CN109216936B - 一种基于三角栅格排布的宽带宽角扫描相控阵天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于三角栅格排布的宽带宽角扫描相控阵天线，属于无线通信技术、雷达技术等领域。本发明天线采用强耦合偶极子天线单元，具备宽带宽的特性；采取平行双线和短路枝节作为馈电巴伦，引入隔离金属壁，优化天线驻波；通过无源寄生贴片层和超材料宽角匹配层提高阵列的宽角、宽带扫描特性；采取三角栅格排布增大阵元间距，减少阵元数量，从而减小成本；天线层不同介质基板之间采取层压结构贴在一起，易于加工，且偶极子单元与第一金属地板间填充介质，大大降低了剖面。

Description

一种基于三角栅格排布的宽带宽角扫描相控阵天线
技术领域
本发明属于无线通信技术、雷达技术等领域，具体涉及一种具有宽角、宽带扫描特性的相控阵天线单元，通过三角栅格排布，具有阵元间距大、数量少的优点，适用于低成本雷达和通信***。
背景技术
在雷达和通信***中，相控阵天线由于其高增益、快速波束扫描、高精度和易于波束合成等优点，得到了广泛应用。在相控阵天线的研发中，宽角、宽带扫描是两个重要的课题。通常，阵列波束扫描范围需要达到±60°，从而使三组阵列波束扫描范围能够覆盖全空域。然而，阵列单元的有源驻波，由于相互之间耦合的存在，在不同扫描角下不同；当处于特定频点特定扫描角时，表面波、共模谐振等问题会导致驻波恶化，产生扫描盲点，尤其是在大扫描角下。在专利一种用于宽角扫描相控阵的双圆极化宽带天线辐射单元(CN201010129681)中提出了一种用于宽角扫描的天线单元，然而，该专利中涉及到的天线带宽并不是特别宽(25％左右)，且并未给出扫描状态下的驻波。强耦合的偶极子阵列通常具有超宽带特性，如论文“Superstrate-Enhanced Ultrawideband Tightly CoupledArray With Resistive FSS”中，达到了21个倍频程，然而该文章中的天线并未涉及扫描特性。
相控阵天线另一个重要的课题是成本问题。大型阵列中，每个阵元均需要移相器、收发组件、低噪放等控制部件，阵列成本昂贵。增大阵元间距，减少单元数量，可以大幅度降低成本，但在大角度扫描下会出现栅瓣，牺牲了扫描范围，通常用于有限视角扫描。在文章“Atriangular arrangement of planar-array elements that reduces the numberneeded”中，提出了一种基于三角栅格排布的相控阵天线，该类阵元排布结构在相同的辐射口径面积下相对于矩形栅格的阵列可以减少13.4％的单元数目，且不出现栅瓣，节省了大量成本。然而，该文章止步于理论研究，并未给出具体的单元模型，也未涉及到实际应用中的带宽问题。
发明内容
本发明在背景技术的基础上，提出了一种基于三角栅格排布的强耦合偶极子阵列，采用强耦合偶极子单元在大带宽范围内实现了宽角扫描，扫描到任意角度驻波均比较低，同时采用三角栅格排布，单元间距大，成本也大幅度降低。
本发明具体的技术方案如下：
一种基于三角栅格排布的强耦合偶极子阵列，包括从上至下依次设置的超材料宽角匹配层、无源寄生贴片层、以及天线层。
所述天线层包括从上至下层叠设置的第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板、以及第四介质基板。所述第一介质基板上表面设置有偶极子单元；所述第二介质基板与第三介质基板之间设置有第一金属地板，第二介质基板内还设置有一隔离金属壁，其俯视位置在相邻两个偶极子单元臂的正中央；所述第三介质基板与第四介质基板之间设置有非对称带状线馈电结构内芯；所述第四介质基板下表面设置有第二金属地板；所述偶极子单元两条臂下表面分别连接有第一、第二探针，两探针为平行双线结构，第二探针一侧还设置有第三探针作为短路枝节，用于平衡电流；其中第一、第三探针穿过第一、第二介质基板连通第一金属地板，第二探针穿过第一、第二、第三介质基板与非对称带状线馈电结构内芯一端连通，所述第二探针与第一金属地板之间还设置有隔离槽，避免平行双线直接短接。
进一步地，所述天线层采取非对称带状线馈电结构，即非对称带状线馈电结构内芯距离第一、第二金属地板距离不一致；第三层介质基板厚度远小于第四层介质基板，是为了减小第二金属地板对非对称带状线馈电结构内芯的影响，让能量尽可能通过第三介质基板耦合到天线上。
进一步地，所述超材料宽角匹配层包括1～10层介质板，每层介质板上表面设置有周期排布的金属贴片；所述金属贴片为矩形、圆形、环形或三角形，以实现需要的带宽和扫描角。
进一步地，所述无源寄生贴片层的介质板下表面设置有周期排布的八角环形金属贴片，用于宽角匹配。
进一步地，阵列中H面相邻两列单元第一、第二介质层设置有周期性排布的方形槽，降低等效介电常数，从而增大带宽、改善驻波。
进一步地，所述阵列单元在E面直线排布，在H面交错排布形成三角栅格排布。
进一步地，所述超材料宽角匹配层、寄生贴片层、天线层之间采取尼龙柱或泡沫支撑。
本发明天线采用强耦合偶极子天线单元，具备宽带宽的特性；采取平行双线和短路枝节作为馈电巴伦，引入隔离金属壁，优化天线驻波；通过无源寄生贴片层和超材料宽角匹配层提高阵列的宽角、宽带扫描特性；采取三角栅格排布增大阵元间距，减少阵元数量，从而减小成本；超材料宽角匹配层、寄生贴片层、天线层之间采取尼龙柱或泡沫支撑；天线层不同介质基板之间采取层压结构贴在一起，易于加工，且偶极子单元与第一金属地板间填充介质，大大降低了剖面。
附图说明
图1为天线单元3D视图，其中图1(a)为两层超材料宽角匹配层和一层无源贴片层，图1(b)为天线层。
图2为天线单元侧视图。
图3为天线层不同截面俯视图。其中(a)～(e)依次为第一层介质基板上表面、第一层与第二层介质基板夹层、第二层与第三层介质基板夹层、第三层与第四层介质基板夹层、第四层介质基板下表面。
图4为天线阵的排布俯视图，只显示了天线层第一、第二介质基板的透视结构，框选出的区域为图1～3中给出的周期性单元结构。
图5为天线的有源驻波，其中图5(a)、(b)分别为E面和H面扫描到不同角度的结果。
具体实施方式
实施例1
本实施例的天线工作在7-13GHz，其单元结构3D视图、侧视图、俯视图分别见图1～3，阵元大小为16mm×13mm，约为0.69λh×0.56λh(λh为13GHz的波长)。
天线从上到下依次为两层超材料宽角匹配层10、20，一层无缘寄生贴片层30，见图1(a)，天线层为介质层压结构，包括40～70层，见图1(b)，各层的垂直分布见图2。
天线层第一～第四介质基板40～70厚度依次为0.127mm、2.973mm、0.254mm、1.624mm，相对介电常数均为2.94。
偶极子单元41印制在第一介质基板40上表面，见图3(a)；第一金属地板61在第二介质基板50与第三介质基板60之间，见图3(c)；隔离金属壁51贯穿第二介质基板50，见图2，位于两个相邻单元两个偶极子臂正中央；图3(c)～(e)中第一金属地板61、非对称带状线馈电结构内芯62、第二金属地板71共同构成非对称带状线馈电结构；第一探针81连接一侧偶极子臂与第一金属地板61，第二探针82连接另一侧偶极子臂与非对称带状线馈电结构内芯62的一端，在第二探针82旁边第三探针83连接该侧偶极子臂与第一金属地板61，三根探针半径不同，共同构成平衡馈电巴伦；根据图3可看出，第一探针81、第三探针83贯穿第一、第二介质基板40、50，第二探针82贯穿第一、第二、第三介质基板40～60，为避免第二探针82与地面短接，在第一金属地板61中，设置了圆形隔离槽。
实施例中超材料宽角匹配层采用周期性排布的矩形贴片11、21，印制在介质基板10、20上表面，10、20的介电常数为3.55，厚度为0.127mm；无源寄生贴片层采用周期性排布的八角环形贴片31，印制在介质基板30下表面，介质基板30的介电常数为2.2，厚度为0.254mm；10～30间距不同，见图2，距离偶极子表面距离依次为8.4mm、4.1mm、2.8mm。
阵列布阵见图4，阵列采取三角栅格排布，H面相邻两列阵元交错排布，且两列之间介质基板40、50中挖了周期性的方形槽，降低了等效介电常数，增大带宽。
本实施例单元在E面和H面扫描的有源驻波仿真结果分别如图5(a)、(b)。E面扫描的上限工作频率主要取决于大角度(60°)的驻波，扫描到60°时有源VSWR<2.5的带宽为7～11.7GHz；H面扫描时，扫描盲点首先出现在45°，其有源VSWR<2.5的带宽为7～11.4GHz。因此，阵列在±60°内扫描的工作带宽为7～11.4GHz，在该频段内不会出现栅瓣。

Claims (5)

1.一种基于三角栅格排布的宽带宽角扫描相控阵天线，包括从上至下依次设置的超材料宽角匹配层、无源寄生贴片层、以及天线层；
所述天线层包括从上至下层叠设置的第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板、以及第四介质基板；
所述第一介质基板上表面设置有偶极子单元；所述第二介质基板与第三介质基板之间设置有第一金属地板，第二介质基板内还设置有一隔离金属壁，其俯视位置在相邻两个偶极子单元臂的正中央；所述第三介质基板与第四介质基板之间设置有非对称带状线馈电结构内芯；所述第四介质基板下表面设置有第二金属地板；所述偶极子单元两条臂下表面分别连接有第一、第二探针，两探针为平行双线结构，第二探针另一侧还设置有第三探针作为短路枝节；其中第一、第三探针穿过第一、第二介质基板连通第一金属地板，第二探针穿过第一、第二、第三介质基板与非对称带状线馈电结构内芯一端连通，所述第二探针与第一金属地板之间还设置有隔离槽；三根探针半径不同，共同构成平衡馈电巴伦；
所述相控阵天线的阵列单元在E面直线排布，在H面交错排布形成三角栅格排布；H面相邻两列单元第一、第二介质基板设置有周期性排布的方形槽。
2.如权利要求1所述的一种基于三角栅格排布的宽带宽角扫描相控阵天线，其特征在于：所述天线层采取非对称带状线馈电结构，即非对称带状线馈电结构内芯距离第一、第二金属地板距离不一致，第三层介质基板厚度小于第四层介质基板。
3.如权利要求1所述的一种基于三角栅格排布的宽带宽角扫描相控阵天线，其特征在于：所述超材料宽角匹配层包括1～10层介质板，每层介质板上表面设置有周期排布的金属贴片；所述金属贴片为矩形、或圆形、或环形、或三角形。
4.如权利要求1所述的一种基于三角栅格排布的宽带宽角扫描相控阵天线，其特征在于：所述无源寄生贴片层的介质板下表面设置有周期排布的八角环形金属贴片。
5.如权利要求1所述的一种基于三角栅格排布的宽带宽角扫描相控阵天线，其特征在于：所述超材料宽角匹配层、寄生贴片层、天线层之间采取尼龙柱或泡沫支撑。
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