一种全孔径强耦合超宽带对称偶极子相控阵天线

技术领域

本发明属于天线工程技术领域，特别涉及基于强耦合效应的全孔径超宽带相控阵天线及其研制方法。

背景技术

相控阵技术自提出至今一直以其扫描速度快、波瓣控制灵活、功能集成度高等优点而备受关注。由于对卫星、导弹、飞机等各种飞行器和其他目标进行监视跟踪的需求日益增加，并且为了在日趋复杂的环境中提取更多有效信息，迫切需要雷达具有多功能、多目标、高数据率、高精度、抗干扰等功能。现代相控阵技术能同时对空搜索、识别和跟踪，以高数据率传输信息，因此相控阵技术在现代雷达和电子战中起着举足轻重的作用。传统相控阵往往带宽较窄，且设备整体复杂，体积庞大沉重，在实际应用的过程中维护也较为费时费力。

近年来，天线研究领域提出了一种新型宽带阵列天线技术，即基于强耦合效应的宽带阵列天线技术。研究发现，天线单元间的强耦合效应可以使阵元的阻抗特性在频率改变时变化平缓，这样较宽的阻抗带宽就可以通过简单的匹配来实现。添加强耦合结构可以省去去耦网络等额外的结构的设计以达到简化阵列结构的目的。不仅如此，与传统相控阵天线相比，强互耦相控阵往往体积更小，单元之间的排布更为紧密，使得强互耦相控阵能更利于共形设计。这种单元排布紧密的天线阵列，当某一单元故障时往往不会对整个阵列的性能产生很大的影响，因此强互耦相控阵对恶劣的环境有更强的适应能力。正是这些优势使得强互耦相控阵在实际应用中，尤其是军事应用中有着更为宽广的前景。如专利号为US6512487的美国专利中提出的“宽带相控阵列天线及其相关技术”。在该专利中，通过在相邻偶极子之间交指紧密排列进而引入了电容耦合分量，这种电容耦合分量刚好补偿了天线偶极子固有电感分量及天线底板带来的电感分量。但是该方案需要使用两层以上的微波介质层，且一般要求充当宽角扫描匹配层的介质层具有与工作波长成正比的厚度，因此该方案不便于后续进一步的低剖面轻量化宽带相控阵天线设计。

在专利号为CN105846081的中国专利中，申请人提出了一种双极化一维强耦合超宽带宽角扫描相控阵，该天线的垂直极化偶极子两侧水平和竖直渐变延伸部分取代了传统的接匹配电阻的阵元作为哑元，既提高了带宽水平，又避免了损失效率，还节约了空间。但这种方案需要在两互相垂直基板上印刷连续电路，使得最终天线阵列加工连接困难，结构复杂且不稳固。

在文献“A planar ultrawideband wide-Angle scanning array loaded withpolarization-sensitive frequency-selective surface structure”中，作者采用一种幅度衰减激励阵列方案用来消除截断效应，中心端口激励幅度最大，而外围端口不断减小，这种方案虽然可以一定程度上消除截断效应影响，但由中心端口向外围激励幅度不断减小，使得整个阵列的辐射功率大大减小。

传统强耦合相控阵天线往往需要在阵列馈电端口外围设置大量接匹配负载的端口作为哑元以降低边沿附近单元的有源驻波，导致最终阵列尺寸较大，口径利用率低，同时因为引入大量哑元使得成本提高。因此，对新颖的天线结构展开研究从而获得全孔径辐射的强耦合相控阵天线，具有非常重要的实际工程意义。

发明内容

本发明的发明目的在于针对传统强耦合相控阵天线阵列需要使用哑元降低边沿端口截断效应影响、阵列实际尺寸大、口径利用率低等问题，提供一种采用全部端口激励的平行介质基板、使用较薄的超材料宽角匹配层、实现1-4GHz超宽频带覆盖和±60°宽角扫描的全孔径强耦合超宽带对称偶极子相控阵天线。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

提供一种全孔径强耦合超宽带对称偶极子相控阵天线，该天线包含两个镜像对称偶极子单元、两平行介质基板、宽角阻抗匹配层、威尔金森功分电路、反射地板和同轴连接器。所述镜像对称偶极子单元包括设置在平行介质基板上的偶极子辐射贴片、接地耦合贴片以及与偶极子辐射贴片相连的巴伦；所述宽角阻抗匹配层包括基板及其上面印刷的周期性开口谐振环超材料结构；所述威尔金森功分电路与巴伦底部相连接；所述反射地板为一整块铝板，在反射地板及威尔金森功分电路合适位置打出过孔用于安置微波同轴连接器。

进一步的，根据此天线单元制作了1x8的天线阵列，且阵列两边缘端口的偶极子为延长型偶极子单元，降低了该阵列低频段的有源驻波。同时在阵列的边缘加入了垂直金属壁取代了传统的接匹配电阻的阵元作为哑元并作为宽角阻抗匹配层的支撑，最终天线阵列的全部端口馈电，阵列辐射孔径与实际尺寸一致，达到了天线阵面全孔径利用、实现更高的孔径效率的目的。

综上所述，本天线设计方案的具有以下优点：

1、1X8规模的天线阵列通过威尔金森功分电路同时激励镜像对称偶极子单元，并在阵列两边缘端口采用延长型偶极子单元，在不使用传统的接匹配电阻的阵元作为哑元的前提下消除了x轴方向上截断效应的影响，同时增大了天线的辐射孔径，改善了阵列低频段有源驻波；在阵列边缘加入了垂直金属壁(110)取代了哑元并作为宽角阻抗匹配层的支撑，使得天线阵列的全部端口馈电，阵列辐射孔径与实际尺寸一致，达到了天线阵面全孔径利用、实现更高的孔径效率的目的

2、很高的天线辐射效率，由于没有使用任何阻性材料，天线效率可达80％以上。

附图说明

图1为所提供的全孔径强耦合超宽带对称偶极子相控阵天线单元示意图。其中，100为全孔径强耦合超宽带对称偶极子相控阵天线单元，102为周期性开口谐振环超材料结构，103为反射地板。104为宽角阻抗匹配层。105、106为平行介质基板。107为威尔金森功分电路，108为同轴连接器。

图2为所提供的全孔径强耦合超宽带对称偶极子相控阵天线两个镜像对称偶极子单元101示意图。两个镜像对称偶极子单元关于位于单元中心的镜像面对称，101-1、101-2为印刷在平行介质基板上的偶极子辐射贴片，101-3、101-4为印刷在平行介质基板上的接地耦合贴片，101-5、101-6为印刷在平行介质基板上的与偶极子辐射贴片相连的巴伦，同时该巴伦底部与威尔金森功分电路相连。

图3为图1单元沿y轴排列所组成的1X8线阵。

图4为图3线阵的yoz平面图，109为延长型偶极子单元，110为天线阵列的边缘加入了垂直金属壁取代了传统的接匹配电阻的阵元作为哑元并作为宽角阻抗匹配层的支撑。

图5为图1单元E面0-60度扫描驻波情况。

图6为1X8线阵全部8个端口0度扫描驻波情况。

图7为1X8线阵4GHz处0度主极化与交叉极化方向图。

图8为1X8线阵4GHz处45度扫描主极化与交叉极化方向图。

图9为1X8线阵0度扫描时天线效率。

具体实施方式

如图1以及图2所示，本实施例基于全孔径强耦合超宽带对称偶极子相控阵天线单元100，由两个镜像对称偶极子单元101、平行介质基板105、106、宽角阻抗匹配层104、威尔金森功分电路107、反射地板103、同轴连接器108构成。所述平行介质基板105、106采用Taconinc TLY，介电常数2.2。所述镜像对称偶极子单元101包括印刷在平行介质基板105、106上的偶极子辐射贴片101-1、101-2、接地耦合贴片101-3、101-4以及与偶极子辐射贴片相连的巴伦101-5、101-6，两块平行介质基板上印刷的电路关于镜像面镜像对称。所述馈电巴伦底部与威尔金森功分电路连接，采用Marchand巴伦形式，由一段开路传输线并联一段短路传输线组成用以阻抗匹配，巴伦上端连接偶极子辐射贴片。所述反射地板103为一整块铝板，铝板上开出过孔用于安置同轴连接器108。所述威尔金森功分电路基板采用TaconincTLY，介电常数2.2，其中一端在合适位置开孔与同轴连接器连接，另两端分别连接巴伦底部实现天线的馈电。所述宽角阻抗匹配层104基板采用Taconinc TLX，介电常数2.55，周期性开口谐振环超材料结构102采用开口的圆环设计，利用周期性结构达到该频带内拓展天线扫描角的目的。

天线整体高度为0.42个高频波长(31.8mm)，单元长度为74mm，宽度为37mm，天线组阵方式为天线单元沿着y轴方向连续紧密排布共8个单元。阵列两边缘端口的偶极子单元为延长型偶极子单元109，并在阵列边缘加入了垂直金属壁110取代了传统的接匹配电阻的阵元作为哑元并作为宽角阻抗匹配层的支撑。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

本实施例中天线单元采用1X8的阵列排列，如图3所示。其中阵列两边缘端口的偶极子单元为延长型偶极子单元，同时在阵列边缘用垂直金属壁结构取代了传统的接匹配电阻的阵元作为哑元，该金属壁同时用来支撑阻抗匹配层，如图4所示。根据实施例，可以利用仿真软件得到以下数据。

图5给出了本实施例在E面不同扫描状态下的端口对应驻波特性，从图中可见，在驻波比要求小于2的情况下，本实例的全孔径强耦合超宽带对称偶极子相控阵天线单元在60度扫描范围内具有大于4:1的阻抗带宽。

图6给出了本实施例所提供的1X8阵列，全部8个端口的驻波情况。从图中可见，该阵列全部端口可以实现在1-4GHz频段内驻波小于3，说明该阵列可以在全部端口激励的前提下实现良好的端口匹配。

图7、8给出了本实施例所提供的1X8阵列，在4GHz频段内0度以及45度扫描情况下的主极化与交叉极化方向图，可以看出阵列具有大于30dB的交叉极化性能，同时阵列方向图主瓣波束、增益正常，说明经过上述处理的全孔径强耦合超宽带对称偶极子相控阵天线阵列可以在全孔径辐射、高口径利用率的前提下实现良好的辐射性能。

图9给出了本实施例所提供的1X8线阵，在1-4GHz频段内的天线效率，可以看到天线效率大于80％。

以上所述，仅为本发明的多个实施例，应该理解他们只是以一种示例形式被提出，并无限制性。本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征或步骤以外，均可以任何方式组合。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。