一种s波段光控相控阵单元天线的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种S波段光控相控阵单元天线，涉及无线通信技术领域，包括介质基板、三个引向器、一对激励振子、一个反射振子和微带馈线；其中，介质基板包括正面和背面，引向器、激励振子和反射振子位于介质基板的正面，微带馈线位于介质基板的背面；所述的介质基板的正面设置覆铜的引向器、激励振子和反射振子，其中三个引向器、激励振子与反射振子从上往下依次设置于介质基板。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：通过Ansoft HFSS电磁仿真软件进行仿真并与天线的实际测试做对比，结果表明：驻波比(VSWR)2的相对带宽达到40％，在中心频点2.4GHz最大增益为6dB。
【专利说明】
一种S波段光控相控阵单元天线
技术领域
[0001] 本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种S波段光控相控阵单元天线。
【背景技术】
[0002] 近年来，各类需求使得相控阵技术不断发展，光控相控阵天线已成为各国学者关 注的焦点。例如，在现代战争中，为了提高相控阵雷达对目标的分辨、识别能力和解决目标 的雷达成像问题，要求雷达具有大的瞬时信号带宽。同时，为减小雷达信号被截获的概率和 降低反辐射导弹的威胁，通常采用具有大瞬时带宽的扩谱信号。但是，基于移相器的相控阵 雷达天线在进行宽角扫描时，由于渡越时间和孔径效应，使得信号的瞬时带宽受限。
[0003] 为了实现相控阵的宽带宽角扫描，必须使用实时延迟线TTD(True Time Delay)取 代常规相控阵中的移相器，但因数量太多给工程实现带来困难，折衷的方法是在相控阵的 子阵级上引入TTD进行延时补偿。传统的TTD是由波导或同轴电缆构成的，对一个口径20m大 型相控阵天线，在扫描角为60°时，TTD的长度约为17m，如此长的波导或同轴电缆，无论是对 宽带信号的传输损耗还是工程实现，都将带来不便。如果将微波信号调制在光纤上，用光纤 作为TTD，称为0TTD(0ptical True Time Delay)，由于光载波频率极高，信号带宽相对光载 波频率极小，线路具有稳定的传输特性。同时将使系统重量减轻，体积减小，无相互辐射干 扰。
[0004] 在相控阵天线中，天线阵列是由多个辐射单元按一定规律排成阵列，辐射单元的 辐射特性直接影响天线阵的辐射特性，为了使阵列因子能决定阵性能，必须使辐射单元在 扫描角范围内其增益不变，而在扫描角范围外没有辐射，这样的辐射单元就是理想的。此时 天线阵列的辐射特性在扫描范围内完全由阵列因子决定，而且在扫描角范围外没有辐射。 而实际上的增益被单元方向性加权，辐射单元方向性严重影响阵列天线的波束指向的精 度。在相控阵单元天线的设计方面，准八木天线由于其交叉极化小，增益稳定，前后比高，易 于构成阵列等特点受到广泛的研究，但其天线增益和相对带宽还有待增强。
[0005] 八木天线由一个主振子、一个反射器和若干个引向器组成。微带准八木天线主要 有两部分组成:上半部分为辐射部分，包括印刷偶极子和引向器;下半部分实现了微带线到 共面带线(CPS)的转换。微带线的两个臂相差半波长，以实现共面带线的寄模激励，因而起 到一个宽带巴伦的作用，微带线背面截断的接地面起到反射器的作用。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提出一种S波段光控相控阵单元天线，该 天线解决了传统准八木天线的增益和相对带宽有待增强的问题。
[0007] 本发明通过如下技术方案实现:一种S波段光控相控阵单元天线，包括介质基板、 三个引向器、一对激励振子、一个反射振子和微带馈线;其中，介质基板包括正面和背面，弓丨 向器、激励振子和反射振子位于介质基板的正面，微带馈线位于介质基板的背面;所述的介 质基板的正面设置覆铜的引向器、激励振子和反射振子，其中三个引向器、激励振子与反射 振子从上往下依次设置于介质基板。
[0008] 作为优选，所述的介质基板采用FR4环氧树脂基板，其相对介电常数为4.4，损耗角 正切为0.025，厚度为1.6mm。
[0009] 作为优选，所述的三个引向器中位于顶端的引向器中间开缝。
[0010] 作为优选，所述的介质基板的背面微带馈线采用G形微带馈电结构。
[0011] 作为优选，天线采用印刷结构，反射振子既可作为天线的反射器，又可作为微带馈 线的地板。
[0012] 作为优选，所述的三个引向器位于介质基板的中上部，激励振子与反射振子相连 且位于介质基板的下中下部，所述的一对激励振子左右对称设置于介质基板，所述的激励 振子和微带馈线分别设置在介质基板正面和背面的同一高度位置。
[0013] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果:本发明在继承典型准八木天线优点 的基础上，通过改变巴伦、振子的长度和宽度提高S波段光控相控阵单元天线的带宽，在天 线背面采用"G"形微带馈电方式来改变S波段光控相控阵单元天线的波束宽度，增加引向器 并在顶端引向器中间开缝进一步增加 S波段光控相控阵单元天线的增益和辐射强度，并采 用了微带印刷技术进行了平面低剖面设计，反射振子、激励振子和引向器衍变为附着在介 质基板的覆铜部分，由于采用了印刷结构，馈电为微带线馈电，同时利用耦合馈电技术，反 射振子部分既可作为S波段光控相控阵单元天线的反射器，又可作为微带馈线的地板，激励 振子的两个臂均和地板相连，这样可便于满足两臂馈电的平衡，同时只需要调整微带线的 宽度和耦合部分的长度即可实现良好的阻抗匹配。通过AnsoftHFSS电磁仿真软件进行仿真 并与天线的实际测试做对比，结果表明：驻波比（VSWR)2的相对带宽达到40%，在中心频点 2.4GHz最大增益为6dB。此种改进方式结构设计合理，能有效地提高天线的带宽和增益。
【附图说明】
[0014] 图1为本发明天线正面图（向右倒置）；
[0015] 图2为本发明天线背面图（向右倒置）；
[0016] 图3为本发明天线整体结构示意图（向右倒置），其中，介质基板1、引向器2、激励振 子3、反射振子4、微带馈线5;
[0017] 图4为本发明天线输入反射系数实测仿真对比图；
[0018] 图5为本发明天线增益实测仿真对比图；
[0019] 图6为本发明天线电压驻波比实测仿真对比图。
【具体实施方式】
[0020] 以下结合附图对本
【发明内容】
做进一步说明。
[0021 ]实施例，如图1、2和3所示，一种S波段光控相控阵单元天线包括:介质基板1、三个 引向器2、一对激励振子3、一个反射振子4、微带馈线5;所述介质基板1采用FR4材料，其相对 介电常数为4.4,损耗角正切为0.025,厚度为1.6mm;介质基板1的正面设置覆铜的引向器2、 激励振子3和反射振子4,其中三个引向器2、激励振子3与反射振子4从上往下依次设置于介 质基板，三个引向器2位于介质基板1的中上部，激励振子3与反射振子4相连且位于介质基 板1的下中下部;介质基板1的背面则设置微带馈线5,一对激励振子3左右对称设置于介质 基板1。
[0022] 三个引向器2中位于顶端的引向器2中间开缝，通过改变引向器2的长度其缝隙的 宽度可以优化天线的阻抗带宽和增益。
[0023] 激励振子3与反射振子4相连，通过改变激励振子3的长度和激励振子3与反射振子 4之间的距离可以优化天线的差值损耗、增益和谐振频率。
[0024] 本发明采用微带线耦合馈电结构，引向器2数目的增加以及顶端引向器2的开缝技 术有效的提高了天线的带宽和增益。
[0025] 原理说明，本发明S波段光控相控阵单元天线尺寸的计算如下：
[0026] 根据微带准八木天线的参数计算公式:激励振子单元的长度应为0.5Ag，引向器的 长度应为0.45Ag，反射器与激励振子的距离应为〇. 25Xg，激励振子与引向器的间距及各引 向器间的距离都相等，一般为〇. 2Ag，其中Ag为天线的等效波长它的计算公式为：
[0028]式中：c代表电磁波在自由空间中传播的速度；er代表介质基板的相对介电常数;f 代表频率。
[0029]振子宽度的计算公式：
[0031]式中：fr是天线的谐振频率。
[0032]本发明S波段光控相控阵单元天线达到了如下工作参数：工作带宽在2.34-2.49GHz天线反射系数<-10dB;中心频点2.4GHz处天线增益6dBi ;极化方式为线极化。
[0033]如图1所示，本发明其正面的微带线由参数&、1!1、13^2所决定，这4个参数值分别 为0.7111111、40.9111111、3.4111111、3.21]1111;天线背面包含激励振子、弓丨向器、反射振子由1^、1、!1、1^1、1^2、 wl、w2、dl、d2、g这 10个参数值分别为 125mm、90mm、20mm、26m、28mm、20mm、5mm、13mm、20mm、 lmm〇
【主权项】
1. 一种S波段光控相控阵单元天线，其特征在于，包括介质基板、三个引向器、一对激励 振子、一个反射振子和微带馈线;其中，介质基板包括正面和背面，引向器、激励振子和反射 振子位于介质基板的正面，微带馈线位于介质基板的背面;所述的介质基板的正面设置覆 铜的引向器、激励振子和反射振子，其中三个引向器、激励振子与反射振子从上往下依次设 置于介质基板。2. 根据权利要求1所述的一种S波段光控相控阵单元天线，其特征在于，所述的介质基 板采用FR4环氧树脂基板，其相对介电常数为4.4,损耗角正切为0.025,厚度为1.6mm。3. 根据权利要求1或2所述的一种S波段光控相控阵单元天线，其特征在于，所述的三个 引向器中位于顶端的引向器中间开缝。4. 根据权利要求1所述的一种S波段光控相控阵单元天线，其特征在于，所述的介质基 板的背面微带馈线采用G形微带馈电结构。5. 根据权利要求1或4所述的一种S波段光控相控阵单元天线，其特征在于，天线采用印 刷结构，反射振子既可作为天线的反射器，又可作为微带馈线的地板。6. 根据权利要求1所述的一种S波段光控相控阵单元天线，其特征在于，所述的三个引 向器位于介质基板的中上部，激励振子与反射振子相连且位于介质基板的下中下部，所述 的一对激励振子左右对称设置于介质基板，所述的激励振子和微带馈线分别设置在介质基 板正面和背面的同一高度位置。
【文档编号】H01Q1/48GK106025530SQ201610527892
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月6日
【发明人】张昕, 汤恒亮, 李继岚
【申请人】五邑大学