一种基于去耦合金属壁的宽带、宽角扫描相控阵天线

摘要

本发明公开一种基于去耦合金属壁的宽带、宽角扫描相控阵天线，属于雷达技术、无线通信技术领域。该天线包括中上两层相贴合的介质基板、下层介质基板，下层介质基板下表面覆盖有金属地板，上表面印刷有微带渐变线；上层介质基板上表面印刷有方形环贴片；中层介质基板上表面印刷有偶极子金属贴片；同轴接头内芯穿过下层介质基板连接微带渐变线，微带渐变线另一端连接平行双线对天线进行馈电；所述中下层介质基板之间设置有去耦合作用的金属壁或金属环。本发明具有工作频带宽、扫描角度大、低剖面易共形的特点，可用于需要低剖面、宽带和大角度扫描范围的雷达和通信系统。

说明书

技术领域

本发明属于雷达技术、无线通信技术领域，具体涉及一种基于去耦合金属壁的相控阵天线，特别涉及宽带、宽角扫描，适用于微波、毫米波等雷达和通信系统中。

背景技术

过去几十年里，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，常用于宽带雷达，卫星通信及射电天文等系统。军事机载平台对多功能(监视、识别、追踪目标)系统的需求也促进了宽带、宽角相控阵天线的发展。在该应用下，小空间是天线设计的主要限制，因此在单个天线阵列口径下实现宽带、宽角扫描是非常有益的。在传统的宽带、宽角扫描相控阵天线设计方法中，首先为了避免扫描至大角度时出现栅瓣，天线单元间距必须控制在高频端的半个波长以内；其次天线阵元的尺寸也应小于高频端的半个波长，天线阵元尺寸的限制也增加了宽带设计的难度。最后，在小阵元间距(小于高频端的半个波长)的情况下，阵元间的互耦变得十分强烈，会严重影响单元自身的阻抗和辐射特性。因此即使天线阵列单元在侧射角度下获得很好的宽带阻抗匹配，阵列天线单元的有源阻抗由于互耦会随着扫描角度发生剧烈变化，导致阵元在大角度扫描情况下会严重失配。因此如何抑制阵元间互耦一直是传统相控阵天线设计过程中最大挑战。

近十多年来，国际天线领域相关学者提出了利用强耦合天线阵元来实现宽带相控阵天线的新思路。该思路的理论基础可以追溯到到Wheeler在1965年提出的连续电流面理论。相邻偶极子单元的辐射臂通过交指电容结构相连，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。由于天线阵元排布紧凑且相互强烈耦合，偶极子单元上的电流分布几乎恒定不变，有效的拓展了带宽，验证了连续电流面理论。然而在强互耦状态下，天线的强互耦作用使大角度扫描时状态相对于侧射时变化较大，引起自身有源阻抗的大幅度波动，天线很难达到大角度扫描。并且强互耦天线剖面较高，在半个高频端波长左右或者大于半个高频端波长，不利于天线与平台的集成和共形。

综上所述，传统相控阵天线很难同时具有宽带、宽角扫描的能力，而利用耦合的强耦合偶极子天线阵列也存在着大角度扫描困难，剖面高不易集成共形的缺陷。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：针对背景技术存在的问题，提供一种使用金属壁以减小单元间互耦来实现大角度扫描的设计，同时剖面低、易共形的宽带相控阵天线。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于去耦合金属壁的宽带、宽角扫描相控阵天线，包括中上两层相贴合的介质基板、以及下层介质基板，所述下层介质基板下表面覆盖有金属地板，上表面印刷有微带渐变线；所述上层介质基板上表面印刷有方形环贴片；所述中层介质基板上表面印刷有偶极子金属贴片；同轴接头内芯穿过下层介质基板连接微带渐变线，微带渐变线另一端连接平行双线对天线进行馈电；其特征在于：所述中下层介质基板之间设置有去耦合作用的金属壁，且金属壁穿透下层介质基板连接至金属地板。

进一步地，所述中层介质基板下方设置有垂直于金属壁的起阻抗匹配作用的竖型金属条带。

进一步地，所述金属壁还可以是设置于中层介质基板下方的金属环结构，且金属环与下层介质基板不接触。

当天线阵列工作时，所述偶极子金属贴片109上形成连续的电流，根据Wheeler的连续电流面理论，有效增加天线阵列的工作带宽。所述竖型金属条带106和印刷有方形环贴片107的上层介质基板104，起阻抗匹配的作用，有效地保障天线在工作带宽内具有不错的扫描能力。所述金属壁105通过减小相邻天线单元间的互耦作用保障了大角度扫描性能。

进一步的，对于所述基于去耦合金属壁的宽带、宽角扫描相控阵天线中关键部件金属壁105所起到的作用，也可以用金属环201等效。这也是本发明包括的一种形式，图3给出了具体结构。

本发明的有益效果是：去耦合金属壁的使用使宽带天线大角度扫描成为可能，并且具有低剖面、易集成共形的优点。

附图说明

图1为实施例1中所述6×16的基于去耦合金属壁的宽带、宽角扫描相控阵天线的结构示意图。

图2为实施例1中所述基于去耦合金属壁的宽带、宽角扫描相控阵天线的基本天线单元示意图。

图3为实施例1中所述使用金属环替代金属壁的基本天线单元示意图。

图4为实施例1中所述基本天线单元的E面有源电压驻波比的仿真结果。

图5为实施例1中所述基本天线单元的H面有源电压驻波比的仿真结果。

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，下面结合实施实施方式和附图，对本发明作进一步详细描述。

实施例1

本实施例的基于去耦合金属壁的宽带、宽角扫描相控阵天线采用6×16的平面阵列形式，如图1所示。包括最下层金属地板101，印刷有微带渐变线的下层介质基板102，印刷有偶极子金属贴片的中层介质基板103，上层印刷有方形环的起匹配作用的上层介质基板104。图2所示为图1中一个基本天线单元示意图。最下层金属地板101为4mm厚的铝板，下层介质基板102的相对介电常数2.2，厚度0.254mm，上面印刷有微带渐变线110。中层介质基板103的相对介电常数2.2，厚度1mm，上面印刷有偶极子金属贴片109。上层介质基板104的相对介电常数3，厚度4mm，上面印刷有方形环贴片107。三条竖型金属条带106位于中层介质基板103的下方。金属壁105位于最下层金属地板101和中层介质基板103之间，厚度是1mm。同轴接头内芯111穿过下层金属地板101上的开孔与微带渐变线110相连，在微带渐变线的另一侧，连接平行双线108对天线进行馈电。

如图1所示，6个天线单元沿H面排列，单元间距为33mm，16个天线单元沿E面排列，单元间距为33mm。阵列剖面高度为21mm。本实例设计工作频段为1.5-4GHz，单元大小为高频4GHz波长的0.44倍，阵列剖面高度仅为高频4GHz波长的0.28倍，具有低剖面的特性。

图4和图5分别给出了本实施例中所述基本天线单元在不同扫描角下E面、H面有源电压驻波比随频率变化的仿真结果。从图4中可以看到，在±75°扫描范围内，有源电压驻波比小于2.5的阻抗带宽达91％，从图5中可以看到，在±45°扫描范围内，有源电压驻波比小于2.5的阻抗带宽达91％，实现相控阵天线的宽带、宽角扫描。

实施例2

具体的，将每个基本天线单元向二维方向分别延伸，即可构成任意大小的平面阵列。其他结构同实施例1中的详细描述。

以上是向熟悉本发明领域的工程技术人员提供的对本发明及其实施方案的描述，这些描述应被视为是说明性的，而非限定性的。工程技术人员可据此发明权利要求书中的思想做具体的操作实施，在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。上述这些都应被视为本发明的涉及范围。