CN111755825B - 一种基于堆叠贴片式匹配层的宽带宽角扫描相控阵天线 - Google Patents

一种基于堆叠贴片式匹配层的宽带宽角扫描相控阵天线 Download PDF

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Abstract

该发明公开了一种基于堆叠贴片式匹配层的宽带宽角扫描相控阵天线，属于雷达技术，无线通信技术领域。本发明天线基于堆叠贴片式匹配层的宽带、宽角扫描相控阵天线；该天线包括从下至上依次堆叠的：金属地板、第一介质板、第二介质板、第一泡沫层、第三介质板、第四介质板、第二泡沫层、第五介质板；本发明有益效果是：能使E、H面同时在较宽的频带内扫描至大角度，并且避免了竖直结构的馈电巴伦，整体呈平面结构，加工组装方便，可靠性较高。

Description

一种基于堆叠贴片式匹配层的宽带宽角扫描相控阵天线
技术领域
本发明属于雷达技术，无线通信技术领域，具体涉及一种基于堆叠贴片式匹配层的线极化相控阵天线，特别涉及相控阵的宽带、宽角扫描，适用于微波、毫米波等雷达和通信***中。
背景技术
相控阵天线由阵列天线发展而来，它可以通过控制阵列中每个单元的馈电相位来改变天线的波束指向，有扫描速度快、波束赋形快和响应快等优点。从二十世纪中期开始，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，常用于雷达、通信、制导和电子对抗等领域。
近十多年来，针对传统贴片天线带宽较窄的问题，国际天线领域相关学者提出了利用天线单元之间的耦合来拓展天线带宽的新思路。该思路的理论基础可以追溯到Wheeler在1965年提出的连续电流片理论，在早期的实验中，使用一种末端呈交指状的电偶极子，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。由于所有单元之间紧密连接且具有较强的耦合效应，偶极子单元上的电流几乎恒定不变，有效的扩展了天线的带宽。另外紧耦合天线为了获得较宽的带宽，一般需要设计特定的巴伦结构为天线馈电，可巴伦结构会增加天线的剖面和加工复杂程度，这些是紧耦合天线的设计难点。
在各种扩展天线扫描角的方式中，Magill和Wheeler从理论上提出了一种在阵列前面放置一块或者数块介质薄板的方法，介质薄板在此位置上参考阵列的反射最接近纯电纳，该匹配方法可以在阵列扫描时消除一些电纳的变化以减小总的阻抗变化，这种方法在近年来得到了广泛的应用。目前，宽带、宽角扫描相控阵主要是基于以上两种技术，但由于薄介质板对于电纳的改善程度有限，并且在E面与H面扫描时自由空间的阻抗变化趋势不同，所以天线的E/H面同时扫描到大角度面临很大困难。
在文献“Wideband Planar Array With Integrated Feed and MatchingNetwork for Wide-Angle Scanning”中，使用了紧耦合的思路设计了一种电偶极子，并在天线上方覆盖了一层介质匹配层，整体结构可以使天线工作在X频段，并且E面和H面分别扫描到70°与60°，但无法在两个角度同时实现80°以上的扫描性能。综上所述，以薄介质板做匹配层的相控阵天线很难在保证一定带宽的前提下，同时在E面与H面扫描到特别大的角度。本发明正是针对这些关键问题而提出。
发明内容
本发明的目的在于：结合实际的应用场景，设计一种天线剖面较低，具有较宽的阻抗带宽，E面和H面均有大角度扫描能力，天线整体呈平面结构并且不需要复杂巴伦馈电结构的相控阵天线。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于堆叠贴片式匹配层的宽带宽角扫描相控阵天线，该相控阵天线由阵列排布的天线单元组成；所述天线单元为矩形的多层结构，包括从下至上依次堆叠的：金属地板、第一介质板、第二介质板、第一泡沫层、第三介质板、第四介质板、第二泡沫层、第五介质板；所述第二介质板下表面的两侧各设置有一块耦合贴片，耦合贴片的末端与第二介质板边缘齐平，头端进行切角处理，第二介质板上表面设置有两块一字形排开的领结贴片，两块领结贴片之间形成耦合连接；两块领结贴片与两块耦合贴片一一对应，相对应的领结贴片与耦合贴片之间形成耦合连接；两块领结贴片相邻的端部进行切角处理，耦合贴片中进行切角处理后头端的宽度与领结贴片未进行切角处理的宽度相等；所述各耦合贴片对应在第一介质板上设置一个金属化通孔，用于连接耦合贴片和金属地板；在两块领结贴片之间的耦合位置处的其中一个领结贴片上设置金属化通孔，用于连接对应的领结贴片和金属地板，另一个领结贴片对应位置设置馈电轴心，该馈电轴心穿过第二介质板、第一介质板后连接同轴头，该同轴头一部分位于金属地板内,另一部分凸出于金属地板，同轴头与金属地板保持电隔离；
所述第三介质板的下表面、第四介质板的上表面和下表面、第五介质板的上表面和下表面都设置有周期排布的矩形贴片，矩形贴片的位置为耦合贴片的金属化通孔对应的正上方，矩形贴片大小、贴片的间距完全相同；
相控阵天线中所有天线单元共用金属地板、第一介质板、第二介质板、第一泡沫层、第三介质板、第四介质板、第二泡沫层、第五介质板；相邻的天线单元的耦合贴片为一个整体，且共用同一金属化通孔。
进一步的，每个耦合贴片的金属化通孔对应的正上方均设置有一个矩形贴片；相控阵天线中对相邻四个矩形贴片的中心位置进行矩形开槽，该开槽不与耦合贴片、领结贴片、金属化通孔接触，且依次穿过第五介质板、第二泡沫块、第四介质板、第三介质板、第一泡沫块、第二介质板、第一介质板到金属地板止。
一种基于堆叠贴片式匹配层的宽带宽角扫描相控阵天线，该相控阵天线由阵列排布的天线单元组成；所述天线单元为矩形的多层结构，包括从下至上依次堆叠的：金属地板、第一介质板、第二介质板、第一泡沫层、第三介质板、第四介质板、第二泡沫层、第五介质板；所述第二介质板下表面的角落处设置有一块八边形耦合贴片，该角落标记为角一，角一的对角标记为角二；所述八边形耦合贴片其中的四条边与第二介质板的四边平行，分别对八边形耦合贴片中的这四条边进行编号为：边一、边二、边三、边四，其中边一和边二相比边三和边四更加靠近第二介质板中构成角一的两条边；第二介质板上表面设置有领结贴片，领结贴片包括头部和尾部，领结贴片的头部进行切角处理，领结贴片未切角处理的宽度与八边形耦合贴片的边长相等；所述第二介质基板上表面设置的领结贴片包括：两片完整的领结贴片、两片领结贴片头部、两片领结贴片尾部；其中两片领结贴片尾部的一端与各自对应的八边形耦合贴片的边一或边二耦合连接，另一端各自与第二介质板中构成角一的两条边齐平；两片完整的领结贴片的尾部与各自对应的八边形耦合贴片中的边三或边四耦合连接；两片领结贴片头部切角端与各自对应的两片完整的领结贴片的头部耦合连接，两片领结贴片头部未切角端各自对应与第二介质板中构成角二的两条边齐平；
所述八边形耦合贴片的中心对应的第一介质板上设置一个金属化通孔，该金属化通孔一端与八边形耦合贴片齐平但不接触，另一端连接金属地板；两片完整的领结贴片各设置有两个连接金属地板的金属化通孔，其中一个金属化通孔位于完整的领结贴片的头部，另一个位于完整的领结贴片的头部与尾部交界处；两片领结贴片头部各设置有一个金属化通孔，该金属化通孔穿过第二介质板、第一介质板后连接同轴头，该同轴头一部分位于金属地板内,另一部分凸出于金属地板，同轴头与金属地板保持电隔离；
所述第三介质板的下表面、第四介质板的上表面和下表面、第五介质板的上表面和下表面都设置有周期排布的矩形贴片，矩形贴片的位置为八边形耦合贴片对应的正上方，矩形贴片大小、贴片的间距完全相同；
相控阵天线中所有天线单元共用金属地板、第一介质板、第二介质板、第一泡沫层、第三介质板、第四介质板、第二泡沫层、第五介质板；相邻天线单元中，一个天线单元的领结贴片尾部与另一个天线单元的领结贴片头部构成完整的领结贴片。
进一步的，每个八边形耦合贴片正上方均对应设置有一个矩形贴片；相控阵天线中对相邻四个矩形贴片的中心位置进行打孔处理，该孔不与领结贴片、八边形耦合贴片、金属通孔接触，且依次穿过第五介质板、第二泡沫块、第四介质板、第三介质板、第一泡沫块、第二介质板、第一介质板到金属地板止。
本发明所述基于堆叠贴片式匹配层的宽带、宽角扫描相控阵天线的有益效果是：能使E、H面同时在较宽的频带内扫描至大角度，并且避免了竖直结构的馈电巴伦，整体呈平面结构，加工组装方便，可靠性较高。
附图说明
图1为本发明所述14×12的基于堆叠贴片式匹配层的宽带宽角扫描相控阵的结构示意图；
图2为本发明所述的基于堆叠贴片式匹配层的宽带宽角扫描相控阵天线单元实施例1的结构示意图；
图3为本发明所述的基于堆叠贴片式匹配层的宽带宽角扫描相控阵天线实施例1的不包含匹配层时的天线单元结构示意图；
图4为本发明所述的基于堆叠贴片式匹配层的宽带宽角扫描相控阵天线实施例2的不包含匹配层时的双极化天线单元结构示意图；
图5为本发明所述的基于堆叠贴片式匹配层的宽带宽角扫描相控阵天线匹配层的俯视图；
图6为本发明实施案例天线单元的E面有源电压驻波比的仿真结果；
图7为本发明实施案例天线单元的H面有源电压驻波比的仿真结果；
图8为本发明实施例2天线单元的E面有源电压驻波比的仿真结果；
图9为本发明实施例2天线单元的H面有源电压驻波比的仿真结果。
图中，101.第五介质板，102.第二泡沫块，103.第四介质板，104.第三介质板，105.第一泡沫块，106.第二介质板，107.第一介质板，108.金属地板，109.同轴头，110.金属化通孔，111.金属化通孔，112.领结贴片，113.耦合贴片。
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，下面结合附图，对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施实例。
实施例1
本实施例的基于堆叠贴片式匹配层的宽带、宽角扫描相控阵天线采用14×12的平面阵列形式，如图1所示包括最下层的金属接地板108，上表面无图案，下表面保留金属的介质板107，上表面印刷有领结贴片112，下表面印刷有耦合贴片113的介质板106，介质板103和介质板101的上下表面与介质板104的下表面印有5层等大小，等数量，等间距金属矩形贴片，每个天线单元中一层有9个贴片，泡沫块102与泡沫块105用于支撑。图2为所示图1的基本天线单元示意图。最下行金属地板108厚为3mm，介质板106、107介电常数均为2.2，厚度分别为0.25mm，3.5mm，介质板101、103、104厚度均为1mm，介电常数均为2.2，泡沫层102与105的厚度分别为4mm和2mm。介质板106、107及印刷于其上的金属结构紧贴组成印有天线阵元结构的多层板，介质板103、104及印刷于其上的金属结构紧贴组成匹配层一，介质板101及印刷于其表面的金属结构即为匹配层二，匹配层一和二均挖了倒圆角形状的矩形通孔以降低匹配层的介电常数，在竖直方向观察所挖的通孔与矩形贴片的相对位置相同。同轴接头109的内芯穿过金属地板108，介质板107、106，并与介质板106上表面贴片112相连达到给天线馈电的功能。
如图1所示，14个天线单元沿E面排列，单元间距为11.4mm，12个单元沿着H面排列，单元间距为11.4mm。
图6和图7分别是本发明中相控阵天线单元E面和H面扫描不同角度时的有源驻波系数随频率变化的仿真结果。从图6可以看出天线在8GHz到12GHz之间E面0°到85°的扫描范围内有源驻波系数都小于3；从图7可以看出天线在8GHz到12GHz之间H面0°到80°的扫描范围内有源驻波系数都小于2.3。
实施例2
本实施例天线单元如图4所示，尺寸为14×14个单元天线，金属地板108厚为3mm，第一到第五介质板的介电常数均为2.2，第一介质板的厚度为3.5mm，第二介质板的厚度为0.25mm，第三到第五介质板的厚度为1mm，第一泡沫块和第二泡沫块的厚度分别为2mm和4mm，完整的领结贴片的长度为5.5mm、宽度为1.3mm；八边形耦合贴片为正八边形耦合贴片，其边长分别为1.9mm与1.3mm；所有金属通孔的直径为0.6mm，相控阵天线中对相邻四个矩形贴片的中心位置进行打孔处理，该孔的直径为5mm。
图8和图9分别是本发明中实施例2双极化相控阵天线单元E面和H面扫描不同角度时的有源驻波系数随频率变化的仿真结果。从图8可以看出天线在8GHz到12GHz之间E面0°到85°的扫描范围内有源驻波系数都小于3.1；从图9可以看出天线在8GHz到12GHz之间H面0°到80°的扫描范围内有源驻波系数都小于3.3。

Claims (2)

1.一种基于堆叠贴片式匹配层的宽带宽角扫描相控阵天线，该相控阵天线由阵列排布的天线单元组成；所述天线单元为矩形的多层结构，包括从下至上依次堆叠的：金属地板、第一介质板、第二介质板、第一泡沫层、第三介质板、第四介质板、第二泡沫层、第五介质板；所述第二介质板下表面的角落处设置有一块八边形耦合贴片，该角落标记为角一，角一的对角标记为角二；所述八边形耦合贴片其中的四条边与第二介质板的四边平行，分别对八边形耦合贴片中的这四条边进行编号为：边一、边二、边三、边四，其中边一和边二相比边三和边四更加靠近第二介质板中构成角一的两条边；第二介质板上表面设置有领结贴片，领结贴片包括头部和尾部，领结贴片的头部进行切角处理，领结贴片未切角处理的宽度与八边形耦合贴片的边长相等；所述第二介质基板上表面设置的领结贴片包括：两片完整的领结贴片、两片领结贴片头部、两片领结贴片尾部；其中两片领结贴片尾部的一端与各自对应的八边形耦合贴片的边一或边二耦合连接，另一端各自与第二介质板中构成角一的两条边齐平；两片完整的领结贴片的尾部与各自对应的八边形耦合贴片中的边三或边四耦合连接；两片领结贴片头部切角端与各自对应的两片完整的领结贴片的头部耦合连接，两片领结贴片头部未切角端各自对应与第二介质板中构成角二的两条边齐平；
所述八边形耦合贴片的中心对应的第一介质板上设置一个金属化通孔，该金属化通孔一端与八边形耦合贴片齐平但不接触，另一端连接金属地板；两片完整的领结贴片各设置有两个连接金属地板的金属化通孔，其中一个金属化通孔位于完整的领结贴片的头部，另一个位于完整的领结贴片的头部与尾部交界处；两片领结贴片头部各设置有一个金属化通孔，该金属化通孔穿过第二介质板、第一介质板后连接同轴头，该同轴头一部分位于金属地板内,另一部分凸出于金属地板，同轴头与金属地板保持电隔离；
所述第三介质板的下表面、第四介质板的上表面和下表面、第五介质板的上表面和下表面都设置有周期排布的矩形贴片，矩形贴片的位置为八边形耦合贴片对应的正上方，矩形贴片大小、贴片的间距完全相同；
相控阵天线中所有天线单元共用金属地板、第一介质板、第二介质板、第一泡沫层、第三介质板、第四介质板、第二泡沫层、第五介质板；相邻天线单元中，一个天线单元的领结贴片尾部与另一个天线单元的领结贴片头部构成完整的领结贴片。
2.如权利要求1所述的一种基于堆叠贴片式匹配层的宽带宽角扫描相控阵天线，其特征在于，每个八边形耦合贴片正上方均对应设置有一个矩形贴片；相控阵天线中对相邻四个矩形贴片的中心位置进行打孔处理，该孔不与领结贴片、八边形耦合贴片、金属通孔接触，且依次穿过第五介质板、第二泡沫块、第四介质板、第三介质板、第一泡沫块、第二介质板、第一介质板到金属地板止。
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