一种基于近零折射率超材料的相控阵天线的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种相控阵天线，特别涉及一种基于近零折射率超材料的相控阵天 线。
【背景技术】
[0002] 超材料是一种由人工设计微结构组成的材料，通过设计超材料的结构单元，使其 对电场和磁场产生相应的谐振，从而可以方便地调控其有效介电常数和有效磁导率。超材 料的电磁属性可以按人的意愿所设计并可改变，而且在较宽频段外场作用下表现出类似均 匀介质的宏观参数，如介电常数ε和磁导率μ。此外，超材料的所有属性是依靠内部各个 散射体的谐振产生。近几年，对超材料结构和特性的研究引起了人们极大的兴趣，各种超材 料结构也相继被提出。其中，零折射率超材料是近年来颇受关注的一种超材料。根据Snell 定律Ii1Sin Θ i = n2sin Θ 2，光束在折射率为Ji1的介质中传播，并在与折射率为η2的介质界面 处发生折射时，如果ηι~〇且112>〇,则不论入射角Q1为多少，出射角0 2必然接近于零， 即沿界面法线出射，零折射率的这种特性提供了一种独特的可以用来控制波传播方向的方 法。
[0003] Enoch等人[49]第一次实验证实了将辐射源嵌入零折射率基板中时，辐射的能量将 被限制在周围介质一个狭小的圆锥区域内，即通过利用零折射率材料的特性，能量辐射的 方向性得到了很大的改善。等人[55]研究了将偶极天线嵌入不同的零折射率和近零折射 率材料中时，天线辐射性能的变化，均发现利用零折射率超材料可以有效的控制波传播的 方向。
[0004] 相控阵天线是卫星通信、雷达等系统中广泛使用的一种天线技术。利用多个天线 单元按照特定的间距排列成阵列，并通过移相器对每个单元的传输电磁波相位进行调制， 可以使得相控阵天线具有高定向性，波束可电控扫描等特点。但是相控阵天线的波束扫描 角度通常受到一些条件的约束，例如天线单元间距超过一定距离时，波束扫描超过特定的 扫描角度会在主波束的反方向出现扫描栅瓣，该栅瓣波束的出现不仅是有限辐射能量的一 种浪费，而且会与其他非合作对象发生干扰或被干扰，更严重的是在军事通信场景中栅瓣 会带来信息泄露，降低系统的抗干扰能力和保密性。为了抑制栅瓣的产生，在相控阵天线的 系统设计过程中，天线单元间距是首先要考虑的，较小的天线间距可以得到较大的无栅瓣 扫描区。然而天线单元间距减小会带来有源器件设计难度提高，热设计很难满足工作环境 要求，单元互耦影响增加，出现扫描盲区等诸多不利因素。因此相控阵天线的单元间距与栅 瓣约束是天线设计过程中的一大难题。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是利用近零折射率超材料的特殊电磁性能，在保持相控阵天线技术 指标基本不变的情况下，提高相控阵天线的天线单元间距，展宽天线波束扫描角度，从而增 加有源器件的设计空间和散热空间，减少有源器件的使用数量，降低相控阵天线的设计难 度和成本，提高可靠性。
[0006] 为了达到以上目的，本发明提供了一种基于近零折射率超材料的相控阵天线，该 天线由阵列形式的有源天线单元、散热模块、综合网络、电源及控制模块、高频接口、近零折 射率超材料组成。本发明所述的近零折射率超材料的有效折射率小于1，接近于零，通过人 工超材料结构实现；将该近零折射率超材料加载于天线的辐射表面，相控阵天线的天线单 元的间距d。可以大于传统相控阵天线的天线单元间距d，其中d必须满足无栅瓣最大扫描 角度Θ _约束条件
，λ。是空间波长。
[0007] 本发明中的近零折射率超材料等效折射率在相控阵天线工作频段内取值范围为
，可以通过介电常数接近零的超材料结构或磁导率接近零的超材料 结构实现，如介电常数接近零的超材料常采用周期排列的亚波长树枝形、"工"形、矩形、圆 形等结构，磁导率接近零的超材料常采用周期排列的亚波长树枝形、开口谐振环、螺旋等结 构。近零折射率超材料通过加载的方式覆盖于天线的辐射表面上，材料高度h为~。/2的 整数倍，宽度至少大于相控阵天线边缘单元一个空间波长。
[0008] 阵列形式的有源天线单元由辐射器、发射/接收有源器件、移相器所组成。辐射器 的形式可以是喇叭、缝隙、微带、螺旋等各种天线形式。发射/接收有源器件根据所需的系 统体制选择，可以是通信体制的全双工，也可以是雷达体制的半双工。移相器的选择根据所 需扫描精度的不同使用数字移相器或模拟移相器。
[0009] 本发明所提供的相控阵天线的有源天线单元间距选取为 对于传统相控阵天线，在保持波束扫描角度及其他性能不变的情况下，其单元间距最大可 以扩展IAw倍。
[0010] 实施本发明的技术方案，具有以下增益效果：基于近零折射率超材料的相控阵天 线解决了相控阵天线单元间距与栅瓣约束的矛盾，增大了单元间距并扩大了不出现栅瓣条 件下的扫描波束扫描角度。有利于解决相控阵天线由于单元间距过小带来的热设计和有源 器件设计难度增加，互耦影响等技术问题，同时还可以大幅减少有源器件的使用数量，降低 相控阵天线的成本。
【附图说明】
[0011] 图1本发明实施例的基于近零折射率超材料的相控阵天线剖面示意图
[0012] 图2由周期排列的亚波长树枝形结构组成的近零折射率材料示意图
[0013] 图3有源天线单元阵列及散热模块的示意图
[0014] 图4未加载近零折射率超材料的相控阵天线的波束扫描远场方向图
[0015] 图5加载近零折射率超材料相控阵天线的波束扫描远场方向图
【具体实施方式】
[0016] 如图1所示，工作中心频率为f。= 8GHz的基于近零折射率超材料的相控阵天线， 整体结构主要分为四层，顶层为平板形状的近零折射率超材料1，第二层为有源天线单元2 和散热模块3,第三层为综合网络4,底层为高频接口 5和电源及控制模块6。各层间可以通 过机械连接、焊接或粘合的方式组合成一体。
[0017] 图2示出了由周期排列的亚波长树枝形单元结构7组成的近零折射率超材料1， 本实施例中近零折射率超材料1在天线工作中心频率fc = 8GHz处的等效折射率值为η# =0. 56,对应的等效介电常数ε rff = 〇. 314,等效磁导率μ # = 1。采用如图2所示的树 枝形单元结构7实现对应的电磁参数，相应的几何参数为：一级分支11 = 2. 5_，二级分支 12 = 1.2mm，夹角Θ =84° ,线宽W = 0.4mm，以单元间距dl = 4mm排成周期阵列。采用 印刷电路板技术将该图案制作于厚度为2mm，相对介电常数为2. 65的聚四氟乙烯单面敷铜 基板8上。近零折射率超材料的总高度为18mm，共需采用9层上述基板8,通过机械连接或 粘合工艺组装成一体。
[0018] 如图3所示，有源天线单元2为开口波导天线，天线上部为无源圆波导9辐射结 构，波导内径Φ = 22 mm，天线下半部为有源模块1〇,采用半导体工艺实现接收/发射功率 器件及移相器功能，有源模块10嵌入圆波导9中组合成一个有源天线单元2。散热模块3 为边缘带有鳍状散热结构的铝块，在铝块中加工出内径Φ = 22 mm，间距d2为30mm的圆形 通孔阵列，该圆形通孔即为圆波导9。如果要提高散热效率，还可以在散热模块3中埋入热 管、液冷通道等散热结构。
[0019] 综合网络4包含了高频微带功率分配网络和低频控制及电源电路，采用多层电路 板印刷技术在聚四氟乙烯基板上进行高低频混合布线，其输入输出为高频接头5和电源及 控制模块6。
[0020] 图4和图5对比了本实施例提供的相控阵天线（只包含有源天线单元2、散热模块 3、综合网络4、底层为高频接口 5、电源及控制模块6)在加载近零折射率超材料1前后的波 束扫描角度为〇°、+15°及+30°远场方向图。如图4所示，相控阵天线未加载近零折射率 超材料1时，该天线未出栅瓣的扫描角度为+15°，当扫描角度为+30°时，在-46°方向出 现_3dB的栅瓣。如图5所示，在加载近零折射率超材料1后，扫描栅瓣被完全抑制，同时主 波束性能保持基本不变。因此基于近零折射率超材料的相控阵天线解决了相控阵天线单元 间距与栅瓣波束的矛盾，增大了单元间距并扩大了不出现栅瓣条件下的波束扫描角度。有 利于解决相控阵天线由于单元间距过小带来的热设计和有源器件设计难度增加，互耦影响 等技术问题，同时还可以大幅减少有源器件的使用数量，降低相控阵天线的成本。
【主权项】
1. 一种基于近零折射率超材料的相控阵天线，其主要特征为：该天线由阵列形式的有 源天线单元、综合网络、散热模块、电源及控制模块、高频接口、近零折射率超材料组成；所 述的近零折射率超材料的有效折射率nrff小于1，接近于零；所述的相控阵天线的天线单 元的间距d。大于传统相控阵天线的天线单元最大间距d，其中d满足无栅瓣最大扫描角度 0_约束条件A。是空间波长。2. 如权利要求1所述的一种基于近零折射率超材料的相控阵天线，其特征 在于：近零折射率超材料的等效折射率nrff在相控阵天线工作频段内取值范围为〇3. 如权利要求1所述的一种基于近零折射率超材料的相控阵天线，其特征在于：可以 通过等效介电常数接近零的超材料结构或等效磁导率接近零的超材料结构实现近零折射 率超材料。4. 如权利要求1所述的一种基于近零折射率超材料的相控阵天线，其特征在于：近零 折射率超材料加载于在相控阵天线的辐射表面，近零折射率超材料高度h为A。/2的整数 倍，宽度至少大于天线单元阵列一个空间波长。5. 如权利要求1所述的一种基于近零折射率超材料的相控阵天线，其特征在于：每个 有源天线单元包括辐射器、发射/接收有源器件、移相器，有源天线单元的单元间距取值范 围戈
【专利摘要】本发明涉及一种相控阵天线，特别涉及一种基于近零折射率超材料的相控阵天线。该天线由阵列形式的有源天线单元、综合网络、散热模块、电源及控制模块、高频接口、近零折射率超材料组成。近零折射率超材料的有效折射率neff小于1，接近于零；相控阵天线的天线单元的间距d0大于传统相控阵天线的天线单元最大间距d，其中d满足无栅瓣最大扫描角度θmax约束条件：λ0是空间波长。本发明的基于近零折射率超材料的相控阵天线可解决相控阵天线单元间距与栅瓣波束的矛盾，增大了单元间距并扩大了不出现栅瓣条件下的波束扫描角度。有利于解决相控阵天线中热设计问题、互耦问题，同时还可大幅减少有源器件的使用数量，降低相控阵天线的成本。
【IPC分类】H01Q15/02, H01Q19/06, H01Q21/00, H01Q13/06
【公开号】CN105098375
【申请号】CN201410235226
【发明人】刘亚红, 周欣, 赵晓鹏
【申请人】西北工业大学
【公开日】2015年11月25日
【申请日】2014年5月22日