CN116565557A - 一种宽角扫描超宽带双极化相控阵天线 - Google Patents
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Abstract
一种宽角扫描超宽带双极化相控阵天线，包括辐射单元层、设于辐射单元层上方的宽角匹配层、平衡馈电结构以及金属接地板，辐射单元层包括水平介质基板、呈矩形栅格周期排布在水平介质基板一表面的偶极子单元和周期排布在水平介质基板另一表面的加强耦合贴片，任一偶极子单元包括间隔的两个辐射臂且其中一个辐射臂上设有过孔，平衡馈电结构包括平行接地双线、馈线、开路枝节且与偶极子单元一一对应，平行接地双线的两条平行接地线一端连接金属接地板，另一端分别连接偶极子单元的不同辐射臂，馈线一端连接同轴线，另一端穿过过孔延伸至与开路枝节连接，开路枝节同时位于偶极子单元的两个辐射臂上方，采用平衡馈电结构，自由度更高，频带更宽。
Description
技术领域
本发明涉及相控阵天线技术领域，具体涉及一种宽角扫描超宽带双极化相控阵天线。
背景技术
随着现代电子科学技术的发展，人们对电子器件的集成度要求日益提高。现如今为应对日趋复杂的现代战争环境，多功能作战平台已然成为了发展的重要趋势。以海军为例，其未来的战舰上将是集通信、雷达、电子战、定位***等多个子***于一体的综合作战载体。不同功能的射频***所处的工作的频段也不尽相同，例如C波段的气象雷达，以及分别工作在X波段及Ku波段的制导雷达和探测雷达。实际上天馈线***往往是雷达以及电子干扰***中体积和重量最大的部件，假若将这些不同频段的单个窄带天线或阵列依次加载至装备平台上，不仅会大量占用平台有限的使用面积，增加其安装维护的成本，还会导致其雷达散射截面过高。因此，设计可覆盖多个频段的超宽带相控阵天线，不仅可以满足不同频段的收发共用的需求，实现多功能共孔径，还能节省造价成本，降低安装和维护的难度。
传统宽带相控阵天线的设计方法难以兼顾宽带和超宽角扫描，例如有研究表明对以阿基米德螺旋天线为阵列的宽带双极化相控阵天线，通过采取非周期的同心环排布方式以及遗传算法进行优化，可在0.94-2.1GHz的频段内实现30°的最大无栅瓣扫描角；微带贴片相控阵的最大扫描角可达66°，但带宽仅有3.3％。Vivaldi天线是一类非周期连续渐变短射天线的统称，包括开槽天线、渐变开槽天线和端射槽线天线等。其拓展带宽的思路是通过纵向延长单元尺寸来降低最低截至频率。因此为实现超宽带性能，Vivaldi天线的高度通常为2-3λhigh。如此高的剖面限制了它们在一些气动布局要求高的载体平台中使用。此外其槽线纵向电流较大在天线扫描时将带来交叉极化分量的上升。特别是在对角面内扫描时，常常会观察到交叉极化分量甚至大于主极化分量的现象。2003年Munk与美国Harris公司合作，研制了一款工作于2-18GHz的28×28双极化阵列样机，该样机在地板上方的结构剖面仅为λlow/10(λlow是最低工作频率)。后来人们一般将这类天线称为紧耦合相控阵天线。在上述紧耦合天线样机中，采用了外置巴伦、双筒轴线和接地屏蔽装置作为馈电网络。然而，这套外置的馈电结构却存在价格昂贵、体积重量大的缺点，难以投入实际应用。
为解决这一问题，Vouvakis团队于2010年提出一类平面超宽带模块化天线阵(Planar Ultra-wideband Modular Antenna,PUMA)，该设计馈电结构十分简单，偶极子仅由平行双线馈电，平行双线由接地线和与同轴接头内导体相连的信号线组成，因信号线上电流大于接地线上电流，故阵列在纵轴方向产生了周期性的净电流，需使用短路探针将该共模谐振移出工作频带。最终，该天线阵工作在7～21GHz频段内，可实现±45°扫描角覆盖，但由于是不平衡馈电，该设计的工作带宽较窄，只有3倍频程。
综上所述，传统超宽带天线存在扫描较窄，剖面高，极化纯净度差的问题。而Vouvakis团队提出的偶极子由平行双线馈电方式，虽然可以在较低剖面的条件下实现超宽带宽角扫描，但由于在馈电网络设计上，直接使用非平衡馈电，会出现工作频带窄、外导体的表面电流可能产生附加的辐射和损耗致使方向图发生畸变等缺点。因此，超宽带天线阵列的设计上还存在改善的空间。
发明内容
本发明的目的就是要解决现有技术的不足，提供一种基于平衡馈电结构的自由度更高、频带更宽的宽角扫描超宽带双极化相控阵天线。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明提供一种宽角扫描超宽带双极化相控阵天线，包括包括辐射单元层、设于所述辐射单元层上方的宽角匹配层、配合所述辐射单元层设置的平衡馈电结构以及设于所述平衡馈电结构下方的金属接地板，所述辐射单元层包括水平介质基板、呈矩形栅格周期排布在所述水平介质基板一表面的偶极子单元和周期排布在所述水平介质基板另一表面的加强耦合贴片，所述加强耦合贴片与相邻四个所述偶极子单元的垂直交叉处一一正对，任一所述偶极子单元包括间隔的两个辐射臂且其中一个所述辐射臂上设有过孔，所述平衡馈电结构包括平行接地双线、馈线、开路枝节且与所述偶极子单元一一对应，所述平行接地双线的两条平行接地线一端连接所述金属接地板，另一端分别连接所述偶极子单元的不同辐射臂，所述馈线一端连接同轴线，另一端穿过所述过孔延伸至所述宽角匹配层内并与所述开路枝节连接，所述开路枝节同时位于所述偶极子单元的两个辐射臂上方。
与Vouvakis团队提出的偶极子由平行双线馈电的不平衡馈电方式不同，基于巴伦的平衡和不平衡转换的原理，本发明的宽角扫描超宽带双极化相控阵天线采用了双平行接地线的平衡馈电结构，两根平行接地线形成两个接地点，馈线不直接连接偶极子单元的辐射臂，而是穿过偶极子单元一个辐射臂上的过孔与开路枝节连接，使偶极子单元的两个辐射臂上的电流等幅反向，直接将共模谐振点移除至工作频段以外，不需要设置短路线，此外，传统的不平衡馈电结构只能通过调整平行双线的间距和粗细来调节辐射频段，自由度低，而本发明可通过调整平行接地双线的间距粗细、馈线的粗细、开路枝节的形状尺寸等参数来调节辐射频段，具有更高的自由度，实现的频带更宽。
在其中一实施例中，所述宽角匹配层包括超表面介质基板和呈周期性排布在所述超表面介质基板表面的金属贴片，所述金属贴片设计为亚波长尺寸且所述金属贴片表面开设通槽。
在其中一实施例中，所述金属贴片整体呈圆形，经中间的十字通槽划分为四个直角扇形贴片。
在其中一实施例中，所述宽角匹配层还包括设于所述超表面介质基板和所述偶极子单元之间的介质匹配基板，所述开路枝节印刷于所述介质匹配基板的正对所述超表面介质基板的一面，所述馈线穿过所述过孔延伸至所述介质匹配基板内进而与所述开路枝节连接。
在其中一实施例中，所述开路枝节设计为由圆形、长条形、梯形依次相连而成的金属贴片，且所述开路枝节的梯形部分和圆形部分分别位于不同的所述辐射臂上方。
在其中一实施例中，所述辐射单元层和所述金属接地板之间设有支撑介质板，所述水平介质基板和所述支撑介质板上对应所述偶极子单元排布的栅格空白处开设有通孔，所述宽角匹配层的正对所述辐射单元层的一面对应所述通孔凹设有盲孔。用于支撑平衡馈电结构的各基板上相应设置通孔，通过对基板进行挖孔，引入空气柱降低介电常数，以消除阵列在工作频段内可能出现的表面波。
在其中一实施例中，所述偶极子单元由间隔设置的两个形状大小相同的菱形金属片组成，两个所述菱形金属片基于中间的间隙对称分布。
在其中一实施例中，所述介质支撑板由若干层Rogers介质板组成。
在其中一实施例中，所述馈线经所述金属接地板上的过孔与所述同轴线连接。
在其中一实施例中，所述宽角匹配层包括依次层叠的第一介质板、第二介质板和第三介质板，所述第一介质板、第二介质板和第三介质板上对应所述偶极子单元排布的栅格空白处，开设有位置相同、孔径相同的通孔。
与现有技术相比，本发明提供的宽角扫描超宽带双极化相控阵天线的优点在于：基于巴伦的原理，设计平行接地双线这样的平衡结构对偶极子单元馈电，从而将共模谐振点移除至工作频段以外，避免偶极子单元的两个辐射臂上产生不平衡现象，不需要再引入短路线，同时，通过与馈线连接的开路枝节有效调节阻抗匹配，进一步的拓展了带宽；并且，阵列剖面高度仅为0.39倍高频波长，大大低于传统的Vivaldi天线，有效的降低了交叉极化度，得到的紧耦合天线阵列阻抗带宽为9.2-45GHz(边射时Active S11＜-8.6，E面45°扫描Active S11＜-8.6，H面45°扫描Active S11＜-7)，达到4.8倍频程；结构简单，体积小，重量轻，便于加工和组装，造价成本低廉，具有较强的工程实用性。
本发明的其他优点将在随后的具体实施方式部分结合附图予以详细说明。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
在附图中：
图1为本发明一种宽角扫描超宽带双极化相控阵天线一实施例的立体图；图中所示的天线阵列为10×10阵列，但只针对中心8×8的天线阵元进行馈电，***一圈的天线阵元为哑元。
图2为图1所示实施例中一个天线阵元对应的超表面结构的俯视示意图；
图3为图1所示实施例移除宽角匹配层后辐射单元层局部的俯视示意图；
图4为图1所示实施例中偶极子单元和平衡馈电结构第一角度的结构示意图；
图5为图1所示实施例中偶极子单元和平衡馈电结构第二角度的结构示意图；
图6为图1所示实施例的主要参数示意图；
图7为图1所示实施例经透视处理后的侧视示意图；
图8为图1所示实施例中天线阵元在E面扫描的有源反射系数；
图9为图1所示实施例中天线阵元在H面扫描的有源反射系数；
图10为图1所示实施例中天线阵元在E面扫描的隔离度；
图11为图1所示实施例中天线阵元在H面扫描的隔离度；
图12为图1所示实施例中天线阵元在无限大阵列环境中不扫描时的增益；
图13中(a)为天线阵元在10GHz频点的E面方向图，(b)为天线阵元在10GHz频点的H面方向图；
图14中(a)为天线阵元在20GHz频点的E面方向图，(b)为天线阵元在20GHz频点的H面方向图；
图15中(a)为天线阵元在30GHz频点的E面方向图，(b)为天线阵元在30GHz频点的H面方向图；
图16中(a)为天线阵元在40GHz频点的E面方向图，(b)为天线阵元在40GHz频点的H面方向图。
附图标记说明：1辐射单元层，11偶极子单元，113辐射臂，12水平介质基板，13过孔，14加强耦合贴片，2宽角匹配层，21金属贴片，22超表面介质基板，23介质匹配基板，3平衡馈电结构，30平行接地双线，301平行接地线，302平行接地线，31开路枝节，32支撑介质板，33馈线，4金属接地板，5通孔。
具体实施方式
为进一步解释本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明进行详细阐述，在附图中相同的参考标号表示相同的部件。
如图1所示，本实施例为一种宽角扫描超宽带双极化相控阵天线，在本实施例中，该双极化相控阵天线将100个天线阵元进行10×10二维排布，只对中心8×8的天线阵元进行馈电，周围一圈的天线阵元接50欧姆匹配负载作为哑元，该阵列仅为宽角扫描超宽带双极化相控阵天线一个具体实施方式，可以根据实际应用需求，将无限大阵列环境拓展至任意符合实际的有限大阵列下使用。
结合参阅图1-7，本实施例的宽角扫描超宽带双极化相控阵天线包括辐射单元层1、设于辐射单元层1上方的宽角匹配层2、配合辐射单元层1设置的平衡馈电结构3以及设于平衡馈电结构3下方的金属接地板4，辐射单元层1包括水平介质基板12、呈矩形栅格周期排布在水平介质基板12一表面的偶极子单元11和周期排布在水平介质基板12另一表面的加强耦合贴片14，加强耦合贴片14为加强耦合圆形金属贴片，位于水平介质基板12下方与相邻四个偶极子单元11的垂直交叉处一一正对，任一偶极子单元11包括间隔的两个辐射臂113且其中一个辐射臂113上设有过孔13，平衡馈电结构3包括平行接地双线30、馈线33、开路枝节31，平衡馈电结构3与偶极子单元11一一对应。如图4所示，平衡馈电结构3为竖直设置的双平行接地线平衡馈电结构，平行接地双线30的两条平行接地线(即平行接地线301、平行接地线302)一端连接金属接地板4，另一端分别连接同一偶极子单元11的不同辐射臂113，金属接地板4的在五十欧姆同轴线与馈线33之间的接地板做挖孔处理，馈线33一端经金属接地板4上的过孔直接连接同轴线内芯，不需要其他实现阻抗渐变的结构。馈线33的另一端穿过辐射臂113上的过孔13延伸至与开路枝节31连接，开路枝节31调节馈线33的电抗。开路枝节31横跨偶极子单元11的两个辐射臂113之间的间隙，同时位于偶极子单元11的两个辐射臂113上方，以引入相位差。
具体的，宽角匹配层2包括超表面介质基板22、呈周期性排布在超表面介质基板22表面的金属贴片21，以及设于超表面介质基板22和偶极子单元11之间的介质匹配基板23。超表面介质基板22和呈周期性排布在超表面介质基板22表面的金属贴片21共同组成超表面材料匹配层，其中，金属贴片21由亚波长尺寸、经中间十字开槽的圆形金属贴片组成，可以增加电路调谐的自由度，并改善阵列在H面扫描的驻波比。开路枝节31印刷于介质匹配基板23的正对超表面介质基板22的一面，馈线33穿过过孔13延伸至介质匹配基板23内进而与印刷在介质匹配基板23表面的开路枝节31连接。基于此，任一天线阵元的结构，即包括水平布置的偶极子单元11和水平介质基板、位于偶极子单元11上方的宽角匹配层、穿过偶极子单元11竖直布置的平衡馈电结构3以及位于平衡馈电结构3下方的金属接地板4。
在其他的实施例中，宽角匹配层还可以是由依次层叠的第一介质板、第二介质板和第三介质板组成，第一介质板、第二介质板和第三介质板为纯介质基板，第一介质板、第二介质板和第三介质板上对应偶极子单元排布的栅格空白处，开设有位置、孔径相同的通孔。
如图3所示，在本实施例中，开路枝节31设计为由圆形、长条形、梯形依次相连而成的金属贴片，且开路枝节31的梯形部分和圆形部分分别位于不同的辐射臂113上方，用以更好的调节馈线33的电抗。
结合参阅图3和图7，在本实施例中，辐射单元层1和金属接地板4之间设有支撑介质板32，支撑介质板32为采用若干层Rogers5880介质板组成的支撑结构，对平行接地双线30和馈线33起到支撑作用。水平介质基板12和支撑介质板32上对应偶极子单元11排布的栅格空白处开设有通孔5，介质匹配基板23的正对辐射单元层1的一面对应通孔5开设有同样孔径的通孔。即除了超表面介质基板22以外，介质匹配基板23、水平介质基板12和支撑介质板32均作挖孔处理，通过挖孔引入空气柱，降低介电常数，以消除阵列在工作频段内可能出现的表面波，并减小阵列整体质量。
图6示出了偶极子单元11和开路枝节31的具体尺寸，配合图6所示尺寸的支撑介质板32上的通孔5的半径为1.25mm，图13-16给出了该实施例在实现双极化扫描时的辐射方向图，可以看出，本实施例实现了9.2～45GHz的阻抗带宽，边射时有源反射系数Active S11≤-8.6。俯仰面扫描角度E面±45°，有源反射系数Active S11≤-8.6，H面为±45°，有源反射系数Active S11≤-7。
图8为该实施例无限大阵列在E面扫描的有源驻波比；由图可见，该实施例在扫描角度为0°时，可在9.2-45GHz的频带范围内，实现有源反射系数小于-8.6。当扫描至45°时，该频带范围内，实现有源反射系数小于-9。
图9为该实施例无限大阵列在H面扫描的有源驻波比；由图可见，该实施例在扫描角度为0°时，可在9.2-45GHz的频带范围内，实现有源反射系数小于-8.6，当扫描至45°时，可在该频带范围内，实现有源反射系数小于-7。
图8和图9中，有源反射系数均未出现尖峰，即没有共模谐振点出现，也反映出平衡馈电结构将共模谐振点移除至了工作频段以外。
图10为该实施例无限大阵列在E面扫描的隔离度。由图可见，该实施例在扫描角度为0°时，可在9.2～45GHz的频带范围内，除了低频处，可实现隔离度小于-12dB。扫描角度为45°时，可在该频带范围内，实现隔离度小于-12dB。
图11为该实施例无限大阵列在H面扫描的隔离度。由图可见，该实施例在扫描角度为0°时，可在9.2-45GHz的频带范围内，除了低频处，可实现隔离度小于-12dB。扫描角度为45°时，可在该频带范围内，实现隔离度小于-12dB。
图12为该实施例无限大阵列单元在不扫描状态下的共面极化的增益。
图13为图2所示的阵元主极化面在10GHz频点不扫描状态下的E面和H面辐射方向图，(a)为本实施例在10GHz频点边射状态下E面辐射方向图；(b)为本实施例在10GHz频点边射状态下H面辐射方向图。
图14为图2所示的阵元主极化面在20GHz频点不扫描状态下的E面和H面辐射方向图，(a)为本实施例在20GHz频点边射状态下E面辐射方向图；(b)为本实施例在20GHz频点边射状态下H面辐射方向图。
图15为图2所示的阵元主极化面在30GHz频点不扫描状态下的E面和H面辐射方向图，(a)为本实施例在30GHz频点边射状态下E面辐射方向图；(b)为本实施例在30GHz频点边射状态下H面辐射方向图。
图16为图2所示的阵元主极化面在40GHz频点不扫描状态下的E面和H面辐射方向图；(a)为本实施例在40GHz频点边射状态下E面辐射方向图；(b)为本实施例在40GHz频点边射状态下H面辐射方向图。
本实施例的宽角扫描超宽带双极化相控阵天线，基于巴伦的原理，设计平行接地双线对偶极子单元馈电，从而将共模谐振点移除至工作频段以外，避免偶极子单元的两个辐射臂上产生不平衡现象，不需引入短路线，同时，通过与馈线连接的开路枝节有效调节阻抗匹配，进一步的拓展了带宽；并且，阵列剖面高度仅为0.39倍高频波长，大大低于传统的Vivaldi天线，有效的降低了交叉极化度，得到的紧耦合天线阵列阻抗带宽为9.2-45GHz(边射时Active S11＜-8.6，E面45°扫描Active S11＜-8.6，H面45°扫描Active S11＜-7)，达到4.8倍频程；结构简单，体积小，重量轻，便于加工和组装，造价成本低廉，具有较强的工程实用性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，应当指出，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种宽角扫描超宽带双极化相控阵天线，其特征在于，包括辐射单元层(1)、设于所述辐射单元层(1)上方的宽角匹配层(2)、配合所述辐射单元层(1)设置的平衡馈电结构(3)以及设于所述平衡馈电结构(3)下方的金属接地板(4)，所述辐射单元层(1)包括水平介质基板(12)、呈矩形栅格周期排布在所述水平介质基板(12)一表面的偶极子单元(11)和周期排布在所述水平介质基板(12)另一表面的加强耦合贴片(14)，所述加强耦合贴片(14)与相邻四个所述偶极子单元(11)的垂直交叉处一一正对，任一所述偶极子单元(11)包括间隔的两个辐射臂(113)且其中一个所述辐射臂(113)上设有过孔(13)，所述平衡馈电结构(3)包括平行接地双线(30)、馈线(33)、开路枝节(31)且与所述偶极子单元(11)一一对应，所述平行接地双线(30)的两条平行接地线一端连接所述金属接地板(4)，另一端分别连接所述偶极子单元(11)的不同辐射臂(113)，所述馈线(33)一端连接同轴线，另一端穿过所述过孔(13)延伸至所述宽角匹配层(2)内并与所述开路枝节(31)连接，所述开路枝节(31)同时位于所述偶极子单元(11)的两个辐射臂(113)上方。
2.如权利要求1所述的宽角扫描超宽带双极化相控阵天线，其特征在于，所述宽角匹配层(2)包括超表面介质基板(22)和呈周期性排布在所述超表面介质基板(22)表面的金属贴片(21)，所述金属贴片(21)设计为亚波长尺寸且所述金属贴片(21)表面开设通槽。
3.如权利要求2所述的宽角扫描超宽带双极化相控阵天线，其特征在于，所述金属贴片(21)整体呈圆形，经中间的十字通槽划分为四个直角扇形贴片。
4.如权利要求2所述的宽角扫描超宽带双极化相控阵天线，其特征在于，所述宽角匹配层(2)还包括设于所述超表面介质基板(22)和所述偶极子单元(11)之间的介质匹配基板(23)，所述开路枝节(31)印刷于所述介质匹配基板(23)的正对所述超表面介质基板(22)的一面，所述馈线(33)穿过所述过孔(13)延伸至所述介质匹配基板(23)内进而与所述开路枝节(31)连接。
5.如权利要求1-4任一项所述的宽角扫描超宽带双极化相控阵天线，其特征在于，所述开路枝节(31)设计为由圆形、长条形、梯形依次相连而成的金属贴片，且所述开路枝节(31)的梯形部分和圆形部分分别位于不同的所述辐射臂(113)上方。
6.如权利要求1-4任一项所述的宽角扫描超宽带双极化相控阵天线，其特征在于，所述辐射单元层(1)和所述金属接地板(4)之间设有支撑介质板(32)，所述水平介质基板(12)和所述支撑介质板(32)上对应所述偶极子单元(11)排布的栅格空白处开设有通孔(5)，所述宽角匹配层(2)的正对所述辐射单元层(1)的一面对应所述通孔(5)凹设有盲孔。
7.如权利要求1-4任一项所述的宽角扫描超宽带双极化相控阵天线，其特征在于，所述偶极子单元(11)由间隔设置的两个形状大小相同的菱形金属片组成，两个所述菱形金属片基于中间的间隙对称分布。
8.如权利要求1-4任一项所述的宽角扫描超宽带双极化相控阵天线，其特征在于，所述介质支撑板(32)由若干层Rogers5880介质板组成。
9.如权利要求1-4任一项所述的宽角扫描超宽带双极化相控阵天线，其特征在于，所述馈线(33)经所述金属接地板(4)上的过孔与所述同轴线连接。
10.如权利要求1所述的宽角扫描超宽带双极化相控阵天线，其特征在于，所述宽角匹配层(2)包括依次层叠的第一介质板、第二介质板和第三介质板，所述第一介质板、第二介质板和第三介质板上对应所述偶极子单元(11)排布的栅格空白处，开设有位置相同、孔径相同的通孔。
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| CN202310677411.3A CN116565557A (zh) | 2023-06-08 | 2023-06-08 | 一种宽角扫描超宽带双极化相控阵天线 |
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| CN116565557A true CN116565557A (zh) | 2023-08-08 |
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| CN (1) | CN116565557A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117913539A (zh) * | 2024-03-18 | 2024-04-19 | 西南交通大学 | 一种基于电磁超表面的圆极化天线 |
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2023
- 2023-06-08 CN CN202310677411.3A patent/CN116565557A/zh active Pending
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