具有分形边界的超宽带印刷相控阵天线单元的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种具有分形边界的超宽带印刷相控阵天线单元，由微带贴片天线、馈电巴伦、地板和50欧姆SMA接头组成；微带贴片天线由具有Minkowski一阶分形曲线的贴片组成；馈电巴伦由50欧姆微带线、宽度线性变化的过渡微带线、一段宽度为1.5mm的高阻抗匹配枝节和50欧姆双面平行带线四部分组成；地板采用双面覆铜板；50欧姆SMA接头的外导体与地板相连，内导体连接巴伦的50欧姆微带线。本实用新型满足绝大多数宽带系统的带宽要求，使天线剖面较低，且易于加工和组阵，具有稳定的单向辐射方向图，天线单元材料价格低廉，易于购买加工，可批量成产，具有较大的实际应用价值。
【专利说明】具有分形边界的超宽带印刷相控阵天线单元
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种单元天线，尤其是超宽带天线研究【技术领域】。
【背景技术】
[0002]宽带相控阵雷达技术是当前相控阵雷达技术发展的一个重要方向，天线单元作为相控阵天线的重要组成部分，其性能直接影响相控阵天线的性能。宽带相控阵天线要求单元具有较宽的阻抗带宽，足够小的电尺寸，稳定的增益以及在波束扫描范围内单元方向图较为均匀等特性。
[0003]国内外学者对超宽带单元做了很多研究，例如:弗吉尼亚理工大学天线组首次提出Foursquare天线结构,这种天线具有电尺寸小，剖面低，福射方向图和增益稳定等优点；在Foursquare天线的背面加入金属调节盘，阻抗带宽可展宽为60%，但依然不能满足某些超宽带系统的要求；在Foursquare天线的基础上，Seong-Youp等人进一步提出了Fourpoint天线,贴片上的缩进部分在高频段引入容抗,抵消了 Foursquare天线的感抗,从而展宽天线的阻抗带宽，可达87-92%，但是以上两种天线的馈电需要两根同轴电缆和外加的宽带180°移相器，不利于组成宽带相控阵列。如何设计出适用于宽带相控阵的天线单元和相应的馈电巴伦就成了我们研究的方向。
【发明内容】
[0004]为了克服现有技术的不足，本实用新型设计一种适于组阵的超宽带单元和相应的宽带馈电巴伦，应具有以下特性:超宽带，电尺寸小，具有较宽的半功率波瓣宽度和稳定的辐射增益，以及便于集成加工和组阵。
[0005]本实用新型所设计的宽带相控阵单元由四个部分构成:具有分形边界的微带贴片天线，馈电巴伦，地板以及50欧姆SMA接头；
[0006]具有分形边界的微带贴片天线，主要由四个具有Minkowski—阶分形曲线的贴片组成，选定任意一个对角的一对贴片作为激励单元，另外一个对角的一对贴片作为寄生单元；通过巴伦对激励单元进行等幅反相馈电，再耦合至寄生单元上，两对单元共同作为天线的福射部分；
[0007]采用微带线到双面平行带线的馈电巴伦依次包括50欧姆微带线、宽度线性变化的过渡微带线、一段宽度为1.5mm的高阻抗匹配枝节和50欧姆双面平行带线四部分；
[0008]地板采用双面覆铜板作为天线的反射板；
[0009]50欧姆SMA接头的外导体与地板相连，内导体连接巴伦的50欧姆微带线。
[0010]本实用新型的有益效果是:
[0011](I)本专利由于采用Minkowski分形曲线，使天线保持小电尺寸
0.285 AlX0.285 AlX0.174Xl，其中λ l为天线最低工作频率对应的波长，同时获得83.7%(4.18-10.20GHz)，的超宽带，满足绝大多数宽带系统的带宽要求。在组成相控阵的时候，小电尺寸可以在允许的阵元间距和栅格内不出现栅瓣。[0012](2)本结构采用50欧姆微带线到50欧姆双面平行带线的印刷宽带巴伦对激励单元进行等幅反相馈电，使天线剖面较低，且易于加工和组阵。
[0013](3)本天线具有稳定的单向辐射方向图，天线的E面是平行于巴伦的平面(Φ =45° )，H面是同时垂直于E面和辐射贴片的平面(Φ = 135° )E面与H面平均波瓣宽度分别为65°和95°，可以覆盖一般相控阵的波束扫描范围，并且在整个工作频带内辐射增益稳定，测量结果平均值为6.7dB。
[0014](4)辐射贴片和馈电巴伦都采用印刷结构，介质基板为是介电常数为2.65的聚四氟乙烯，这种材料是作为PCB板最常见的板材，价格低廉，易于购买。所以，本专利制作成本低，易于加工，可批量成产，具有较大的实际应用价值。
[0015]在保持较小的电尺寸的情况下实现83.7%的阻抗带宽，天线具有稳定的单向辐射方向图和辐射增益；同时，辐射贴片和馈电巴伦都是平面印刷结构，适宜于组成宽带相控阵，可以有效解决Foursquare天线和Fourpoint天线不适宜组阵的问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1本天线单元的结构示意图。(a)是天线单元的3D图，(b)是天线单元的顶视图，(c)是天线单元的Φ = 45°的侧视图，(d)是天线单元的Φ = 225°的侧视图。
[0017]图2为天线单元的仿真与实测的回波损耗图。
[0018]图3是天线单元的仿真与实测的E面(Φ = 45° )远场辐射方向图，各图对应的频点为:(a)取频点4.36GHz, (b)取频点6.56GHz，(c)取频点9.68GHz。
[0019]图4是本天线单元的仿真与实测的H面(Φ = 135° )远场辐射方向图，各图对应的频点为:(a)取频点4.36GHz, (b)取频点6.56GHz，(c)取频点9.68GHz。
[0020]图中la，Ib-激励单元，2a，2b_寄生单元，3-聚四氟乙烯介质基板，4-双面覆铜板，5-宽带馈电巴伦，5a-巴伦的介质基板，5b-巴伦的地，5c-巴伦正面，6-SMA接口，A-微带贴片所在的介质板的长度，B-微带辐射贴片的长度，Cl-缝隙最窄处的宽度，C2-缝隙最宽处的宽度，F-对角的两个单元间的距离，11-高阻匹配枝节的长度，12-宽度线性变化的梯形微带线的长度，wl-高阻匹配枝节的宽度，w2-宽度线性变化的梯形微带线的最宽处的宽度，H-巴伦的高度，R-巴伦地板上的圆形渐变结构的半径，W3-50欧姆微带线的地板的宽度，X，I, Z-坐标轴。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
[0022]为了解决Foursquare天线和Fourpoint天线不适用于宽带相控阵列的问题,这两种天线都需要外加的180°宽带移相器通过两根同轴电缆对天线进行馈电，在组成阵列时，这种馈电结构增加了阵列设计的难度和制作的成本。所以我们需要
[0023]本实用新型由以下四部分组成:辐射贴片，宽带馈电巴伦，双面覆铜地板和50欧姆SMA接头,如图1所示，具体的尺寸参数如表I所示。
[0024]表1.附图中所示的结构参数如下表(单位:_):
[0025]
【权利要求】
1.一种具有分形边界的超宽带印刷相控阵天线单元，包括具有分形边界的微带贴片天线，馈电巴伦，地板以及50欧姆SMA接头，其特征在于: 具有分形边界的微带贴片天线，主要由四个具有Minkowski —阶分形曲线的贴片组成，选定任意一个对角的一对贴片作为激励单元，另外一个对角的一对贴片作为寄生单元；通过巴伦对激励单元进行等幅反相馈电，再耦合至寄生单元上，两对单元共同作为天线的福射部分； 采用微带线到双面平行带线的馈电巴伦依次包括50欧姆微带线、宽度线性变化的过渡微带线、一段宽度为1.5mm的高阻抗匹配枝节和50欧姆双面平行带线四部分组成； 地板采用双面覆铜板作为天线的反射板； 50欧姆SMA接头的外导体与地板相连，内导体连接巴伦的50欧姆微带线。
【文档编号】H01Q19/10GK203415681SQ201320538905
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年8月30日 优先权日:2013年8月30日
【发明者】郑如萍, 郭陈江, 丁君, 孔迪, 施展 申请人:西北工业大学