雙極化緊耦合偶極子陣列天線的製作方法

2023-06-17 03:48:16 1

本發明涉及超寬帶天線技術領域，尤其涉及一種基於交指型緊耦合偶極子單元的雙極化超寬帶寬角天線陣列。

背景技術：

傳統的超寬帶陣列天線因為其優勢得到了迅猛發展，而隨著研究的不斷深入，他們的缺點也逐漸顯現。首先，也是最重要的制約因素，是陣列間的耦合給性能帶來的影響。由於陣列天線的陣元往往排布緊密，相鄰單元間會產生強烈的耦合，使得陣列單元的場分布與單個超寬帶天線不同，進而影響整個陣列的性能。除了耦合問題外，超寬帶天線的體積問題也備受詬病，傳統的vivaldi天線陣、脊背漸變開槽天線陣為了實現阻抗的漸變，往往需要較長的長度；傳統的平面螺旋天線，為了實現超寬帶特性，需要較大的半徑。可見傳統的超寬帶天線陣由於其體積，難以實現小型化、易共形等要求。

超寬帶緊耦合天線陣，相比於傳統的陣列巧妙化解了陣元間耦合的影響，與傳統陣列選擇抑制耦合或者消除耦合不同，超寬帶耦合天線陣選擇和利用並加強耦合來拓展天線帶寬。基於利用耦合拓展帶寬的理念，緊耦合天線陣不是傳統寬帶天線而是振子作為陣單元，典型大小僅為最大工作頻率對應波長的二分之一，體積遠小於傳統的超寬帶天線。在剖面高度方面，緊耦合天線為了提高正向輻射，需要在陣列平面一下四分之一中心頻率波長處放置一塊金屬反射板。相比與vivaldi天線等，剖面高度已經得到了極大的壓縮。除了前述兩點優勢，緊耦合天線陣還有易共形、寬角掃描、低rcs(radarcrosssection)、交叉極化性能好等優勢。

研究表明，這種新型陣列具有超寬頻帶特性，寬角掃描的特性；由於天線電尺寸極小，組陣後天線陣列整體體積小，雷達散射口徑小，故其還可以用於共形，且不會對被共形物件的氣動性能產生較大影響。對於該種新型陣列技術，如何通過其特性設計其結構成為研究的方向，因此，對這種新穎的天線結構開展研究從而獲得更高性能的天線技術指標具有重要的實際工程意義。

技術實現要素：

針對上述現有技術的不足，本發明提供一種基於交指型雙極化緊耦合偶極子陣列天線，利用偶極子陣元間的強耦合作用，加上匹配的饋線結構，此天線具有更好的寬帶寬角性能。

為實現上述目的，本發明採用如下技術方案：

提供一種雙極化緊耦合偶極子陣列天線，該天線陣列包括若干雙極化天線單元，所述雙極化天線單元包括正交放置的單極化偶極子單元，所述單極化偶極子包括交指段，所述交指段設計為相互扣緊的形式。

所述雙極化偶極子單元包括左右兩個正交的單極子，每個單極子包括偶極子臂和交指段；所述偶極子臂為半開口，兩個偶極子臂的開口向外設置，所述開口處連接交指段；屬於同一單極化偶極子單元的交指段互補插合，形成耦合。

所述單極化偶極子單元包括寬角匹配層、介質基板、介質基板上的偶極子單元、金屬地和過渡巴倫；所述饋電巴倫包括最底端的三角漸變微帶線部分和中間的過渡部分以及後半部分的共面帶線，所述過渡部分巴倫包括上層地線、漸變地線、信號線；所述上層地線和信號線與偶極子單元位於介質基板的同一個面上，上層地線和信號線的上端分別連接偶極子單元的左右兩個單極子；所述信號線分為上、下兩節，所述上節與上層地線大致平行，下節為微帶線，微帶線線寬逐漸變寬以實現阻抗轉換；所述介質基板上設有若干周期金屬過孔，上層地線通過周期金屬過孔與位於介質基板另一面的漸變地線相連實現導通，以實現漸變的阻抗匹配和場匹配；漸變地線寬度從下至上隨曲率漸變曲線漸變減小，最終與上層地線寬度一致。

所述偶極子單元上端設置寬角匹配層，用於改善掃描特性。

所述漸變地線使用曲率漸變曲線漸變，公式中h_down表示整個漸變曲線的高度，c_down、w_down分別表示漸變線自變量t的變化區間，m表示漸變曲線的曲率。

所述交指段由若干連續矩形交指組成。

所述信號線下節微帶線為達到同軸線阻抗到信號線的阻抗變換，微帶線寬度從上至下呈三角形漸變變寬。

引入50歐電阻加載與漸變底線與金屬地之間消除在特定頻點處產生的共模電流引起的共模諧振。

本發明具有如下創新：

1.本發明主要提出一種基於偶極子陣元間互耦效應的雙極化超寬帶天線，通過加強陣元間的耦合拓寬天線帶寬。

2.結構簡單，易於加工：結構源於印刷偶極子天線，整個天線單元都是印刷在pcb板上，饋線結構也是由雙線到微帶的轉化，構造簡單緊湊，方便加工。

3.創新性強，技術前瞻性好：本發明在偶極子陣元部分使用了交指型電容，通過加強偶極子陣元間的耦合，實現了寬帶特性；其可與超材料配合使用，實現極化轉換等功能，拓展了人工表面等離子器件的應用範圍，具有很好的技術前瞻性。

4.寬帶寬角：加上饋線結構的天線陣列能夠實現5.5倍頻帶寬，e、h面的掃描都能達到45°。

附圖說明

圖1是本發明陣子單元示意圖；

圖2是本發明陣子單元側視圖；

圖3是偶極子單元示意圖；

圖4是圖1所示陣子單元對應得s參數圖；

圖5、圖6是本發明左右單元饋電巴倫結構示意圖；

圖7是巴倫漸變地的曲線坐標軸示意圖；

圖8、圖9是本發明的整體結構剖面圖；

圖10是本發明結構激勵饋電埠一時在phi＝0面掃描時對應的駐波比圖；

圖11是本發明結構激勵饋電埠一時在phi＝90面掃描時對應的駐波比圖；

圖12是本發明結構激勵饋電埠二時在phi＝0面掃描時對應的駐波比圖；

圖13是本發明結構激勵饋電埠二在phi＝90面掃描時對應的駐波比圖。

具體實施方式

雙極化天線單元由正交放置的單極化偶極子單元組成，而單極化偶極子單元包括寬角匹配層1、介質基板上的偶極子單元2、介質基板3、過渡巴倫4、金屬地5、由同軸線饋電的埠一6和饋電埠二7；所述半波偶極子單元包括左右兩個單極子，每個單極子包括偶極子臂和交指段；所述偶極子單元的左右兩個偶極子臂分別呈開口向左和開口向右的半圓形，半圓形開口處連接交指段；相鄰偶極子單元的交指段互補插合，形成耦合(偶極子阻抗和其形狀相關，可進行微調形狀使其阻抗達到預期設定值)；所述饋電巴倫由最底端的三角漸變微帶線部分和中間的過渡段以及後半部分的共面帶線，過渡巴倫包括上層地線、漸變地線、信號線；所述上層地線和信號線與偶極子單元位於介質基板的同一個面上，上層地線和信號線的上端分別連接偶極子單元的左右兩個單極子；所述信號線分為兩節，上節為矩形與上層地線平行構成平行雙線，下節為微帶線，微帶線線寬逐漸變寬以實現阻抗轉換；所述介質基板上設有若干周期過孔，上層地線通過周期過孔與位於介質基板另一面的漸變地線相連，以實現漸變的阻抗匹配和場匹配；漸變地線寬度從下至上隨曲率漸變曲線漸變減小，最終與上層地線寬度一致。

並且所述偶極子單元上端設置寬角匹配層。

所述漸變地線使用曲率可控曲線漸變，線寬由下至上逐漸變小，最終與上層地線寬度一致。

所述信號線的下節微帶線從上至下呈三角形漸變變寬(阻抗從上往下由大變小)。

本發明是印刷偶極子天線的基礎上，通過加強偶極子陣元間的耦合作用，以此達到擴展帶寬的作用。主要由交指型偶極子陣元和饋線巴侖兩個部分組成，饋線巴侖主要實現阻抗匹配以及電場匹配的功能。饋線巴侖主要由三個部分組成：共面雙線部分，主要是為了給偶極子單元平衡饋電；傳輸線部分，主要是為了緩解輸入阻抗隨頻率變化而變化的特性；微帶線部分，主要是為了實現阻抗轉換，將155ω的阻抗值轉化成50ω的輸出，最終能夠更加方便天線的饋電。

下面結合附圖對本發明的技術方案作進一步的詳細描述。

天線陣的介質基板為羅傑斯5880(介電常數為2.2)，如圖1所示，本發明結構由單極化交指型緊耦合單元為基礎，兩個單極化單元通過咬合設計組成雙極化單元。而單極化單元間通過矩形的互補交指形成耦合，同一陣子左右兩邊偶極子臂鏡像對稱(方向)，交指段互補，交指數量以及大小根據實際所需耦合強度設定。陣子下端連接共面雙線至微帶線的過渡巴倫，過渡巴倫上部為共面雙線，下部為微帶線輸入，微帶線由下至上逐步變窄，漸變地線長度取決於工作頻段及帶寬，漸變形式為曲線漸變。陣列單元上端覆蓋一定厚度的介質層作為寬角匹配層，以提高天線寬角掃描性能，匹配層厚度以及介電常數需按實際工作頻段等選取。

圖2、圖3為本發明所採用的緊耦合陣子單元結構，x方向以及y方向的周期為dx＝8.3mm，dy＝10mm，板材厚度h＝0.762mm，介質板的長度l＝23.646mm，金屬反射板距離陣子最上端間距hrf＝14.823mm，陣子上端寬角匹配層介電常數為2.2，厚度hw＝6.35mm。緊耦合陣子單元印刷在介質基板中間層，交指段交指個數為4個，每個交指的長寬lf＝0.7mm，wf＝0.5mm，上下縫隙間距為g1＝0.25mm，左右間距為g2＝0.2m，交指後墊寬wb＝0.5mm，長度lb＝6mm。偶極子臂半徑r＝3mm，圓心到偶極子臂對稱中心距離d＝4.05mm，階梯狀過渡段兩級長寬分別為，w1＝0.55mm，w2＝1.5mm，l1＝0.6mm，左右兩臂之間的間距為df＝0.6mm，銅箔厚度t＝0.018mm。陣子性能仿真結果如圖4所示，緊耦合陣子在1.6ghz到8.5ghz的頻帶內埠反射係數s11小於-10db，實現了5.3:1的超寬帶性能。

圖5、圖6給出了連接巴倫後的陣子單元結構，巴倫上端雙線結構直接連接到偶極子上，下端為50歐姆微帶輸入。雙線間距gf＝0.3mm，線寬wdl＝0.4mm，雙線位於介質基板中間層，地板位於基板底層，雙線左側的為上層地線長度lug＝15.725mm，通過周期性過孔與底層漸變地線連接，過孔半徑rt＝0.15mm，共15個，間隔lt＝1.05mm，右側信號線可分為兩節，第一節為矩形，長度lsg1＝14.725mm，寬度為雙線線寬wdl，第二節長度lsg2＝5.646mm，線寬由上側的wdl線性漸變到下側wms＝1mm。圖7為漸變地線，漸變段長度為ltr＝14.725mm，上側寬度為wdl，下側寬度wgnd＝3.6mm，採用曲線漸變的形式。

圖8、圖9為雙極化單元組成的陣列形式。

根據上述實施例，利用電磁仿真軟體可以得到如圖10至圖13所示的埠駐波比曲線，從該曲線可以看出，在埠駐波比小於3的前提下，實例一所示的超寬帶寬角緊耦合天線陣，可以在1.2ghz到8.4ghz的超寬帶內實現e面以及h面最高到45°的寬角掃描性能，完全符合設計需求。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。