二维圆极化宽角扫描相控阵天线制造技术

本发明专利技术公开的一种二维毫米波圆极化宽角扫描相控阵天线，涉及毫米波天线技术领域。本发明专利技术通过下述技术方案实现：天线辐射贴片以中心开十字刻等长的高阻抗匹配微带线连接矩形寄生贴片对天线进行阻抗匹配，在天线辐射贴片边角的对角平分线对称中心上，制有风车形微带辐射贴片激励等幅同相极化正交的简并模，馈电探针穿过天线介质层，通过四个矩形寄生贴片连接天线辐射贴片，每个天线单元四个馈电探针4通过等幅依次相差90

【技术实现步骤摘要】
二维圆极化宽角扫描相控阵天线
本专利技术属于微波天线
，具体涉及一种二维毫米波圆极化宽角扫描天线阵列。
技术介绍
随着现代航空航天技术的发展，对于各种雷达相控阵天线的要求日益增加。相较于传统的机械扫描雷达系统，相控阵天线具有更加便捷的波束控制，更加灵敏便捷的波束响应，能够实现高速高性能的波束扫描和波束追踪。同时，相控阵天线具有轻重量、低剖面和装机体积小的优点，故其受到越来越多的关注。然而，平面相控阵天线严重受限于波束扫描范围窄的制约，随着天线阵列扫描角度在俯仰面内的增大，天线扫描增益会出现严重的下降，无法形成有效的波束扫描。根据工程经验，平面相控阵天线在俯仰面内正常工作的扫描范围为±45°以内，在±60°方向将出现5dB左右的增益损失，无法继续工作。近年来，众多研究发现相控阵列的性能很大程度上取决于阵列单元的性能，因此构建宽波束单元再进行组阵的方式成为了实现宽角度相控阵扫描的一种有效的方法。传统的微带天线由于其自身具有结构简单、剖面薄、重量轻等优点被广泛应用,但同时也存在带宽窄、增益不高等缺点。常规设计中，常通过将辐射贴片形状设计成等面积正六边形、三角形、圆形等形状的方法，适当调节天线的中心频率、回波损耗、带宽及相对带宽、增益和方向性系数等参数，但由于微带天线本身高Q值的特点，这几种天线形式无法解决微带天线设计中的带宽和增益问题。在实际工程应用中，除了对宽角扫描增益有需求外，普遍还对天线的工作频段、极化方式及轴比等电性能指标有约束设计要求。在对快速移动目标跟踪及卫星通讯的应用中，对阵列天线的工作带宽、极化方式和宽角扫描能力的要求愈发严苛。因此，对阵列天线宽带二维大角度扫描的研究变得很有必要。传统实现阵列天线宽角扫描的方法有利用宽波束天线单元技术，宽角阻抗匹配技术等。在实际应用中，这些技术往往掣肘于工作带宽较窄、扫描维度和极化方式受限等因素。在现有技术公开的文献中，文献“Dual-PolarizedWide-AngleScanning-PhasedArrayBasedonMulti-ModePatchElements”(Ding,X.,GaoG.F.,ChengY.F.,&ShaoW.(2019).IEEEAntennasandWirelessPropagationLetters.vol.18,no.3,pp.546-550)提出了一款双极化二维宽角扫描相控阵，在phi＝0°和phi＝90°方位面分别实现了-68°～+68°的宽角扫描，且在phi＝0°的方位面有着水平线极化，在phi＝90°的方位面有着垂直线极化。这是一种较为典型的二维宽角扫描相控阵，但这种设计结果无法实现在多个方位面内(例如phi＝0°和phi＝90°)实现相同极化扫描，也未能在phi＝45°的方位面实现宽角扫描，与实际工程应用需求相去甚远。随着现代通信对大用户容量，高速率和低时延的要求越来越高，天线在其中发挥的作用也越来越关键。对天线单元或阵列的阻抗带宽、方向图、极化和增益特性都提出了更高的要求，多样化的需求使得更多的天线形式涌现出来。其中，圆极化天线因其可以减轻卫星通信信号在传播过程中的多径干扰和电磁波穿过电离层时的法拉第旋转效应，并提供给天线更多的空间取向自由度而比线极化天线更受青睐。然而，由于阵列波束在大角度扫描时，阵元之间互耦及传统的平面阵列几何结构的限制，给展宽阵列天线扫描角带来了很大的挑战。一种常用的扩展阵列波束扫描角的方法是利用宽波束天线单元技术：通过向天线单元加载高阻抗表面、像素块状寄生层口及利用单元之间的强耦合来展宽阵列单元波束宽度；使用磁电偶极子及利用磁流源带来的宽波束特性，也可获得宽波束单元；此外，还有报导文献利用人工磁导体结合镜像理论来展宽阵元波束宽度。以上这些实现方式均基于宽波束阵列单元及较窄的单元间距来达到阵列宽扫描角的目的。但是，由于阵列安装尺寸及阵元间距的限制，采用该方案的阵列只适合在一维方向上实现较大的扫描角且多为线极化，而且阵元之间过小的间距及天线单元的宽波束特性会使得阵元之间的互耦增强，从而使得阵列的端口阻抗匹配变得困难。张剑，任思，蓝海，张云，何海丹(2013)公开的“宽角扫描圆极化相控阵天线子阵”，提出了一种宽角扫描圆极化相控阵天线子阵，旨在提供一种具有良好的宽角扫描增益特性和宽角扫描圆极化特性，可较好避免反旋的相控阵天线子阵。该专利申请虽然实现了圆极化扫描，但扫描角度未能得到很好的拓展，扫描区域也不连续，无法在phi＝45°的方位面呈现。此外，该方案展示的圆极化相控阵工作带宽较窄，扫描波束的轴比性能也不理想。由以上可知，要在满足实际工程需求前提下实现天线阵列的宽角扫描，实现方位面内实现任意剖面连续工作，并保持良好的圆极化、工作带宽和轴比性能，是平面二维圆极化宽角扫描相控阵技术的研究难点和工程应用关键。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术圆极化平面阵列的扫描角受限和三维宽角扫描阵列体积大的问题和现有技术存在的不足之处，在实现方位面内任意剖面连续工作，并保证良好的圆极化、带宽和轴比等指标前提下，提供一种可工作于30GHz毫米波频段的二维圆极化宽角扫描相控阵天线。本专利技术为解决以上描述的技术问题采取的技术方案：一种二维圆极化宽角扫描相控阵天线，包括：固定在天线介质层2上表面的天线辐射贴片1和下表面上的金属地板3，通过天线馈电探针4完成馈电激励构成宽波束圆极化宽角相控阵的天线单元，其特征在于：天线辐射贴片1以中心开十字刻等长的高阻抗匹配微带线6连接矩形寄生贴片7对天线进行阻抗匹配，在天线辐射贴片1边角的对角平分线对称中心上，制有风车形微带辐射贴片5激励等幅同相极化正交的简并模，馈电探针4穿过天线介质层3，通过至少四个矩形寄生贴片7的金属焊盘连接天线辐射贴片1，每个天线单元四个馈电探针4通过等幅依次相差90°的旋转馈电结构进行馈电，在宽角扫描范围内实现天线单元良好的圆极化工作特性，风车形微带辐射贴片5分别从对称中心延伸至外侧，与四个金属化探针的四个矩形寄生贴片7矩形块进行连接馈电，并通过对馈电口分别馈入相位依次相差90°的等幅激励形成圆极化辐射，阵元布阵间距取工作频带中频30GHz对应的0.46倍波长(4.6mm)，天线阵列按照此单元间距等间距矩形排列布阵，组成天线阵列阵面。本专利技术相比于现有技术具有如下有益效果：(1)本专利技术针对现有圆极化平面阵列的扫描角受限和三维宽角扫描阵列体积大的问题，固定在天线介质层2上表面的天线辐射贴片1和下表面上的金属地板3通过天线馈电探针4完成馈电激励，构成宽波束圆极化宽角相控阵的天线单元，实现了宽角圆极化扫描，整个天线单元结构具有低剖面、轻重量、高增益、低旁瓣和宽波束的性能。天线单元的中心贴片通过大幅切角减小整体电尺寸，形成了多转折的风车形状，使得电流流过其边缘的等效路径长度增加，从而实现了小型化和宽带化，能够有效展宽天线的阻抗带宽，优化天线参数配置。从天线单元风车贴片向外延伸的四个偶极臂进一步增加了电流流动的等效路径长度，进一步缩小了天线的电尺寸。仿真与测试结果表明,基于该单元结构组成的8×8天线阵列在±60°方向实现了19dBi以上本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二维圆极化宽角扫描相控阵天线，包括：固定在天线介质层(2)上表面的天线辐射贴片(1)和下表面上的金属地板(3)，通过天线馈电探针(4)完成馈电激励构成宽波束圆极化宽角相控阵的天线单元，其特征在于：天线辐射贴片(1)以中心开十字刻等长的高阻抗匹配微带线(6)连接矩形寄生贴片(7)对天线进行阻抗匹配，在天线辐射贴片(1)边角的对角平分线对称中心上，制有风车形微带辐射贴片(5)激励等幅同相极化正交的简并模，馈电探针(4)穿过天线介质层(3)，通过四个矩形寄生贴片(7)连接天线辐射贴片(1)，每个天线单元四个馈电探针(4)通过等幅依次相差90

【技术特征摘要】
1.一种二维圆极化宽角扫描相控阵天线，包括：固定在天线介质层(2)上表面的天线辐射贴片(1)和下表面上的金属地板(3)，通过天线馈电探针(4)完成馈电激励构成宽波束圆极化宽角相控阵的天线单元，其特征在于：天线辐射贴片(1)以中心开十字刻等长的高阻抗匹配微带线(6)连接矩形寄生贴片(7)对天线进行阻抗匹配，在天线辐射贴片(1)边角的对角平分线对称中心上，制有风车形微带辐射贴片(5)激励等幅同相极化正交的简并模，馈电探针(4)穿过天线介质层(3)，通过四个矩形寄生贴片(7)连接天线辐射贴片(1)，每个天线单元四个馈电探针(4)通过等幅依次相差90°的旋转馈电结构进行馈电，在宽角扫描范围内实现天线单元良好的圆极化工作特性，阵元布阵间距取工作频带中频30GHz对应的0.46倍波长，天线阵列按照此单元间距等间距矩形排列布阵，组成天线阵列阵面。


2.如权利要求1所述的二维圆极化宽角扫描相控阵天线，其特征在于：基于圆极化宽波束天线单元组阵，得到8×8的二维圆极化宽角扫描天线阵列。


3.如权利要求1所述的二维圆极化宽角扫描相控阵天线，其特征在于：天线各阵元按照等间距进行矩形布阵，整个阵列叠层结构与天线单元一致。


4.如权利要求1所述的二维圆极化宽角扫描相控阵天线，其特征在于：整个圆极化宽角扫描天线单元为平面单层微带形式，其结构层次从上至下依次为天线辐射贴片(1)、天线介质层(2)、金属地板(3)、馈电探针(4)以及馈电针末端的预留焊盘(11)。


5.如权利要求1所述的二维圆极化宽角扫描相控阵天线，其特征在于：天线辐射贴片(1)为金属印刷层，金属印刷层包括：风车形微带辐射贴片...

【专利技术属性】
技术研发人员：王多，何海丹，谢玲，
申请(专利权)人：西南电子技术研究所中国电子科技集团公司第十研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51