CN109103607A - 基于方向图可重构的一维宽角度扫描相控阵天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于方向图可重构的一维宽角度扫描相控阵天线,属于微波天线技术领域。本发明由多个相控阵天线单元等间距一维排布,相控阵天线单元主要由风车形辐射贴片、加载PIN二极管的圆环寄生贴片、偏置电路以及馈电部分构成。本发明通过控制偏置电路,分别使得两边的寄生贴片连通,不同的状态下产生的方向图得以相互补充,构建联合宽波束单元,同时寄生贴片拓展了天线单元的带宽。以上述联合宽波束单元为基础,构建一维宽角度扫描相控阵天线。将俯仰面扫描空间分为两个子空间,当在每个子空间内扫描时,分别只控制一侧的偏置电路,保证一侧的寄生贴片导通;有效拓展平面相控阵的扫描范围,并且保证了工作带宽和扫描过程中较高的辐射增益。

Description

基于方向图可重构的一维宽角度扫描相控阵天线
技术领域
本发明属于微波天线技术领域,具体涉及一种基于方向图可重构的一维宽角度扫描相控阵天线。
背景技术
近年来随着航空航天工业的快速发展,对于雷达***对空搜索和追踪的需求逐渐提高,这就对于前端的相控阵天线提出了更高的要求。然而通过机械转动的方式来扩展扫描区域的方式由于波束控制不够灵活,同时机械旋转增加了***的不稳定性。人们开始希望可以拓展相控阵天线自身波束扫描区域来替代传统的“相扫”+“机扫”的扫描方式,这样实现了波束的灵活控制同时保证了***较好的稳定性。但是传统的平面相控阵天线,通过相位对阵列进行控制,当波束向接近端射方向偏转时,由于互耦作用增强以及单元自身结构的影响,输入阻抗会发生较大的变化,使得阻抗匹配情况恶化,增益严重下降方向图出现盲点,因此很难在接近端射方向形成有效的扫描,导致无法完成目标的探测。随着人们研究的深入,发现阵列单元自身性能对于相控阵的工作性能起到了重要的作用。因此构建宽波束或联合宽波束单元成为展宽相控阵的扫描范围的一种有效的方式。并且传统的微带天线为了实现宽波束,导致方向性降低,使得阵列单元的增益较低,如何在保证一定增益前提下实现宽角度扫描相控阵存在诸多困难。
文献“Wide-Angle Scanning Phased Array Based on Microstrip MagneticDipole Yagi Sub-Arrays(Ya-Qing Wen,Bing-Zhong Wang,Xiao Ding and RenWang.2015 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation&USNC/URSINational Radio Science Meeting, Vancouver,2015:2493-2494.)”公开了一种基于微带结构的磁流偶极子八木天线阵列单元,该单元为宽波束单元,并以此构建了宽角度扫描相控阵天线,但是由于单元波束宽度宽,导致了天线的单元增益较低,以此单元构建的阵列,阵列的增益会受到影响,而且文献中并未给出考虑耦合条件下的实际增益情况。同时天线单元的带宽很窄,且单元与单元直接结构过于紧凑,在扫描过程中有源反射系数会出现严重的恶化。因此,对于相控阵天线而言,如何在保证一定增益的前提下实现宽角度扫描,同时在扫描过程中保证一定的工作带宽,仍然是目前亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是解决上述技术问题,提供一种基于方向图可重构的一维宽角度扫描相控阵天线。
本发明解决所述技术问题所采取的技术方案是:
一种基于方向图可重构的一维宽角度扫描相控阵天线,由N个相同结构的可重构单元等间距一维排布而成,N为大于2的正整数;每个可重构单元为180°中心旋转对称结构,包括圆环寄生辐射贴片部分、介质板、偏置电路、馈电部分和金属地;
圆环寄生辐射贴片部分包括上层风车形金属贴片1、下层风车形金属贴片2、四个四分之一圆环、四个PIN二极管;上层风车形金属贴片1和下层风车形金属贴片2分别位于介质板 3的上下表面;四个四分之一圆环分布在上层风车形金属贴片1的周围;左侧右侧四分之一圆环都包括三段***金属贴片4、5、6,每两段***金属贴片之间连接有PIN二极管;
偏置电路包括哑铃形金属贴片9、17、T形金属贴片10、16和贴片电感11、12;第一T形金属贴片10与第一段***金属贴片4连接,第一哑铃形金属贴片9和第一T形金属贴片 10之间连接有第一贴片电感11;第二T形金属贴片16与第三段***金属贴片6连接,第二 T形金属贴片16和第二哑铃形金属贴片17之间连接有第二贴片电感12;两组偏置电路分别加载于左侧和右侧四分之一圆环;
馈电部分包括呈同轴结构的金属探针13和外层金属14;下层风车形金属贴片2的中心有一过孔,金属探针13穿过过孔与上层风车形金属贴片1连接,外层金属14与下层风车形金属贴片2连接;
金属地18位于介质板3的下方且中间留有空隙。
金属地18与介质板3之间的空隙为四分之一波长。
介质板3选择介电常数为4.4,厚度为2mm的FR-4板材。
上层风车形金属贴片1通过金属探针13进行馈电,下层风车形金属贴片2与馈电的同轴外层金属14相连接。当偏置电路中金属贴片10接正极,金属贴片17接地,则加载在右侧四分之一圆环的三个金属贴片之间的PIN二极管7、8导通,此时右侧四分之一圆环金属贴片4、 5、6连接在一起,而左侧的二极管没有导通,左侧的三段金属贴片就没有通过二极管导通连接在一起。通过这种方式就构成了类似可重构八木天线的结构,左侧加载二极管未导通的四分之一圆环相当于引向器,而右侧的四分之一圆环导通相当于反射器,通过这种方式,可以实现波束由正上方的向左侧偏转。相同的方式,当导通左侧的二极管,则左侧的四分之一圆环连接在一起,而右侧的四分之一圆环没有导通,此时左侧相当于反射器,而右侧则相当于引向器,则波束会向右侧偏转。通过导通和断开二极管,可以实现方向图重构,两种不同情况下的方向图互相补充,可以构建联合宽波束单元。同时,风车形辐射贴片1,2周围的四个四分之一圆环贴片由于寄生作用,有效地拓展了天线的工作带宽。
基于上述方向图可重构单元,按照等间距排列,构成1×8的一维阵列。此时,将上半空间分成左右两个区域,在对左半空间进行扫描过程中,每个单元左侧的四分之一圆环中的二极管不导通,右侧的四分之一圆环中二极管导通,此时通过同轴馈线对每个单元中的上层风车形金属辐射贴片1进行馈电,通过改变单元之间的相位差,实现在-75°~-0°范围的波束覆盖;在对右半空间进行扫描过程中,仅需导通左侧的四分之一圆环中二极管,右侧四分之一圆环中的二极管不导通。此时通过同轴馈线对每个单元中的上层风车形金属辐射贴片1进行馈电,通过改变单元之间的相位差,实现在0°~75°范围的波束覆盖。通过这样的方式,可以实现天线阵列在整个上半空间-75°~+75°的范围内扫描。
本发明的有益效果是:
(1)本发明通过在不同的扫描区域重构天线结构,拓展了扫描范围。
(2)本发明利用风车形辐射贴片的结构,保证了单元天线在不同的重构状态相同的极化,避免了极化不一致的问题。
(3)本发明单元波束通过重构方向图的方式构建了联合宽波束单元,相比于传统的宽波束单元具有更高的增益,更有利于实际使用。
(4)本发明利用在辐射贴片周围设计圆环寄生贴片的方式,既可以实现阵列单元方向图的重构,同时有效地拓宽了阵列天线的工作带宽。
附图说明
图1为本发明所述相控阵天线的侧视图;
图2是本发明所述相控阵天线的俯视图;
图3是本发明所述阵列天线单元的侧视图;
图4是本发明所述阵列天线单元上层贴片的截面示意图;
图5是本发明所述阵列天线单元底层贴片的截面示意图;
图6是本发明所述阵列单元的S参数仿真图;
图7是本发明所述阵列单元辐射向左侧偏转状的方向图;
图8是本发明所述阵列单元辐射向右侧偏转状的方向图;
图9是本发明所述相控阵天线的辐射扫描方向图扫描示意图;
图10是本发明所述相控阵天线扫描不同角度时的有源反射系数曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
本实施例提供一种一种基于方向图可重构的一维宽角度扫描相控阵天线,其侧视图如图1所示,俯视图如图2所示,由八个相同结构的可重构单元等间距一维排布而成;每个可重构单元为180°中心旋转对称结构,其侧视图如图3所示,俯视图如图4所示,包括圆环寄生辐射贴片部分、介质板、偏置电路、馈电部分和金属地;
圆环寄生辐射贴片部分包括上层风车形金属贴片1、下层风车形金属贴片2、四个四分之一圆环、四个PIN二极管;图4给出了上层风车形金属贴片1的形状,下层风车形金属贴片 2的截面示意图如图5所示,上层风车形金属贴片1和下层风车形金属贴片2分别位于介质板3的上下表面;四个四分之一圆环分布在上层风车形金属贴片1的周围;左侧右侧四分之一圆环都包括三段***金属贴片4、5、6,每两段***金属贴片之间连接有PIN二极管;
偏置电路包括哑铃形金属贴片9、17、T形金属贴片10、16和贴片电感11、12;第一T形金属贴片10与第一段***金属贴片4连接,第一哑铃形金属贴片9和第一T形金属贴片 10之间连接有第一贴片电感11;第二T形金属贴片16与第三段***金属贴片6连接,第二 T形金属贴片16和第二哑铃形金属贴片17之间连接有第二贴片电感12;两组偏置电路分别加载于左侧和右侧四分之一圆环;加载的贴片电感11、12可以避免高频电流流入直流偏置中。
馈电部分包括呈同轴结构的金属探针13和外层金属14;下层风车形金属贴片2的中心有一过孔,金属探针13穿过过孔与上层风车形金属贴片1连接,外层金属14与下层风车形金属贴片2连接;
金属地18位于介质板3的下方且中间留有空隙。
金属地18与介质板3之间的空隙为四分之一波长,约为10mm。
介质板3选择介电常数为4.4,厚度为2mm的FR-4板材。
上层风车形金属贴片1通过金属探针13进行馈电,下层金属贴片2与馈电的同轴外层金属14相连接。从图5中可看出,馈电部分的金属探针穿过下层金属贴片2而不与其接触,激励上层风车形金属贴片1。
基于上述方向图可重构单元,按照等间距排列,构成1×8的一维阵列。此时,将上半空间分成左右中间三个区域,在对左半空间进行扫描过程中,每个单元左侧的四分之一圆环中的二极管不导通,右侧的四分之一圆环中二极管导通,此时通过同轴馈线对每个单元中的风车形金属辐射贴片1进行馈电,通过改变单元之间的相位差,实现了-75°~0°范围的波束覆盖;在对右半空间进行扫描过程中,仅需导通右侧的四分之一圆环中二极管,左侧四分之一圆环中的二极管不导通。此时通过同轴馈线对每个单元中的风车形金属辐射贴片1进行馈电,通过改变单元之间的相位差,实现波束在0°~75°范围的覆盖。通过这样的方式,可以实现天线阵列在整个上半空间-75°~+75°的范围内实现波束覆盖。
图6给出了单元结构的S参数仿真曲线,从曲线中可以看出阵列单元在整个6~7GHz的范围内都实现了较好的阻抗匹配。在兼顾辐射方向图的基础上,也可以保证在6~6.5GHz 范围内良好的工作。
图7和图8中给出了单元天线在分别控制左右两侧的偏置电路,使左右两侧的寄生贴片处于一侧导通,另一侧断开的条件下。通过仿真结果,表明较好地重构了天线的辐射方向图,方向图实现了明显的偏转,同时保证了在主辐射方向较低的交叉极化。
图9给出了由单元等间距排列后构成的一维阵列,在中心频率处,在所有单元处于一种状态下情况,通过改变单元端口相位差,波束覆盖了±75°的范围,同时在不同角度实现了较好的增益平坦度。
图10中分别给出了主波束指向在9°、36°和61°时候阵列各个单元的有源反射系数。根据仿真结果,表明阵列在工作频段内,不同扫描角度反射系数小于-6dB。保证了较好的工作带宽,避免了扫描过程中出现扫描盲点的问题
综上所述,本实施例基于不同形状贴片分别激励的不同模式,构建了联合宽波束单元,以此单元为基础,构建了一维宽角度扫描相控阵,实现了在上半空间±75°的波束覆盖,在保证一定带宽的前提下,有效的拓展了扫描范围。同时,基于可重构的方式构建联合宽波束单元相较于传统的宽波束单元,有效的提高了阵列单元的增益,同时提高了扫描过程中阵列的辐射增益。

Claims (4)

1.一种基于方向图可重构的一维宽角度扫描相控阵天线,其特征在于,由N个相同结构的可重构单元等间距一维排布而成,N为大于2的正整数;每个可重构单元为180°中心旋转对称结构,包括圆环寄生辐射贴片部分、介质板、偏置电路、馈电部分和金属地;
圆环寄生辐射贴片部分包括上层风车形金属贴片(1)、下层风车形金属贴片(2)、四个四分之一圆环、四个PIN二极管;上层风车形金属贴片(1)和下层风车形金属贴片(2)分别位于介质板(3)的上下表面;四个四分之一圆环分布在上层风车形金属贴片(1)的周围;左侧右侧四分之一圆环都包括三段***金属贴片(4、5、6),每两段***金属贴片之间连接有PIN二极管;
偏置电路包括哑铃形金属贴片(9、17)、T形金属贴片(10、16)和贴片电感(11、12);第一T形金属贴片(10)与第一段***金属贴片(4)连接,第一哑铃形金属贴片(9)和第一T形金属贴片(10)之间连接有第一贴片电感(11);第二T形金属贴片(16)与第三段***金属贴片(6)连接,第二T形金属贴片(16)和第二哑铃形金属贴片(17)之间连接有第二贴片电感(12);两组偏置电路分别加载于左侧和右侧四分之一圆环;
馈电部分包括呈同轴结构的金属探针(13)和外层金属(14);下层风车形金属贴片(2)的中心有一过孔,金属探针(13)穿过过孔与上层风车形金属贴片(1)连接,外层金属(14)与下层风车形金属贴片(2)连接;
金属地(18)位于介质板(3)的下方且中间留有空隙。
2.根据权利要求1所述的基于方向图可重构的一维宽角度扫描相控阵天线,其特征在于,N=8。
3.根据权利要求1所述的基于方向图可重构的一维宽角度扫描相控阵天线,其特征在于,金属地(18)与介质板(3)之间的空隙为四分之一波长。
4.根据权利要求1所述的基于方向图可重构的一维宽角度扫描相控阵天线,其特征在于,介质板(3)选择介电常数为4.4,厚度为2mm的FR-4板材。
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