[發明專利]一種超寬帶寬角掃描和高效匹配相控陣天線

在審

• 申請號: 201811515547.X
• 申請日: 2018-12-12
• 公開（公告）號: CN109546322A
• 公開（公告）日: 2019-03-29
• 發明（設計）人: 溫亞慶;陳文俊
• 申請（專利權）人: 中國船舶重工集團公司第七二四研究所
• 主分類號: H01Q1/38
• 分類號: H01Q1/38;H01Q1/48;H01Q1/50;H01Q9/04;H01Q9/28;H01Q21/29;H01Q21/08;H01Q15/00
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本發明涉及一種超寬帶寬角掃描和高效匹配相控陣天線，在偶極子天線結構中引入電容性連接的緊耦合結構，模擬陣列中的有源工作環境，單元天線端口在超寬帶前提下實現良好的端口匹配效果；使用三角陣列的排布方式，在不破壞陣列緊耦合結構的前提下有效地提高陣列口徑效率，擴大陣列的波束掃描范圍，提高波束輻射增益；使用加載頻率選擇表面結構的方法，有效地搭建了天線輻射阻抗和空氣阻抗之間過度的匹配層，實現在寬角掃描情況下的全波位超寬帶匹配。

技術領域

本發明屬于雷達天線領域，特別涉及超寬帶相控陣天線的結構設計方法。

背景技術

目前在相控陣雷達領域中對帶寬和掃描角度的要求愈加重要，寬帶相控陣雷達技術是當前相控陣雷達技術發展的一個重要方向，這主要與相控陣雷達在多目標、多功能情況下要完成的許多新任務密切相關。隨著航天技術飛速發展，各種飛行器性能的不斷提高，空間活動日益增多，現代雷達普遍面臨著綜合性電子干擾，反輻射導彈，低空、超低空突防以及目標隱身技術等四大威脅，這就要求現代雷達具有反地物，抗積極和消極千擾，反隱身和自身生存的能力。為提高自身的作戰能力和范圍，除要求雷達天線寬帶工作外，還要求大空域覆蓋、寬角度掃描等。因此，在改善相控陣天線工作帶寬的同時兼顧寬角度掃描特性就成為亟待解決的關鍵問題。

在現如今的寬帶相控陣天線中多采用寬帶單元天線直接布陣的方式，忽略了耦合所帶來的影響，從而使相控陣超寬帶的發展遇到了瓶頸。緊耦合技術從根本上解決了這一問題，利用了陣元間的耦合效果增加了陣元間的關聯性，有效地擴展了陣列的有源環境中的端口匹配。相控陣天線在實現寬角波束掃描的同時會出現低仰角掃描時輻射阻抗和空氣阻抗的失配問題。一般的匹配層在解決這一問題時無法同時兼顧帶寬和波束掃描覆蓋范圍，本發明中將頻率選擇表面結構運用在匹配層中有效地解決了寬帶寬角的匹配問題。

發明內容

本發明的目的在于提供一種超寬帶寬角掃描和高效匹配相控陣天線。

實現本發明目的的技術方案為：以偶極子結構為基礎的印刷板振子天線作為相控陣陣元，陣元間采用電容性緊耦合方式連接，同時陣列采用三角陣列排布模型；印刷板振子天線頂部加載頻率選擇表面結構，由矩形微帶模塊構成，在陣列中呈現一維周期結構。

本發明單元天線的主體部分共包含五層結構，依次為：偶極子貼片層一，介質層一，饋電線和匹配結構層，介質層二，偶極子貼片層二。其中偶極子貼片層一和偶極子貼片層二結構相同，排布上以天線垂直法線為軸成對稱形式。偶極子貼片層上為天線的主體輻射部分，主要結構包括偶極子振子、饋電巴倫、短路連接線和地板。偶極子振子兩邊均延伸至天線邊緣，方便陣列布局中的緊耦合連接。偶極子振子中有一個振子臂刻蝕有縫隙，縫隙大小和介質板厚度相關。單元天線在陣列中連接后，相鄰單元的偶極子振子相互連接并通過介質板形成電容，陣元間實現容性緊耦合連接。

饋電線和匹配結構層包含天線的饋電線結構和頻率選擇表面匹配層結構。饋電線采用帶狀線饋電方式，將激勵能量由天線下方的饋電端口傳遞至偶極子結構的饋電巴倫縫隙中。饋電線的阻抗由端口的50歐姆逐漸變換至縫隙處的120歐姆，饋電線末端延長部分阻抗匹配結構，其阻抗為77歐姆。頻率選擇表面匹配層結構在單元中體現為五個尺寸均為0.108λ_H*0.21λ_H的貼片結構等間距排列構成(λ_H為工作帶寬最高最高頻點波長)。

材料選擇上，介質層一和介質層二均采用Rogers5880，金屬貼片均采用刻蝕銅皮的方式設置于介質板上。

陣列結構采用三角陣，水平方向單元間直接連接，形成長條形整板結構，偶極子中的振子部分形成相鄰單元間的電連接。長條形整板結構在垂直方向排列，相鄰單元間水平方向上交錯，交錯距離為單元天線水平長度一半。最終陣列間距確定為水平方向0.66λ_H，垂直方向為0.42λ_H。根據不同工作需求和運用環境，可以通過陣列的位置擺放來決定波束的輻射極化。例如，長條形天線介質板平行于地面時，輻射為水平極化，長條形天線介質板垂直于地面時，輻射為垂直極化。