CN115632229A - 一种具有宽带宽角特性的阵列天线辐射器改进结构 - Google Patents

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CN115632229A CN202211282150.7A CN202211282150A CN115632229A CN 115632229 A CN115632229 A CN 115632229A CN 202211282150 A CN202211282150 A CN 202211282150A CN 115632229 A CN115632229 A CN 115632229A
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陈英杰
贾胜利
苏培
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Abstract

本发明提供了一种具有宽带宽角特性的阵列天线辐射器改进结构，包括金属地板、馈电层介质基板、耦合缝隙层介质基板、第一辐射层介质基板、第二辐射层介质基板、保护层介质基板。通过在辐射层介质基板之上增加经改进的辐射贴片，引入新的谐振频点，解决现有技术中微带相控阵天线的扫描盲点效应影响天线工作频带和扫描角域的技术问题。

Description

一种具有宽带宽角特性的阵列天线辐射器改进结构
技术领域
本发明涉及新型相控阵雷达天线技术领域，具体涉及一种具有宽带宽角特性的阵列天线辐射器改进结构。
背景技术
航空航天技术的快速发展，对现代机载雷达相控阵天线性能的要求也日益增加。不论是雷达还是电子对抗***，都期望相控阵天线能够节约空间平台的占用资源、减轻自身重量，为其他电子设备以及武器装备的空间和重量提供更大的冗余；同时也期望能够为提高自身的作战能力，在较大的空域范围内发现目标，为搜索、探测、识别、捕获以及跟踪提供快速准确的信息。因此，对相控阵天线的小型化、轻量化、宽带宽角扫描等性能提出更高的要求。
传统的有源相控阵辐射单元多采用Vivaldi等端射天线形式，这种类型的天线能够获得较宽的工作带宽和较大的波束扫描角，但是存在如下问题：
(1)大体积、大重量制约了天线在机载平台上的大面积应用；
(2)高剖面的特性使得其结构强度随着天线高度的升高而减弱；
(3)天线的安装结构复杂，装配工作量较大。
微带天线具备剖面低、体积小、重量轻、易与载体表面共形、易与有源器件集成等诸多优点，成为新型相控阵雷达天线的重要研究形式。然而，一方面，与雷达天线中常用的vivaldi天线相比，微带天线的带宽和扫描角度都较窄。另一方面，由于天线单元间互耦的存在，当阵列扫描至空间某一角度上时会出现尖而深的凹点，此时阵列的反射系数很大，致使能量被全反射并出现扫描盲点，天线将不能辐射或接收能量。微带天线在开放式的微带基板上易激励起表面波的传播，导致微带阵列的单元之间产生比传统有源相控阵辐射单元间更加复杂和强烈的互耦效应，导致阵列阻抗失配、辐射方向图失真等性能恶化。大角度扫描时，这种互耦效应更加强烈，使扫描盲点现象更加严重。盲点效应是影响微带相控阵天线宽带宽角扫描性能的严重问题之一。由于它出现在栅瓣之前，有的甚至出现在离侧射方向不远的角度上，这样势必会大大缩小微带相控阵天线的扫描区域，导致整个阵列的扫描性能下降，使得微带天线在保证宽带工作的同时，难以实现宽角度扫描。
扫描盲点是制约微带相控阵天线实现宽带宽角扫描的重要因素之一，因此，克服微带天线在宽带和宽角扫描性能方面的局限成为亟待解决的关键问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种具有宽带宽角特性的阵列天线辐射器改进结构，解决现有技术中微带相控阵天线的扫描盲点效应影响天线工作频带和扫描角域的技术问题。
本说明书实施例提供以下技术方案：一种具有宽带宽角特性的阵列天线辐射器改进结构，其特征在于，所述改进结构各部件紧密压实连接，所述改进结构包括：金属地板，金属地板内部嵌有同轴连接器；馈电层介质基板，馈电层介质基板位于金属地板上层；耦合缝隙层介质基板，耦合缝隙层介质基板位于馈电层介质基板上层；第一辐射层介质基板，第一辐射层介质基板位于耦合缝隙层介质基板上层，辐射层介质基板的上表面具有第一辐射贴片，第一辐射贴片由矩形贴片和金属枝节构成，所述金属枝节位于所述矩形贴片的侧边预设位置；第二辐射层介质基板，第二辐射层介质基板位于第一辐射层介质基板上层，第二辐射层介质基板的上表面具有第二辐射贴片，第二辐射贴片由内部矩形贴片和外部L形贴片组成，所述外部L形贴片围绕所述内部矩形贴片的四个顶角设置，所述内部矩形贴片和所述外部L形贴片之间具有一定缝隙；保护层介质基板，保护层介质基板位于第二辐射层介质基板上层。
进一步的，第一辐射贴片和第二辐射贴片构成该微带天线结构的宽角匹配结构。
进一步的，耦合缝隙层介质基板之上设置有开槽地板层。
优选的，开槽地板层所开槽为工型槽。
进一步的，馈电层介质基板的上表面固定有带状馈电线，带状馈电线与同轴连接器的内导体馈电连接。
优选的，带状馈电线采用宽度渐变外形。
进一步的，介质基板和介质基板内部具有金属隔离电壁，金属隔离电壁贯穿介质基板和介质基板，连接金属地板和开槽地板层。
优选的，金属隔离电壁围绕开槽地板层内的工型槽和带状馈电线设置，呈“凸”字形。
与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：本发明提供了一种具有宽带宽角特性的阵列天线辐射器改进结构，包括金属地板、馈电层介质基板、耦合缝隙层介质基板、第一辐射层介质基板、第二辐射层介质基板、保护层介质基板。通过增加辐射贴片，引入新的谐振频点，能有效调节带宽和扫描角度，从而在微带天线结构下实现良好的宽带宽角扫描性能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例的一种具有宽带宽角特性的阵列天线辐射器改进结构结构示意图；
图2是本发明实施例的一种具有宽带宽角特性的阵列天线辐射器改进结构结构侧视图；
图3是本发明实施例的辐射层结构示意图；
图4是本发明实施例的辐射贴片结构示意图；
图5是本发明实施例的一种具有宽带宽角特性的阵列天线辐射器改进结构的有源驻波曲线图；
图6是本发明实施例的辐射结构仅为两矩形贴片的微带天线的有源驻波曲线图。
图中附图标记：1、金属地板；2、馈电层介质基板；3、耦合缝隙层介质基板；4、第一辐射层介质基板；5、第二辐射层介质基板；6、保护层介质基板；7、第二辐射贴片；8、第一辐射贴片；9、开槽地板层；10、带状馈电线；11、金属隔离电壁；12、同轴连接器。
具体实施方式
下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供了一种具有宽带宽角特性的阵列天线辐射器改进结构，其特征在于，所述改进结构各部件紧密压实连接，所述改进结构包括：金属地板1，金属地板1内部嵌有同轴连接器12；馈电层介质基板2，馈电层介质基板2位于金属地板1上层；耦合缝隙层介质基板3，耦合缝隙层介质基板3位于馈电层介质基板2上层；第一辐射层介质基板4，第一辐射层介质基板4位于耦合缝隙层介质基板3上层，辐射层介质基板的上表面具有第一辐射贴片8，第一辐射贴片8由矩形贴片和金属枝节构成，所述金属枝节位于所述矩形贴片的侧边预设位置；第二辐射层介质基板5，第二辐射层介质基板5位于第一辐射层介质基板4上层，第二辐射层介质基板5的上表面具有第二辐射贴片7，第二辐射贴片7由内部矩形贴片和外部L形贴片组成，所述外部L形贴片围绕所述内部矩形贴片的四个顶角设置，所述内部矩形贴片和所述外部L形贴片之间具有一定缝隙；保护层介质基板6，保护层介质基板6位于第二辐射层介质基板5上层。
进一步的，第二辐射贴片7和第一辐射贴片8构成该微带天线结构的宽角匹配结构。
具体而言，第二辐射贴片7位于辐射层介质基板5上表面的预设位置，由内部矩形贴片和外部围绕在矩形贴片四个顶角的L形贴片组成。所述辐射贴片7能够引入新的谐振频点，能有效调节带宽和扫描角度。第一辐射贴片8位于辐射层介质基板4下表面的预设位置，由矩形贴片和尾部的金属枝节组成，其中尾部金属枝节对提升带宽和阻抗匹配有显著作用。第二辐射贴片7和第一辐射贴片8构成该微带天线结构的宽角匹配结构。
进一步的，耦合缝隙层介质基板3之上设置有开槽地板层9。
进一步的，馈电层介质基板2的上表面固定有带状馈电线10，带状馈电线10与同轴连接器12的内导体馈电连接。
进一步的，介质基板2和介质基板3内部具有金属隔离电壁11，金属隔离电壁11贯穿介质基板2和介质基板3，连接金属地板1和开槽地板层9。
优选的，金属隔离电壁11围绕开槽地板层9内的工型槽和带状馈电线10设置，呈“凸”字形。金属隔离电壁11贯穿介质基板2和介质基板3，连接金属地板1和开槽地板层9。金属隔离电壁11能够将能量束缚在金属腔中，减少能量泄露，提高单元间隔离度。
优选的，开槽地板层9所开槽为工型槽。
优选的，带状馈电线10采用宽度渐变外形，实现馈电和辐射部分的良好匹配。
实施例一
一种具有宽带宽角特性的阵列天线辐射器改进结构如图1所示，所述改进结构包括：金属地板1、馈电层介质基板2、耦合缝隙层介质基板3、辐射层介质基板4、辐射层介质基板5、保护层介质基板6、辐射贴片7、辐射贴片8、开槽地板层9、带状馈电线10、金属隔离电壁11、馈电同轴12。
其中，厚度为h1＝3mm的金属地板1位于厚度为h2＝0.508mm的馈电层介质基板2的下表面，耦合缝隙层介质基板3位于馈电层介质基板2的上表面，其厚度为h3＝0.127mm，厚度为h4＝1.397mm的辐射层介质基板4位于耦合缝隙层介质基板3的上表面，辐射层介质基板5位于辐射层介质基板4的上表面，保护层介质基板6位于辐射层介质基板5的上表面，用于保护金属贴片7和辐射贴片8，防止其被外部环境侵蚀破坏。所述辐射层介质基板5的厚度为h5＝1.146mm，所述保护层介质基板6的厚度为h6＝0.4mm。
辐射贴片7位于介质基板5的上表面，由内部矩形贴片和外部围绕在矩形贴片四个顶角的L形贴片组成，所述围绕在矩形贴片四个顶角的L形贴片长度为w1＝3.35mm，宽度为w3＝0.2mm，L形贴片间距离为w4＝0.7mm，所述内部矩形贴片的边长为w2＝6.6mm。辐射贴片8位于介质基板4的上表面，由长方形贴片和尾部金属枝节构成，所述长方形贴片的宽为w5＝6mm，长为w6＝6mm，所述尾部金属枝节的尺寸为w7＝1mm，w8＝1mm，如图4所示。
耦合缝隙槽位于开槽地板层9上，通过带状馈电线10为耦合槽馈电，进而激励上述辐射贴片7和辐射贴片8。所述带状馈电线10采用渐变形状，避免了由于结构突变导致阻抗不匹配的情况出现。金属隔离电壁11位于馈电层介质基板2和耦合缝隙层介质基板3中，将天线单元的同轴和耦合缝隙围住，构成类同轴结构使得同轴和带状线的垂直过渡实现良好匹配，以一圈金属壁的形式实现，连接金属地板1和开槽地板层9。
图1所示的具有宽带宽角特性的阵列天线辐射器改进结构的有源驻波如图5所示。该微带天线单元去除辐射贴片7中的四个L形贴片、辐射贴片8中的金属枝节后组成的相控阵天线的驻波如图6所示。可以看出，带有宽带宽角扫描匹配结构的天线可以在40％的工作频带内实现E面(电场面)的±60°扫描并且H面(磁场面)的±45°扫描；没有宽带宽角扫描匹配结构的天线在11.5GHz处驻波恶化，无法满足8GHz-12GHz的工作频带。由此可见，本发明所提出的一种具有宽带宽角特性的阵列天线辐射器改进结构能够在8-12GHz的款频段内实现良好的宽角扫描性能，且具有简单可实现性强的特点，对于宽带宽角微带相控阵天线的应用研究具有重要意义。
综上所述，本申请实施例中所提供的一种具有宽带宽角特性的阵列天线辐射器改进结构，与现有技术相比所能够实现的技术效果至少包括：
1.本发明有效地扩展了微带天线的带宽，将扫描盲点移出工作带宽，使微带相控阵天线在40％工作带宽的基础上，扫描角域得到显著提升，E面(电场面)扫描角可达到±60°，H面(磁场面)扫描角达到±45°，同时保留了微带天线剖面低、体积小、重量轻、易与载体表面共形、易与有源器件集成等优点。
2.本发明所采用的结构，设计及加工难度系数低，易于实现，具有较强的工程实践意义。
3.本发明可用于实现微带天线宽带宽角扫描，可用于各种舰载、机载、路基平台上的各种雷达和电子战、通信设备上。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种具有宽带宽角特性的阵列天线辐射器改进结构，其特征在于，所述改进结构各部件紧密压实连接，所述改进结构包括：
金属地板(1)，金属地板(1)内部嵌有同轴连接器(12)；
馈电层介质基板(2)，馈电层介质基板(2)位于金属地板(1)上层；
耦合缝隙层介质基板(3)，耦合缝隙层介质基板(3)位于馈电层介质基板(2)上层；
第一辐射层介质基板(4)，第一辐射层介质基板(4)位于耦合缝隙层介质基板(3)上层，辐射层介质基板的上表面具有第一辐射贴片(8)，第一辐射贴片(8)由矩形贴片和金属枝节构成，所述金属枝节位于所述矩形贴片的侧边预设位置；
第二辐射层介质基板(5)，第二辐射层介质基板(5)位于第一辐射层介质基板(4)上层，第二辐射层介质基板(5)的上表面具有第二辐射贴片(7)，第二辐射贴片(7)由内部矩形贴片和外部L形贴片组成，所述外部L形贴片围绕所述内部矩形贴片的四个顶角设置，所述内部矩形贴片和所述外部L形贴片之间具有一定缝隙；
保护层介质基板(6)，保护层介质基板(6)位于第二辐射层介质基板(5)上层。
2.根据权利要求1所述的一种具有宽带宽角特性的阵列天线辐射器改进结构，其特征在于，第二辐射贴片(7)和第一辐射贴片(8)构成该微带天线结构的宽角匹配结构。
3.根据权利要求1所述的一种具有宽带宽角特性的阵列天线辐射器改进结构，其特征在于，耦合缝隙层介质基板(3)之上设置有开槽地板层(9)。
4.根据权利要求1所述的一种具有宽带宽角特性的阵列天线辐射器改进结构，其特征在于，开槽地板层(9)所开槽为工型槽。
5.根据权利要求1所述的一种具有宽带宽角特性的阵列天线辐射器改进结构，其特征在于，馈电层介质基板(2)的上表面固定有带状馈电线(10)，带状馈电线(10)与同轴连接器(12)的内导体馈电连接。
6.根据权利要求5所述的一种具有宽带宽角特性的阵列天线辐射器改进结构，其特征在于，带状馈电线(10)采用宽度渐变外形。
7.根据权利要求1所述的一种具有宽带宽角特性的阵列天线辐射器改进结构，其特征在于，介质基板(2)和介质基板(3)内部具有金属隔离电壁(11)，金属隔离电壁(11)贯穿介质基板(2)和介质基板(3)，连接金属地板(1)和开槽地板层(9)。
8.根据权利要求7所述的一种具有宽带宽角特性的阵列天线辐射器改进结构，其特征在于，金属隔离电壁(11)围绕开槽地板层(9)内的工型槽和带状馈电线(10)设置，呈“凸”字形。
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