專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于強(qiáng)互耦效應(yīng)的八角環(huán)平面雙極化寬帶相控陣天線(xiàn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域，它特別涉及超寬帶寬角掃描相控陣天線(xiàn)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
天線(xiàn)系統(tǒng)是發(fā)射和接收電磁能量的設(shè)備，它在衛(wèi)星通訊、遠(yuǎn)程廣播以及軍事通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。而相控陣天線(xiàn)是天線(xiàn)研究領(lǐng)域廣為熟知的天線(xiàn)形式。相控陣天線(xiàn)通常包含眾多幅相可控的天線(xiàn)單元，其輻射方向圖通常由單個(gè)天線(xiàn)單元的輻射特性、天線(xiàn)單元的布陣方式、以及天線(xiàn)單元的激勵(lì)幅相分布確定。典型的相控陣天線(xiàn)單元通常包括偶極子天線(xiàn)、開(kāi)槽單元以及其他具有定向輻射特性的天線(xiàn)單元形式。而現(xiàn)代無(wú)線(xiàn)電子系統(tǒng)對(duì)相控陣天線(xiàn)系統(tǒng)提出的最值得關(guān)注的特性往往體現(xiàn)在低成本、輕量化、低剖面以及可批量生產(chǎn)等方面。而印刷天線(xiàn)是可能滿(mǎn)足上述需求的最佳選擇。近年來(lái)，國(guó)際陣列天線(xiàn)研究領(lǐng)域出現(xiàn)了一些新的特別適合用作寬帶相控陣天線(xiàn)的天線(xiàn)形式。最值得注意的一個(gè)例子便是由Mimk等人在專(zhuān)利號(hào)為09/703，247的專(zhuān)利中報(bào)道的名為“寬帶相控陣及其相關(guān)技術(shù)”(Wideband Phased Array Antenna and Associated Methods)。Mimk披露了一種完全平面化的、具有極寬工作帶寬的天線(xiàn)輻射單元。在該技術(shù)中，為了獲得極寬的工作帶寬，Mimk在相鄰偶極子之間引入了強(qiáng)電容耦合分量，這一強(qiáng)電容耦合分量剛好補(bǔ)償了緊密排列偶極子單元固有的電感分量，因此當(dāng)相控陣天線(xiàn)的工作頻率發(fā)生變化時(shí)，天線(xiàn)單元的輸入阻抗及輻射特性隨頻率具有緩變特性，數(shù)值仿真結(jié)果表明，該相控陣天線(xiàn)具有91工作帶寬的超寬帶特性。然而，由于這種強(qiáng)電容耦合偶極子天線(xiàn)單元固有的結(jié)構(gòu)和形狀特點(diǎn)，在將此類(lèi)單一極化直線(xiàn)陣列天線(xiàn)設(shè)計(jì)思想拓展至平面雙極化陣列天線(xiàn)時(shí)，往往在以下方面出現(xiàn)困難: (I)Mimk等人的強(qiáng)電容耦合偶極子相控陣需要使用兩層以上的微波介質(zhì)板材，并且往往要求充當(dāng)寬角掃描阻抗匹配層的介質(zhì)板材具有與工作波長(zhǎng)成正比的厚度，因此該實(shí)現(xiàn)方案不便于今后進(jìn)一步的復(fù)雜平臺(tái)載體上共形寬帶相控陣天線(xiàn)設(shè)計(jì)；0)Mimk等人的強(qiáng)電容耦合偶極子相控陣要求多層微波介質(zhì)板材之間完全無(wú)縫平整放置，這在實(shí)際中也很難做到，而由此造成的介質(zhì)板材之間的空氣縫隙又往往會(huì)惡化陣元的端口匹配特性；(3)Mimk等人的強(qiáng)電容耦合偶極子相控陣使用大量介質(zhì)板材存在介質(zhì)損耗，會(huì)導(dǎo)致增益下降；(4)Mimk等人的強(qiáng)電容耦合偶極子相控陣單元形式以及陣元間耦合方式給平面雙極化陣列天線(xiàn)的饋電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)帶來(lái)很大困難。事實(shí)上，B. Mimk研究小組也正在為此問(wèn)題煞費(fèi)苦心。他們采用同軸線(xiàn)饋電節(jié)-平衡電橋的方案實(shí)現(xiàn)雙極化超寬帶相控陣。但這種方案的一個(gè)致命缺點(diǎn)是超寬帶平衡電橋體積很大，因而難以滿(mǎn)足這種緊密排列偶極子相控陣天線(xiàn)的小型化設(shè)計(jì)要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明鑒于上述技術(shù)背景而實(shí)現(xiàn)，目的在于提供一種無(wú)需使用多層介質(zhì)層，又易于實(shí)現(xiàn)平面雙極化陣列的超寬帶相控陣天線(xiàn)。其工作機(jī)理與Mimk等人的基于強(qiáng)互耦效應(yīng)的寬帶偶極子相控陣天線(xiàn)如出一轍，它是Wheeler理想陣列天線(xiàn)的另一種實(shí)現(xiàn)方式，但可以全面解決背景技術(shù)中提到的各項(xiàng)技術(shù)難題。包括但不僅限于上述設(shè)計(jì)目的、特征以及優(yōu)勢(shì)的平面雙極化超寬帶相控陣天線(xiàn)包括一組印刷在厚度可以忽略不計(jì)的超薄介質(zhì)層(厚度0. 04mm，相對(duì)介電常數(shù)ε r = 2. 2)上的由八角環(huán)單元組成的陣列，一組印刷在上述超薄介質(zhì)層上的由八角環(huán)單元陣列構(gòu)成的金屬-介質(zhì)復(fù)合媒質(zhì)以及一組分別對(duì)兩個(gè)極化進(jìn)行饋電的不平衡-平衡阻抗變換結(jié)構(gòu)。上述八角環(huán)陣列相鄰單元之間分別包含一組饋電端口、一組由八角環(huán)單元末端延長(zhǎng)了的具有強(qiáng)電容效應(yīng)的交指電容，上述八角環(huán)陣列放置于反射地板上方四分之一波長(zhǎng)處，地板與八角環(huán)陣列之間、八角環(huán)陣列與金屬-介質(zhì)復(fù)合媒質(zhì)之間完全由泡沫聚苯乙烯材料填充，為整個(gè)相控陣天線(xiàn)起到結(jié)構(gòu)支撐作用。該陣列具有的獨(dú)特的多軸對(duì)稱(chēng)八角環(huán)天線(xiàn)單元一方面可以很好地在兩個(gè)軸線(xiàn)方向上提供分別提供單一極化，滿(mǎn)足雙極化輻射特性要求；另一方面，這一獨(dú)特的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)還將兩個(gè)極化方向上的饋電結(jié)構(gòu)在空間上進(jìn)行分離，方便不平衡-平衡阻抗變換結(jié)構(gòu)的獨(dú)立安裝。本發(fā)明所述的金屬-介質(zhì)復(fù)合媒質(zhì)是由末端相互獨(dú)立(單元間無(wú)任何連接結(jié)構(gòu))的八角環(huán)單元組成的陣列，該結(jié)構(gòu)可以在相控陣天線(xiàn)的工作帶寬內(nèi)極大地提高天線(xiàn)端口的匹配特性。這主要得意于金屬-介質(zhì)復(fù)合媒質(zhì)與八角環(huán)天線(xiàn)單元之間的近場(chǎng)耦合效應(yīng)提高了陣列單元之間的強(qiáng)電容耦合效應(yīng)。顯然，天線(xiàn)阻抗匹配特性的改善直接降低了天線(xiàn)的駐波系數(shù)，從而提升了天線(xiàn)的增益特性。


在附圖中，相同的參考標(biāo)記通常指示相同的、功能相似的和/或結(jié)構(gòu)相似的元件。 在附圖中，凡有下標(biāo)的的參考標(biāo)記表示該元件是其對(duì)應(yīng)的獨(dú)立無(wú)下標(biāo)參考標(biāo)記的子元件。 本發(fā)明將按參考附圖逐一對(duì)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、功能特性進(jìn)行詳細(xì)描述，其中圖1是一個(gè)陣面周?chē)袉≡?6單元的基于強(qiáng)互耦效應(yīng)的八角環(huán)平面雙極化寬帶相控陣天線(xiàn)的立體圖。其中，101是構(gòu)成金屬-介質(zhì)復(fù)合媒質(zhì)的呈周期性排列的八角環(huán)單元，本發(fā)明將該結(jié)構(gòu)稱(chēng)為引向單元層；102是單元間加強(qiáng)了電容耦合效應(yīng)的八角環(huán)天線(xiàn)單元，本發(fā)明將該結(jié)構(gòu)稱(chēng)為輻射單元層，該類(lèi)結(jié)構(gòu)又分為兩類(lèi)位于陣面中心的有效饋電單元10 和位于陣面邊緣的啞元10 ；103與105分別是天線(xiàn)級(jí)與饋線(xiàn)級(jí)的反射地；104是不平衡-平衡阻抗變換結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)又稱(chēng)饋電巴倫；106是對(duì)饋電巴倫104進(jìn)行饋電的微波同軸電纜；107是對(duì)整個(gè)相控陣天線(xiàn)系統(tǒng)起結(jié)構(gòu)支撐作用的聚苯乙烯泡沫填充材料。101與102均印制在厚度可以忽略不計(jì)的超薄介質(zhì)層上(厚度0. 04mm，相對(duì)介電常數(shù)ε r = 2. 2)。圖2是圖1中一個(gè)周期單元的結(jié)構(gòu)圖，每一個(gè)這樣的周期單元均包含一個(gè)引向單元101，一個(gè)八角環(huán)天線(xiàn)單元102，天線(xiàn)級(jí)反射地103，饋線(xiàn)級(jí)反射地105，兩組分別對(duì)兩個(gè)極化方向進(jìn)行有效饋電的不平衡-平衡阻抗變換結(jié)構(gòu)104，兩根對(duì)饋電巴倫104進(jìn)行饋電的微波同軸電纜106，以及起結(jié)構(gòu)支撐作用的聚苯乙烯泡沫填充材料107.圖3是一個(gè)構(gòu)成金屬-介質(zhì)復(fù)合媒質(zhì)的八角環(huán)單元，圖1與圖2所述的引向單元層包含一系列呈周期性排列的該種結(jié)構(gòu)。圖4是一個(gè)構(gòu)成圖1中有效饋電單元或啞元的八角環(huán)輻射天線(xiàn)單元，其中10 是為了增強(qiáng)相鄰八角環(huán)輻射單元間電容耦合效應(yīng)的交指電容，它由天線(xiàn)單元末端向相鄰單元方向延伸，并與相鄰單元的延伸端共同構(gòu)成。10 是有效饋電單元的饋電端口，它同時(shí)又是現(xiàn)元端接110歐姆負(fù)載電阻的端口。圖1中的輻射單元層包含一系列呈周期性排列的該種結(jié)構(gòu)。圖5是兩組分別對(duì)兩個(gè)極化方向進(jìn)行有效饋電的不平衡-平衡阻抗變換結(jié)構(gòu)104 的爆炸圖。其中KM1是印制不平衡-平衡阻抗變換帶線(xiàn)的微波介質(zhì)基板，漸變地1043與帶線(xiàn)1042分別印制在微波介質(zhì)基板KM1的兩側(cè)。1044是貼在漸變地1043與帶線(xiàn)1042表面的薄介質(zhì)層，其作用在于保護(hù)不平衡-平衡阻抗變換帶線(xiàn)不受外界損害，同時(shí)避免焊接過(guò)程中任何短路的可能性。圖6(a)與圖6(b)分別是具體實(shí)施例1在非掃描狀態(tài)與45度掃描狀態(tài)下各典型端口的駐波特性?？梢?jiàn)，該實(shí)施例至少具有4. 5 1的工作帶寬。圖7是具體實(shí)施例1在低頻段(3-4GHz)30°掃描狀態(tài)下的輻射方向圖?？梢?jiàn)，按具體實(shí)施1研制的強(qiáng)互耦八角環(huán)寬帶相控陣天線(xiàn)在低頻段具有良好的掃描特性。圖8是具體實(shí)施例1在高頻段(5_8GHz)45°掃描狀態(tài)下的輻射方向圖。可見(jiàn)，按具體實(shí)施1研制的強(qiáng)互耦八角環(huán)寬帶相控陣天線(xiàn)在高頻段具有良好的掃描特性。圖9是具體實(shí)施例2的輻射單元層102，它由圖4中的單個(gè)輻射單元沿二維方向拓展而成。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 基于強(qiáng)互耦效應(yīng)的1 X 16單極化寬帶相控陣天線(xiàn)參照?qǐng)D1與圖2，實(shí)施例一由兩層印刷有八角環(huán)單元的周期結(jié)構(gòu)構(gòu)成，借鑒八木天線(xiàn)的命名規(guī)則，本發(fā)明將單元末端通過(guò)交指電容相連的下層周期結(jié)構(gòu)稱(chēng)為輻射單元層102， 而將位于天線(xiàn)結(jié)構(gòu)頂部互不相連的八角環(huán)單元稱(chēng)為引向單元層101，并將具有此種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的強(qiáng)互耦寬帶相控陣稱(chēng)為基于強(qiáng)電容耦合的八角環(huán)寬帶相控陣天線(xiàn)100。輻射單元層 102與引向單元層101之間完全由聚苯乙烯泡沫107填充，輻射單元層與地板之間也完全由聚苯乙烯泡沫107填充。當(dāng)然，熟知本研究領(lǐng)域的技術(shù)人員可以采用任何可以支撐天線(xiàn)陣列結(jié)構(gòu)的材料來(lái)取代本實(shí)施例采用的聚苯乙烯泡沫107。輻射單元層與地板之間的距離為最高頻處的四分之一波長(zhǎng)，單元間距為最高頻處半個(gè)波長(zhǎng)。這種新型的寬帶相控陣天線(xiàn)結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，無(wú)需像寬帶偶極子相控陣設(shè)計(jì)一樣使用多種不同厚度、不同介電常數(shù)的微波介質(zhì)板材，因此從某種意義上降低了設(shè)計(jì)難度。另外，輻射單元層與引向單元層的工程實(shí)現(xiàn)方式也極為靈活，既可以用很薄的金屬片制作，也可以用厚度極薄的敷銅介質(zhì)材料制作，本實(shí)施例采用后一種方法加工該天線(xiàn)。從另一個(gè)側(cè)面可以看出，這種設(shè)計(jì)方案還特別適合于有輕量化、共形設(shè)計(jì)要求的工程應(yīng)用。圖4表明， 這種天線(xiàn)單元的兩個(gè)極化端口已經(jīng)在一個(gè)周期單元中分離，因此八角環(huán)天線(xiàn)單元本身特別適合用于雙極化平面陣列天線(xiàn)設(shè)計(jì)?；谝陨厦枋龅闹芷趩卧瑢⒃摕o(wú)限大陣列拓展至符合實(shí)際的有限大陣列。為簡(jiǎn)化饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，但同時(shí)又能完整地考察相控陣天線(xiàn)的各項(xiàng)性能，本實(shí)施例考慮用此周期單元組成IX 16直線(xiàn)相控陣。由于八角環(huán)單元本身具有良好的對(duì)稱(chēng)性，并且圖4所示的這種饋電端口排布方式很適合實(shí)現(xiàn)雙極化平面陣列天線(xiàn)，因此在利用這種八角環(huán)天線(xiàn)單元組成線(xiàn)陣時(shí)，其組陣方式極為靈活。本實(shí)施例只對(duì)周期單元的一個(gè)端口饋電，另一個(gè)端口接匹配負(fù)載，使得該直線(xiàn)相控陣天線(xiàn)按圖沿H面組陣。實(shí)施例2 基于強(qiáng)互耦效應(yīng)的MXM雙極化平面寬帶相控陣天線(xiàn)具體地，當(dāng)對(duì)每個(gè)周期單元的兩個(gè)饋電端口同時(shí)饋電，并沿著陣面二維方向分別延伸即可構(gòu)成圖9中的MXM雙極化平面寬帶相控陣天線(xiàn)。其他結(jié)構(gòu)與元件同實(shí)施例1 中的詳細(xì)描述。前面已經(jīng)描述本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施例，應(yīng)該理解他們只是以一種示例形式被提出， 并無(wú)限制性。因此，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的情況下可以作出多種形式上和細(xì)節(jié)上的變更，這對(duì)于熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員是顯而易見(jiàn)的，無(wú)需創(chuàng)造性勞動(dòng)。因此，本發(fā)明的寬度和范圍不應(yīng)當(dāng)局限于任何上述的示例性實(shí)施例，而應(yīng)當(dāng)由權(quán)利要求和其等價(jià)物來(lái)限定。
權(quán)利要求
1.一種基于強(qiáng)互耦效應(yīng)的八角環(huán)平面雙極化寬帶相控陣天線(xiàn)，它包括由周期排布的八角環(huán)單元構(gòu)成的引向單元層(101)，由具有強(qiáng)電容耦合效應(yīng)的八角環(huán)天線(xiàn)單元構(gòu)成的輻射單元層(102)，分別對(duì)雙極化進(jìn)行饋電的不平衡-平衡阻抗變換結(jié)構(gòu)104，天線(xiàn)級(jí)反射地 (103)以及饋線(xiàn)級(jí)反射地105.
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于強(qiáng)互耦效應(yīng)的八角環(huán)平面雙極化寬帶相控陣天線(xiàn)，其特征在于所述的八角環(huán)天線(xiàn)單元間具有用于增強(qiáng)電容耦合效應(yīng)的交指電容。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于強(qiáng)互耦效應(yīng)的八角環(huán)平面雙極化寬帶相控陣天線(xiàn)，其特征還在于所述的八角環(huán)天線(xiàn)單元間可以使用任何其他可以增強(qiáng)電容耦合效應(yīng)的結(jié)構(gòu)或元件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于強(qiáng)互耦效應(yīng)的八角環(huán)平面雙極化寬帶相控陣天線(xiàn)，其特征還在于所述的引向單元層是由一系列呈周期排列的八角環(huán)單元構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于強(qiáng)互耦效應(yīng)的八角環(huán)平面雙極化寬帶相控陣天線(xiàn)，其特征還在于輻射單元層與地板之間的距離為最高頻處的四分之一波長(zhǎng)，單元間距為最高頻處半個(gè)波長(zhǎng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于強(qiáng)互耦效應(yīng)的八角環(huán)平面雙極化寬帶相控陣天線(xiàn)，其特征還在于饋線(xiàn)使用不平衡-平衡阻抗變換結(jié)構(gòu)，達(dá)到外接同軸電纜500hm阻抗可以平緩地變換到IlOOhm端接輸入阻抗，并達(dá)到對(duì)饋電端口 10 進(jìn)行平衡饋電的技術(shù)效果。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于強(qiáng)互耦效應(yīng)的八角環(huán)平面雙極化寬帶相控陣天線(xiàn)，它包含印制在超薄介質(zhì)層上的輻射單元層和引向單元層，輻射單元層和引向單元層均由呈周期性排列的八角環(huán)單元構(gòu)成。所述的輻射單元層中的八角環(huán)天線(xiàn)單元末端分別向相鄰的八角環(huán)天線(xiàn)單元末端延伸，形成可以增強(qiáng)單元間電容耦合量的交指電容。本發(fā)明提供的八角環(huán)天線(xiàn)單元尤其適合超寬帶雙極化平面相控陣天線(xiàn)的設(shè)計(jì)。
文檔編號(hào)H01Q1/38GK102394349SQ20111019106
公開(kāi)日2012年3月28日 申請(qǐng)日期2011年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月8日
發(fā)明者李冰, 楊仕文, 熊偉, 羅偉, 聶在平, 鄭麗, 陳益凱, 龔雪 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)