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(lái)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(guò)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(zhǎng)探針饋電帶來(lái)的電感效應(yīng)。然而，厚的基片會(huì)帶來(lái)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(wèn)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(wèn)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(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)威爾金森功分器和90°移相微帶線進(jìn)行饋電，通過(guò)引入環(huán)形縫隙，產(chǎn)生電容分量，以抵消長(zhǎng)探針饋電帶來(lái)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(kāi)口形狀相對(duì)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(guò)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(shuō)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)軸比；

圖11為實(shí)施例2中仿真與實(shí)測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)8×8天線陣列-30°方向圖；

圖15為實(shí)施例3中仿真、實(shí)測(cè)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)威爾金森功分器和90°移相微帶線進(jìn)行饋電，通過(guò)引入環(huán)形縫隙，產(chǎn)生電容分量，以抵消長(zhǎng)探針饋電帶來(lái)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(kāi)口形狀相對(duì)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(guò)3d全波仿真軟件ansyshfss對(duì)天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，具體實(shí)施，可見(jiàn)如下三個(gè)實(shí)施例。

實(shí)施例1

對(duì)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(cè)量，天線的輻射特性在微波暗室內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。

孤立天線單元仿真和實(shí)測(cè)反射損耗s11的結(jié)果如圖6所示。天線實(shí)測(cè)反射損耗s11小于-10db帶寬超過(guò)44%。仿真和實(shí)測(cè)曲線的不一致原因可能是由于天線波束較寬致使測(cè)試場(chǎng)地周?chē)矬w反射進(jìn)入測(cè)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(cè)輻射方向圖結(jié)果如圖7和圖8所示。天線實(shí)測(cè)兩個(gè)正交切面xz面和yz面的方向圖半波束寬度超過(guò)100°，仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致。

本文對(duì)孤立天線單元的軸比方向圖也進(jìn)行了仿真和實(shí)測(cè)，以評(píng)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(cè)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(cè)軸比如圖10所示。由圖9和圖10可見(jiàn)，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(guò)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(cè)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(píng)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(cè)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(cè)試是將其它天線單元接匹配負(fù)載，在微波暗室里測(cè)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(cè)和仿真方向圖如圖11和圖12所示。由圖11和圖12可見(jiàn)，實(shí)測(cè)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(cè)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(duì)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(cè)方向圖見(jiàn)圖13～圖15所示。

由圖13～圖15可見(jiàn)，天線具有良好的寬角掃描特性，實(shí)測(cè)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(duì)相位是通過(guò)旋轉(zhuǎn)矢量法對(duì)天線法向進(jìn)行校準(zhǔn)得到。由圖15可見(jiàn)，當(dāng)大角度掃描時(shí)，需要對(duì)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(duì)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。