一种实现紧耦合阵列H面宽角扫描的双FSS结构

本发明属于天线，具体涉及一种实现紧耦合阵列h面宽角扫描的双fss结构。

背景技术：

1、随着多功能射频系统逐渐发展并广泛应用于舰艇、飞机、汽车等系统上，对天线的要求也随之提高。此外考虑到轻量化与集成化的要求，低剖面的超宽带相控阵天线将是此类先进无线电子集成系统的绝佳选择。传统相控阵天线，例如微带贴片线阵和阿基米德螺旋天线阵分别具有超宽带和超宽角扫描的功能，但是他们都难以兼顾实现两种特性，并且他们的剖面高度较高或者天线单元横向尺寸较大。

2、基于连接阵和紧耦合概念的新型相控阵天线则可以同时实现超宽带和超宽角扫描特性，此外由于此类相控阵天线单元的电尺寸相对较小，因此还能保持天线阵列的紧凑特性。

3、针对紧耦合阵列天线h面宽角扫描时阻抗变化剧烈严重影响匹配的问题，公开号为cn116345189a，名称为“基于紧耦合的多极化宽带宽角扫描天线”的专利申请，公布了一种实现宽角扫描的方法，该方法基于同时加载频率选择表面和高阻抗表面，明显了改善阵列的e面和h面的扫描特性，同时这些结构也一定程度上展宽了波束。

4、然而，为了实现阵列宽角扫描功能，目前的紧耦合阵列天线会选择在天线上层加载宽角匹配层，一般是高介电常数的介质层或者阻性表面；其中，常规介质层结构一般厚度较大，会加高阵列整体的剖面高度，而阻性表面在抑制天线的带内共模谐振的同时，也会影响到天线的辐射效率。现有的紧耦合阵列h面的扫描角在九倍频程的情况下都无法达到扫描角为60度时有源驻波小于3的指标。

5、综上所述，现有技术通常是在阵列辐射体上方加载介质层或者高阻抗表面。对于介质层以及立式的金属覆层来说，其可以明显改善h面宽角扫描时的有源驻波特性，但是会显著增加天线剖面高度。对于高阻抗表面，由于其会吸收电流，故对天线辐射效率存在一定程度的影响。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种实现紧耦合阵列h面宽角扫描的双fss结构，利用大角度扫描时的阻抗共轭匹配，分析单极化天线阵列在大角度扫描时天线端口的floquent阻抗变化规律，将两层fss结构分别加载在天线阵面的顶部以及偶极子辐射单元与地板之间，能显著的改善阵列的h面扫描特性，并且其大角度扫描时，floquent阻抗变化规律与天线相反，从而实现共轭匹配，改善宽频宽角有源驻波特性。

2、为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

3、一种实现紧耦合阵列h面宽角扫描的双fss结构，包括多个周期性排布的天线单元，每个所述天线单元包括地板1，地板1上设置有馈电单元2，馈电单元2上印刷有偶极子辐射单元3和双面延长线4，上层频率选择表面6水平放置于偶极子辐射单元3的上方，下层频率选择表面5位于偶极子辐射单元3的下方以及地板1的上方，地板1与上层频率选择表面6和下层频率选择表面5平行并且位于天线单元的最下方。

4、所述地板1包括底部水平放置的底层介质基板19和位于底层介质基板19上的同轴接头7；所述底层介质基板19的材料为fr4；

5、所述馈电单元2包括垂直放置在底层介质基板19上的第一介质基板8和分别印刷在所述第一介质基板8的两面中心处的双面曲率渐变馈线9；所述第一介质基板8的材料为rogers4003c；

6、所述偶极子辐射单元3包括分别印刷在第一介质基板8上部两面的梯形偶极子辐射片10，位于梯形偶极子辐射片10的两侧端部均印刷有耦合片11，耦合片11由两片矩形金属条组成，梯形偶极子辐射片10外部边缘分别开设有半矩形开槽12；

7、双面曲率渐变馈线9的上端口与梯形偶极子辐射片10相连接，双面曲率渐变馈线9的下端口与位于底层介质基板19上的同轴接头7相连接；

8、所述双面延长线4包括分别印刷在第一介质基板8两面且位于双面曲率渐变馈线9两侧的非对称延长线13，在所述非对称延长线13上靠近梯形偶极子辐射片10的一端均连接一个集总电阻14；

9、所述非对称延长线13的一端与梯形偶极子辐射片10相连接，非对称延长线13的另一端与底层介质基板19相连接。

10、所述下层频率选择表面5包括下层介质基板15和下层周期表面16，下层周期表面16为蚀刻在下层介质基板15上的周期表面结构，下层介质基板15的材料是fr4；上层频率选择表面6包括上层介质基板17和上层周期表面18，上层周期表面18为蚀刻在上层介质基板17上的周期表面结构，上层介质基板17的材料是tmm4。

11、所述上层频率选择表面6用于实现宽频宽角扫描时的阻抗匹配，上层频率选择表面6上的上层周期表面18的形状为在矩形环的每条边上开槽，切断联系，矩形环内部增设四个短枝节并且与矩形环的其中两边平行，每个上层频率选择表面6上的上层周期表面18为7*7。

12、所述下层频率选择表面5用于抑制带内共模谐振，第一介质基板8将下层频率选择表面5中间切断，下层频率选择表面5的两边分别为2*2规模的四个矩形环组合在一起，矩形环内部加载了两个平行于长边的枝节。

13、所述梯形偶极子辐射片10为直角梯形结构，梯形偶极子辐射片10的斜边均朝向第一介质基板8的内侧，与梯形偶极子辐射片10的斜边对侧的直边上均印刷有耦合片11。

14、所述天线单元横向尺寸为19.09mm*19.09mm，天线整体剖面高度为36.0mm-37.0mm。

15、所述双面曲率渐变馈线9的底部宽度分别为3.00mm-3.50mm和2.10mm-2.30mm，曲率分别为15和80，馈线高度为23.8mm-24.5mm；梯形偶极子辐射片10的高度为12.4mm-12.8mm，宽度分别为10.5mm-11.1mm和5.9mm-6.2mm；耦合片11的高度为12.4mm-12.8mm，宽度为0.150mm-0.500mm；半矩形开槽12宽度为0.17mm-0.22mm。

16、所述非对称延长线13的长度为23.8mm-24.5mm，宽度为0.38mm-0.55mm，集总电阻14位于高度为18.5mm-21.0mm位置处，阻值为250-350欧姆。

17、所述下层周期表面16单个单元尺寸为(9.35mm-9.90mm)*(8.20mm-8.65mm)的矩形环，矩形环的宽度为0.85mm-1.10mm，内部枝节长度为1.0mm-2.3mm，宽度为0.45mm-0.70mm；所述上层周期表面18单个单元尺寸为(1.82-2.25mm)*(1.82-2.25mm)的矩形环，矩形环的宽度为0.15mm-0.29mm，开槽宽度为0.15mm-0.23mm，内部枝节长度为0.3mm-1.1mm，宽度为0.15mm-0.26mm。

18、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

19、1、本发明由于采用加载在天线阵面顶部的是单层fss(上层频率选择表面6)，厚度较薄，不会显著增加天线阵列的整体剖面高度，而另一层的fss结构(下层频率选择表面5)则是加载在偶极子辐射单元3与地板1之间，因此不会影响天线的剖面高度。

20、2、本发明并没有加载阻性吸收表面，因此该双层fss结构不会对天线的辐射效率有显著的影响。

21、3、本发明加载的上层频率选择表面6主要针对高频h面扫描时阻抗失配进行匹配，下层频率选择表面5主要针对中频h面扫描时阻抗失配进行匹配；两种频率选择表面同时加载之后可以满足天线在整个频带内h面扫描阻抗失配得到解决，有效改善天线阵列大角度扫描时的有源驻波比。

22、4、本发明在梯形偶极子辐射片10的末端边缘切割了半矩形开槽12，在相邻单元之间用半矩形开槽12引入了交指电容，耦合片11引入平行板电容，交指电容与平行板电容共同作用抵消天线与地板之间的电感，成功的展宽了天线的带宽。

23、5、本发明引入了与梯形偶极子辐射片10连接的非对称延长线13，成功的将天线阵列的带内共模谐振移出到带外，成功的替代了阻性吸收环，提高了天线的增益。

24、综上，本发明由于采用双层的fss结构，从而解决了目前宽带紧耦合阵列h面宽角扫描难以匹配的问题；由于上层频率选择表面6的厚度很薄，而下层频率选择表面5并未加载在阵列辐射面上方，所以天线整体剖面较低；对于共模谐振，本发明未采用加载阻性吸收表面的方式处理，因此天线整体效率较高；由于引入了除耦合电容之外的交指电容，通过两种电容共同作用共同调节，显著展宽了天线的工作带宽。