一种基于带状线结构的十字交叉双极化天线

技术领域

本发明属于天线与微波领域，具体涉及一种基于带状线结构的十字交叉双极化天线。

背景技术

有源相控阵因其波束扫描速度快、功能集成度高而广泛应用于军事雷达和商用卫星通讯系统。近年来，为了适应信息化战争的需求，宽带多功能相控阵雷达系统已成为重要研究发展方向，具有精确极化测量能力的双极化相控阵雷达即为其中之一。双极化技术具有极化复用、同一带宽内信号之间的抗干扰能力强等优点，在气象观测、防空反导等领域运用前景广阔。

相控阵中发射和接收电磁波的设备称为天线，具有选择性地增强或者削弱某些特定方向上的能量以起到定向扫描等作用。阵列天线是相互连接、特定激励并利用每个单元天线上的电流相位变化或者时延控制等方式来产生定向的辐射方向图。由单天线发展到有源相控阵天线，不仅带来雷达系统增益等性能指标的提升，更使其具备电扫能力、并在波束速变、空间滤波与定向、能量合成与分解、平台共形等方面具有极大优势。

近年来国内外对双极化相控阵天线的研究丰富，主要包括：(1)微带贴片：结构紧凑，两极化馈线正交，两个极化端口的隔离度相对较低，受表面波影响大角度扫描受限；(2)微带线偶极子：通过在单层印制板表面刻蚀金属图形，结构简单，但是在低频段印制板尺寸大易变形；(3)带状线偶极子：相比微带线偶极子，改善了交叉极化，且至少两层印制板层压而成，可增强结构稳定性，但是在低频段使用时印制板原材料和加工成本较高。(4)渐变槽线：两个线极化单元L形组合为双极化天线，两个极化的相位中心不重合。

因此，现有技术亟待解决问题是：微带线馈电偶极子交叉极化电平高、带状线偶极子成本高的问题。

发明内容

为此，本发明提出了一种基于带状线结构的十字交叉双极化天线，解决现有的微带结构的十字交叉双极化偶极子天线结构易变形、隔离度差；带状线偶极子天线层压成本高等问题。

本发明的一种基于带状线结构的十字交叉双极化天线，包括金属反射板(1)、金属偶极子(5)、介质垫片(6)、微带线偶极子(7)、金属螺钉(8)、同轴连接器(9)。

所述微带线偶极子(7)两面分别为馈电巴伦(10)和容性槽(11)，微带线偶极子(7)、介质垫片(6)和金属偶极子(5)通过金属螺钉(8)连接形成准带状线结构的双层平面巴伦偶极子天线，金属偶极子(5)和微带线偶极子(7)之间为介质垫片(6)支撑的空气介质，偶极子的振子臂与金属振子臂同一侧的槽线与微带线形成带状线馈电巴伦；两个准带状线结构的双层平面巴伦偶极子天线呈“十”字交叉组合形成双极化天线，双极化天线固定于金属反射板(1)上，同轴连接器(9)穿过金属反射板(1)与双极化天线连接；射频信号从同轴连接器(9)馈入，通过馈电巴伦(10)耦合至微带线偶极子(7)和金属偶极子(5)向自由空间辐射。

进一步地，微带线偶极子(7)通过背靠固定金属块(4)固定在金属反射板(1)上，金属偶极子(5)底部折弯部分通过螺钉固定在金属反射板(1)上。

进一步地，还包括天线单元罩(3)，采用SMC先模压出两个半个天线单元罩壳体，固定后在罩内发泡，然后涂胶固定、密封形成天线罩结构。

进一步地，在金属反射板(1)上，沿金属偶极子(5)和微带线偶极子(7)的振子臂方向设置金属隔离柱(2)。

进一步地，金属偶极子(5)和微带线偶极子(7)的振子臂为斜下形式。

本发明的有益效果在于

本发明具有结构稳定、隔离度高、结构简单紧凑、低成本、低交叉极化等优点，适合用于组成大型高性能相控阵天线。

1.结构稳定：金属偶极子、微带馈电巴伦和金属反射板两两之间通过结构件固定，具有较高的结构稳定性，改善了基于微带线结构的偶极子天线易变性的问题。

2.隔离度高：对两个极化的馈电端口进行屏蔽设计，避免了单元端口间串扰，提高了极化隔离度，保证两个极化端口的隔离度在30dB以上，优于微带贴片类型天线和基于微带线结构的偶极子天线。

3.成本方面，免印制板层压工艺，降低了天线加工成本。

4.模块化设计：单元既可用于矩形栅格组阵，亦可用于三角栅格组阵的相控阵天线设计，且由于十字交叉形式，保证了两个极化辐射的相位中心重合。

5.防护设计：除了具有防潮、防尘、密封等工艺性能要求外，天线单元罩拼接成整罩对十字交叉单元进行防护。

6.宽角扫描特性：结合金属隔离柱并优化带状线偶极子臂下倾角，可在16％相对带宽内实现±45°空域覆盖。

附图说明

图1是本发明立体结构示意图。

图2是本发明去除单元保护罩后的立体结构示意图。

图3是本发明单个极化偶极子结构组成图。

图4是本发明“十”字交叉带状线偶极子的结构示意图。

图5是本发明“十”字交叉微带线偶极子固定的结构示意图。

图6是本发明“十”字交叉的金属偶极子固定的结构示意图。

图7是本发明同轴馈电的结构示意图。

图8是本发明的4×4模块化立体结构示意图

图9为本发明实施例1中的天线水平极化端口方位扫描有源驻波曲线。

图10为本发明实施例1中的天线水平极化端口俯仰扫描有源驻波曲线。

图11为本发明实施例1中的天线垂直极化端口方位扫描有源驻波曲线。

图12为本发明实施例1中的天线垂直极化端口俯仰扫描有源驻波曲线。

图13为本发明实施例1中的天线两个端口的方位扫描极化隔离度曲线。

图14为本发明实施例1中的天线两个端口的俯仰扫描极化隔离度曲线。

图15为本发明实施例1中的天线两个端口的交叉极化曲线。

图中：1.金属反射板 2.金属隔离柱 3.天线单元罩 4.固定金属块 5.金属偶极子6.介质垫片 7.微带线偶极子 8.金属螺钉 9.同轴连接器 10.巴伦 11.容性槽

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图8所示，本发明一种基于带状线结构的十字交叉双极化天线，天线单元由金属反射板1、金属隔离柱2、天线单元罩3、金属偶极子5、介质垫片6、微带线偶极子7、同轴连接器9等组成。

微带线偶极子7两面分别为馈电巴伦10和容性槽11，微带线偶极子7、介质垫片6和金属偶极子5通过金属螺钉连接形成准带状线结构的双层平面巴伦偶极子天线，作为同轴线到偶极子两辐射臂的不平衡-平衡转换器，偶极子的振子臂与金属振子臂同一侧的槽线与微带线形成带状线馈电巴伦，可使正交方向的交叉极化的电场分量互相抵消；其中金属螺钉起电磁屏蔽作用，可将微带线偶极子和金属偶极子良好共地；两个准带状线结构的偶极子天线呈“十”字交叉组合形成双极化天线，该设计不仅有印制板带状线“十”字交叉偶极子低交叉极化、低极化隔离度的优点，而且通过金属螺钉连接免去双层印制板层压的成本。射频信号从同轴连接器9馈入，通过微带巴伦10耦合至微带线偶极子7和金属偶极子5向自由空间辐射。

金属反射板1可以使天线能量向上半空域辐射，减小向下辐射，从而提高天线增益。本发明中微带线偶极子7背靠固定金属块4固定在金属反射板1上。金属偶极子5底部折弯部分通过金属螺钉固定金属反射板1上，微带线偶极子7、金属偶极子5与金属反射板1通过两两物理互联以保证偶极子天线良好的接地特性，较好地改善天线的辐射性能，提高辐射效率。

天线单元罩3采用SMC(片状模塑料)技术先模压出两个半个天线单元罩壳体，用工装和单元固定后，在罩内发泡，然后涂胶固定、密封形成天线罩结构。

为满足天线宽角扫描性能，利用电磁场数值算法结合仿真技术，通过优化设计与性能比对来达到改善天线辐射特性及S参数的目的。在设计阶段，可调节的参数如下：天线的馈电巴伦尺寸，容性槽的宽度及深度，偶极子的高度、宽度、及下倾角度。通过这些参数的优化，最终实现基于带状线结构的十字交叉双极化天线性能要求。

下面给出依照上述设计和装配固定方法以及尺寸要求范围的具体实施例。

1)本实施例的一种基于带状线结构的十字交叉双极化天线，天线单元矩形排布，单元方位和俯仰间距分别为120mm×120mm，方位和俯仰向相邻单元共用一个匹配柱。子阵规模为4×4，如图8所示。金属偶极子和微带偶极子均高60mm，宽100mm，下倾55度。微带偶极子厚度1.016mm，介电常数2.2；金属偶极子厚度2mm；微带偶极子与金属偶极子之间的空气层厚度1.5mm。微带线偶极子上的巴伦一端与射频连接器互联，另一端呈开路状态，开路枝节长度为33mm。沿着振子臂方向加竖直的金属隔离柱，柱体直径6mm，高28mm。

2)天线实现的主要性能指标为：

◆驻波≤3；

◆扫描范围：±45°；

◆极化隔离度：＜-25dB；

◆交叉极化：＜-30dB；

图9、10、11、12给出了所设计的双极化相控阵单元两个极化方位和俯仰扫描随频率变化的有源驻波曲线，两个极化端口在方位俯仰二维±40°扫描空域内端口有源驻波2.5以内；两个极化端口在方位俯仰二维±45°扫描空域内端口有源驻波3以内。

图13、14给出了所设计的双极化相控阵单元两个极化方位和俯仰扫描随频率变化的极化隔离度曲线，两个极化端口在方位俯仰二维±45°扫描空域内端口极化隔离度小于-25dB。

图15给出了所设计的双极化相控阵单元方位和俯仰扫描随频率变化的交叉极化曲线，在方位俯仰二维±45°扫描空域内交叉极化小于-30dB，优于微带线偶极子双极化相控阵天线的交叉极化特性。

本发明不局限于上述具体的实施方式，本发明可以有各种更改和变化。凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。