CN113839221B - 基于集总元件构成匹配网络的紧耦合相控阵天线 - Google Patents

基于集总元件构成匹配网络的紧耦合相控阵天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于集总元件构成匹配网络的紧耦合相控阵天线，包括天线阵元和反射板，天线阵元中包括辐射贴片第一耦合片、第二耦合片、介质基板和设置在辐射贴片下方的匹配网络。匹配网络为沿Z轴一维排布的七个介质板单元，以及附着在介质板单元表面的二十个电容和电感焊接组成的一个整体。紧耦合相控阵天线由沿Z轴负方向依次排列，沿X,Y轴数量分别为M×N个的天线阵元和反射板组成，M和N均为大于等于1的正整数。本发明解决了现有技术天线阵列剖面较高和馈电结构过于复杂，导致安装过程中容易产生误差的问题，使得本发明具有剖面极低应用范围广的优点，并提高了天线阵列可靠性。

Description

基于集总元件构成匹配网络的紧耦合相控阵天线
技术领域
本发明属于通信技术领域，更进一步涉及电磁场与微波技术领域中的基于集总馈电网络的紧耦合相控阵列天线。本发明可用于微波波段，在满足天线要求的工作频段和低剖面的情况下，实现空间探测和信息对抗所需的扫描角度和副瓣电平，适用于多种飞行器载体平台的空间探测和信息对抗应用。
背景技术
紧耦合相控阵列天线主要与雷达在多目标，多功能情况下完成许多新任务密切相关，并对多目标进行高分辨率一维成像、二维成像的能力，且其截面小，剖面低，RCS小等优势可以共形于战斗机、弹道导弹等飞行器上，而不会对飞行器的气动性能产生恶劣影响，由此紧耦合相控阵列天线常用于飞行器上。然而，紧耦合阵列辐射部分为相互耦合排列的单元，常采用短偶极子形式，并通过不平衡到平衡的转换器进行馈电。所以阵列在进行相位扫描时，平衡转换器会引入馈电的相位差，这会造成阵列的驻波特性恶化，导致相扫阻抗带宽将会下降。在实际应用的时候往往占用飞行器很大的空间，从而在目标分辨、目标分类和识别、目标属性判别等方面带来一些不利因素。
东南大学在其申请的专利文献“一种天线阵元及超宽带紧耦合天线阵”(申请号：202110040077.1，申请公布号：CN112886227A)中提出了一种天线阵元及超宽带紧耦合天线阵。该天线阵元包括辐射单元、馈电单元以及反射地板，还包括一电感性加载结构。这种电感性加载结构设置在所述辐射单元与反射地板之间，产生以抵消反射地板产生的短路效应的等效电感。该紧耦合天线通过电感性加载结构在不引入损耗基础上使得阻抗带宽翻倍，且具有较高的辐射效率，阻抗带宽超过10个倍频程，有源驻波比达到3.5，辐射效率大于90％，在保证较高辐射频率的同时超过现阶段绝大多数天线阵列的相对带宽。但是，该天线仍然存在的不足之处是，该阵列的天线微带巴伦设计较复杂，增加天线组装的难度。
中国电子科技集团公司第五十四研究所在其申请的专利文献“一种低剖面宽带宽角紧耦合天线单元及阵列”(申请号：202010520723.X，申请公布号：CN111525255A)中提出了一种工作在C频段的低剖面宽带宽角紧耦合天线单元及阵列。其中天线单元由宽角匹配层、耦合层、天线层、以及馈电层组成。该天线单元采用了多层印制板工艺进行加工，这有助于增加天线阵列可靠性，也有助于后期的组装。但是，该天线仍然存在的不足之处是，该天线阵列剖面较高、占用飞行器载体内部的过多空间。
刘腾元等人在其发表的论文“一种低剖面紧耦合超宽带天线设计”(太赫兹科学与电子信息学报，19，No.2，2021)中提出了一种新型紧耦合阵列天线。该天线采用蝶形偶极子，通过偶极子末端相互交叠产生耦合电容达到宽带阻抗匹配的目的，并在接地板与阵列之间加载单层阻性频率选择表面用来进一步拓展带宽。但是，该天线仍然存在的不足之处是，该天线阵列与导体接地板之间加载阻性频率选择表面增加阻抗匹配带宽，这会导致天线在扫描过程中，阵列副瓣与后瓣较大，辐射性能差。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提出一种基于集总元件构成匹配网络的紧耦合相控阵天线，旨在解决满足天线在低频工作情况下阵列剖面过高，天线在扫描过程中副瓣后瓣太高影响辐射性能，以及馈电网络结构复杂不利于设计安装的问题。
实现本发明目的的具体思路是：本发明采用集总电容电感组成的匹配网络，在低频窄带情形下，集总元件的电尺寸很小可以视作短线，采用集总电容电感组成的馈电网络就可以解决天线在低频工作情况下阵列剖面过高的问题。本发明利用多节集总元件级联组成匹配网络，通过多节集总元件级联，该匹配网络的总反射系数能近似成下降的平滑函数，这样就能不断减缓阻抗失配造成的能量反射，从而解决扫描过程中天线副瓣过高影响天线性能的问题。本发明采用的匹配网络中，使用了成一维排布的七个介质板单元以及附着在介质板单元表面的电容和电感焊接成一个整体，组装时只需要整体嵌入辐射贴片和介质基板的正中心的钻孔中，从而解决现有技术的馈电结构过于复杂不利于安装的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下。
本发明包括天线阵元和反射板，所述天线阵元中包括辐射贴片、第一耦合片、第二耦合片、介质基板和设置在辐射贴片下方的匹配网络。所述介质基板的上表面附着有领结形状的辐射贴片，所述第一耦合片和第二耦合片为分别附着在介质基板两侧边的矩形。所述匹配网络为沿Z轴一维排布的七个介质板单元以及附着在介质板单元表面的二十个电容和电感焊接组成的一个整体后嵌入在辐射贴片和介质基板的正中心的钻孔中。紧耦合相控阵天线由沿Z轴负方向依次排列，沿X,Y轴数量分别由M,N个的天线阵元和反射板组成，M和N均为大于等于1的正整数。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
第一，本发明在辐射贴片的下方设置了匹配网络，该匹配网络为沿Z轴一维排布的七个介质板单元以及附着在介质板单元表面的二十个电容和电感焊接组成的一个整体，该电容电感构成的匹配网络可充分应用在低频情形下且电容电感构成的匹配网络体积小，克服了现有技术天线阵列剖面较高的问题，使得本发明具有剖面极低应用范围广的优点。
第二，本发明采用的匹配网络为介质板单元以及集总器件焊接成的一个整体，安装时只需要整体嵌入辐射贴片和介质基板的正中心的钻孔中，减小了安装误差，克服了现有技术的馈电结构过于复杂导致安装过程中容易产生误差的问题，使得本发明提高了天线阵列可靠性。
附图说明
图1是本发明中天线阵列的结构示意图；
图2是本发明中天线阵元的结构示意图；
图3是本发明中匹配网络的结构示意图；
图4是本发明中天线阵元的仿真图；
图5是本发明实施例12×1天线阵列的仿真图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。
参照图1，对本发明的天线阵列结构作进一步详细的说明。
本发明天线阵列中包括天线阵元1和反射板2。紧耦合相控阵天线沿Z轴负方向依次排列，沿X,Y轴数量分别由M,N个的天线阵元和反射板2组成，M和N均为大于等于1的正整数。反射板2放置在阵元下方四分之一中心频率波长处。
本发明的实施例中M＝12，N＝12。
参照图2，对本发明中的天线阵元结构组成作进一步详细的说明。
所述天线阵元1中包括辐射贴片3、第一耦合片4、第二耦合片5、介质基板6和设置在辐射贴片3下方的匹配网络7。所述领结形状的深灰色辐射贴片3印刷在浅灰色矩形介质基板6的上表面；所述深灰色矩形第一耦合片4和深灰色矩形第二耦合片5通过焊接技术分别附着在浅灰色矩形介质基板6两侧。所述匹配网络7(如图2中灰色长方体所示)嵌入辐射贴片3与介质基板6的正中心钻孔中，位于介质基板6下方。利用第一耦合片4和第二耦合片5来提供容性耦合，在不增加平面尺寸情况下极大增加相邻振子间容性耦合电容器的正对面积，从而极大增加容性耦合来抵消低频段时剖面极低电尺寸带来的较强的背板电感效应，使得可以改善由于低剖面带来的低频驻波恶劣的情况，最终在极低剖面情况下实现宽带的指标要求。
参照图3，对本发明中的匹配网络7结构作进一步详细的说明。
所述匹配网络7为沿Z轴一维排布的七个介质板单元，以及附着在介质板单元表面的二十个电容和电感焊接组成的一个整体后嵌入在辐射贴片3和介质基板6的正中心的钻孔中。由于本发明的紧耦合阵列是低频宽带，带内输入阻抗随频率波动，即负载随频率变化且是低频，所以本发明设计了一个以集总电容、集总电感为组成元件的匹配网络来满足低频工作特性，并以该匹配网络作为单元级联多阶集总元件的馈线来满足宽带的工作特性。
所述匹配网络7(如图2中灰色长方体所示)中有沿Z轴一维排列的七个介质板单元：第一浅灰色透明长方体介质板单元71、第二浅灰色透明长方体介质板单元72、第三浅灰色透明长方体介质板单元73、第四浅灰色透明长方体介质板单元74、第五浅灰色透明长方体介质板单元75、第六浅灰色透明长方体介质板单元76和第七浅灰色透明长方体介质板单元77。所述匹配网络7中在X轴负方向的侧表面上附着有矩形金属贴片78。第一介质板单元71在X轴正方向的侧表面沿Z轴负方向依次附着有深灰色透明矩形电感贴片711和深灰色透明矩形电容贴片712，下表面附着有深灰色透明矩形电容贴片713。第二介质板单元72在X轴正方向的侧表面沿Z轴负方向依次附着有深灰色透明矩形电感贴片721和深灰色透明矩形电容贴片722，下表面附着有深灰色透明矩形电容贴片723。第三介质板单元73在X轴正方向的侧表面沿Z轴负方向依次附着有深灰色透明矩形电感贴片731和深灰色透明矩形电容贴片732，下表面附着有深灰色透明矩形电容贴片733。第四介质板单元74在X轴正方向的侧表面沿Z轴负方向依次附着有深灰色透明矩形电感贴片741和深灰色透明矩形电容贴片742，下表面附着有深灰色透明矩形电容贴片743。第五介质板单元75在X轴正方向的侧表面沿Z轴负方向依次附着有深灰色透明矩形电感贴片751和深灰色透明矩形电容贴片752，下表面附着有深灰色透明矩形电容贴片753。第六介质板单元76在X轴正方向的侧表面沿Z轴负方向依次附着有深灰色透明矩形电感贴片761和深灰色透明矩形电容贴片762，下表面附着有深灰色透明矩形电容贴片763。第七介质板单元77在X轴正方向的侧表面沿Z轴负方向依次附着有深灰色透明矩形电感贴片771和深灰色透明矩形电容贴片772，下表面连接深灰色透明矩形馈电端口773。
以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明。
1、仿真条件和内容：
利用商业仿真软件HFSS_2020R1对本发明建模仿真,得到本发明中天线阵元的直射和扫描45度的有源驻波比仿真图分别如图4(a)、图4(b)所示。利用商业仿真软件HFSS_2020R1对本发明建模仿真，得到本发明实施例12×1天线阵列的直射和扫描45度的增益仿真图分别如图5(a)、图5(b)所示。利用商业仿真软件HFSS_2020R1对本发明建模仿真，得到本发明实施例12×1天线阵列在200MHz、300MHz、400MHz时的相扫方向图分别如图5(c)、图5(d)和图5(e)所示。
图4中的横坐标为频率，单位为MHz，纵坐标为有源驻波比，单位为1。
图5(a)和图5(b)中的横坐标为频率，单位为MHz，纵坐标为增益值，单位为dB。图5(c)、图5(d)和图5(e)中的横坐标为θ角度值，单位为deg，纵坐标为增益值，单位为dB。
2、仿真结果分析：
图4(a)是本发明中天线阵元直射时的有源驻波比仿真图，黑色实线是天线阵元直射时的有源驻波比随频率变化的曲线图，黑色虚线是有源驻波比为3.5的水平参考线。由图4(a)中黑色虚线可以看出在频率81.03MHz到419.85MHz之间有源驻波比小于3.5，满足在工作频段100MHz到400MHz之间有源驻波比小于3.5的要求。
图4(b)是本发明中天线阵列扫描45度时的有源驻波比仿真图，黑色实线是天线阵元直射时的有源驻波比随频率变化的曲线图，黑色虚线是有源驻波比为3.5的水平参考线。由图4(b)中黑色虚线可以看出在频率82.04MHz到419.53MHz之间有源驻波比小于3.5，满足在工作频段100MHz到400MHz之间有源驻波比小于3.5的要求。
图5(a)和图5(b)分别是本发明实施例12×1天线阵列直射和扫描45度时的增益仿真图，黑色实线是实施例12×1天线阵列的增益随频率变化曲线图。由图5(a)和图5(b)可见天线阵列在各个频点上的增益也能满足实验要求。
图5(c)中的黑色实线是本发明实施例12×1天线阵列直射时的增益方向图曲线，黑色虚线是扫描43°方向上的增益方向图曲线，黑色点划线是扫描-43°方向上的增益方向图曲线。图5(d)、图5(e)中的黑色实线是本发明实施例12×1天线阵列直射时的增益方向图曲线，黑色虚线是扫描45°方向上的增益方向图曲线，黑色点划线是扫描-45°方向上的增益方向图曲线。由图5(c)、图5(d)和图5(e)可见，在200MHz、300MHz、400MHz时天线阵列最大波束指向性能满足扫描45度方位角的要求，天线方向图主瓣增益满足高于15dB的要求。
以上仿真结果说明，与现有技术相比，本发明天线在低频工作下天线剖面低，在扫描过程中副瓣和后瓣较低，辐射性能整体较好，且馈电网络简单，易于组装。

Claims (5)

1.一种基于集总元件构成匹配网络的紧耦合相控阵天线，包括天线阵元(1)和反射板(2)；其特征在于，所述天线阵元(1)中包括辐射贴片(3)、第一耦合片(4)、第二耦合片(5)、介质基板(6)和设置在辐射贴片(3)下方的匹配网络(7)；所述介质基板(6)的上表面附着有领结形状的辐射贴片(3)，所述第一耦合片(4)和第二耦合片(5)为分别附着在介质基板(6)两侧边的矩形；所述匹配网络(7)为沿Z轴一维排布的七个介质板单元以及附着在介质板单元表面的电容和电感共二十个焊接组成的一个整体后，嵌入在辐射贴片(3)和介质基板(6)的正中心的钻孔中；第一介质板单元(71)在X轴正方向的侧表面沿Z轴负方向依次附着有电感(711)和电容(712)，下表面附着有电容(713)；第二介质板单元(72)在X轴正方向的侧表面沿Z轴负方向依次附着有电感(721)和电容(722)，下表面附着有电容(723)；第三介质板单元(73)在X轴正方向的侧表面沿Z轴负方向依次附着有电感(731)和电容(732)，下表面附着有电容(733)；第四介质板单元(74)在X轴正方向的侧表面沿Z轴负方向依次附着有电感(741)和电容(742)，下表面附着有电容(743)；第五介质板单元(75)在X轴正方向的侧表面沿Z轴负方向依次附着有电感(751)和电容(752)，下表面附着有电容(753)；第六介质板单元(76)在X轴正方向的侧表面沿Z轴负方向依次附着有电感(761)和电容(762)，下表面附着有电容(763)；第七介质板单元(77)在X轴正方向的侧表面沿Z轴负方向依次附着有电感(771)和电容(772)，下表面连接馈电端口(773)；紧耦合相控阵天线由沿X,Y轴数量分别为M,N个的天线阵元和反射板(2)组成，M和N均为大于等于1的正整数，其中反射板位于天线阵元的下方。
2.根据权利要求1所述的基于集总元件构成匹配网络的紧耦合相控阵天线，其特征在于，所述辐射贴片(3)的臂长取值在[0.4λH,0.6λH]范围内根据天线阵列口径的增益确定,λH为天线阵列工作最高频点的波长。
3.根据权利要求2所述的基于集总元件构成匹配网络的紧耦合相控阵天线，其特征在于，所述第一耦合片(4)和第二耦合片(5)耦合片长取值相同，其值在[0.01λL,0.05λL]范围内根据工作频率确定，λL为天线阵列工作最低频点的波长。
4.根据权利要求3所述的基于集总元件构成匹配网络的紧耦合相控阵天线，其特征在于，所述介质基板(6)相对介电常数取值为4.4；所述介质基板(6)高度取值在[0.1mm,1.5mm]范围内根据阻抗匹配确定；所述介质基板(6)边长取值在[0.5λH,0.6λH]范围内根据E面阵元间距要求确定；介质基板(6)距离反射板(2)高度取值为0.05λL。
5.根据权利要求1所述的基于集总元件构成匹配网络的紧耦合相控阵天线，其特征在于，所述匹配网络(7)中有沿Z轴一维排列的七个介质板单元：第一介质板单元(71)、第二介质板单元(72)、第三介质板单元(73)、第四介质板单元(74)、第五介质板单元(75)、第六介质板单元(76)和第七介质板单元(77)；所述匹配网络(7)中在X轴负方向的侧表面上附着有金属贴片(78)。
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