專利名稱：有限帶寬內大角度掃描的低損耗微帶貼片頻掃天線陣列的制作方法
技術領域：
本發明屬于頻率掃描天線陣列，特別是一種有限帶寬內大角度掃描的低損耗微帶 貼片頻掃天線陣列。
背景技術：
電掃描天線克服了傳統機械掃描中掃描速度慢的缺點，目前已在雷達、通信、移動 電視等軍用和民用領域有著廣泛的應用，并得到快速發展。現有的天線電掃描技術主要有 四種相位掃描、頻率掃描、時延掃描和電子饋電開關掃描。其中用的最多的是相位掃描和 頻率掃描。相位掃描是通過改變陣元輸入信號的相位實現波束掃描；頻率掃描通過改變信 號頻率的方式來改變天線單元之間的“陣內相位差”，從而實現波束的掃描。另外數字波束 形成天線陣列和可重構天線也可以實現電子波束掃描。但是與頻掃天線相比，相控陣天線 和數字波束形成天線的成本和復雜度在許多應用中都是一個問題。可重構天線雖然在成本 和復雜度上可以和頻掃天線相比擬，但是它不適合制作成大型陣列。因而頻率掃描天線作 為電掃描天線的一種，因其結構簡單、可靠性高，實現成本低而受到關注。在已使用的頻率掃描陣列中，用得比較多的是矩形波導窄邊裂縫行波陣天線，慢 波線結構也是由波導構成。但是它們的體積和重量都比較大，并且剖面也比較高，因而限 制了它們的應用范圍。七十年代末開始陸續有人提出了具有波束掃描能力的微帶天線陣 列，其中主要分為兩大類，一類是利用漏波模式進行頻率掃描，漏波天線結構簡單、效率高， 但是掃描角度受到限制，無法實現寬角度掃描；另一類是利用微帶慢波線來進行掃描，但 是微帶線的損耗較大，限制了天線的性能。如MDanielesen提出的微帶頻掃天線，其慢 波線和天線都是由微帶構成，在+300MHz的范圍內實現了 +30°掃描，副瓣均在_12dBi以 下，不過天線效率很低，不至1J 20 % (M. Danielesen and R. Jorgensen. Frequencyscanning microstrip antennas.IEEE Trans. Antennas and Propagat, vol.27, pp. 146—150, Marchl979) 0此外還有輻射單元用陣子天線的，陣子天線的帶寬大，增益平坦，比較適合用 于頻掃天線陣列的設計。最近有用介質鏡像線作慢波線的頻掃天線，采用口徑耦合方式給 上層微帶貼片單元饋電，實現了大角度掃描，并且頻帶內增益起伏不大。此外還有其它形式 的慢波線同軸型慢波線，帶狀線慢波線等，另外用SIW作慢波線也是一種選擇。最近十幾 年，國內相關單位已經成功設計了波導裂縫頻掃天線(李建瀛，梁昌洪.波導窄邊縱縫的理 論分析及頻掃縫陣.西安電子科技大學學報，vol. 25，1998(5) 10 :690_692)，達到了大角度 一維掃描、高增益、低副瓣的要求，但對低剖面、小體積、小重量的輕便型頻掃天線的研究寥 寥無幾。在頻率掃描陣列設計中，帶寬、掃描角和損耗三者是一個互相制約的關系。帶寬越 窄，要實現大角度的掃描，則所使用的慢波線就越長，而相應的損耗就會增加。而傳統的波 導慢波線損耗較低，但其構成的頻率掃描陣列通常有體積大、重量大的缺點。如果不采用波 導慢波線，則會面臨結構復雜和損耗較大的缺點，如微帶慢波線。由于存在著介質損耗、金 屬損耗和輻射損耗，則消耗在微帶慢波線上的能量是巨大的。
發明內容
本發明的目的在于提供一種有限帶寬內低損耗、大角度的頻率掃描天線陣列，該陣列采用波導作頻率掃描慢波線和微帶貼片單元作頻率掃描輻射天線，同時結合了波導低 損耗和微帶低剖面的優點，實現了有限帶寬內低損耗、大角度頻率掃描。實現本發明目的的技術解決方案為一種有限帶寬內大角度掃描的低損耗微帶貼 片頻掃天線陣列，包括E面彎曲波導、金屬地板、介質基板、波導縫隙微帶貼片混合饋電結 構、微帶貼片單元，E面彎曲波導的一端為饋電端口，另一端為接匹配負載的波導端口，設置 有矩形縫隙的金屬地板放置在E面彎曲波導上，并連接在一起，在金屬地板上設置介質基 板，在介質基板上放置兩排微帶貼片單元，每排微帶貼片單元的數量與縫隙的數量相等，所 有的微帶貼片單元構成微帶貼片天線陣列；在介質基板上與每個縫隙對應的位置設置耦合 微帶貼片，在每個耦合微帶貼片的兩邊分別對稱連接微帶傳輸線，該微帶傳輸線的端口分 別與對應的微帶貼片單元連接，E面彎曲波導、金屬地板、介質基板、縫隙、耦合微帶貼片、微 帶傳輸線形成波導縫隙微帶貼片混合饋電結構；E面彎曲波導頂部開口，金屬地板作為該 頂部開口波導的一個窄壁。本發明與現有技術相比，其顯著優點(1)采用波導慢波線結構，顯著降低頻率掃 描慢波線的損耗，改善了頻率掃描天線的性能；(2)采用微帶貼片單元作為頻率掃描輻射 天線，具有結構簡單、低剖面的優點；(3)采用波導縫隙微帶貼片混合饋電結構，方便地實 現了能量從波導慢波線至微帶線的耦合，不僅可以方便地控制天線陣列的口徑分布，同時 使得該頻率掃描天線陣列便于實現二維大陣列的擴展。Ansoft HFSSll仿真結果表明該天 線在8.86GHz-9.88GHz頻帶內可實現一維(-48°，45° )的頻率掃描，工作頻帶內天線增益 均在21.6dBi以上，最大增益可達23. 3dBi，掃描頻帶內天線副瓣電平可控制-15dBi以下。下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。
圖1為本發明的有限帶寬內大角度掃描的低損耗微帶貼片頻率掃描天線陣列的 俯視結構圖。圖2為本發明的有限帶寬內大角度掃描的低損耗微帶貼片頻掃天線陣列中波導 縫隙微帶貼片混合饋電結構圖。圖3為本發明的有限帶寬內大角度掃描的低損耗微帶貼片頻掃天線陣列中微帶 輻射貼片俯視結構圖。圖4為本發明的有限帶寬內大角度掃描的低損耗微帶貼片頻掃天線陣列的等效 傳輸線模型圖。圖5為本發明的有限帶寬內大角度掃描的低損耗微帶貼片頻掃天線陣列采用 25dB泰勒幅度加權時，各單元的歸一化導納曲線。圖6為本發明的有限帶寬內大角度掃描的低損耗微帶貼片頻掃天線陣列的仿真 方向圖。圖7為本發明的有限帶寬內大角度掃描的低損耗微帶貼片頻掃天線陣列中各頻 點處副瓣大小的仿真變化曲線。
具體實施例方式結合圖1，本發明有限帶寬內大角度掃描的低損耗微帶貼片頻掃天線陣列，利用E 面彎曲波導作頻率掃描慢波線，微帶貼片作為頻率掃描輻射天線，能在有限帶寬內實現低 損耗、大角度波束掃描，包括E面彎曲波導1、金屬地板4、介質基板5、波導縫隙微帶貼片混 合饋電結構6、微帶貼片單元7，E面彎曲波導1的一端為饋電端口 2，另一端為接匹配負載 的波導端口 3，設置有矩形縫隙12的金屬地板4放置在E面彎曲波導1上，并連接在一起， E面彎曲波導1頂部開口，金屬地板4作為該頂部開口波導的一個窄壁。在金屬地板4上設 置介質基板5，在介質基板5上放置兩排微帶貼片單元7，每排微帶貼片單元的數量與縫隙 12的數量相等，所有的微帶貼片單元7構成微帶貼片天線陣列；在介質基板5 上與每個縫 隙12對應的位置設置耦合微帶貼片13，在每個耦合微帶貼片13的兩邊分別對稱連接微帶 傳輸線14，該微帶傳輸線14的端口 10、11分別與對應的微帶貼片單元7連接。其中，每個 縫隙12、耦合微帶貼片13和微帶傳輸線14分別與E面彎曲波導1、金屬地板4、介質基板5 形成相應的波導縫隙微帶貼片混合饋電結構6。本發明縫隙12的傾斜角度θ可在10° 60°范圍內變化，θ為縫隙與每排微 帶貼片單元7平行線形成的夾角。縫隙12的矩形寬度為1mm，長度在7mm 14mm范圍內變 化。耦合微帶貼片13的寬度為3mm，長度在7mm 9mm范圍內變化。微帶貼片單元7通過 一段帶有90°圓弧彎角的高阻抗微帶傳輸線15與混合饋電結構6連接。
實施例圖2是波導縫隙微帶貼片混合饋電網絡，是從圖1中有限帶寬內大角度掃描的低 損耗微帶貼片頻掃天線陣列的一個組成部分，由金屬地板4、介質基板5、波導端口 8、9、微 帶線端口 10、11、傾斜矩形縫隙12、耦合微帶貼片13、微帶傳輸線14構成，波導端口 8、9與 其前后的彎曲波導慢波線相連接，微帶線端口 10、11連接至微帶貼片單元7。E面彎曲波導 1放置在陣列的最底層，設置有矩形縫隙12的金屬地板4放置在E面彎曲波導1上，并連接 在一起。在金屬地板4上設置介質基板5，在介質基板5上與每個縫隙12對應的位置設置 耦合微帶貼片13，在每個耦合微帶貼片13的兩邊分別對稱連接微帶傳輸線14，該微帶傳輸 線14的端口 10、11分別與對應的微帶貼片單元7連接，這種結構使該金屬地板4也用作微 帶貼片天線陣列的接地板。該介質基板5上放置兩排微帶貼片單元7，每排微帶貼片單元的 數量與縫隙12的數量相等，所有的微帶貼片單元7構成微帶貼片天線陣列。E面彎曲波導 1、金屬地板4、介質基板5、縫隙12、耦合微帶貼片13、微帶傳輸線14形成波導縫隙微帶貼 片混合饋電結構6。傾斜的矩形縫隙開在波導的窄壁，即金屬地板上，縫隙的上面是微帶介 質基板和耦合微帶貼片。傾斜矩形縫隙擾亂了波導窄壁上的電流，產生縫隙電場，該電場激 勵上層的微帶貼片，實現能量從波導至微帶的耦合。微帶傳輸線成中心對稱放置在耦合微 帶貼片的兩側，分別連接至輻射天線單元，將耦合到得能量饋電給輻射天線。通過改變縫隙 的大小、縫隙的傾斜角和中間耦合貼片的大小，可以在微帶線端口獲得不同的能量耦合系 數。結合圖3，本發明的有限帶寬內大角度掃描的低損耗微帶貼片頻掃天線陣列中微 帶貼片俯視結構，該結構放置在介質基板上，包括介質基板5、高阻抗微帶傳輸線15和微帶貼片單元7。高阻抗微帶傳輸線15有一個90°圓弧彎角，方便給微帶貼片進行饋電，同時 也用于實現微帶貼片單元與微帶傳輸線14之間的阻抗變換。結合圖4，本發明的有限帶寬內大角度掃描的低損耗微帶貼片頻掃天線陣列的等 效傳輸線模型。結合圖5，本發明陣列中22個單元的歸一化導納曲線，此時陣列口徑采用25dB泰 勒幅度加權。所述天線的工作頻帶是8. 86-9. 88GHz，波束沿X方向掃描，同時沿X方向應 用25dB泰勒幅度加權，沿Y方向波束不掃描，各單元同分布。天線陣列的總尺寸為 380X 170X 25mm3，所用波導型號為WR-90，波導內口徑為22. 86X10. 16mm2，彎曲波導頂部 金屬地板厚1mm。所用的介質基板型號Arlon Diclad880，介電常數為2. 2，厚度為1mm，損 耗角為0. 0009。所述的天線陣列結構是由44個微帶貼片單元構成，陣列為22X2的排列。為了避 免波束掃描時柵瓣的產生，沿X方向，單元間距16. 74mm (0. 52 λ 9 35GHz)。為了實現大角度掃 描，采用低損耗的波導慢波線結構，單元間波導慢波線長158. 3mm(約5 λ ,35GHz)。波導慢波 線和微帶貼片天線共用金屬地板，通過波導縫隙微帶貼片混合饋電結構，實現能量從下層 慢波線至微帶輻射天線的傳輸。波導慢波線采用普通蛇形線結構，在單元之間形成一定的 相位滯后，從而實現波束隨頻率變化在空間進行掃描。22X2個微帶貼片單元分別放置在混 合饋電結構的兩側，通過一段高阻抗微帶傳輸線與混合饋電結構相連。由于混合饋電結構 中兩個微帶線端口所輸出得電流等幅反相，為了保證各微帶貼片單元能形成相同的電流方 向，故所述的22對微帶貼片分別在相對邊饋電，與耦合微帶貼片成中心對稱放置在混合饋 電結構的兩側。所述的22單元天線陣列采用沿X方向應用25dB泰勒幅度加權，根據等效 傳輸線模型可得各個縫隙單元的導納值，將導納值進行歸一化，縫隙單元的歸一化導納可 由混和饋電結構的歸一化耦合系數來表征。通過改變混合饋電結構中的縫隙大小、縫隙傾 斜角和中間耦合貼片大小，可以在微帶線端口獲得不同的能量耦合系數。仔細設計各個單 元的耦合系數，可以滿足25dB泰勒幅度加權時對應的歸一化導納曲線，理論上可以實現所 需要的陣列口徑分布。結合圖6，本發明的有限帶寬內大角度掃描的低損耗微帶貼片頻掃天線陣列的仿 真方向圖，在8.86-9.88GHZ工作頻帶上，所述的天線陣列掃描角為-48° 45°，天線增益 均在21. 6dBi以上，最大增益為23. 2dBi。結合圖7，本發明的有限帶寬內大角度掃描的低損耗微帶貼片頻率掃描天線陣 列中各頻點處副瓣大小的仿真變化曲線，除幾個頻點外，該陣列掃描范圍內副瓣電平均 在-15dBi以下。從仿真結果來看，所述本發明的有限帶寬內大角度掃描的低損耗微帶貼片頻掃天 線陣列的掃描角和增益都達到滿意水平。
權利要求
一種有限帶寬內大角度掃描的低損耗微帶貼片頻掃天線陣列，其特征在于包括E面彎曲波導[1]、金屬地板[4]、介質基板[5]、波導縫隙微帶貼片混合饋電結構[6]和微帶貼片單元[7]，E面彎曲波導[1]的一端為饋電端口[2]，另一端為接匹配負載的波導端口[3]，設置有矩形縫隙[12]的金屬地板[4]放置在E面彎曲波導[1]上，并連接在一起，E面彎曲波導[1]頂部開口，金屬地板[4]作為該頂部開口波導的一個窄壁；在金屬地板[4]上設置介質基板[5]，在介質基板[5]上放置兩排微帶貼片單元[7]，每排微帶貼片單元的數量與縫隙[12]的數量相等，所有的微帶貼片單元[7]構成微帶貼片天線陣列；在介質基板[5]上與每個縫隙[12]對應的位置設置耦合微帶貼片[13]，在每個耦合微帶貼片[13]的兩邊分別對稱連接微帶傳輸線[14]，該微帶傳輸線[14]的端口[10、11]分別與對應的微帶貼片單元[7]連接，E面彎曲波導[1]、金屬地板[4]、介質基板[5]、縫隙[12]、耦合微帶貼片[13]、微帶傳輸線[14]形成波導縫隙微帶貼片混合饋電結構[6]。
2.根據權利要求1所述的有限帶寬內大角度掃描的低損耗微帶貼片頻掃天線陣列，其 特征在于縫隙[12]的傾斜角度θ為10° 60°。
3.根據權利要求1所述的有限帶寬內大角度掃描的低損耗微帶貼片頻掃天線陣列，其 特征在于縫隙[12]的寬度為1mm，長度為7mm 14mm。
4.根據權利要求1所述的有限帶寬內大角度掃描的低損耗微帶貼片頻掃天線陣列，其 特征在于耦合微帶貼片[13]的寬度為3mm，長度為7mm 9mm。
5.根據權利要求1所述的有限帶寬內大角度掃描的低損耗微帶貼片頻掃天線陣列，其 特征在于微帶貼片單元[7]通過一段帶有90°圓弧彎角的高阻抗微帶傳輸線[15]與混合 饋電結構[6]連接。
全文摘要
本發明公開了一種有限帶寬內大角度掃描的低損耗微帶貼片頻掃天線陣列，包括E面彎曲波導、金屬地板、介質基板、波導縫隙微帶貼片混合饋電結構、微帶貼片單元，E面彎曲波導的一端為饋電端口，另一端為接匹配負載的波導端口，設置有矩形縫隙的金屬地板放置在E面彎曲波導上，在金屬地板上設置介質基板，在介質基板上放置兩排微帶貼片單元，每排微帶貼片單元的數量與縫隙的數量相等，所有的微帶貼片單元構成微帶貼片天線陣列；在介質基板上與每個縫隙對應的位置設置耦合微帶貼片，在每個耦合微帶貼片的兩邊分別對稱連接微帶傳輸線，該微帶傳輸線的端口分別與對應的微帶貼片單元連接。本發明顯著降低頻率掃描慢波線的損耗，改善了頻率掃描天線的性能。
文檔編號H01Q1/48GK101814657SQ201010133909
公開日2010年8月25日 申請日期2010年3月26日 優先權日2010年3月26日
發明者王昊, 盛衛星, 葛平, 馬曉峰 申請人:南京理工大學