一种超宽带宽角扫描和高效匹配相控阵天线制造技术

本发明专利技术涉及一种超宽带宽角扫描和高效匹配相控阵天线，在偶极子天线结构中引入电容性连接的紧耦合结构，模拟阵列中的有源工作环境，单元天线端口在超宽带前提下实现良好的端口匹配效果；使用三角阵列的排布方式，在不破坏阵列紧耦合结构的前提下有效地提高阵列口径效率，扩大阵列的波束扫描范围，提高波束辐射增益；使用加载频率选择表面结构的方法，有效地搭建了天线辐射阻抗和空气阻抗之间过度的匹配层，实现在宽角扫描情况下的全波位超宽带匹配。

【技术实现步骤摘要】
一种超宽带宽角扫描和高效匹配相控阵天线
本专利技术属于雷达天线领域，特别涉及超宽带相控阵天线的结构设计方法。
技术介绍
目前在相控阵雷达领域中对带宽和扫描角度的要求愈加重要，宽带相控阵雷达技术是当前相控阵雷达技术发展的一个重要方向，这主要与相控阵雷达在多目标、多功能情况下要完成的许多新任务密切相关。随着航天技术飞速发展，各种飞行器性能的不断提高，空间活动日益增多，现代雷达普遍面临着综合性电子干扰，反辐射导弹，低空、超低空突防以及目标隐身技术等四大威胁，这就要求现代雷达具有反地物，抗积极和消极千扰，反隐身和自身生存的能力。为提高自身的作战能力和范围，除要求雷达天线宽带工作外，还要求大空域覆盖、宽角度扫描等。因此，在改善相控阵天线工作带宽的同时兼顾宽角度扫描特性就成为亟待解决的关键问题。在现如今的宽带相控阵天线中多采用宽带单元天线直接布阵的方式，忽略了耦合所带来的影响，从而使相控阵超宽带的发展遇到了瓶颈。紧耦合技术从根本上解决了这一问题，利用了阵元间的耦合效果增加了阵元间的关联性，有效地扩展了阵列的有源环境中的端口匹配。相控阵天线在实现宽角波束扫描的同时会出现低仰角扫描时辐射阻抗和空气阻抗的失配问题。一般的匹配层在解决这一问题时无法同时兼顾带宽和波束扫描覆盖范围，本专利技术中将频率选择表面结构运用在匹配层中有效地解决了宽带宽角的匹配问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种超宽带宽角扫描和高效匹配相控阵天线。实现本专利技术目的的技术方案为：以偶极子结构为基础的印刷板振子天线作为相控阵阵元，阵元间采用电容性紧耦合方式连接，同时阵列采用三角阵列排布模型；印刷板振子天线顶部加载频率选择表面结构，由矩形微带模块构成，在阵列中呈现一维周期结构。本专利技术单元天线的主体部分共包含五层结构，依次为：偶极子贴片层一，介质层一，馈电线和匹配结构层，介质层二，偶极子贴片层二。其中偶极子贴片层一和偶极子贴片层二结构相同，排布上以天线垂直法线为轴成对称形式。偶极子贴片层上为天线的主体辐射部分，主要结构包括偶极子振子、馈电巴伦、短路连接线和地板。偶极子振子两边均延伸至天线边缘，方便阵列布局中的紧耦合连接。偶极子振子中有一个振子臂刻蚀有缝隙，缝隙大小和介质板厚度相关。单元天线在阵列中连接后，相邻单元的偶极子振子相互连接并通过介质板形成电容，阵元间实现容性紧耦合连接。馈电线和匹配结构层包含天线的馈电线结构和频率选择表面匹配层结构。馈电线采用带状线馈电方式，将激励能量由天线下方的馈电端口传递至偶极子结构的馈电巴伦缝隙中。馈电线的阻抗由端口的50欧姆逐渐变换至缝隙处的120欧姆，馈电线末端延长部分阻抗匹配结构，其阻抗为77欧姆。频率选择表面匹配层结构在单元中体现为五个尺寸均为0.108λH*0.21λH的贴片结构等间距排列构成(λH为工作带宽最高最高频点波长)。材料选择上，介质层一和介质层二均采用Rogers5880，金属贴片均采用刻蚀铜皮的方式设置于介质板上。阵列结构采用三角阵，水平方向单元间直接连接，形成长条形整板结构，偶极子中的振子部分形成相邻单元间的电连接。长条形整板结构在垂直方向排列，相邻单元间水平方向上交错，交错距离为单元天线水平长度一半。最终阵列间距确定为水平方向0.66λH，垂直方向为0.42λH。根据不同工作需求和运用环境，可以通过阵列的位置摆放来决定波束的辐射极化。例如，长条形天线介质板平行于地面时，辐射为水平极化，长条形天线介质板垂直于地面时，辐射为垂直极化。本专利技术中的相控阵阵列结构可以实现3倍频以上的超宽带端口高效有源匹配，同时在工作频带内实现大角度范围波束扫描和全空间全波位高效匹配。附图说明图1为本专利技术单元天线前视图。图2为本专利技术单元天线中间馈电线和匹配层结构示意图。图3为本专利技术层结构剖视图。图4为本专利技术实施例中16*16三角排列相控阵阵列结构示意图。图5为本专利技术实施例中单元天线周期边界条件下电压驻波比。图6为本专利技术实施例中相控阵天线低频点垂直面波束扫描方向图。图7为本专利技术实施例中相控阵天线低频点水平面波束扫描方向图。图8为本专利技术实施例中相控阵天线中心频点垂直面波束扫描方向图。图9为本专利技术实施例中相控阵天线中心频点水平面波束扫描方向图。图10为本专利技术实施例中相控阵天线高频点垂直面波束扫描方向图；图11为本专利技术实施例中相控阵天线高频点水平面波束扫描方向图。图中：1-1介质板；1-2偶极子贴片振子结构；1-3偶极子贴片短路连接线结构；1-4偶极子贴片馈电巴伦结构；1-5偶极子贴片地板结构；2-1馈电线；2-2频率选择表面匹配层结构；3-1偶极子贴片层一；3-2介质层一；3-3馈电线和匹配结构层；3-4介质层二；3-5偶极子贴片层二；4长条形整板结构。具体实施方式本专利技术以6～18GHz的三倍频带宽天线及其16*16的256元相控阵为实施例加以说明。如图3，天线包含五层结构，其中介质层一和介质层二厚度均为0.5mm，材料为Rogers5880，介电常数2.2。贴片偶极子，馈电线和频率选择表面匹配结构等均刻蚀在介质板上。单元天线整体尺寸为12.8mm*11mm。偶极子贴片振子结构高度为1.9mm，两侧延伸至天线边缘。偶极子贴片结构中有一侧振子臂形成0.5mm宽的缝隙。偶极子贴片馈电巴伦结构连接两侧振子，中间形成1.3mm宽的馈电缝隙。偶极子贴片地板结构高度为3mm。馈电线结构分为四个部分，连接端口的宽度为0.82mm，缝隙处馈电部分宽度为0.265mm，末端匹配部分宽度为0.415mm，过渡部分用于端口部分至缝隙部分的阻抗渐变。馈电线整体高度为6.95mm。频率选择表面匹配层结构在单元天线中体现为五个矩形金属贴片等间距排列构成，金属贴片大小为3.5mm*1.8mm，金属贴片间缝隙为0.4mm。由256个阵元构成的相控阵结构如图4所示，阵列采用三角阵排布方式，阵元水平方向间距为11mm，垂直方向间距为7mm。阵面口径大小≥187mm*120mm。水平方向上阵元紧凑排列，阵元间形成紧耦合，同时匹配层形成完整的频率选择表面结构。单元天线在周期边界条件下模拟阵列中的有源环境，此时端口的电压反射系数如图5所示。6～18GHz的工作频带内，天线端口的电压反射系数小于2，保证了天线3倍频超宽带范围内的正常工作。阵列中单元采用均匀馈电方式，端口间馈电幅度相同，根据扫描波束的需求改变相位差。在工作频带内低频点、中心频点和高频点的二位波束扫描方向图如图6至图11所示。工作中波束主要辐射参数如下表所示。相控阵在整个3倍频工作频带内均保持二维空间±70°以上的扫描范围。波束增益(dBi)垂直面波束宽度(°)水平面波束宽度(°)6GHz2022.814.412GHz25.911.37.218GHz29.67.54.8本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超宽带宽角扫描和高效匹配相控阵天线，其特征在于：以偶极子结构为基础的印刷板振子天线作为相控阵阵元，阵元间采用电容性紧耦合方式连接，同时阵列采用三角阵列排布模型；印刷板振子天线顶部加载频率选择表面结构，由矩形微带模块构成，在阵列中呈现一维周期结构。

【技术特征摘要】
1.一种超宽带宽角扫描和高效匹配相控阵天线，其特征在于：以偶极子结构为基础的印刷板振子天线作为相控阵阵元，阵元间采用电容性紧耦...

【专利技术属性】
技术研发人员：温亚庆，陈文俊，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七二四研究所，
类型：发明
国别省市：江苏,32