基于紧耦合结构的小型化宽带宽角圆极化扫描相控阵天线制造技术

本发明专利技术公开了一种基于紧耦合结构的小型化宽带宽角圆极化扫描相控阵天线，包括由上到下顺次设置的上层介质层、辐射单元层、中层介质板层、下层介质板和金属地板层，其中辐射单元层上表面印刷正交偶极子辐射单元，下表面印刷有圆形金属贴片，圆形金属贴片通过金属化过孔与金属地板层相连接；下层介质板与金属地板层中间印制有带状线T型功分器，带状线T型功分器通过金属化过孔与正交偶极子辐射单元连接；金属地板层上设置有毛纽扣，毛纽扣连接带状线T型功分器；圆形通孔贯穿上层介质板、辐射单元层和中层介质板，正交偶极子辐射单元末端下方设置有圆形接地金属贴片。本发明专利技术实现了宽带宽角圆极化扫描，降低了天线单元的尺寸，并且可一体化加工。

【技术实现步骤摘要】
基于紧耦合结构的小型化宽带宽角圆极化扫描相控阵天线
本专利技术涉及雷达技术、无线通信
，特别是一种基于紧耦合结构的小型化宽带宽角圆极化扫描相控阵天线。
技术介绍
相控阵天线是由天线单元排布形成阵面，对每个天线单元的输入信号的幅度及相位进行控制，实现阵面合成波束的空间扫描。对于宽带有源相控阵天线，在宽带天线单元后连接宽带T/R组件，通过控制T/R组件的收发状态及幅度、相位变化，精准控制发射或接收空间从而实现雷达及通信功能。传统宽带相控阵的设计观念是首先设计出一个满足需求的宽频带孤立的相控阵单元，然后将其置于相应的阵列环境中，并采用补偿或减弱阵元间互耦效应的技术措施，还要避免扫描时可能出现的盲点以及发生方向图畸变，设法使其能够正常工作达到性能要求。实际上，由于阵列环境中阵元之间互耦效应的影响，宽带相控阵天线长期以来都是阵列天线的设计领域一大难点。此外，由于剖面较高、重量较大，传统宽带相控阵天线的应用面临越来越多的挑战。近年来天线领域研究出一种利用天线阵元之间的强互耦作用设计宽带或超宽带特性的阵列天线，即紧耦合阵列天线。与传统的相控阵天线设计中需要去耦合的不同，这种天线通过紧密排列天线单元加强单元间的耦合，并利用阵元间的耦合来实现超宽带与小型化，这类新型阵列天线的带宽不受限于阵元独立工作时的带宽，在很宽的扫描角范围无栅瓣出现，具有很好的超宽带与宽角扫描性能。因此，对这类新型天线结构进行深入研究对提高相控阵天线的各类性能具有重要意义。基于强互耦效应的紧耦合相控阵天线技术，其基本设计思想可追溯到Wheeler在1965年提出的连续电流层阵(ContinuousCurrentSheetArray,CCSA)，这是一种不包含馈电结构和反射地板的理想阵列天线，输入阻抗和辐射阻抗均只含有电阻分量而不包含电抗分量，且只与波束指向有关。Wheeler进一步发现距离地板一定高度的理想电流层在进行侧向辐射时工作带宽能够达到无限大。2003年Munk教授于著作《Frequencyselectivesurfaces:theoryanddesign》报道紧密排列的偶极子阵列天线可取得与CCSA天线相似的电流分布，进而提出了利用强电容耦合偶极子的紧耦合阵列天线。目前，紧耦合阵列天线设计一般采用偶极子天线作为天线阵列单元，并在偶极子天线末端加载交指电容来增加阵元之间的耦合效应，同时在天线上方加载单层或多层介质板作为宽角匹配层以改善阵列的扫描特性。2012年SteveHolland等人基于紧耦合理论于“A7-21GHzDual-PolarizedPlanarUltrawidebandModularAntenna(PUMA)Array”中提出一款工作于7-21GHz的平面双极化阵列天线，该天线E面、H面最大扫描角达45°。2018年，Vouvakis团队通过在馈电金属柱间加载容性贴片将阵列的工作带宽扩展为6:1，扫描角最大可达±60°。上面紧耦合天线在实现天线的宽角、宽频带方面都做了一些工作，但是这些天线均是采用双极化工作模式，都不具备圆极化辐射能力。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种可实现圆极化和宽带宽角扫描要求、天线单元的尺寸小、可一体化加工的相控阵天线。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种基于紧耦合结构的小型化宽带宽角圆极化扫描相控阵天线，包括上层介质板、辐射单元层、正交偶极子天线辐射单元、圆形金属贴片、中层介质板、第一～五金属化过孔、下层介质板、金属地板层、毛纽扣、圆形通孔和带状线T型功分器；所述上层介质层、辐射单元层、中层介质板层、下层介质板和金属地板层由上到下依次设置；所述辐射单元层上表面印刷有一对正交偶极子天线辐射单元，偶极子天线一臂通过第四金属化过孔和第五金属化过孔与金属地板层连接；天线臂末端正下方、辐射单元层下表面印刷有圆形金属贴片，圆形金属贴片通过第一金属化过孔与金属地板层相连接；下层介质板由上层微波介质板和下层微波介质板压合而成，其中下层微波介质板上表面镀铜、下表面与金属地板层烧结在一起，在上层微波介质板和下层微波介质板中间印制有金属线，金属线构成90°相位差的带状线T型功分器，第二金属化过孔和第三金属化过孔将带状线T型功分器与正交偶极子天线辐射单元另一臂连接在一起，通过90°相位差的带状线T型功分器进行馈电，以形成圆极化辐射；金属地板层上设置有毛纽扣，毛纽扣接头内芯穿过金属地板层与下层介质板中的带状线T型功分器相连；圆形通孔贯穿上层介质板、辐射单元层和中层介质板，用于调节上层介质板、辐射单元层和中层介质板的有效介电常数；所述正交偶极子天线辐射单元末端下方设置有圆形接地金属贴片。进一步地，通过带状线T型功分器对正交偶极子天线辐射单元中偶极子天线金属贴片进行馈电，调节正交偶极子天线辐射单元中偶极子天线间的馈电相位差，使天线产生圆极化电磁辐射。进一步地，所述正交偶极子天线辐射单元在8.7～13.3GHz实现圆极化辐射。进一步地，所述正交偶极子天线辐射单元采用非平衡馈电，正交偶极子天线臂末端、辐射单元层印制板下表面印制有圆形金属贴片，通过第一金属化过孔贯穿中层介质板，所述圆形金属贴片接地，构成类脊波导结构。进一步地，所述带状线T型功分器用于从毛纽扣到正交偶极子辐射单元中偶极子第一臂和第二金属化过孔、第三金属化过孔输入端的连接过渡，具有输入端口特性阻抗100欧姆到两输出端口特性阻抗100欧姆的宽带匹配性能，同时实现两输出端口相位差在90°±5°范围波动。本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：(1)采用基于紧耦合结构的一对正交偶极子天线作为天线辐射单元，8-14GHz频带范围内阻抗匹配特性良好，利用带状线T型功分器实现了在8.7-13.3GHz(42％相对带宽)宽带范围内圆极化辐射，且实现了E面和H面±50°扫描；(2)降低了天线单元的尺寸，由普遍的0.5高频波长降为0.37高频波长，天线剖面高度仅0.33高频波长；(3)整体天线单元分为多层印制板，可一体化加工。附图说明图1是这种基于紧耦合结构的小型化宽带宽角圆极化扫描相控阵天线主从边界下的基本天线单元爆炸示意图。图2是这种基于紧耦合结构的小型化宽带宽角圆极化扫描相控阵天线主从边界下的基本天线单元俯视示意图。图3是这种基于紧耦合结构的小型化宽带宽角圆极化扫描相控阵天线主从边界下的基本天线单元俯视示意图。图4是这种基于紧耦合结构的小型化宽带宽角圆极化扫描相控阵天线主从边界下的基本天线单元侧视示意图。图5是具体实施例中单个天线单元带状线功分器输出端口相位特性。可见在该具体实施例中研制的带状线功分器在8-14GHz内，输出端口相位差在90°左右波动，满足实现圆极化辐射的端口相位要求。图6是主从边界下具体实施例中单个天线单元在8-14GHz内轴比特性。可见，按照具体实施例研制的基于紧耦合结构的小型化宽带宽角圆极化扫描相控阵天线在8.7-13.3GHz频带范围内轴比小于3。图7为主从边界下具体实施例中当个天线单元在8-14GHz频带内E面扫描时的驻波特性。可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于紧耦合结构的小型化宽带宽角圆极化扫描相控阵天线，其特征在于，包括上层介质板(101)、辐射单元层(102)、正交偶极子天线辐射单元(103)、圆形金属贴片(104)、中层介质板(105)、第一～五金属化过孔(106、112、113、114、115)、下层介质板、金属地板层(109)、毛纽扣(110)、圆形通孔(111)和带状线T型功分器(116)；/n所述上层介质层(101)、辐射单元层(102)、中层介质板层(105)、下层介质板和金属地板层(109)由上到下依次设置；所述辐射单元层(102)上表面印刷有一对正交偶极子天线辐射单元(103)，偶极子天线一臂通过第四金属化过孔(114)和第五金属化过孔(115)与金属地板层(109)连接；天线臂末端正下方、辐射单元层(102)下表面印刷有圆形金属贴片(104)，圆形金属贴片(104)通过第一金属化过孔(106)与金属地板层(109)相连接；下层介质板由上层微波介质板(107)和下层微波介质板(108)压合而成，其中下层微波介质板(108)上表面镀铜、下表面与金属地板层(109)烧结在一起，在上层微波介质板(107)和下层微波介质板(108)中间印制有金属线，金属线构成90°相位差的带状线T型功分器(116)，第二金属化过孔(112)和第三金属化过孔(113)将带状线T型功分器(116)与正交偶极子天线辐射单元(103)另一臂连接在一起，通过90°相位差的带状线T型功分器(116)进行馈电，以形成圆极化辐射；金属地板层(109)上设置有毛纽扣(110)，毛纽扣(110)接头内芯穿过金属地板层(109)与下层介质板中的带状线T型功分器(116)相连；圆形通孔(111)贯穿上层介质板(101)、辐射单元层(102)和中层介质板(105)，用于调节上层介质板(101)、辐射单元层(102)和中层介质板(105)的有效介电常数；所述正交偶极子天线辐射单元(103)末端下方设置有圆形接地金属贴片。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于紧耦合结构的小型化宽带宽角圆极化扫描相控阵天线，其特征在于，包括上层介质板(101)、辐射单元层(102)、正交偶极子天线辐射单元(103)、圆形金属贴片(104)、中层介质板(105)、第一～五金属化过孔(106、112、113、114、115)、下层介质板、金属地板层(109)、毛纽扣(110)、圆形通孔(111)和带状线T型功分器(116)；
所述上层介质层(101)、辐射单元层(102)、中层介质板层(105)、下层介质板和金属地板层(109)由上到下依次设置；所述辐射单元层(102)上表面印刷有一对正交偶极子天线辐射单元(103)，偶极子天线一臂通过第四金属化过孔(114)和第五金属化过孔(115)与金属地板层(109)连接；天线臂末端正下方、辐射单元层(102)下表面印刷有圆形金属贴片(104)，圆形金属贴片(104)通过第一金属化过孔(106)与金属地板层(109)相连接；下层介质板由上层微波介质板(107)和下层微波介质板(108)压合而成，其中下层微波介质板(108)上表面镀铜、下表面与金属地板层(109)烧结在一起，在上层微波介质板(107)和下层微波介质板(108)中间印制有金属线，金属线构成90°相位差的带状线T型功分器(116)，第二金属化过孔(112)和第三金属化过孔(113)将带状线T型功分器(116)与正交偶极子天线辐射单元(103)另一臂连接在一起，通过90°相位差的带状线T型功分器(116)进行馈电，以形成圆极化辐射；金属地板层(109)上设置有毛纽扣(110)，毛纽扣(110)接头内芯穿过金属地板层(109)与下层介质板中的带状线T型功分器(116)相连；圆形通孔(111)贯穿上...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶静，李祥祥，李业强，滕飞，吴慧峰，
申请(专利权)人：扬州船用电子仪器研究所中国船舶重工集团公司第七二三研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32