宽角扫描双线极化相控阵天线的制作方法

本发明涉及无线通信技术领域，具体地，涉及宽角扫描双线极化相控阵天线。

背景技术：

早期的合成孔径雷达(syntheticapertureradar，sar)系统均采用单极化天线来发射、接收信号。因此，只能对地物在特定极化方式下的后向散射特性进行测量，而不能分析地表分布差异造成的去极化和交叉极化过程，其对地物信息的提取是不完全的。极化是电磁波的本质属性之一，是除频率、幅度和相位之外的又一维重要信息。地物目标的形状、方向和介电常数对极化均很敏感。为了克服这种成像体制的缺陷，国内外已发展出多种具备双极化或全极化观测能力的sar系统，这其中最为关键的就是双线极化阵列天线系统。

目前双线极化天线的实现形式大概可以分为以下几类：

(1)纵向堆叠：天线单元多采用微带形式，在阵面法线方向上层叠不同极化形式的天线单元。其中，上层极化单元的馈电必须穿过下层极化单元，馈电网络复杂，不适用于阵列天线。

(2)横向平铺，相互嵌套：通常采用将高频单极化天线单元嵌套进低频正交极化单元中的形式，缺点是当应用于相控阵体制时，两种极化的天线扫描能力不能保持相同。若两种极化的天线单元同频，则会因为两种极化单元间距过小而出现隔离度下降的问题。

(3)横向平铺，交错排列：天线单元多采用波导缝隙形式。缺点是每种极化的天线口径利用率低，且不能实现大角度扫描。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种宽角扫描双线极化相控阵天线。

根据本发明提供的一种宽角扫描双线极化相控阵天线，包括：交替设置的垂直极化波导缝隙天线和水平极化微带伞状振子天线；波导缝隙天线构成微带伞状振子天线的反射地板，微带伞状振子天线构成波导缝隙天线单元间的隔离墙；波导缝隙天线向自由空间辐射电场方向与缝隙垂直的垂直极化电磁波，微带伞状振子天线辐射电场方向与振子平行的水平极化电磁波。

可选地，垂直极化波导缝隙天线包括：辐射缝、辐射波导、耦合缝隙、合路波导和馈电探针；辐射缝设置在辐射波导上，并沿辐射波导中心线交错排列，以构成波导缝隙天线的辐射元；辐射波导为宽边单脊波导，辐射波导的宽边尺寸与波束扫描要求相关；射频信号由射频接头通过馈电探针馈入合路波导，合路波导用于通过耦合缝隙将两个辐射波导的能量合为一路；“工”字形耦合缝隙设置在辐射波导上，用于将合路波导中的射频能量输送给辐射波导，并通过辐射缝隙辐射入自由空间。

可选地，垂直极化波导缝隙天线还包括：阻抗调谐块和阻抗阶梯变换段，阻抗调谐块为设置在合路波导非脊边上的矩形结构；阻抗阶梯变换段为设置在合路波导的脊边上的圆形空腔结构；阻抗调谐块中心开孔，馈电探针通过阻抗调谐的开孔和阻抗阶梯变换段之后向合路波导馈电。

可选地，辐射缝隙的数量为多个；耦合缝隙的形状包括：倾斜缝或者h形缝。

可选地，阻抗调谐块的形状包括：方形、矩形、三角形、圆形、椭圆形、正多边形、不规则多边形中的任一种。

可选地，阻抗阶梯变换段的包括多种尺寸。

可选地，水平极化微带伞状振子天线包括：倾斜辐射振子、微带巴伦、隔离桩、带状线馈电网络；倾斜辐射振子和微带巴伦印刷于介质板两侧；隔离桩与微带振子位于介质板同侧；带状线馈电网络通过两面金属屏蔽层与波导缝隙天线相接触。

可选地，隔离桩包括：方形、矩形、三角形中的任一种。

可选地，带状线馈电网络也可以采用微带线形式。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明提供一种宽角扫描双线极化相控阵天线，通过将微带天线与波导天线相结合，实现了天线设计的轻量化；两种极化天线单元、馈电网络的排布方向相互垂直，实现了口径利用率的最大化；波导天线作为微带天线的反射地板，同时微带天线为波导天线单元间提供了隔离屏蔽的作用，具有功能复用的特点。另外，本实施例中的天线由于口径利用率高、单元间距小，具有两种线极化天线均能实现大角度扫描的能力。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的宽角扫描双线极化相控阵天线的爆炸示意图；

图2为本发明实施例的垂直极化波导缝隙天线结构爆炸图；

图3为本发明实施例的垂直极化波导缝隙天线正视图；

图4为本发明实施例的水平极化微带伞状振子天线结构爆炸图；

图5为本发明实施例的水平极化微带伞状振子天线正视图；

图6为本发明实施例的宽角扫描双线极化相控阵天线的整体结构示意图；

图7为本发明实施例的垂直极化波导缝隙天线单元间隔离度示意图；

图8为本发明实施例的垂直极化波导缝隙天线扫描40°方向图；

图9为本发明实施例的水平极化微带伞状振子扫描40°方向图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供一种宽角扫描双线极化相控阵天线，包括：交替设置的垂直极化波导缝隙天线和水平极化微带伞状振子天线；波导缝隙天线构成微带伞状振子天线的反射地板，微带伞状振子天线构成波导缝隙天线的隔离墙；波导缝隙天线向自由空间辐射电场方向与缝隙垂直的垂直极化电磁波，微带伞状振子天线辐射电场方向与振子平行的水平极化电磁波。

本实施例中，垂直极化波导缝隙天线沿水平方向铺装，水平极化微带伞状振子天线沿垂直方向安装，两者交替设置且相互不占用面积；其中，波导缝隙天线同时作为微带伞状振子天线的反射地板，微带伞状振子天线为波导缝隙天线提供隔离墙作用，从而提高单元间隔离度、降低天线单元的有源驻波。

示例性的，垂直极化波导缝隙天线包括：辐射缝、辐射波导、耦合缝隙、合路波导、阻抗调谐块、阻抗变化段和馈电探针；辐射缝设置在辐射波导上，并沿辐射波导中心线交错排列，构成垂直极化波导缝隙天线的辐射元；辐射波导为宽边单脊波导，其宽边尺寸由波束扫描要求相关；“工”字形耦合缝隙设置在辐射波导上，用于将合路波导中的射频能量输送给辐射波导，并通过辐射缝隙辐射入自由空间。

示例性的，辐射缝开缝于辐射波导宽边，沿中线交错排列，辐射电磁波的极化方向与辐射缝垂直，数量为8个；辐射波导为宽边加脊形式；耦合缝开缝于辐射波导脊边，数量为2个；合路波导与辐射波导结构形式一致，其非脊边与辐射波导的脊边共壁厚，通过“工”字形耦合缝将能量输送至辐射波导；阻抗调谐块为合路波导非脊边上的矩形结构，其中心开孔，探针插入其中；阻抗阶梯变换段为合路波导脊边上的多段圆形空腔结构，具有两种不同的半径尺寸。可选地，辐射缝隙的数量可以是任意多个。耦合缝隙可以是倾斜缝和h形缝，或其它异形结构。阻抗调谐块可以是方形、矩形、三角形、圆形、椭圆形、正多边形、不规则多边形的一种。阻抗阶梯变换段的半径尺寸可以是三种尺寸，或多种。

本实施例中，水平极化微带伞状振子天线包括：倾斜辐射振子、微带巴伦、隔离桩、带状线馈电网络；倾斜辐射振子和微带巴伦印刷于介质板两侧；隔离桩与微带振子位于介质板同侧；带状线馈电网络通过两面金属屏蔽层与波导缝隙天线相接触。可选地，隔离桩可以是方形、矩形、三角形的一种，或其它异形结构。带状线馈电网络也可以采用微带线形式。

具体地，以一共口径、采用两维安装方式的8*8元宽角扫描双线极化相控阵天线为例，进行详细说明，其阵元的数量可以根据应用的需求进行扩展或减少。

需要说的是，上述辐射缝隙的数量为8个，但并不局限于8个。

图1为本发明提供的宽角扫描双线极化相控阵天线的爆炸示意图，如图1所示，该宽角扫描双线极化相控阵天线包括8个双极化天线单元，每个双极化单元又由两种极化形式、结构形式、材料属性均不同的垂直极化波导缝隙天线1，水平极化微带伞状振子天线2组成。

图2为本发明实施例的垂直极化波导缝隙天线结构爆炸图，如图2所示，本实施例中的垂直极化波导缝隙天线1包括：辐射缝101、辐射波导102、耦合缝隙104、合路波导105、阻抗调谐块106、阻抗变化段107和馈电探针108；其中辐射波导102和合路波导105的材料属性为铝合金，壁厚0.8mm。辐射缝101设置在辐射波导102上，构成垂直极化波导缝隙天线1的辐射元，相邻辐射缝101之间的间距为半个波导波长，缝宽1mm，并沿辐射波导102中心线交错排列。辐射波导102为宽边单脊波导，其宽边尺寸由波束扫描要求而定，当扫描角度较小时，辐射波导102的宽边可以较大，其内的脊边103变低，或者直至消失；当扫描角度较大，如±60°时，辐射波导102宽边的尺寸约为工作波长的一半，此时波导腔内的脊边103一般都会较高。

本实施例中，耦合缝隙104的作用是将合路波导105中的射频能量输送给辐射波导102，并通过辐射缝隙101辐射入自由空间，耦合缝隙104的形式可以有多种形式，目的均是在起到能量传递的同时，保持合路波导与辐射波导的阻抗匹配。例如可以采用倾斜缝、工字缝、h形缝等其他类型，但本质上都是倾斜缝的变形，是为了补偿耦合缝在较短脊波导宽边上缝长不足引起的失谐。

本实施例中，合路波导也采用宽边单脊形式，脊尺寸与辐射波导保持一致，但也可采用不同尺寸的脊形式和尺寸，只要保持与辐射波导相同的传播常数即可。作用是分别给两段辐射波导馈电。阻抗调谐块和阻抗变化段的作用是将50ω射频接头与数百欧姆的合路波导进行阻抗匹配。

本实施例中，垂直极化波导缝隙天线1的特点是随着串馈的辐射缝101的增多，天线的阻抗带宽逐渐降低。为了满足带宽的要求，本实施例中的辐射缝101被切分为两组，每组4个辐射缝隙101由独立的辐射波导102串行馈电，合路波导105的作用是通过耦合缝隙104将两个辐射波导102的能量合为一路。

图3为本发明实施例的垂直极化波导缝隙天线正视图，如图3所示，本实施例中的射频信号由射频接头109通过馈电探针108馈入合路波导105，50ω接头与合路波导105的阻抗匹配由阻抗调谐块106、阻抗变换段107共同实现。

本实施例中，阻抗调谐块106为一矩形金属结构，位于合路波导105腔体的上壁，且两者的中心相重合。阻抗调谐块106还起到固定射频接头内探针108的作用，其中心开孔，射频接头109的内探针108插入此孔中，实现电接触。

本实施例中，阻抗变换段107为两段不同外径的圆形波导，开槽于合路波导105矩形脊边103上。其作用是与射频接头内探针108形成不同内外径比例的同轴线结构，从而将射频接头109的阻抗与合路波导105的波阻抗实现匹配。

需要说明的是，辐射波导除了采用宽边单脊波导的形式，也可采用宽边双脊的形式，脊的尺寸可根据天线扫描能力的要求自由选择。辐射波导由两段组成，每段采用串馈形式分别给4个辐射缝隙馈电。

图4为本发明实施例的水平极化微带伞状振子天线结构爆炸图，如图4所示，本实施例中的水平极化微带伞状振子天线2包括：印制于射频介质板一侧的倾斜形微带振子201、印制于另一侧的微带巴伦结构203、印制于振子同侧的用于提高振子单元间隔离度的矩形隔离桩202、给振子天线馈电的威尔金森式带状线1：8功分器204、给功分器馈电的射频接头208。

本实施例中的介质板205采用rogers5880型板材，倾斜形微带振子201与微带巴伦结构203分别印刷于介质板205的两侧。介质板206为两层介质板205的层压结构，带状线功分器204位于两层介质板的中间。倾斜形微带振子201的偶极臂长约为λ表示波长，εr表示介电常数。本实施例采用低介电常数的介质板，可以提高振子天线的辐射效率和增益。稍微倾斜的偶极臂用以降低振子间辐射波的互耦，过大的倾斜角度会恶化天线的交叉极化电平，所以倾斜角是可调的，是一种折中的选择。微带振子201间的隔离柱的作用是为了减少单元间的互耦，形式不局限于矩形贴片。

本实施例中的微带巴伦结构203(balun：balance-unbalance)起到从微带线到振子天线偶极臂的平衡——非平衡馈电作用，包含50ω微带线、110ω微带巴伦结构、75ω阻抗变换段。

本实施例中，8个微带振子201间设有矩形隔离桩202，起到提高振子天线间隔离度的作用。天线单元间由于表面波的存在，各端口间会由于互耦造成信号串扰、驻波恶化的现象。通过在各单元间设计一种起伏结构，干扰表面波的传播路径，可以起到提高天线间隔离度的作用，所以这种起伏结构可以是矩形、三角形、椭圆形等各种形式，在数量可以根据更高隔离度的要求设计为两个或多个。

本实施例中，1：8功分器204采用带有隔离电阻207的威尔金森形式，作用也是为了防止各端口间的串扰，提高隔离度。1：8功分器204包括50ω带状线、70ω带状线和100ω贴片电阻。

本实施例中的微带伞状振子天线2同时为波导缝隙天线1起到了隔离墙的作用。波导缝隙天线1在阵列应用中，由于表面波的作用，其单元间隔离度较差，有源驻波也较大。微带伞状振子天线2的存在阻碍了波导缝隙天线1间的表面波传播，起到了隔离墙的作用。波导缝隙天线1同时为微带伞状振子天线2起到了反射地板作用。振子天线是一种全向天线，作为定向天线应用时需要在距天线λ/2处增加金属平板作为反射板。

图7为本发明实施例的垂直极化波导缝隙天线单元间隔离度示意图。如图7所示，相邻天线单元间的隔离度s(1，2)在整个工作频带内均小于-20db，在阵列边缘处，两个相距最远的天线单元隔离度s(1，8)小于-50db。

图8为本发明实施例的垂直极化波导缝隙天线扫描40°方向图。如图8所示，在天线主瓣扫描至+40°时，天线方向图没有出现栅瓣，且副瓣电平小于-10db。

图9为本发明实施例的水平极化微带伞状振子扫描40°方向图。如图9所示，在天线主瓣扫描至+40°时，天线方向图没有出现栅瓣，且副瓣电平小于-10db。

本实施例，通过将微带天线与波导天线相结合，实现了天线设计的轻量化；两种极化天线单元、馈电网络的排布方向相互垂直，实现了口径利用率的最大化；波导天线作为微带天线的反射地板，同时微带天线为波导天线单元间提供了隔离屏蔽的作用，具有功能复用的特点。另外，本实施例中的天线具有两种线极化天线均能实现大角度扫描的能力。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。