[發明專利]一種基于強互耦效應的低剖面寬帶寬角掃描相控陣天線

在審

• 申請號: 201710237335.9
• 申請日: 2017-04-12
• 公開（公告）號: CN107017470A
• 公開（公告）日: 2017-08-04
• 發明（設計）人: 楊仕文;王放;陳益凱;肖仕偉;劉坤寧;屈世偉
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01Q21/06
• 分類號: H01Q21/06;H01Q1/38;H01Q1/50;H01Q1/48;H01Q1/52
• 代理公司: 四川省成都市天策商標專利事務所51213
• 代理人: 譚德兵

技術領域

本發明屬于天線工程技術領域，特別涉及寬帶寬角掃描相控天線陣系統，具體來說是一種基于強互耦效應的，剖面極低的，可以實現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。

背景技術

相控陣天線是在陣列天線的基礎上發展起來的一種現代天線形式。相控陣天線具有納秒級的快速波束掃描能力，并且完全沒有機械波束掃描系統具有的運動慣性、時間延遲以及機械振動等缺點，因此在目標偵查、跟蹤、成像以及衛星通信等領域得到廣泛應用。傳統相控陣天線設計方法，在寬帶寬角掃描相控陣天線設計中面臨著諸多棘手的困難。一方面，受常規陣列天線理論中“掃描角-陣元間距”定律限制，首先需要設計出單元尺寸小于高頻端處半波長的寬帶天線單元；另一方面，由于天線陣各單元之間較強的互耦效應，天線的駐波比和方向圖在掃描時會發生惡化。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，結構復雜，不易于天線陣的安裝和共形。在寬帶寬角掃描相控陣中，以上問題會更加突出。

基于強互耦效應的相控陣天線，作為一種特別適合用作寬帶相控陣天線的天線形式，近年來頗受關注。俄亥俄州立大學的B.Munk教授在美國專利號為6512487專利“寬帶相控陣及相關技術”(WidebandPhasedArrayAntennaandAssociatedMethods)中，首次提出了基于天線陣列單元之間的強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電容耦合分量，這一強電容耦合分量剛好補償了緊密排列偶極子單元固有的電感分量，這樣當相控陣天線工作頻率發生變化時，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，從而展現出極寬的頻帶特性。然而，Munk等人的強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結構，其中作為寬角掃描阻抗匹配層的介質板材具有與工作波長成正比的厚度，因而導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了耦合，因此在一維寬角掃描時效果良好，而在二維寬角掃描時具有相當的局限性。三、該種天線偶極子末端采用交趾形式進行耦合，特別適用于多個倍頻程的寬帶天線,但其駐波比一般較高。

為克服以上缺點，實現強互耦天線陣的二維寬帶寬角掃描，一些改進的、其他形式的強互耦天線陣被提出。申請號為200380104960.2的中國專利“相控陣天線上的多層電容耦合”中提出了的兩個強互耦偶極子正交排列構成一個單元，進而組成平面陣列來實現二維掃描的方法。但是這種方法其一個單元中會有兩個饋電端口，這無疑會增大設計、加工制造與饋電網絡實現的難度，且這種柵格形式的偶極子比較復雜，用更復雜的結構更易出現不可控的天線性能惡化，例如出現共模諧振、表面波等現象。申請號201510163350.4的中國專利“一種改進型強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加U型貼片的改進型強互耦相控陣，該陣列無需寬角匹配層與正交排列的偶極子單元，實現了5：1帶寬下±45°掃描，但是掃描至±45°時帶內駐波比大于3，惡化嚴重。2013年，一篇發表在IEEE trans.Antennas Propag.(Vol.61,No.9,Sepetember 2013)的文章Wideband Planar Array With Integrated Feed and Matching Network for Wide-Angle Scanning提出了一種新型強互耦天線陣，該陣列實現了8-12.5GHz內E面±70°，H面±60°掃描，且在掃描頻帶內駐波比小于2。但是該天線結構復雜，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。

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

發明內容

本明提出了一種新型的基于強互耦效應的，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分別加載兩個矩形寄生貼片，實現了8-12GHz頻帶范圍內比小于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。