽带、宽角扫描。
实施例2
具体的，将每个基本天线单元向二维方向分别延伸，即可构成图5中9×9平面阵列。其他结构同实施例1中的详细描述。
实施例3
图7为本实施例中实现双极化辐射的基本天线单元结构。如图所示分为四层，包括具有连接金属腔体的下层地板701、印刷有微带馈线707和708的中层介质基板702，印刷有金属贴片706的上层介质基板703和印刷有金属贴片705的第二上层介质基板704。微波同轴接头内芯709、710穿过下层金属地板701上的开孔分别与正交放置的微带馈线707和708连接，进行馈电形成双极化。金属贴片705和706相互正交放置。图8为利用该基本天线单元组成的9x 9平面阵列的下层地板结构示意图。如图8所示，地板上加工有横向与纵向交错的长槽。图8a所示为长槽两端为开放式的结构，图8b所示为长槽两端为封闭式的结构。

Claims (6)

1.一种基于连接腔体的相控阵天线，由基本天线单元以矩阵形式排列而成，其特征在于：
所述基本天线单元，从下至上依次包括下层金属地板、中层介质基板、微带馈线、上层介质基板和金属贴片；每个基本天线单元上有1条微带馈线，2～8条金属贴片；
所述下层金属地板上开有长槽其深度为0.04～0.15λlow，λlow为低频端波长，宽度为0.05～0.2λlow，所述长槽填充相对介电常数≥1的介质，长槽两端为开放或封闭的形式；
所述中层介质基板覆盖在下层金属地板上，并与其相贴合，大小相适应，其上表面印刷有微带馈线；同轴接头内芯穿过设置于下层金属地板上的通孔和中层介质基板上相适应的通孔，与微带馈线相连进行馈电，通孔不经过长槽；下层金属地板的通孔中心与长槽宽度方向中心相距0.05～0.2λlow，微带馈线长度为0.1～0.4λlow，中层介质基板的介电常数、厚度及微带馈线的宽度根据微带传输线理论进行设计及调整；
所述上层介质基板的相对介电常数为1～3，厚度小于0.1λlow，上表面设有金属贴片；上层介质基板直接覆盖在中层介质基板上或放置在距离中层介质基板上表面低于0.1λlow的高度位置；金属贴片以其物理中心对应设于长槽(106)宽度方向的正上方，长度为0.1～0.4λlow，宽度为0.01～0.04λlow，金属贴片的长边与长槽的宽边平移相交后会形成垂直的关系。
2.如权利要求1所述基于连接腔体的相控阵天线，其特征在于：相控阵天线的阵面是平面或曲面，以便易与目标平台共形。
3.如权利要求1所述基于连接腔体的相控阵天线，其特征在于：所述长槽的宽边所在截面即E面为矩形、圆形、U型或梯形。
4.如权利要求1所述基于连接腔体的相控阵天线，其特征在于：所述长槽一共两条，呈垂直关系设置于下层金属地板上，且均有对应配套设置的金属贴片、微带馈线、同轴接头内芯和通孔；此时还包括设置于上层介质基板之上的第二上层介质基板，其上金属贴片和其中一个方向的长槽相配套，实现两条长槽与金属贴片、微带馈线、同轴接头内芯和通孔的对应配套，最终实现双极化辐射。
5.如权利要求1所述基于连接腔体的相控阵天线，其特征在于：所述金属贴片的分布为周期分布或随机分布。
6.如权利要求1所述基于连接腔体的相控阵天线，其特征在于：在其工作时，通过所述中层介质基板微带馈线进行馈电；所述中层介质基板与下层金属地板贴合形成的连接腔体，其开口形成了连续的等效磁流，根据Wheeler的连续电流面理论，有效增加了天线阵列的工作带宽；印刷有金属贴片的上层介质基板构成宽角阻抗匹配层，有效地保障天线阵列在工作带宽内同时具有大角度扫描能力。
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