本發(fā)明涉及相控陣天線領(lǐng)域，特別是一種寬帶寬角圓極化相控陣單元。

背景技術(shù)：

由于具有低剖面、重量輕、低成本以及易與微帶集成電路進(jìn)行集成的特點(diǎn)，微帶天線已經(jīng)在陣列天線的設(shè)計(jì)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，微帶天線的一些固有的缺點(diǎn)如駐波和圓極化軸比帶寬窄等特點(diǎn)，卻限制了它在寬帶寬角掃描相控陣方面的應(yīng)用。

在相控陣天線的設(shè)計(jì)中，需要設(shè)計(jì)一種工作帶寬寬掃描角度大且易于集成的天線，而不會(huì)受限于傳統(tǒng)微帶天線的這些缺點(diǎn)，這種展寬微帶天線工作帶寬的方法是利用較厚的微帶基片。為了進(jìn)一步展寬天線工作帶寬，通過電容饋電激勵(lì)厚基片上的貼片天線，電容饋電的方式有效的抵消了長探針饋電帶來的電感效應(yīng)。然而，厚的基片會(huì)帶來較大的表面波電流，從而大大降低天線輻射效率，同時(shí)，表面波可能會(huì)引起大角度掃描時(shí)出現(xiàn)掃描盲點(diǎn)。為抑制表面波問題引起的掃描盲點(diǎn)，則出現(xiàn)新的微帶天線，例如在文獻(xiàn)ieeetransactionsonantennasandpropagation,1987.35(5):p.477-487，作者mailloux,r.j.的“ontheuseofmetallizedcavitiesinprintedslotarrayswithdielectricsubstrates”，則設(shè)計(jì)了一種背腔微帶天線，文獻(xiàn)antennaweek,2011:p.1-4.，作者vishwakarma,n.k.,etal.的“designconsiderationsforawidescancavitybackedpatchantennaforactivephasedarrayradar”設(shè)計(jì)了一種利用背腔形式和探針電容饋電相結(jié)合的有源相控陣?yán)走_(dá)天線，該天線具有小型化和寬帶寬的特點(diǎn)，同時(shí)，有源反射損耗較小，但該天線為線極化，不適合目前廣泛應(yīng)用的圓極化相控陣天線。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題提出了一種寬帶寬角圓極化相控陣單元，基于線極化寬帶背腔微帶天線和寬波束交叉貼片天線，將多層折彎十字交叉結(jié)構(gòu)改為單層微帶貼片，并通過背腔和探針電容饋電的方式增加了天線的工作帶寬，展寬了天線的波束寬度，同時(shí)降低了天線組陣時(shí)的互耦效應(yīng)，使得該天線成為比較理想的圓極化相控陣天線單元。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種寬帶寬角圓極化相控陣單元，其特征在于：包括背腔結(jié)構(gòu)、上層介質(zhì)基片、下層介質(zhì)基片和饋電介質(zhì)基片，背腔結(jié)構(gòu)為一凹形金屬腔體，上層介質(zhì)基片和下層介質(zhì)基片疊置在一起并位于背腔結(jié)構(gòu)的開口處，饋電介質(zhì)基片放置于背腔結(jié)構(gòu)的凹形底部；

上層介質(zhì)基片上印制有十字交叉微帶貼片，十字交叉微帶貼片的兩個(gè)交叉臂上各設(shè)置有一個(gè)饋電點(diǎn)；饋電介質(zhì)基片上印制有威爾金森功分器（wilkinson)和90°移相微帶線，威爾金森功分器的一個(gè)支臂與90°移相微帶線連接；

所述兩個(gè)饋電點(diǎn)下面均連接有一個(gè)電容饋電探針，一個(gè)電容饋電探針穿過下層介質(zhì)基片連接到90°移相微帶線上，另一個(gè)電容饋電探針穿過下層介質(zhì)基片連接到威爾金森功分器的另一個(gè)支臂上，其作用相當(dāng)于將輸入的功率等分到威爾金森功分器的兩個(gè)支臂，其中一個(gè)支臂直接由探針以電容饋電的方式連接到十字交叉微帶貼片的一個(gè)支臂，另一個(gè)支臂通過90°移相微帶線后再連接到十字交叉微帶貼片的另一個(gè)支臂。

兩個(gè)饋電點(diǎn)分別位于十字交叉微帶貼片的兩個(gè)交叉臂上，通過威爾金森功分器和90°移相微帶線進(jìn)行饋電，通過引入環(huán)形縫隙，產(chǎn)生電容分量，以抵消長探針饋電帶來的電感分量，實(shí)現(xiàn)寬帶匹配。

所述背腔結(jié)構(gòu)的凹形結(jié)構(gòu)為矩形空腔結(jié)構(gòu)，上層介質(zhì)基片和下層介質(zhì)基片的形狀與矩形空腔結(jié)構(gòu)的上開口形狀相對應(yīng)。

所述下層介質(zhì)基片的底面與背腔結(jié)構(gòu)的內(nèi)底面之間的腔體填充有空氣，該處填充的空氣以用于減薄下層介質(zhì)基片的厚度。

所述上層介質(zhì)基片采用微波介質(zhì)基片rogersrt5880，介電常數(shù)εr＝2.2，損耗角正切值tanδ＝0.0009。

所述下層介質(zhì)基片的厚度為0.5mm，介電常數(shù)εr＝3.5，損耗角正切值tanδ＝0.001。所述下層介質(zhì)基片可以展寬天線波束，還可降低天線背腔的高度。

所述饋電點(diǎn)包括環(huán)形電容、饋電縫隙和饋電金屬化孔。

本發(fā)明的有益效果如下：

本發(fā)明利用將多層折彎十字交叉結(jié)構(gòu)改為單層微帶貼片，并通過背腔和探針電容饋電的方式增加了天線的工作帶寬，展寬了天線的波束寬度，同時(shí)降低了天線組陣時(shí)的互耦效應(yīng)，使得該貼片天線成為比較理想的圓極化相控陣天線單元。

附圖說明

圖1為本發(fā)明十字交叉微帶貼片的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明十字交叉微帶貼片上饋電點(diǎn)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明威爾金森功分器和90°移相微帶線的連接結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明縱向剖視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為實(shí)施例1中設(shè)計(jì)為孤立天線單元仿真和實(shí)測反射損耗示意圖；

圖7為實(shí)施例1中孤立天線單元中心頻率f0仿真和實(shí)測xz切面方向圖；

圖8為實(shí)施例1中孤立天線單元中心頻率f0仿真和實(shí)測yz切面方向圖；

圖9為實(shí)施例1中孤立天線單元中心頻率f0仿真和實(shí)測軸比方向圖；

圖10為實(shí)施例1中孤立天線單元工作頻帶內(nèi)±60°處仿真和實(shí)測軸比；

圖11為實(shí)施例2中仿真與實(shí)測3×3天線陣列中心單元xz面方向圖；

圖12為實(shí)施例2中仿真與實(shí)測3×3天線陣列中心單元yz面方向圖；

圖13為實(shí)施例3中仿真與實(shí)測8×8天線陣列法向方向圖；

圖14為實(shí)施例3中仿真與實(shí)測8×8天線陣列-30°方向圖；

圖15為實(shí)施例3中仿真、實(shí)測和修正后8×8天線陣列-60°方向圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明公開的一種寬帶寬角圓極化相控陣單元，如圖1-5所示，包括背腔結(jié)構(gòu)、上層介質(zhì)基片、下層介質(zhì)基片和饋電介質(zhì)基片，背腔結(jié)構(gòu)為一凹形金屬腔體，上層介質(zhì)基片和下層介質(zhì)基片疊置在一起并位于背腔結(jié)構(gòu)的開口處，饋電介質(zhì)基片放置于背腔結(jié)構(gòu)的凹形底部；

上層介質(zhì)基片上印制有十字交叉微帶貼片，十字交叉微帶貼片的兩個(gè)交叉臂上各設(shè)置有一個(gè)饋電點(diǎn)；饋電介質(zhì)基片上印制有威爾金森功分器和90°移相微帶線，威爾金森功分器的一個(gè)支臂與90°移相微帶線連接；

所述兩個(gè)饋電點(diǎn)下面均連接有一個(gè)電容饋電探針，一個(gè)電容饋電探針穿過下層介質(zhì)基片連接到90°移相微帶線上，另一個(gè)電容饋電探針穿過下層介質(zhì)基片連接到威爾金森功分器的另一個(gè)支臂上，其作用相當(dāng)于為將輸入的功率等分到威爾金森功分器的兩個(gè)支臂，其中一個(gè)支臂直接由探針以電容饋電的方式連接到十字交叉微帶貼片的一個(gè)支臂，另一個(gè)支臂通過90°移相微帶線后再連接到十字交叉微帶貼片的另一個(gè)支臂。

兩個(gè)饋電點(diǎn)分別位于十字交叉微帶貼片的兩個(gè)交叉臂上，通過威爾金森功分器和90°移相微帶線進(jìn)行饋電，通過引入環(huán)形縫隙，產(chǎn)生電容分量，以抵消長探針饋電帶來的電感分量，實(shí)現(xiàn)寬帶匹配。

所述背腔結(jié)構(gòu)的凹形結(jié)構(gòu)為矩形空腔結(jié)構(gòu)，上層介質(zhì)基片和下層介質(zhì)基片的形狀與矩形空腔結(jié)構(gòu)的上開口形狀相對應(yīng)。

所述下層介質(zhì)基片的底面與背腔結(jié)構(gòu)的內(nèi)底面之間的腔體填充有空氣，該處填充的空氣以用于減薄下層介質(zhì)基片的厚度。

所述上層介質(zhì)基片采用微波介質(zhì)基片rogersrt5880，介電常數(shù)εr＝2.2，損耗角正切值tanδ＝0.0009。

所述下層介質(zhì)基片的厚度為0.5mm，介電常數(shù)εr＝3.5，損耗角正切值tanδ＝0.001。所述下層介質(zhì)基片可以展寬天線波束，還可降低天線背腔的高度。

所述饋電點(diǎn)包括環(huán)形電容、饋電縫隙和饋電金屬化孔。

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)時(shí)，通過3d全波仿真軟件ansyshfss對天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，具體實(shí)施，可見如下三個(gè)實(shí)施例。

實(shí)施例1

對于孤立的天線進(jìn)行了仿真分析和樣機(jī)制作。天線的駐波特性由agilente5071c矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測量，天線的輻射特性在微波暗室內(nèi)進(jìn)行測量。

孤立天線單元仿真和實(shí)測反射損耗s11的結(jié)果如圖6所示。天線實(shí)測反射損耗s11小于-10db帶寬超過44%。仿真和實(shí)測曲線的不一致原因可能是由于天線波束較寬致使測試場地周圍物體反射進(jìn)入測量通道引起的。

孤立天線單元中心頻率處兩個(gè)正交切面xz面和yz面的仿真和實(shí)測輻射方向圖結(jié)果如圖7和圖8所示。天線實(shí)測兩個(gè)正交切面xz面和yz面的方向圖半波束寬度超過100°，仿真和實(shí)測結(jié)果基本一致。

本文對孤立天線單元的軸比方向圖也進(jìn)行了仿真和實(shí)測，以評估該天線的寬角掃描特性。孤立天線單元中心頻率處兩個(gè)正交切面xz面和yz面的仿真和實(shí)測軸比方向圖結(jié)果如圖9所示。在±60°處，工作頻帶內(nèi)兩個(gè)正交切面xz面和yz面的仿真和實(shí)測軸比如圖10所示。由圖9和圖10可見，孤立天線單元在兩個(gè)正交切面xz面和yz面都有著良好的低軸比特性，在超過23﹪的工作帶寬內(nèi)，天線在±60°范圍內(nèi)的軸比均小于4db，且仿真和實(shí)測結(jié)果基本一致。

實(shí)施例2

當(dāng)孤立單元天線置于陣列中時(shí)，為實(shí)現(xiàn)寬角掃描，天線單元間的間距較近，由于互耦的影響陣中單元的電性能不同于孤立單元。因此衡量一個(gè)天線單元性能的優(yōu)劣，必須考慮其在陣中的性能。

為評估該單元在陣中性能，設(shè)計(jì)了一個(gè)3×3的正方形陣列，在ansyshfss中建立3d仿真模型并進(jìn)行仿真。同時(shí)為驗(yàn)證其仿真性能，制作了一個(gè)3×3的正方形陣列樣機(jī)。為避免工作頻帶內(nèi)±60°范圍內(nèi)寬角掃描時(shí)出現(xiàn)柵瓣，天線單元間距選為0.46λ0。該實(shí)施例，從天線間的互耦和中心單元的輻射方向圖兩個(gè)方面分析天線的電性能。

中心單元與相鄰單元的互耦實(shí)測結(jié)果得益于天線的背腔設(shè)計(jì)，在44﹪的工作帶寬內(nèi)，其互耦量均小于-16db。

中心天線單元的方向圖測試是將其它天線單元接匹配負(fù)載，在微波暗室里測量中心天線單元的方向圖。中心頻率f0處兩個(gè)正交切面xz面和yz面的實(shí)測和仿真方向圖如圖11和圖12所示。由圖11和圖12可見，實(shí)測天線單元在陣中的方向圖波束寬度大于孤立單元的方向圖。這一優(yōu)點(diǎn)使得天線可實(shí)現(xiàn)寬角掃描。圖11和圖12中實(shí)測和仿真結(jié)果不一致可能是由于陣列加工和裝配誤差所致。

實(shí)施例3

為驗(yàn)證天線的寬角掃描性能，對于一個(gè)8×8正方形相控陣列天線，8×8正方形相控陣列天線掃描后的陣列仿真和實(shí)測方向圖見圖13～圖15所示。

由圖13～圖15可見，天線具有良好的寬角掃描特性，實(shí)測掃描到-60°處的增益比法向增益下降約3.2db。上述圖中的陣列初始的相對相位是通過旋轉(zhuǎn)矢量法對天線法向進(jìn)行校準(zhǔn)得到。由圖15可見，當(dāng)大角度掃描時(shí)，需要對其掃描移相值進(jìn)行修正，修正前天線波束中心指向值為-54°，修正后天線波束中心指向-60°。

根據(jù)上述3個(gè)實(shí)施例，可分析得到分別在孤立狀態(tài)、3×3陣列中的電性能、對8×8的天線陣列點(diǎn)掃描性能，該天線單元在44%的工作頻帶內(nèi)反射損耗小于-10db、互耦小于-16db，方向圖軸比在23%的工作頻帶內(nèi)和±60°角度范圍內(nèi)均小于4db。