[發明專利]基于緊耦合結構的小型化寬帶寬角圓極化掃描相控陣天線

在審

• 申請號: 202011478895.1
• 申請日: 2020-12-16
• 公開（公告）號: CN112736435A
• 公開（公告）日: 2021-04-30
• 發明（設計）人: 陶靜;李祥祥;李業強;滕飛;吳慧峰
• 申請（專利權）人: 揚州船用電子儀器研究所（中國船舶重工集團公司第七二三研究所）
• 主分類號: H01Q1/38
• 分類號: H01Q1/38;H01Q1/48;H01Q1/50;H01Q21/00;H01Q3/34
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 薛云燕

本發明公開了一種基于緊耦合結構的小型化寬帶寬角圓極化掃描相控陣天線，包括由上到下順次設置的上層介質層、輻射單元層、中層介質板層、下層介質板和金屬地板層，其中輻射單元層上表面印刷正交偶極子輻射單元，下表面印刷有圓形金屬貼片，圓形金屬貼片通過金屬化過孔與金屬地板層相連接；下層介質板與金屬地板層中間印制有帶狀線T型功分器，帶狀線T型功分器通過金屬化過孔與正交偶極子輻射單元連接；金屬地板層上設置有毛紐扣，毛紐扣連接帶狀線T型功分器；圓形通孔貫穿上層介質板、輻射單元層和中層介質板，正交偶極子輻射單元末端下方設置有圓形接地金屬貼片。本發明實現了寬帶寬角圓極化掃描，降低了天線單元的尺寸，并且可一體化加工。

技術領域

本發明涉及雷達技術、無線通信技術領域，特別是一種基于緊耦合結構的小型化寬帶寬角圓極化掃描相控陣天線。

背景技術

相控陣天線是由天線單元排布形成陣面，對每個天線單元的輸入信號的幅度及相位進行控制，實現陣面合成波束的空間掃描。對于寬帶有源相控陣天線，在寬帶天線單元后連接寬帶T/R組件，通過控制T/R組件的收發狀態及幅度、相位變化，精準控制發射或接收空間從而實現雷達及通信功能。傳統寬帶相控陣的設計觀念是首先設計出一個滿足需求的寬頻帶孤立的相控陣單元，然后將其置于相應的陣列環境中，并采用補償或減弱陣元間互耦效應的技術措施，還要避免掃描時可能出現的盲點以及發生方向圖畸變，設法使其能夠正常工作達到性能要求。實際上，由于陣列環境中陣元之間互耦效應的影響，寬帶相控陣天線長期以來都是陣列天線的設計領域一大難點。此外，由于剖面較高、重量較大，傳統寬帶相控陣天線的應用面臨越來越多的挑戰。

近年來天線領域研究出一種利用天線陣元之間的強互耦作用設計寬帶或超寬帶特性的陣列天線，即緊耦合陣列天線。與傳統的相控陣天線設計中需要去耦合的不同，這種天線通過緊密排列天線單元加強單元間的耦合，并利用陣元間的耦合來實現超寬帶與小型化，這類新型陣列天線的帶寬不受限于陣元獨立工作時的帶寬，在很寬的掃描角范圍無柵瓣出現，具有很好的超寬帶與寬角掃描性能。因此，對這類新型天線結構進行深入研究對提高相控陣天線的各類性能具有重要意義。基于強互耦效應的緊耦合相控陣天線技術，其基本設計思想可追溯到Wheeler在1965年提出的連續電流層陣(Continuous CurrentSheetArray,CCSA)，這是一種不包含饋電結構和反射地板的理想陣列天線，輸入阻抗和輻射阻抗均只含有電阻分量而不包含電抗分量，且只與波束指向有關。Wheeler進一步發現距離地板一定高度的理想電流層在進行側向輻射時工作帶寬能夠達到無限大。2003年Munk教授于著作《Frequency selective surfaces:theory and design》報道緊密排列的偶極子陣列天線可取得與CCSA天線相似的電流分布，進而提出了利用強電容耦合偶極子的緊耦合陣列天線。

目前，緊耦合陣列天線設計一般采用偶極子天線作為天線陣列單元，并在偶極子天線末端加載交指電容來增加陣元之間的耦合效應，同時在天線上方加載單層或多層介質板作為寬角匹配層以改善陣列的掃描特性。2012年Steve Holland等人基于緊耦合理論于“A 7-21GHz Dual-Polarized Planar Ultrawideband Modular Antenna(PUMA)Array”中提出一款工作于7-21GHz的平面雙極化陣列天線，該天線E面、H面最大掃描角達45°。2018年，Vouvakis團隊通過在饋電金屬柱間加載容性貼片將陣列的工作帶寬擴展為6:1，掃描角最大可達±60°。

上面緊耦合天線在實現天線的寬角、寬頻帶方面都做了一些工作，但是這些天線均是采用雙極化工作模式，都不具備圓極化輻射能力。

發明內容

本發明的目的在于提供一種可實現圓極化和寬帶寬角掃描要求、天線單元的尺寸小、可一體化加工的相控陣天線。

實現本發明目的的技術解決方案為：一種基于緊耦合結構的小型化寬帶寬角圓極化掃描相控陣天線，包括上層介質板、輻射單元層、正交偶極子天線輻射單元、圓形金屬貼片、中層介質板、第一～五金屬化過孔、下層介質板、金屬地板層、毛紐扣、圓形通孔和帶狀線T型功分器；