CN117878624A - 具有滤波特性的紧耦合相控阵天线 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微波天线技术领域，具体提供一种具有滤波特性的紧耦合相控阵天线。以应对目前电子对抗***中对天线耐高功率和带外增益抑制的要求。本发明包括频率选择表面、偶极子、双Y巴伦、三阶切比雪夫阻抗变换器、同轴馈电端口、发卡型SIR低通滤波器、金属地板、介质层、接地金属片、引入电容耦合的金属片。本发明通过将发卡型SIR低通滤波器、三阶切比雪夫阻抗变换器以及双Y巴伦进行级联，得到能够给偶极子进行宽带平衡馈电且具有滤波特性的紧凑型馈电网络，并且通过选取抗电性能强的介质基板以及对线宽和缝隙的增大来提升天线的耐高功率性能。本发明在双极化工作条件下，能够实现宽带、大角度扫描，并具备耐高功率和带外滤波的特性。
Description
技术领域
本发明属于微波天线技术领域，具体提供一种具有滤波、宽带和大扫描角度特性的高功率双极化紧耦合相控阵天线。
背景技术
随着无线通信技术的迅速发展，电子对抗***对广域覆盖、小型化、集成化提出了更为严格的要求。广域覆盖包括空间上的广域覆盖和频率上的广域覆盖，空间上的广域覆盖要求天线具备强大的宽角扫描能力，频率上的广域覆盖则要求天线具备更大的工作带宽。小型化和集成化则要求天线具备紧凑和低剖面的特点。同时，为了保证电子对抗***在能够进行有效电磁打击的同时不对己方***造成干扰，则需要天线具备耐高功率和带外滤波的性能。
紧耦合相控阵列天线通过利用单元间的耦合，使得原本不具备宽带特性的单元组阵后实现超宽带特性，并且它具有宽扫描角度、低剖面和紧凑化等性能。
目前，实现小天线的滤波性能主要有三种办法，即滤波器与天线的联合设计、滤波器与天线的综合设计与滤波器与天线的融合设计。而阵列天线与滤波器之间难以集成，在保证带内性能指标的情况下实现带外滤波是十分困难的。因此，实现一款具有滤波特性的紧耦合相控阵天线具有重要意义。
发明内容
本发明旨在解决紧耦合阵列中带外滤波和耐高功率问题，实现一款具备大扫描角度、宽带的紧耦合相控阵列天线。
本发明通过在相邻偶极子单元间引入电容耦合，抵消了低频时地板对偶极子产生的感抗影响，极大地拓展带宽；利用宽角匹配层的加载来实现天线辐射阻抗与自由空间阻抗的匹配，拓展扫描角度；通过巴伦、阻抗变换线与微带滤波器的级联设计，实现了一种紧凑且具有滤波特性的馈电网络，使得加载该馈电网络的紧耦合阵列具备带外滤波特性；通过对介质基板的处理和对金属缝隙与线宽的处理，本发明具备耐高功率特点。
本发明技术方案如下：
由于采用紧耦合技术完成设计时，偶极子排布方式、馈电网络结构和匹配层等结构和阵元介质板的排布方式密切相关，因此本发明首先需要确定实现双极化的介质板排布方式。本发明采用经典的蛋箱结构，即将馈电网络和辐射天线打印在同一块介质板上，对每个介质板开槽，然后将其正交摆放即可实现双极化阵列的单元结构。馈电网络采取滤波器级联阻抗变换器再级联双Y巴伦的结构，滤波器采用发卡型SIR低通滤波器，该滤波器带内反射系数良好，插损较小，带外反射系数平坦，具备优异的增益抑制效果；滤波器之后连接阻抗变换器，由于设计的馈电网络需要在超宽带情况下实现良好的阻抗匹配，而单节阻抗变换器能实现的带宽较窄，因此选用能够实现宽带阻抗变换的切比雪夫多节阻抗变换器实现阻抗变换；馈电网络之后连接双Y巴伦，双Y巴伦的作用是将输入的不平衡信号转化为平衡信号，从而为偶极子提供相位差为180度的差分馈电。最终将设计的双Y巴伦、发卡型SIR低通滤波器和三阶切比雪夫阻抗变换器组合，进行整体优化。
本发明采用在偶极子阵列上方加载频率选择表面(宽角匹配层)的方式来提升扫描角度。在偶极子上方引入频率选择表面相当于引入并联电容，减小了输入阻抗的虚部，从而更有利于相控阵天线在宽角度扫描情况下实现阻抗匹配，并且引入的频率选择表面具备轻量化的特点。考虑到该紧耦合相控阵列的高功率工作状态，该发明在设计过程中采取了多种提高天线功率容量的措施：首先介质基板选择耐高温，抗电性能好的材料，并且通过提升介质厚度的办法来增强耐高功率性能；其次，天线设计过程中增大介质基板上金属的线宽和缝隙，从而降低介质板上的电场强度；最后通过优化馈线匹配，减少馈线和连接器的损耗与发热。
本发明的创新之处在于：
一、在紧耦合相控阵列的馈电网络中集成了滤波器结构，实现了对带外增益的抑制和对带外杂波信号的剔除。
二、通过选取抗电性能强厚度大的介质基板来增强天线的功率容量，通过对线宽和缝隙的增大以及对连接处馈线的优化来降低介质板上的电场强度。
附图说明
图1是本发明的整体视图，图2是俯视图，图3是侧视图；图4是本发明的馈电结构的整体部分，图5是双Y巴伦，图6是三阶切比雪夫阻抗变换器，图7是发卡型SIR低通滤波器；图8是该发明在侧射和E面扫描60度以及H面扫描60度情况下的有源驻波；图9是该发明的E面扫描方向图，图10是该发明的H面扫描方向图；图11展示了该发明的带内增益水平以及带外抑制度。
1是频率选择表面，2是偶极子天线的辐射金属片，3是双Y巴伦，4是三阶切比雪夫阻抗变换器，5是同轴馈电端口，6是发卡型SIR低通滤波器，7是金属地板，8是介质层，9是接地金属片，10是用来引入电容耦合的金属片。
具体实施方案
为使本发明的目的、技术方案与创新点更加清楚明白，下面结合附图和实例对本发明做进一步详细说明。
图1和图2是本发明的整体试图和俯视图，图3展示了本发明的具体结构，其中介质层8采用F4B材料，介电常数为2.2，厚度为0.667mm，高度为68.27mm，宽度为38mm。介质板材最上方正反两面打印频率选择性表面1，它的高度h1为18.67mm，宽度w1为8.9mm；介质板反面频率选择性表面1下方打印偶极子2，其高度w2为9.3mm，偶极子连接金属地板7；介质板正面频率选择性表面1下方打印电容耦合金属片10，其宽度w3为7.3mm，缝隙宽度w2为1.8mm，高度与偶极子2一致；电容耦合金属片10下方连接接地金属片9，它的高度h3为40mm，宽度w4为1.33mm。
双Y巴伦3、三阶切比雪夫阻抗变换器4、发卡型SIR低通滤波器6以及同轴馈电端口5组成了宽带馈电网络结构，如图4所示。图5展示了宽带馈电网络结构中的双Y巴伦，它竖直枝节的长度h4为8mm，侧边枝节的长度L1为3.44mm，枝节的宽度w5为0.56mm；图6是带馈电网络结构中的三阶切比雪夫阻抗变换器，它的三个微带线的长度由上至下分别是10mm、13mm、31.8mm，宽度由上至下分别是0.76mm、1.11mm、1.63mm；图7是馈电网络结构中的发卡型SIR低通滤波器，其中L2＝11.05mm，L3＝4.93mm，w6＝5.76mm，w7＝0.57mm。
如图3所示，能量由同轴端口5馈入宽带馈电网络，经过滤波器结构6后，带外频带(大于3Ghz)的信号被抑制；三阶切比雪夫阻抗变换器4实现了输入输出端口的阻抗匹配，带内信号以较低的损耗传输到双Y巴伦3处，双Y巴伦将输入的不平衡信号转化为平衡信号后馈入到偶极子天线的辐射结构2处，实现电磁波的辐射。
图8展示了在无限大边界情况下，紧耦合相控阵列天线侧射、E面60度扫描和H面60度扫描的有源驻波，可以看到，在0.5Ghz-3GHz的频带内，本发明的有源驻波小于4，满足工程对紧耦合相控阵天线有源驻波的要求。
图9展示了本发明组成阵列后在E面的±60度波束扫描的方向图，图10展示了本发明在H面的±60度扫描的方向图，可以看出，本发明以较低的增益损耗实现了E面和H面±60°的波束扫描。
图11展示了本发明的增益与理想增益随频率变化的情况，可以看出，本发明在0.5GHz-3GHz实现了优秀带内增益的同时，对大于3GHz的频带增益实现了超过8dB的抑制，具备良好滤波性能。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (5)
1.一种具有滤波特性的紧耦合相控阵天线，包括频率选择表面(1)、偶极子(2)、馈电网络、金属地板(7)、介质层(8)、接地金属片(9)、引入电容耦合的金属片(10)，其特征在于：
所述频率选择表面(1)，打印在所述介质层(8)正反两面的最上方，用以平衡天线的辐射阻抗；所述偶极子(2)，打印在所述介质层(8)的背面，与所述频率选择表面(1)平行；所述馈电网络，包括同轴馈电端口(5)、发卡型SIR低通滤波器(6)、三阶切比雪夫阻抗变换器(4)和双Y巴伦(3)；所述同轴馈电端口(5)位于所述金属地板(7)下方，所述发卡型SIR低通滤波器(6)、三阶切比雪夫阻抗变换器(4)和双Y巴伦(3)打印于所述介质层(8)正反两面；
所述金属地板(7)位于天线结构最下方，用来抑制背向辐射，提升增益；所述介质层(8)垂直于金属地板(7)，材质为F4B；所述引入电容耦合的金属片(10)打印在所述介质层(8)正面，位于偶极子边缘处，所述接地金属片(9)与所述金属片(10)下方相连，且延伸至金属地板(7)并与之相连。
2.根据权利要求1所述具有滤波特性的紧耦合相控阵天线，其特征在于：所述发卡型SIR低通滤波器(6)输入端与所述同轴馈电端口(5)相连，输出端与所述三阶切比雪夫阻抗变换器(4)相连，起到抑制带外信号的作用；所述三阶切比雪夫阻抗变换器(4)的微带线宽度依次为0.76mm、1.11mm、1.63mm，输出端与所述双Y巴伦(3)输入端相连。
3.根据权利要求1所述具有滤波特性的紧耦合相控阵天线，其特征在于：所述双Y巴伦(3)与偶极子相连，用以给偶极子输入平衡信号，所述双Y巴伦(3)中开设一金属通孔，金属通孔半径为0.22mm。
4.根据权利要求1所述具有滤波特性的紧耦合相控阵天线，其特征在于：所述介质层(8)厚度为0.667mm，高度为68.27mm，宽度为38mm，所述频率选择表面(1)高度为18.67mm，宽度为8.9mm。
5.根据权利要求1所述具有滤波特性的紧耦合相控阵天线，其特征在于：所述天线单元横向尺寸为38mm×38mm，剖面高度为68.27mm。
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