CN119275560B - 一种基于介质重塑的宽带宽角扫描相控阵天线单元及天线 - Google Patents
一种基于介质重塑的宽带宽角扫描相控阵天线单元及天线 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于介质重塑的宽带宽角扫描相控阵天线单元及天线，属于天线工程技术领域，包括依次层叠设置的金属地板、介质层、微带层、介质加载层、寄生层、空气槽、金属柱、金属壁、凹形金属挡板和同轴馈电，所述凹形金属挡板与金属地板连接，所述微带层印刷有矩形微带，所述矩形微带与同轴馈电连接形成L型馈电，所述矩形微带的两侧均印刷有矩形电偶极子，矩形电偶极子的一端通过金属柱与金属地板连接，矩形电偶极子的另一端与金属壁连接，所述金属壁的长度与矩形电偶极子的长边相等，金属壁的长度方向与矩形微带的长边相互平行。本发明相控阵天线具有低剖面、宽带、宽角扫描阻抗匹配和稳定辐射特性。
Description
技术领域
本发明涉及到天线工程技术领域，尤其涉及一种基于介质重塑的宽带宽角扫描相控阵天线单元及天线。
背景技术
随着现代无线通信技术的发展，相控阵天线由于具有高增益、低副瓣及波束扫描的优势，因此被广泛应用于无线通信系统之中。然而，传统的相控阵天线存在带宽窄、宽角扫描阻抗失配或波束扫描范围窄的缺点。
公开号为CN117977197A，公开日为2024年05月03日的中国专利文献公开了一种超宽带超宽角扫描的低剖面相控阵天线，由若干天线单元周期排列构成；其特征在于，所述天线单元，包括从上至下依次设置的横向介质板、纵向介质板、横向金属地板以及标SMA连接器；
所述横向介质板的上表面设置有周期排布的金属贴片单元，构成电磁超表面；
所述纵向介质板的正面设置有第一金属层，背面设置有第二金属层；
所述第一金属层，包括L形微带馈线、扇形开路贴片、两个矩形耦合金属片；所述L形微带馈线的一端连接SMA连接器，另一端连接扇形开路贴片；所述扇形开路贴片将能量耦合至背面的渐变槽线中；
所述第二金属层为左右镜像对称结构，包括金属地部分、偶极子部分；所述金属地部分设置有圆形槽，相邻天线单元中的金属地部分相互连接；所述偶极子部分由两个偶极子臂以及位于两个偶极子臂之间的渐变槽线构成；所述偶极子臂起始端的外侧边界线为渐变形式，使得偶极子臂起始端构成渐变过渡结构，且相邻天线单元的偶极子臂之间设置有线性缝隙；所述线性缝隙内设置有连接两侧偶极子臂的矩形金属连接贴片。
该专利文献公开的超宽带超宽角扫描的低剖面相控阵天线，通过在天线单元之间加载矩形金属连接贴片，利用天线单元之间的强耦合作用并改善了天线单元之间的电流连续性，并于顶端加载电磁超表面，实现了紧耦合相控阵的宽角扫描。天线拥有78%的阻抗带宽，二维扫描角度覆盖±70°。
但是，由于天线单元圆形槽和渐变槽线的结构设计和顶端电磁超表面加载导致其剖面高度高达0.22λ，天线低剖面性欠佳。
发明内容
本发明为了克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于介质重塑的宽带宽角扫描相控阵天线单元及天线，本发明相控阵天线具有低剖面、宽带、宽角扫描阻抗匹配和稳定辐射特性。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于介质重塑的宽带宽角扫描相控阵天线单元，包括依次层叠设置的金属地板、介质层、微带层、介质加载层、寄生层、空气槽、金属柱、金属壁、凹形金属挡板和同轴馈电，所述凹形金属挡板与金属地板连接，所述微带层印刷有矩形微带，所述矩形微带与同轴馈电连接形成L 型馈电，所述矩形微带的两侧均印刷有矩形电偶极子，所述矩形电偶极子的一端通过金属柱与金属地板连接，矩形电偶极子的另一端与金属壁连接，所述金属壁的长度与矩形电偶极子的长边相等，金属壁的长度方向与矩形微带的长边相互平行。
所述介质加载层覆盖在微带层上方，介质加载层的长度方向与介质层的长度方向相同。
所述寄生层包括一个长矩形贴片和四个矩形贴片，长矩形贴片与矩形微带等宽，长矩形贴片于微带层的投影和矩形微带平行并部分重合。
所述矩形贴片的长度方向和矩形电偶极子的长度方向相同，矩形贴片的宽度方向和矩形电偶极子的宽度方向相同，矩形贴片于微带层的投影和矩形电偶极子部分重合。
所述空气槽包括圆柱形槽和凹形槽，圆柱形槽由微带层向金属地板延伸。
所述凹形槽由微带层向金属地板延伸，凹形槽的长度方向与介质加载层的长度方向相同。
所述凹形金属挡板上开有小槽，小槽位于凹形金属挡板的中心处。
一种基于介质重塑的宽带宽角扫描相控阵天线，包括64个相控阵天线单元，64个相控阵天线单元按8×8布置，任意两个相邻相控阵天线单元之间的间距为12.5mm，相控阵天线的剖面厚度为3.9mm。
本发明的有益效果主要表现在以下方面：
1、本发明，较现有技术而言，相控阵天线具有低剖面、宽带、宽角扫描阻抗匹配和稳定辐射特性。
2、本发明，介质加载层覆盖在微带层上方，介质加载层的长度方向与介质层的长度方向相同，介质加载层等效成一个并联容性电纳，能够抵消相控阵天线扫描本身引起的电纳变化，并且相较于完全覆盖相控阵天线的介质加载层而言，不影响矩形电偶极子边缘辐射性能，还能够减小阵列的后向辐射，利用介质加载层消除一部分地板短路的影响，拓宽相控阵的带宽，实现宽角阻抗匹配和宽带特性。
3、本发明，寄生层包括一个长矩形贴片和四个矩形贴片，长矩形贴片与矩形微带等宽，长矩形贴片于微带层的投影和矩形微带平行并部分重合，四个矩形贴片与微带层的矩形电偶极子耦合，能够增强顶端辐射，减小后向辐射，从而拓宽波束和带宽，实现宽带宽角扫描；长矩形贴片与微带层的矩形微带馈线耦合，通过改变矩形微带馈线和矩形电偶极子边缘电流强度，削弱矩形电偶极子靠近矩形微带馈线边缘的电场对冲，加强矩形电偶极子辐射边辐射性能，抵消阵列扫描下矩形微带馈线处带来的电纳变化，实现宽角阻抗匹配及宽带宽角扫描特性。
4、本发明，通过金属柱将矩形电偶极子和金属地板连接，形成磁偶极子，并且金属柱和矩形电偶极子之间相互垂直，使得矩形电偶极子和磁偶极子通过电磁偶极子互补原理使方位面和俯仰面的波束展宽并等化。
5、本发明，通过设置凹形金属挡板，能够削弱单元之间的空间波和表面波耦合，并且凹形金属挡板会引入垂直电流，使得顶端辐射波束宽度通过方向图叠加再次展宽，实现相控阵宽角扫描。
6、本发明，空气槽包括圆柱形槽和凹形槽，圆柱形槽由微带层向金属地板延伸，圆柱形槽通过加载在阵中方位面单元与单元间距中心位置，重塑了方位面的介质结构，使天线单元矩形贴片方位面边缘电流均匀分布，波束形状保持稳定，实现相控阵宽角扫描。
7、本发明，凹形槽由微带层向金属地板延伸，凹形槽的长度方向与介质加载层的长度方向相同，凹形槽加载在阵中俯仰面单元与单元间距中心位置, 介质层方形结构通过俯仰面的方形槽重塑结构后，单元阵间距中心开槽能够削弱单元之间的表面波直接耦合，拓宽频带，底部的凹陷结构能减小阵间凹形金属挡板两端的介质对凹形金属挡板电流强度和分布的影响，使电流强度和分布更加均匀。
8、本发明，凹形金属挡板上开有小槽，小槽位于凹形金属挡板的中心处，通过在凹形金属挡板的中心处设置小槽，能够消除凹形金属挡板中间的强耦合电流，提高隔离和拓宽频带，实现阵列宽角阻抗匹配和宽带特性。
9、本发明，相较于公开号为CN117977197A，公开日为2024年05月03日的中国专利文献而言，电磁偶极子在二维方向上具有高度等化的波束方向图，在阵列扫描时二维的扫描特性具有较好的一致性。
10、本发明，相较于紧耦合相控阵而言，通过削弱单元间的耦合影响，并改善单元自身电流分布，实现宽带宽角扫描特性，并通过采用电磁偶极子，使得二维波束具有高度等化特性，阵列二维扫描时能够达到较高的波束一致性以及较低的剖面高度，仅为0.096λ。
11、本发明，相较于紧耦合相控阵通过圆形槽和渐变槽线以及电磁超材料加载而言，采用的电磁偶极子，使得剖面高度更低。
附图说明
下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的具体说明，其中：
图1为本发明相控阵天线单元的结构示意图；
图2为本发明相控阵天线单元的俯视图；
图3为本发明相控阵天线的结构示意图；
图4为本发明相控阵天线的俯视图；
图5 为对相控阵天线仿真得到的有源驻波随工作频率变化的曲线图；
图6 为本发明相控阵天线在俯仰面扫描的辐射方向图；
图7为本发明相控阵天线在方位面扫描的辐射方向图。
图中标记：1、金属地板，2、介质层，3、微带层，4、介质加载层，5、寄生层，6、空气槽，7、金属柱，8、金属壁，9、凹形金属挡板，10、同轴馈电，11、矩形微带，12、矩形电偶极子，13、长矩形贴片，14、矩形贴片，15、圆柱形槽，16、凹形槽，17、小槽。
具体实施方式
实施例1
参见图1和图2，一种基于介质重塑的宽带宽角扫描相控阵天线单元，包括依次层叠设置的金属地板1、介质层2、微带层3、介质加载层4、寄生层5、空气槽6、金属柱7、金属壁8、凹形金属挡板9和同轴馈电10，所述凹形金属挡板9与金属地板1连接，所述微带层3印刷有矩形微带11，所述矩形微带11与同轴馈电10连接形成L 型馈电，所述矩形微带11的两侧均印刷有矩形电偶极子12，所述矩形电偶极子12的一端通过金属柱7与金属地板1连接，矩形电偶极子12的另一端与金属壁8连接，所述金属壁8的长度与矩形电偶极子12的长边相等，金属壁8的长度方向与矩形微带11的长边相互平行。
本实施例为最基本的实施方式，较现有技术而言，相控阵天线具有低剖面、宽带、宽角扫描阻抗匹配和稳定辐射特性。
实施例2
参见图1和图2，一种基于介质重塑的宽带宽角扫描相控阵天线单元，包括依次层叠设置的金属地板1、介质层2、微带层3、介质加载层4、寄生层5、空气槽6、金属柱7、金属壁8、凹形金属挡板9和同轴馈电10，所述凹形金属挡板9与金属地板1连接，所述微带层3印刷有矩形微带11，所述矩形微带11与同轴馈电10连接形成L 型馈电，所述矩形微带11的两侧均印刷有矩形电偶极子12，所述矩形电偶极子12的一端通过金属柱7与金属地板1连接，矩形电偶极子12的另一端与金属壁8连接，所述金属壁8的长度与矩形电偶极子12的长边相等，金属壁8的长度方向与矩形微带11的长边相互平行。
优选的，所述介质加载层4覆盖在微带层3上方，介质加载层4的长度方向与介质层2的长度方向相同。
本实施例为一较佳实施方式，介质加载层4覆盖在微带层3上方，介质加载层4的长度方向与介质层2的长度方向相同，介质加载层4等效成一个并联容性电纳，能够抵消相控阵天线扫描本身引起的电纳变化，并且相较于完全覆盖相控阵天线的介质加载层4而言，不影响矩形电偶极子12边缘辐射性能，还能够减小阵列的后向辐射，利用介质加载层4消除一部分地板短路的影响，拓宽相控阵的带宽，实现宽角阻抗匹配和宽带特性。
实施例3
参见图1和图2，一种基于介质重塑的宽带宽角扫描相控阵天线单元，包括依次层叠设置的金属地板1、介质层2、微带层3、介质加载层4、寄生层5、空气槽6、金属柱7、金属壁8、凹形金属挡板9和同轴馈电10，所述凹形金属挡板9与金属地板1连接，所述微带层3印刷有矩形微带11，所述矩形微带11与同轴馈电10连接形成L 型馈电，所述矩形微带11的两侧均印刷有矩形电偶极子12，所述矩形电偶极子12的一端通过金属柱7与金属地板1连接，矩形电偶极子12的另一端与金属壁8连接，所述金属壁8的长度与矩形电偶极子12的长边相等，金属壁8的长度方向与矩形微带11的长边相互平行。
所述介质加载层4覆盖在微带层3上方，介质加载层4的长度方向与介质层2的长度方向相同。
所述寄生层5包括一个长矩形贴片13和四个矩形贴片14，长矩形贴片13与矩形微带11等宽，长矩形贴片13于微带层3的投影和矩形微带11平行并部分重合。
本实施例为又一较佳实施方式，寄生层5包括一个长矩形贴片13和四个矩形贴片14，长矩形贴片13与矩形微带11等宽，长矩形贴片13于微带层3的投影和矩形微带11平行并部分重合，四个矩形贴片14与微带层3的矩形电偶极子12耦合，能够增强顶端辐射，减小后向辐射，从而拓宽波束和带宽，实现宽带宽角扫描；长矩形贴片13与微带层3的矩形微带11馈线耦合，通过改变矩形微带11馈线和矩形电偶极子12边缘电流强度，削弱矩形电偶极子12靠近矩形微带11馈线边缘的电场对冲，加强矩形电偶极子12辐射边辐射性能，抵消阵列扫描下矩形微带11馈线处带来的电纳变化，实现宽角阻抗匹配及宽带宽角扫描特性。
实施例4
参见图1和图2，一种基于介质重塑的宽带宽角扫描相控阵天线单元，包括依次层叠设置的金属地板1、介质层2、微带层3、介质加载层4、寄生层5、空气槽6、金属柱7、金属壁8、凹形金属挡板9和同轴馈电10，所述凹形金属挡板9与金属地板1连接，所述微带层3印刷有矩形微带11，所述矩形微带11与同轴馈电10连接形成L 型馈电，所述矩形微带11的两侧均印刷有矩形电偶极子12，所述矩形电偶极子12的一端通过金属柱7与金属地板1连接，矩形电偶极子12的另一端与金属壁8连接，所述金属壁8的长度与矩形电偶极子12的长边相等，金属壁8的长度方向与矩形微带11的长边相互平行。
所述介质加载层4覆盖在微带层3上方，介质加载层4的长度方向与介质层2的长度方向相同。
所述寄生层5包括一个长矩形贴片13和四个矩形贴片14，长矩形贴片13与矩形微带11等宽，长矩形贴片13于微带层3的投影和矩形微带11平行并部分重合。
进一步优选的，所述矩形贴片14的长度方向和矩形电偶极子12的长度方向相同，矩形贴片14的宽度方向和矩形电偶极子12的宽度方向相同，矩形贴片14于微带层3的投影和矩形电偶极子12部分重合。
所述空气槽6包括圆柱形槽15和凹形槽16，圆柱形槽15由微带层3向金属地板1延伸。
所述凹形槽16由微带层3向金属地板1延伸，凹形槽16的长度方向与介质加载层4的长度方向相同。
本实施例为又一较佳实施方式，通过金属柱7将矩形电偶极子12和金属地板1连接，形成磁偶极子，并且金属柱7和矩形电偶极子12之间相互垂直，使得矩形电偶极子12和磁偶极子通过电磁偶极子互补原理使方位面和俯仰面的波束展宽并等化。
通过设置凹形金属挡板9，能够削弱单元之间的空间波和表面波耦合，并且凹形金属挡板9会引入垂直电流，使得顶端辐射波束宽度通过方向图叠加再次展宽，实现相控阵宽角扫描。
空气槽6包括圆柱形槽15和凹形槽16，圆柱形槽15由微带层3向金属地板1延伸，圆柱形槽15通过加载在阵中方位面单元与单元间距中心位置，重塑了方位面的介质结构，使天线单元矩形贴片14方位面边缘电流均匀分布，波束形状保持稳定，实现相控阵宽角扫描。
凹形槽16由微带层3向金属地板1延伸，凹形槽16的长度方向与介质加载层4的长度方向相同，凹形槽16加载在阵中俯仰面单元与单元间距中心位置, 介质层2方形结构通过俯仰面的方形槽重塑结构后，单元阵间距中心开槽能够削弱单元之间的表面波直接耦合，拓宽频带，底部的凹陷结构能减小阵间凹形金属挡板9两端的介质对凹形金属挡板9电流强度和分布的影响，使电流强度和分布更加均匀。
实施例5
参见图1和图2，一种基于介质重塑的宽带宽角扫描相控阵天线单元，包括依次层叠设置的金属地板1、介质层2、微带层3、介质加载层4、寄生层5、空气槽6、金属柱7、金属壁8、凹形金属挡板9和同轴馈电10，所述凹形金属挡板9与金属地板1连接，所述微带层3印刷有矩形微带11，所述矩形微带11与同轴馈电10连接形成L 型馈电，所述矩形微带11的两侧均印刷有矩形电偶极子12，所述矩形电偶极子12的一端通过金属柱7与金属地板1连接，矩形电偶极子12的另一端与金属壁8连接，所述金属壁8的长度与矩形电偶极子12的长边相等，金属壁8的长度方向与矩形微带11的长边相互平行。
所述介质加载层4覆盖在微带层3上方，介质加载层4的长度方向与介质层2的长度方向相同。
所述寄生层5包括一个长矩形贴片13和四个矩形贴片14，长矩形贴片13与矩形微带11等宽，长矩形贴片13于微带层3的投影和矩形微带11平行并部分重合。
所述矩形贴片14的长度方向和矩形电偶极子12的长度方向相同，矩形贴片14的宽度方向和矩形电偶极子12的宽度方向相同，矩形贴片14于微带层3的投影和矩形电偶极子12部分重合。
所述空气槽6包括圆柱形槽15和凹形槽16，圆柱形槽15由微带层3向金属地板1延伸。
所述凹形槽16由微带层3向金属地板1延伸，凹形槽16的长度方向与介质加载层4的长度方向相同。
所述凹形金属挡板9上开有小槽17，小槽17位于凹形金属挡板9的中心处。
本实施例为又一较佳实施方式，凹形金属挡板9上开有小槽17，小槽17位于凹形金属挡板9的中心处，通过在凹形金属挡板9的中心处设置小槽17，能够消除凹形金属挡板9中间的强耦合电流，提高隔离和拓宽频带，实现阵列宽角阻抗匹配和宽带特性。
实施例6
参见图1-图4，一种基于介质重塑的宽带宽角扫描相控阵天线，包括64个相控阵天线单元，64个相控阵天线单元按8×8布置，任意两个相邻相控阵天线单元之间的间距为12.5mm，相控阵天线的剖面厚度为3.9mm。
本实施例为最佳实施方式，相较于公开号为CN117977197A，公开日为2024年05月03日的中国专利文献而言，电磁偶极子在二维方向上具有高度等化的波束方向图，在阵列扫描时二维的扫描特性具有较好的一致性。
相较于紧耦合相控阵而言，通过削弱单元间的耦合影响，并改善单元自身电流分布，实现宽带宽角扫描特性，并通过采用电磁偶极子，使得二维波束具有高度等化特性，阵列二维扫描时能够达到较高的波束一致性以及较低的剖面高度，仅为0.096λ。
相较于紧耦合相控阵通过圆形槽和渐变槽线以及电磁超材料加载而言，采用的电磁偶极子，使得剖面高度更低。
减小阵中单元间的耦合具体过程如下：
通过加载金属壁8延伸矩形电偶极子12长度，缩小辐射矩形贴片14之间的距离，减小了辐射矩形贴片14间的空间波耦合，通过在单元间加载凹形金属挡板9，削弱单元间的空间波和表面波耦合，并通过凹形金属挡板9中心的小槽17消除凹形金属挡板9中间的强耦合电流，能够提高隔离和拓宽频带，实现阵列宽角阻抗匹配和宽带特性。
圆柱形槽15通过加载在阵中方位面单元与单元间距中心位置，重塑了方位面的介质结构，使天线单元矩形贴片14方位面边缘电流均匀分布，波束形状保持稳定，实现相控阵宽角扫描。凹形槽16由微带层3向金属地板1延伸，凹形槽16的长度方向与介质加载层4的长度方向相同，凹形槽16加载在阵中俯仰面单元与单元间距中心位置, 介质层2方形结构通过俯仰面的方形槽重塑结构后，单元阵间距中心开槽能够削弱单元之间的表面波直接耦合，拓宽频带，底部的凹陷结构能减小阵间凹形金属挡板9两端的介质对凹形金属挡板9电流强度和分布的影响，使电流强度和分布更加均匀。通过重塑介质层2的结构实现了宽角阻抗匹配。
利用仿真软件和测试方法对相控阵天线的有源驻波、天线方向图进行仿真和测试，测试结果参见图5-图7；
从图5 中可以看出，仿真结果中相控阵天线在8-12Ghz 工作频段内，其法向以及方位面的方位角、俯仰面的俯仰角扫描到60°时的有源驻波皆在2.5 以下，表现出良好的宽带及宽角阻抗匹配特性。
从图6 和图7 中可以看出，俯仰面和方位面扫描到±60°时的增益仅下降3dB，具有良好的二维宽角扫描特性。
Claims (7)
1.一种基于介质重塑的宽带宽角扫描相控阵天线单元，包括依次层叠设置的金属地板（1）、介质层（2）、微带层（3）、介质加载层（4）和寄生层（5），其特征在于：还包括空气槽（6）、金属柱（7）、金属壁（8）、凹形金属挡板（9）和同轴馈电（10），所述凹形金属挡板（9）与金属地板（1）连接，所述微带层（3）印刷有矩形微带（11），所述矩形微带（11）与同轴馈电（10）连接形成L 型馈电，所述矩形微带（11）的两侧均印刷有矩形电偶极子（12），所述矩形电偶极子（12）的一端通过金属柱（7）与金属地板（1）连接，矩形电偶极子（12）的另一端与金属壁（8）连接，所述金属壁（8）的长度与矩形电偶极子（12）的长边相等，金属壁（8）的长度方向与矩形微带（11）的长边相互平行；
所述介质加载层（4）覆盖在微带层（3）上方，介质加载层（4）的长度方向与介质层（2）的长度方向相同。
2.根据权利要求1所述的一种基于介质重塑的宽带宽角扫描相控阵天线单元，其特征在于：所述寄生层（5）包括一个长矩形贴片（13）和四个矩形贴片（14），长矩形贴片（13）与矩形微带（11）等宽，长矩形贴片（13）于微带层（3）的投影和矩形微带（11）平行并部分重合。
3.根据权利要求2所述的一种基于介质重塑的宽带宽角扫描相控阵天线单元，其特征在于：所述矩形贴片（14）的长度方向和矩形电偶极子（12）的长度方向相同，矩形贴片（14）的宽度方向和矩形电偶极子（12）的宽度方向相同，矩形贴片（14）于微带层（3）的投影和矩形电偶极子（12）部分重合。
4.根据权利要求1所述的一种基于介质重塑的宽带宽角扫描相控阵天线单元，其特征在于：所述空气槽（6）包括圆柱形槽（15）和凹形槽（16），圆柱形槽（15）由微带层（3）向金属地板（1）延伸。
5.根据权利要求4所述的一种基于介质重塑的宽带宽角扫描相控阵天线单元，其特征在于：所述凹形槽（16）由微带层（3）向金属地板（1）延伸，凹形槽（16）的长度方向与介质加载层（4）的长度方向相同。
6.根据权利要求1所述的一种基于介质重塑的宽带宽角扫描相控阵天线单元，其特征在于：所述凹形金属挡板（9）上开有小槽（17），小槽（17）位于凹形金属挡板（9）的中心处。
7.一种基于介质重塑的宽带宽角扫描相控阵天线，采用如权利要求1所述的相控阵天线单元，其特征在于：包括64个相控阵天线单元，64个相控阵天线单元按8×8布置，任意两个相邻相控阵天线单元之间的间距为12.5mm，相控阵天线的剖面厚度为3.9mm。
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