本發(fā)明涉及超寬帶相控陣天線技術領域，尤其涉及一種基于交指型緊耦合偶極子單元的超寬帶寬角天線陣。

背景技術：

相控陣天線是在陣列天線的基礎上發(fā)展起來的一種現代天線形式。利用寬帶天線單元，按照一定規(guī)律，將其排列成一維，二維或者其他陣列形式，避免可能產生的方向圖畸變和掃描盲點，就構成了寬帶相控陣的基本結構。相控陣是根據口徑場相位做線性漸變時波束產生偏移的原理，用電子控制的方法改變陣列天線中各個單元的輻射場相位，利用主瓣波束進行掃描的。當寬帶特性和寬角掃描特性結合起來的時候，就構成了寬帶相控陣天線。

寬帶相控陣具有很多特點，它可以針對多目標，功能多，機動性強，反應時間短，數據傳輸率高，抗干擾能力強。寬帶相控陣技術的用途很廣，無線通信、電子對抗，目標探測，氣象雷達等應用中都可以發(fā)現這種技術的應用。寬帶相控陣技術主要用于高分辨率的雷達系統(tǒng)。寬帶相控陣雷達兼有電子支援措施、主動電子干擾、通信等功能，使得雷達天線構成共享孔徑天線系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的寬帶相控陣技術已經較為成熟，但由于這種設計方法有其局限性，帶寬拓寬的余地很小。譬如說，天線單元帶寬會限制陣列帶寬，空間掃描角度會受到單元間互耦的影響。同時傳統(tǒng)寬帶相控陣需要通過劃分子陣、應用光調制和解調技術以及光纖延遲線來實現，設備量大，技術復雜，成本高，且不便于調試和維護。在相控陣天線的設計中，除了要解決一般陣列天線的寬帶匹配問題外，還需要解決寬角掃描的匹配問題。與普通天線陣相比，弄清楚陣中任一單元的輸入阻抗與掃描角的依賴關系，建立起相控陣天線的互耦理論，是寬帶相控陣得以實現的關鍵所在。

基于互耦效應的寬帶相控陣，不受限于陣元的帶寬，并且還利用了陣元間的互耦效應，巧妙的利用而非消除互耦的影響。初步研究表明，這種新型的寬帶相控陣具有優(yōu)于傳統(tǒng)寬帶相控陣的超寬頻帶特性，具有寬角掃描的特性；由于天線電尺寸極小，組陣后天線陣列整體體積小，雷達散射口徑小，故其還可以用于共形，且不會對被共形物件的氣動性能產生較大影響。因此，對這種新穎的天線結構開展研究從而獲得更高性能的天線技術指標具有重要的實際工程意義。

技術實現要素：

針對上述現有技術的不足，本發(fā)明提供一種基于交指型緊耦合偶極子陣子單元的超寬帶寬角天線陣，通過加強偶極子陣元間的耦合作用，加上匹配的饋線結構，具有更好的寬帶寬角性能。

為實現上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

一種基于交指型緊耦合偶極子單元的超寬帶寬角天線陣，包括介質基板、介質基板上的偶極子單元和過渡巴倫；所述偶極子單元包括左右對稱的兩個單極子，每個單極子包括偶極子臂和交指段；所述偶極子單元的左右兩個偶極子臂分別呈開口向左和開口向右的半圓形，半圓形開口處連接交指段；相鄰偶極子單元的交指段互補插合，形成耦合；所述過渡巴倫包括上層地線、漸變地線、信號線；所述上層地線和信號線與偶極子單元位于介質基板的同一個面上，上層地線和信號線的上端分別連接偶極子單元的左右兩個單極子；所述信號線分為兩節(jié)，上節(jié)為矩形與上層地線平行構成平行雙線；下節(jié)為微帶線，線寬逐漸變寬以實現阻抗轉換；所述介質基板上設有若干周期過孔，上層地線通過周期過孔與位于介質基板另一面的漸變地線相連，以實現漸變的阻抗匹配和場匹配；所述漸變地線的寬度從下至上呈指數漸變減小，最終與上層地線的寬度一致。

進一步的，所述偶極子單元上端設置寬角匹配層。

進一步的，所述漸變地線使用曲率可控曲線漸變；

以漸變地線上端右頂點至漸變地線下端左右頂點連線的垂直交點為坐標原點，坐標原點至漸變地線上端右頂點方向為x軸，坐標原點至漸變地線下端左頂點方向為y軸建立坐標系；上式中h_t表示漸變地線左側曲線的x坐標；W_up表示漸變地線上端左頂點的y坐標；W_dn表示漸變地線下端左頂點的y坐標；m控制曲線的曲率；漸變地線右側曲線與左側曲線鏡像對稱。

更進一步的，m＝0.1。

進一步的，所述交指段由若干矩形交指組成。

進一步的，所述信號線的下節(jié)微帶線從上至下呈三角形漸變變寬。

本發(fā)明具有如下有益效果：

1.本發(fā)明主要提出一種基于偶極子陣元間的互耦效應的相控陣超寬帶天線，一方面加強陣元間的耦合拓寬天線帶寬，另一方面利用饋線結構實現阻抗轉換和場匹配，實現了相控陣天線的寬帶寬角性能。

2.結構簡單：結構源于印刷偶極子天線，饋線結構也是由雙線到微帶的轉化，構造簡單緊湊，方便加工。

3.創(chuàng)新性強，技術前瞻性好：本發(fā)明在偶極子陣元部分使用了交指型電容，通過加強偶極子陣元間的耦合，實現了寬帶特性，創(chuàng)新性強；其可很好的與傳統(tǒng)微波傳輸線配合使用，便于集成到微波電路中，拓展了人工表面等離子器件的應用范圍，具有很好的技術前瞻性。

4.寬帶寬角：加上饋線結構的緊耦合相控陣天線能夠實現四倍的帶寬，E、H面的掃描都能達到45°。

5.易于加工：整個天線單元都是印刷在PCB板上，結構簡單，易于加工。

附圖說明

圖1是偶極子單元示意圖；

圖2是偶極子單元的S參數圖；

圖3是饋電巴倫結構示意圖；

圖4是巴倫漸變地線坐標軸示意圖；

圖5是超寬帶寬角緊耦合天線陣的三維示意圖；

圖6是超寬帶寬角緊耦合天線陣的H面掃描時對應的駐波比圖；

圖7是超寬帶寬角緊耦合天線陣的E面掃描時對應的駐波比圖。

具體實施方式

本發(fā)明是印刷偶極子天線的基礎上，通過加強偶極子單元元間的耦合作用，以此達到擴展帶寬的作用。主要由交指型偶極子單元和饋線巴侖兩個部分組成，饋線巴侖主要實現阻抗匹配以及電場匹配的功能。饋線巴侖主要由三個部分組成：共面雙線部分，主要是為了給偶極子單元平衡饋電；傳輸線部分，主要是為了緩解輸入阻抗隨頻率變化而變化的特性；微帶線部分，主要是為了實現阻抗轉換，將170Ω的阻抗值轉化成50Ω的輸出，最終能夠更加方便天線的饋電。本發(fā)明適合與傳統(tǒng)微波傳輸線匹配使用，為濾波器件設計及應用提供一種全新的思路和方案。

下面結合實施例和附圖對本發(fā)明的技術方案作進一步的詳細描述。

如圖1所示，本發(fā)明結構由交指型緊耦合單元為基礎，相鄰單元間通過矩形的互補交指形成耦合，同一偶極子左右兩邊偶極子臂鏡像對稱(方向)，交指段互補，交指數量以及大小根據實際所需耦合強度設定。陣子下端連接共面雙線至微帶線的過渡巴倫，過渡巴倫上部為共面雙線，下部為微帶線輸入，微帶線由下至上逐步變窄，漸變地線長度取決于工作頻段及帶寬，漸變形式為曲線漸變。陣列單元上端覆蓋一定厚度的介質層作為寬角匹配層，以提高天線寬角掃描性能，匹配層厚度以及介電常數需按實際工作頻段等選取。

天線陣的介質基板為羅杰斯5880(介電常數為2.2)，圖1為本發(fā)明所采用的緊耦合偶極子單元結構，x方向以及y方向的周期為dx＝8.3mm，dy＝10mm，板材厚度h＝0.762mm，介質板的長度L＝23.646mm，金屬反射板距離陣子最上端間距hrf＝14.823mm，陣子上端寬角匹配層介電常數為2.2，厚度hw＝6.35mm。緊耦合陣子單元印刷在介質基板中間層，交指段交指個數為4個，每個交指的長寬Lf＝0.7mm，Wf＝0.5mm，上下縫隙間距為g1＝0.25mm，左右間距為g2＝0.2m，交指后墊寬Wb＝0.5mm，長度Lb＝6mm。偶極子臂半徑R＝3mm，圓心到偶極子臂對稱中心距離d＝4.05mm，階梯狀過渡段兩級長寬分別為，W1＝0.55mm，W2＝1.5mm，L1＝0.6mm，左右兩臂之間的間距為df＝0.6mm，銅箔厚度t＝0.018mm。偶極子性能仿真結果如圖2所示，緊耦合偶極子在1.6GHz到8.5GHz的頻帶內端口反射系數S11小于-10dB，實現了5.3:1的超寬帶性能。

圖3給出了連接巴倫后的偶極子單元結構，巴倫上端雙線結構直接連接到偶極子上，下端為50歐姆微帶輸入。雙線間距gf＝0.3mm，線寬Wdl＝0.4mm，雙線位于介質基板中間層，地板位于基板底層，雙線左側的為上層地線長度Lug＝15.725mm，通過周期性過孔與底層漸變地線連接，過孔半徑Rt＝0.15mm，共15個，間隔Lt＝1.05mm，右側信號線可分為兩節(jié)，第一節(jié)為矩形，長度Lsg1＝14.725mm，寬度為雙線線寬Wdl，第二節(jié)長度Lsg2＝5.646mm，線寬由上側的Wdl線性漸變到下側Wms＝1mm。漸變地線漸變段長度為Ltr＝14.725mm，上側寬度為Wdl，下側寬度Wgnd＝3.6mm，采用曲線漸變的形式。

漸變地線使用曲率可控曲線漸變；如圖4所示，以漸變地線上端右頂點至漸變地線下端左右頂點連線的垂直交點為坐標原點，坐標原點至漸變地線上端右頂點方向為x軸，坐標原點至漸變地線下端左頂點方向為y軸建立坐標系；上式中h_t表示漸變地線左側曲線的x坐標；W_up表示漸變地線上端左頂點的y坐標；W_dn表示漸變地線下端左頂點的y坐標；m控制曲線的曲率，這里取0.1；漸變地線右側曲線與左側曲線鏡像對稱。

根據上述實施例，利用電磁仿真軟件可以得到如圖6以及圖7所示的端口駐波比曲線，從該曲線可以看出，在端口駐波比小于3的前提下，本實施例所示的超寬帶寬角緊耦合天線陣，可以在1.5GHz到9GHz的超寬帶內實現E面以及H面最高到45°的寬角掃描性能，完全符合設計需求。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。