一种可折叠式大间距超宽带低剖面紧耦合阵列天线的制作方法

1.本发明涉及微波天线技术领域，具体涉及一种可折叠式大间距超宽带低剖面紧耦合阵列天线。


背景技术：

2.随着电子信息技术的迅速发展和通信容量的爆炸式增长，现代电子系统日益集成化和多功能化，使用单个或极少数的阵列完成宽带或较为离散的信号的发射和接收成为相控阵天线的未来发展趋势。除了超宽带的电性能需求，许多载体平台由于空间有限或出于隐身性的目的，往往还希望相控阵天线具备紧凑的体积和较低的剖面高度。此外，为了减少相控阵天线的有源通道数量、降低成本，在满足不出现扫描栅瓣的前提条件下，最大程度地增大阵列单元间距也是相控阵设计中的重要指标。这些应用需求为相控阵天线的设计带来了许多限制和极大挑战。
3.与传统的超宽带相控阵天线，如槽线天线相比，紧耦合相控阵在同样可实现超宽带性能的同时，更符合低剖面的应用要求。只是，为了实现超宽带宽角扫描的电性能，紧耦合相控阵天线单元间距通常较小，一般小于高频半波长。此外，为了实现单元间的强电容耦合，紧耦合相控阵单元之间多采用交错结构，如交趾、交叠等形式，这类交错结构难以应用于一些空间有限、期望阵面具备可折叠功能的装载平台。虽然紧耦合相控阵天线的剖面高度相对较低，但是往往仍需要在口径上方加载有一定高度的匹配层，这种做法大大增加了紧耦合相控阵天线的整体剖面高度。


技术实现要素：

4.本发明采用紧耦合偶极子为基本单元形式，提供了一种工作于大单元间距、具有双极化超宽带宽角扫描性能、剖面高度极低、并且具备阵面折叠功能的紧耦合偶极子阵列天线。
5.本发明旨在提供一种可折叠式大间距超宽带低剖面紧耦合阵列天线，其特征在于，所述可折叠式大间距超宽带低剖面紧耦合阵列天线包括反射板和多个偶极子天线单元；
6.所述反射板上表面设置所述偶极子天线单元，所述偶极子天线单元包括接地叉以及正交的垂直极化偶极子和水平极化偶极子，所述垂直极化偶极子和水平极化偶极子成“l”型位置关系；
7.各所述偶极子天线单元之间相互独立、无交错结构，使所述反射板能够在所述偶极子天线单元的边缘设有折叠结构并进行折叠；
8.所述垂直极化偶极子和水平极化偶极子均包括馈电巴伦和辐射体；
9.所述馈电巴伦设置在所述辐射体底部，所述馈电巴伦底部与反射板连接，顶部设有开口；
10.所述馈电巴伦内部嵌入类“γ”形的同轴探针，所述同轴探针较长一端与设置在反
射板下表面的同轴连接器连接；
11.所述辐射体具有左右两臂，两臂之间不直接连接，分别通过底部与馈电巴伦连接。
12.更进一步地，所述馈电巴伦内部设有与所述同轴探针相匹配的空气腔体，所述空气腔体两侧的宽度不同。
13.更进一步地，所述空气腔体设有多处膨大位置，所述膨大位置设有聚四氟乙烯介质块，所述聚四氟乙烯介质块固定所述同轴探针。
14.更进一步地，所述水平极化偶极子的辐射体左右两臂外侧末端加厚，用于加强水平极化单元间的电容耦合，优化其相对不足的低频电性能、拓展带宽。
15.更进一步地，所述水平极化偶极子的辐射体左右两臂为非对称结构，所述水平极化偶极子的辐射体左臂末端仅保留上半部分。
16.更进一步地，所述接地叉垂直设置在反射板上表面，所述水平极化偶极子的辐射体左臂末端被所述接地叉包围，用于增加谐振路径长度，同时兼顾单元间的耦合度。
17.更进一步地，所述馈电巴伦与所述辐射体两臂连接处各加设有三角支撑，以保证结构稳固性。
18.更进一步地，各所述偶极子天线单元在沿方位面和沿俯仰面的单元间距分别为0.544λh-scan和0.66λh-scan，剖面高度为0.37λh-scan；所述λh-scan表示阵面扫描状态下的最高频波长。
19.本发明的有益效果包括：
20.本发明中的阵面具有折叠功能，紧耦合相控阵天线单元之间无连接关系，阵面在非工作状态下可沿单元边界折叠，缩减阵列所占平面空间，达到以紧凑的体积存放或运输的目的，且阵面形态具有可还原性。
21.本发明采用大单元间距，减少相控阵天线的有源通道数量、降低成本，在满足不出现扫描栅瓣的前提条件下，本发明的紧耦合相控阵天线的单元间距十分接近理论最大间距，无论在方位面还是俯仰面均大于高频半波长，而目前报道的超宽带相控阵天线的单元间距通常不超过高频半波长。
22.本发明采用水平极化偶极子和垂直极化偶极子差异化设计方式，以适应不同的方位面和俯仰面扫描需求，通过馈电巴伦的宽带阻抗匹配设计、辐射体两臂末端加厚的增强单元间耦合设计和接地叉去谐振设计，实现大单元间距下紧耦合相控阵天线的超宽带宽角扫描电性能。
23.本发明的紧耦合相控阵天线未加载任何增加剖面高度的阻抗匹配层，着重通过对偶极子和馈电巴伦的综合优化设计实现超宽带宽角扫描电性能。其剖面高度仅为0.37倍高频波长，而目前已发表的超宽带宽角扫描相控阵天线剖面高度通常大于高频半波长。
24.本发明的紧耦合相控阵天线采用金属制成，辐射体与馈电巴伦采用一体化机加工，结构牢固耐用、易于装配和维护、功率容量大，具有较高的可靠性。
附图说明
25.图1是本发明实施例提供的一种可折叠式大间距超宽带低剖面紧耦合阵列天线的结构示意图；
26.图2是本发明实施例提供的一种可折叠式大间距超宽带低剖面紧耦合阵列天线的
俯视示意图；
27.图3是本发明实施例提供的一种可折叠式大间距超宽带低剖面紧耦合阵列天线的折叠示意图；
28.图4是本发明实施例提供的一种可折叠式大间距超宽带低剖面紧耦合阵列天线中偶极子天线单元的结构示意图；
29.图5是本发明实施例提供的一种可折叠式大间距超宽带低剖面紧耦合阵列天线中偶极子天线单元的俯仰面示意图；
30.图6是本发明实施例提供的一种可折叠式大间距超宽带低剖面紧耦合阵列天线中偶极子天线单元的方位面示意图(图中隐去由该方向看过去水平偶极子背后的垂直极化偶极子)。
具体实施方式
31.下面结合附图对本发明的技术方案进行更详细的说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
32.如附图1-3所示，本发明提供了一种可折叠式大间距超宽带低剖面紧耦合阵列天线，包括反射板4和多个偶极子天线单元。
33.反射板4采用多块反射面板拼接组成，相邻反射面板之间通过设置在下表面的折叠结构进行连接，并使相邻的反射面板能够通过折叠结构弯折。反射板4上表面设置偶极子天线单元，各偶极子天线单元之间相互独立、无交错结构。折叠结构设置在偶极子天线单元的边缘，使阵面在非工作状态下可沿单元边缘向下侧进行90
°
折叠(沿y-z平面)，从而方便天线的收纳和运输。
34.设x-z平面为方位面、y-z平面为俯仰面，设置使得天线沿方位面和俯仰面的单元间距不同、单元形式也不完全相同，这是为了在满足正交维度上差异化波束覆盖范围需求的同时，尽量增大单元间距，以减少相控阵天线的有源通道数量。
35.如附图4-6所示，偶极子天线单元包括接地叉3以及正交的垂直极化偶极子1和水平极化偶极子2，垂直极化偶极子1和水平极化偶极子2成“l”型位置关系。
36.接地叉3垂直于反射板4安装在反射板4上表面，接地叉3顶部成双叉状，接地叉3设置在垂直极化偶极子1和水平极化偶极子2相邻处，接地叉3顶部双叉分别位于水平极化偶极子2的前后两侧。垂直极化偶极子1、水平极化偶极子2和接地叉3之间相互无物理接触。
37.垂直极化偶极子1和水平极化偶极子2均包括馈电巴伦7和辐射体8，馈电巴伦7和辐射体8采用一体结构的机加工直接成型。
38.馈电巴伦7设置在辐射体8底部，结构呈u型，底部与反射板4连接，顶部设有开口。馈电巴伦7内部嵌入类“γ”形的同轴探针10，馈电巴伦7内部具有与同轴探针10相匹配的空气腔体11，同轴探针10通过聚四氟乙烯介质块13固定在空气腔体11内，两侧的空气腔体11宽度不同，同轴探针10较长一端与设置在反射板4下表面的同轴连接器12连接，以实现50欧姆与辐射体8之间的阻抗变换。空气腔体11在某些局部位置膨大，用于安装其内部离散的聚四氟乙烯介质块13，同轴探针10由多个聚四氟乙烯介质块13固定，在保证电性能基本不受影响的同时，确保结构的可靠性。
39.辐射体8具有左右两臂，两臂之间不直接连接，分别通过底部与馈电巴伦7连接；馈
电巴伦7与辐射体8两臂连接处各加设有三角支撑9，以保证结构稳固性。
40.水平极化偶极子2的辐射体8左右两臂外侧末端加厚，从而加强水平极化单元间的电容耦合，优化其相对不足的低频电性能、拓展带宽；其左臂末端加厚部分5和右臂末端加厚部分6为非对称结构，左臂末端加厚部分5由接地叉3包围，这种非对称的设计在兼顾单元间耦合度的同时，可以将低频的谐振点移出至工作频带外。出于功率容量、机械强度、加工难易程度等多方面因素的考虑，天线主体采用金属结构。
41.本发明以一个7
×
7阵列的实施例为例对本发明进行说明。
42.在该实施例中，偶极子天线单元依照矩形栅格周期排布，同一栅格内正交极化的偶极子天线在末端交汇、成“l”型位置关系。栅格之间相互独立、无交错结构，从而阵面在非工作状态下可沿栅格边缘折叠、方便收纳和运输。
43.如附图3所示，阵列两侧边缘各两列单元处的反射板4能够沿俯仰面(y-z平面)90
°
折叠，大大缩减了阵列所占的平面空间，却并不损害阵列结构，阵面形态具有可还原性。
44.在该实施例中，阵列沿方位面(x-z平面)和俯仰面(y-z平面)的扫描范围分别为
±
50
°
和
±
25
°
，扫描工作频段为fl:3fl，正向辐射时的工作频段可覆盖fl:4fl。为了减少相控阵天线的有源通道数量、降低成本，在满足不出现扫描栅瓣的条件下(θm为最大扫描角)，尽量增大单元间距至接近理论极限值。具体地，对于该实例中方位面和俯仰面最大扫描角分别为50
°
和25
°
的情况，方位面和俯仰面不出现栅瓣的最大理论单元间距分别为0.566λ和0.7λ。在该设计实例中，以阵面扫描状态下的最高频波长λh-scan为参考，该阵列沿方位面和沿俯仰面的单元间距分别为0.544λh-scan和0.66λh-scan，十分接近理论极限值；而以阵面正向辐射状态下的最高频波长λh为参考，该阵列沿方位面和沿俯仰面的单元间距则分别达到0.725λh和0.88λh，而目前现有技术中紧耦合相控阵天线的单元间距通常不超过0.5倍高频波长。
45.实现大单元间距不仅要通过理论计算预估出不发生栅瓣的最大单元间距值，使设计值不超出但尽量接近这一预估值，还需要克服大单元间距带来的天线阻抗匹配难度的增加。这里对垂直极化偶极子1和水平极化偶极子2进行独立设计，通过增加设计自由度以实现更佳的阻抗匹配，如附图4-6所示。虽然方位面和俯仰面单元间距相差较大，但垂直极化偶极子1和水平极化偶极子2的长度却相对接近，分别为0.58λh-scan和0.53λh-scan，这一尺寸有利于偶极子在高频实现自谐振从而达到阻抗匹配的效果。出于功率容量、机械强度、加工难易程度等多方面因素的考虑，天线主体采用金属结构。
46.每个偶极子天线皆由馈电巴伦7和辐射体8两部分组成，两部分为一体结构，采用机加工直接成形；馈电巴伦7与辐射体8相接处加了三角支撑9，以保证结构稳固性。馈电巴伦7中嵌入类“γ”形的同轴探针10，将电信号以耦合的方式传递给辐射体8，来实现超宽带馈电。馈电巴伦7的左右空气腔体11宽度不同，以实现50欧姆标准同轴连接器12与辐射体8之间的阻抗变换。为了实现最佳性能，垂直极化偶极子1和水平极化偶极子2的馈电巴伦7参数也是分别优化得到的，因此并不相同。垂直极化偶极子1和水平极化偶极子2的馈电巴伦7分别嵌入4块和5块聚四氟乙烯介质块13，以固定它们的同轴探针10，在保证电性能基本不受影响的同时，确保结构的可靠性。
47.与垂直极化偶极子1不同，水平极化偶极子2臂末端厚度增加，以加强水平极化单
元间的电容耦合，从而优化其相对不足的低频电性能、拓展带宽。当单元间距大于0.5倍高频波长时，非平衡馈电的双极化偶极子阵列中会出现共模谐振，为了将谐振移出高频带外，可以在正交偶极子末端增加接地金属柱来缩短谐振长度。只不过，这种设计同时会缩短另一种低频谐振——环谐振的路径，可能将环谐振引入低频带内，特别是对谐振回路更短的水平极化天线。为了移出低频谐振，将水平极化偶极子2左臂末端仅保留上半部分，并将接地金属柱设计为接地叉3的形式包围住水平极化偶极子2左臂末端，以增加谐振路径长度，同时兼顾单元间的耦合度。接地叉3在方位面内的偏置设计也是阵面能够实现可折叠的重要因素之一。
48.依靠上述设计和参数优化仿真，该实施例中的紧耦合相控阵天线在三倍频带宽内(fl:3fl)沿方位面和俯仰面最大可分别扫描至50
°
和25
°
，有源驻波保持在3以下。正向辐射时，该紧耦合相控阵天线的工作带宽可覆盖四个倍频程(fl:4fl)，水平端口和垂直端口的有源驻波大体分别在2.5和2以下。该紧耦合相控阵天线沿方位面和俯仰面扫描时的正交端口隔离度在扫描工作频带内(fl:3fl)分别保持在-40db和-20db以下，能够满足工作需求。该紧耦合相控阵天线分别激励水平端口和垂直端口时的单元正向辐射增益与理想口径增益(4πa/λ2，a为口径面积)基本吻合，最大相差不超过1db，说明该天线具有良好的辐射效率和较高的辐射增益。
49.依靠上述设计和参数优化仿真，该紧耦合相控阵天线在实现超宽带宽角扫描电性能的同时，其剖面高度仅为0.37λh-scan，大约为俯仰面和方位面单元间距的1/2和2/3，而目前现有技术中超宽带宽角扫描相控阵天线剖面高度通常大于或接近其单元间距、大于或接近高频半波长。
50.本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据实施例和附图公开内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变换或更改的设计，都落入本发明保护的范围。