本發(fā)明屬于天線工程技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及寬帶寬角掃描相控天線陣系統(tǒng)，具體來說是一種基于強(qiáng)互耦效應(yīng)的，剖面極低的，可以實(shí)現(xiàn)寬帶寬角掃描的相控天線陣列，適用于要求天線具有低剖面和寬帶寬角掃描特性的載體平臺(tái)。

背景技術(shù)：

相控陣天線是在陣列天線的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種現(xiàn)代天線形式。相控陣天線具有納秒級(jí)的快速波束掃描能力，并且完全沒有機(jī)械波束掃描系統(tǒng)具有的運(yùn)動(dòng)慣性、時(shí)間延遲以及機(jī)械振動(dòng)等缺點(diǎn)，因此在目標(biāo)偵查、跟蹤、成像以及衛(wèi)星通信等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)相控陣天線設(shè)計(jì)方法，在寬帶寬角掃描相控陣天線設(shè)計(jì)中面臨著諸多棘手的困難。一方面，受常規(guī)陣列天線理論中“掃描角-陣元間距”定律限制，首先需要設(shè)計(jì)出單元尺寸小于高頻端處半波長(zhǎng)的寬帶天線單元；另一方面，由于天線陣各單元之間較強(qiáng)的互耦效應(yīng)，天線的駐波比和方向圖在掃描時(shí)會(huì)發(fā)生惡化。此外，為了使天線陣具有良好的掃描效果，陣列單元往往剖面較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易于天線陣的安裝和共形。在寬帶寬角掃描相控陣中，以上問題會(huì)更加突出。

基于強(qiáng)互耦效應(yīng)的相控陣天線，作為一種特別適合用作寬帶相控陣天線的天線形式，近年來頗受關(guān)注。俄亥俄州立大學(xué)的b.munk教授在美國(guó)專利號(hào)為6512487專利“寬帶相控陣及相關(guān)技術(shù)”(widebandphasedarrayantennaandassociatedmethods)中，首次提出了基于天線陣列單元之間的強(qiáng)互耦拓展天線帶寬的方法。在該種方法中，為了獲得極寬的工作帶寬，munk在相鄰偶極子之間引入了強(qiáng)電容耦合分量，這一強(qiáng)電容耦合分量剛好補(bǔ)償了緊密排列偶極子單元固有的電感分量，這樣當(dāng)相控陣天線工作頻率發(fā)生變化時(shí)，天線單元的輸入阻抗以及輻射特性隨著頻率的變化較緩慢，從而展現(xiàn)出極寬的頻帶特性。然而，munk等人的強(qiáng)電容耦合偶極子相控陣仍然存在很多不足。一、該種天線往往需要使用多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中作為寬角掃描阻抗匹配層的介質(zhì)板材具有與工作波長(zhǎng)成正比的厚度，因而導(dǎo)致陣列整體剖面較高，不利于陣列的安裝與共形。二、該種天線其形式只在沿著偶極子臂的方向上加強(qiáng)了耦合，因此在一維寬角掃描時(shí)效果良好，而在二維寬角掃描時(shí)具有相當(dāng)?shù)木窒扌浴Ｈ?、該種天線偶極子末端采用交趾形式進(jìn)行耦合，特別適用于多個(gè)倍頻程的寬帶天線,但其駐波比一般較高。

為克服以上缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)互耦天線陣的二維寬帶寬角掃描，一些改進(jìn)的、其他形式的強(qiáng)互耦天線陣被提出。申請(qǐng)?zhí)枮?00380104960.2的中國(guó)專利“相控陣天線上的多層電容耦合”中提出了的兩個(gè)強(qiáng)互耦偶極子正交排列構(gòu)成一個(gè)單元，進(jìn)而組成平面陣列來實(shí)現(xiàn)二維掃描的方法。但是這種方法其一個(gè)單元中會(huì)有兩個(gè)饋電端口，這無疑會(huì)增大設(shè)計(jì)、加工制造與饋電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的難度，且這種柵格形式的偶極子比較復(fù)雜，用更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)更易出現(xiàn)不可控的天線性能惡化，例如出現(xiàn)共模諧振、表面波等現(xiàn)象。申請(qǐng)?zhí)?01510163350.4的中國(guó)專利“一種改進(jìn)型強(qiáng)互耦超寬帶二維波束掃描相控陣天線”中提出一種偶極子兩側(cè)加u型貼片的改進(jìn)型強(qiáng)互耦相控陣，該陣列無需寬角匹配層與正交排列的偶極子單元，實(shí)現(xiàn)了5：1帶寬下±45°掃描，但是掃描至±45°時(shí)帶內(nèi)駐波比大于3，惡化嚴(yán)重。2013年，一篇發(fā)表在ieeetrans.antennaspropag.(vol.61,no.9,sepetember2013)的文章widebandplanararraywithintegratedfeedandmatchingnetworkforwide-anglescanning提出了一種新型強(qiáng)互耦天線陣，該陣列實(shí)現(xiàn)了8-12.5ghz內(nèi)e面±70°，h面±60°掃描，且在掃描頻帶內(nèi)駐波比小于2。但是該天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且加載了較厚較重的阻抗匹配層，整體剖面高度接近1/2高頻波長(zhǎng)。

前述強(qiáng)互耦天線陣列，對(duì)傳統(tǒng)強(qiáng)互耦相控陣進(jìn)行了一些改進(jìn)。但是，對(duì)于強(qiáng)互耦相控陣而言，隨著剖面的降低，陣列的有源駐波會(huì)嚴(yán)重惡化。并且，由于強(qiáng)互耦陣列僅在沿偶極子臂方向上存在強(qiáng)烈互耦，在二維掃描時(shí)駐波惡化會(huì)更加嚴(yán)重，這對(duì)寬角掃描是尤為不利的。因此，目前的強(qiáng)互耦天線陣列，都存在掃描角度小或天線高度較高等問題。而在工程應(yīng)用中，尤其在高速載體平臺(tái)應(yīng)用中，迫切需要一款天線能夠同時(shí)滿足低剖面與寬帶寬角掃描的要求。而本發(fā)明正是為解決以上需求而提出。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本明提出了一種新型的基于強(qiáng)互耦效應(yīng)的，低剖面寬帶寬角掃描相控陣天線，通過采用新型耦合形式，并在偶極子單元兩側(cè)分別加載兩個(gè)矩形寄生貼片，實(shí)現(xiàn)了8-12ghz頻帶范圍內(nèi)比小于2.5情況下的±60°二維寬角掃描，且天線的整體高度僅為0.127高頻(12ghz)波長(zhǎng)。

本發(fā)明基于b.munk等人提出的強(qiáng)互耦效應(yīng)原理，采用了新型的強(qiáng)互耦偶極子單元結(jié)構(gòu)，并藉此克服了以上背景技術(shù)中提到的各項(xiàng)技術(shù)難題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了天線的低剖面與寬帶寬角掃描。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：使用印刷在介質(zhì)層上的緊密排列的強(qiáng)互耦偶極子作為陣列單元，偶極子兩側(cè)分別印刷有兩個(gè)平行放置的矩形貼片，用于另一個(gè)方向的耦合。本天線單元采用兩個(gè)金屬通孔形式的非平衡饋電方式，并另有兩個(gè)接地金屬通孔用于消除表面波與共模寫真，改善單元匹配。由于本單元直接采用在介質(zhì)板上印刷與打孔的加工方式，無需增加其他支撐結(jié)構(gòu)。所以本發(fā)明提出的低剖面寬帶寬角掃描相控陣結(jié)構(gòu)包括介質(zhì)基板(1)；印刷在介質(zhì)板上的偶極子單元(2)；偶極子單元兩側(cè)平行放置的矩形貼片(3)；地板(4)；非平衡饋電結(jié)構(gòu)(5)；兩個(gè)接地金屬化通孔(6)；對(duì)非平衡饋電結(jié)構(gòu)進(jìn)行饋電的微波同軸電纜(7)。印刷偶極子放置在介質(zhì)頂部的中間位置，兩側(cè)分別對(duì)稱放置兩個(gè)印刷矩形貼片，介質(zhì)層厚度約為0.127高頻波長(zhǎng)。

本發(fā)明中方案的優(yōu)點(diǎn)是：一、采用新型耦合方式的強(qiáng)互耦偶極子，強(qiáng)互耦偶極子末端為u型機(jī)構(gòu)，該種耦合方式特別適用于相對(duì)帶寬小于2：1，但要求低駐波比的寬帶天線單元。二、采用在偶極子兩側(cè)分別放置兩個(gè)矩形貼片的方式增強(qiáng)另一方向相鄰單元的耦合，克服了普通強(qiáng)互耦偶極子陣列只在一個(gè)方向具有強(qiáng)烈互耦，因此只能一維掃描的特性，實(shí)現(xiàn)了低駐波比二維寬角掃描。三、整體天線單元直接印刷于介質(zhì)板上，通過金屬通孔進(jìn)行饋電，并無需其他支撐結(jié)構(gòu)，天線加工簡(jiǎn)單。四、天線單元未使用寬角阻抗匹配層，天線剖面極低。

附圖說明

圖1一種基于強(qiáng)互耦效應(yīng)的低剖面寬帶寬角掃描相控陣天線的立體結(jié)構(gòu)圖。該圖所示天線陣列為10x10陣列，但只針對(duì)中心8x8單元進(jìn)行饋電，外面一圈為啞源。該陣列僅為低剖面寬帶寬角掃描相控陣天線的一個(gè)具體實(shí)施例。

圖2為圖1中一個(gè)周期單元的結(jié)構(gòu)圖，圖1所述的低剖面寬帶寬角掃描相控陣包含一系列呈周期性排列的這種結(jié)構(gòu)。

圖3為具體實(shí)施例1中的單個(gè)單元在8-12ghz頻帶內(nèi)e面掃描時(shí)的駐波特性?？梢姡淳唧w實(shí)施例1研制的基于強(qiáng)互耦效應(yīng)的低剖面寬帶寬角掃描相控陣天線在在8-12ghz頻帶內(nèi)e面0-60°掃描時(shí)駐波比小于2.5。

圖4為具體實(shí)施例1中的單個(gè)單元在8-12ghz頻帶內(nèi)d面掃描時(shí)的駐波特性?？梢姡淳唧w實(shí)施例1研制的基于強(qiáng)互耦效應(yīng)的低剖面寬帶寬角掃描相控陣天線在在8-12ghz頻帶內(nèi)d面0-60°掃描時(shí)駐波比小于2.5。

圖5為具體實(shí)施例1中的單個(gè)單元在8-12ghz頻帶內(nèi)h面掃描時(shí)的駐波特性?？梢?，按具體實(shí)施例1研制的基于強(qiáng)互耦效應(yīng)的低剖面寬帶寬角掃描相控陣天線在在8-12ghz頻帶內(nèi)h面0-60°掃描時(shí)駐波比小于2.5。

圖6為具體實(shí)施例1在10ghz頻點(diǎn)e面0-60°各掃描狀態(tài)下的輻射方向圖。其中，圖6(a)為具體實(shí)施實(shí)例1在不掃描狀態(tài)下e面輻射方向圖，圖6(b)為具體實(shí)施實(shí)例1在掃描至時(shí)e面輻射方向圖，圖6(c)為具體實(shí)施實(shí)例1在掃描至時(shí)e面輻射方向圖。

圖7為具體實(shí)施例1在10ghz頻點(diǎn)d面0-60°各掃描狀態(tài)下的輻射方向圖。其中，圖7(a)為具體實(shí)施實(shí)例1在不掃描狀態(tài)下d面輻射方向圖，圖7(b)為具體實(shí)施實(shí)例1在掃描至時(shí)d面輻射方向圖，圖7(c)為具體實(shí)施實(shí)例1在掃描至時(shí)e面輻射方向圖。

圖8為具體實(shí)施例1在10ghz頻點(diǎn)h面0-60°各掃描狀態(tài)下的輻射方向圖。其中，圖8(a)為具體實(shí)施例1在不掃描狀態(tài)下h面輻射方向圖，圖8(b)為具體實(shí)施實(shí)例1在掃描至時(shí)h面輻射方向圖，圖8(c)為具體實(shí)施實(shí)例1在掃描至時(shí)h面輻射方向圖。

實(shí)施例1：基于強(qiáng)互耦效應(yīng)的低剖面寬帶寬角掃描相控陣天線陣

參照?qǐng)D1與圖2，本實(shí)施例由一層印刷有緊密排列偶極子單元的周期結(jié)構(gòu)構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)主要包括介質(zhì)基板(1)；印刷在介質(zhì)板上的偶極子單元(2)；偶極子單元兩側(cè)平行放置的矩形貼片(3)；地板(4)；非平衡饋電結(jié)構(gòu)(5)；兩個(gè)接地金屬化通孔(6)；對(duì)非平衡饋電結(jié)構(gòu)進(jìn)行饋電的微波同軸電纜(7)。參照?qǐng)D2，緊密排列的強(qiáng)互耦偶極子單元2印刷在介質(zhì)基板(1)上。強(qiáng)互耦偶極子兩側(cè)則分別放置兩個(gè)平行排列的矩形金屬貼片(3)，以增強(qiáng)該方向單元耦合。介質(zhì)基板(1)底部直接接觸金屬地板(4)，無需添加其他支撐結(jié)構(gòu)。單元饋電使用雙金屬探針形式的非平衡饋電結(jié)構(gòu)(5)，并在偶極子的兩臂各有一個(gè)金屬化通孔(6)接地，以消除共模諧振。天線的整體高度僅為0.127高頻(12ghz)波長(zhǎng)。熟知本研究領(lǐng)域的技術(shù)人員可以采用任何可以支撐天線陣列結(jié)構(gòu)的材料替換介質(zhì)基板(1)。

參照?qǐng)D3至圖8，圖3至圖5給出了該實(shí)施例在e面、d面、h面三個(gè)典型面掃描時(shí)的駐波特性；圖6至圖8給出了該實(shí)施例在e面、d面、h面三個(gè)典型面掃描時(shí)的輻射方向圖?？梢钥闯觯搶?shí)施例實(shí)現(xiàn)了在8-12ghz頻帶范圍內(nèi)的二維寬角掃描，俯仰面掃描角度0-60°，掃描時(shí)駐波比小于2.5。同時(shí)，天線未采用任何形式的寬角阻抗匹配層，總剖面高度僅為0.127高頻(12ghz)波長(zhǎng)，符合低剖面的要求。

本實(shí)施實(shí)例中，陣列為由圖2所示周期單元組成的10×10面陣?；趫D2描述的周期單元，針對(duì)實(shí)際應(yīng)用需要，可將該無限大陣列拓展至任何符合實(shí)際的有限大陣列。

前面已經(jīng)描述本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，應(yīng)該理解上述實(shí)施例只是以一種示例形式被提出，并無限制性。因此，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的情況下可以作出多種形式上和細(xì)節(jié)上的變更，這對(duì)于熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員是顯而易見的，無需創(chuàng)造性勞動(dòng)。上述這些都應(yīng)被視為本發(fā)明的涉及范圍。