一种超宽带宽角扫描天线阵列的制作方法

本技术涉及天线，特别是涉及一种超宽带宽角扫描天线阵列。

背景技术：

1、相比传统的机械扫描阵列天线，相控阵天线通过控制各个阵元的相位，能够实现波束的快速扫描，迅速地发现目标并对多个目标定位，具有灵活性好、稳定性高、波束扫描快等诸多优点，因此能极大提高雷达的性能。现如今，相控阵天线已被世界各国广泛应用于海、陆、空的多个军事领域中，例如：国土防空和导弹防御系统及舰载、机载和星载火控和预警系统等，实现目标搜索、识别和跟踪等。除了军事和国防用途，卫星通信、气象水文、空中交通、地球探测、太空探测、遥感测绘和生物医学等多个民用领域也越来越重视相控阵天线技术。

2、在众多研究方向中，超宽带宽角扫描的相控阵天线设计已成为一个重要趋势。根据2002年美国联邦通信委员会对超宽带通信信号的定义，满足信号频谱相对带宽大于20％或者占用频带超过500mhz的信号称为超宽带信号。而宽角度波束扫描的相控阵技术主要是指：波束扫描到较大角度时增益下降较少，比如不超过3db；且波束扫描到较大角度时天线单元仍有良好阻抗匹配。但是，同时实现这两种性能要求存在很大的难度，这也是目前研究相控阵天线的重点与难点。

3、最初，采用宽带工作的宽波束天线单元是实现宽带宽角扫描相控阵天线的一种方法。目前，常见的相控阵天线单元类型包括：波导口径单元、微带天线单元等传统天线，显然，这两种单元形式的阵列容易面临工作带宽窄、扫描过程中出现扫描盲点等问题；堆叠贴片天线单元组成的相控阵可以实现20％-30％的带宽内±45°的扫描范围，然而复杂的馈电方式设计以及对加工工艺较高的要求，必将导致设计难度和成本相对偏高；在微带天线介质下方叠加腔体可以有效拓展天线的波束宽度，然而腔体的存在会影响连接器，比如同轴馈电接头的安装，加大了设计和安装的难度；锥削槽天线单元是具有宽带和宽波束性能的单元，实际上，锥削槽天线的超宽带高频比性能是通过降低其可工作的最低频率实现的，其可工作的最低频率和其长度(剖面)成反比，后者至少在数个高频波长左右，因此，锥削槽天线虽然性能优越，但是剖面较高，相对笨重，在某些由剖面或重量要求的场景下应用受限，此外，其槽线纵向电流较大在天线扫描时将带来交叉极化分量的上升，特别是在对角面内扫描时，常常会观察到交叉极化分量甚至大于主极化分量的现象。

4、偶极子天线也是相控阵天线中常见的天线形式之一。目前常见的宽带宽角扫描偶极子相控阵天线多为紧耦合偶极子天线阵。该方法将相邻偶极子进行交叠，合理利用了天线单元之间的耦合抵消了金属地板引入的电感，从而实现了宽带宽角度扫描范围的性能。2003年munk与美国harris公司合作，研制了一款工作于2-18ghz的28×28双极化阵列样机，该样机在地板上方的结构剖面仅为λlow/10(λlow是最低工作频率)，后来人们一般将这类天线称为紧耦合相控阵天线。在上述紧耦合天线样机中，采用了外置巴伦、双筒轴线和接地屏蔽装置作为馈电网络；然而，这套外置的馈电结构却存在价格昂贵、体积重量大的缺点，难以投入实际应用。

5、为解决这一问题，vouvakis团队的holland于2010年提出一类平面超宽带模块化天线阵(planar ultra-wideband modular antenna,puma)，该设计馈电结构十分简单，偶极子由平行双线馈电，平行双线的其中一根为信号线，与同轴接头内导体相连；另一根接地线直接与金属地板相连，并由短路探针将共模谐振点移出工作频带；最终，该天线阵工作在7～21ghz频段内，可实现±45°扫描角覆盖，但受到低频环模的影响，该设计的工作带宽较窄，只有3倍频程。针对该问题，holland也给出了相应解决方案，即加强阵元间的耦合，略去接地偶极子臂的接地探针，同时通过在金属接地板背部添加基于微带线的l-c网络改善阵列阻抗匹配状况，最终阵列在1.06～5.3ghz(5倍频程)的频带内实现了±45°波束扫描(active vswr＜2.9)；然而现实中这个设计很难付诸实践，一方面对于高频端为5.3ghz的紧耦合阵列来说，其天线主体为剖面高达26mm的多层电路板，远远超过了现代pcb工艺加工制造的极限，另一方面若将该设计理念应用于7～21ghz的阵列，仅为6.6mm×6.6mm的阵元尺寸背面根本无法容纳弯折微带线结构的匹配网络。为了突破这一限制，同一课题组中的john t.logan用接地的容性耦合金属贴片取代与偶极子相连的接地线，并在纵向馈电结构上添加了匹配设计以将带宽进一步的向低频延伸，最终获得了6：1(3.52～21.2ghz)的带宽，在主平面扫描至60°时，最大active vswr为3.85；但对于有限阵列，不论是仿真还是实测结果，该阵列在h面扫描时低频端的反射系数都偏高，而且该设计仍然延用了介质板作为宽角匹配层，因此该理念很难应用于低频的阵列中，另一方面，设置在馈线底部，用于增强匹配的毛纽扣也增加了阵列的成本以及装配、维护难度。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种超宽带宽角扫描天线阵列，能够实现超宽带和宽角扫描，适用于任何频段的双极化相控阵天线。

2、一种超宽带宽角扫描天线阵列，包括：多个呈阵列设置的天线单元；

3、所述天线单元包括：依次相连的辐射层、馈电层以及接地层；

4、所述辐射层包括：第一介质板以及四个间隔设置在所述第一介质板上的辐射件；所述辐射件包括一个辐射臂以及两个寄生枝节；任一辐射臂与相邻辐射层的一个辐射臂共线并构成一个偶极子；同一辐射层中，任意两个相邻的辐射臂互相垂直，以使辐射臂形成“十”字形结构；同一辐射件中，两个寄生枝节关于辐射臂呈轴对称设置，以使辐射件形成箭头状结构。

5、在一个实施例中，所述辐射层还包括：耦合贴片；

6、所述耦合贴片设在所述第一介质板的底部与所述辐射件的中心对应的位置，所述耦合贴片与所述馈电层相连，且所述耦合贴片通过短路探针与所述接地层相连。

7、在一个实施例中，所述馈电层包括：第二介质板、馈线以及地线，所述馈线与所述地线平行设置；

8、所述馈线穿过所述第二介质板，一端与偶极子的一个辐射臂相连，另一端与接地层相连；

9、所述地线穿过所述第二介质板，一端与同一偶极子的另一个辐射臂相连，另一端与接地层相连。

10、在一个实施例中，所述馈电层还包括：共面波导；

11、所述共面波导包括：第一焊盘、第二焊盘以及传输线；

12、所述传输线为宽度渐变的条状结构，所述传输线的大端与所述第一焊盘相连，所述传输线的小端与所述第二焊盘相连，所述第一焊盘的面积小于所述第二焊盘的面积。

13、在一个实施例中，所述接地层包括：第一地板；

14、所述共面波导与所述第一地板共面。

15、在一个实施例中，所述接地层还包括：第三介质板、第二地板以及第四介质板；

16、第一地板、第三介质板、第二地板以及第四介质板依次相叠设置。

17、在一个实施例中，所述接地层还包括：设在所述第四介质板底部的微带线；

18、所述微带线为宽度渐变的条状结构，所述微带线的小端与所述传输线的大端相连。

19、在一个实施例中，所述接地层还包括：金属管；

20、所述第三介质板、所述第二地板以及所述第四介质板上设有贯通的传输孔；

21、所述金属管设在所述传输孔中，一端与所述传输线相连，另一端与所述微带线相连；

22、所述传输孔对应所述第二地板处的内壁上设有沉槽，以作为隔离环。

23、在一个实施例中，所述第一介质板以及所述第二介质板上对应辐射件之间的位置设有贯通的消波孔。

24、在一个实施例中，天线阵列中，位于最外层的多个天线单元均与匹配负载相连，以作为哑元。

25、上述一种超宽带宽角扫描天线阵列，是一种基于单元寄生枝节的低成本平面可扩展的超宽带宽角度波束扫描紧耦合天线阵列，具有以下优点：

26、(1)采用简单的平行双线-微带线馈电方式，基于寄生枝节的超宽带超宽角扫描紧耦合阵列，寄生枝节以提供额外的电抗分量，不仅可以引入相连阵元间的电容耦合，还可以提供额外的l-c枝节(电感电容枝节)，与馈电结构集成后，构成多级阻抗匹配网络。这种简单的结构代替了传统的介质匹配层，帮助阵列实现超宽带和超宽角扫描功能，实现对基于介质加载的传统宽带阻抗匹配技术的替代。

27、(2)与普通偶极子天线相比，末端加载寄生枝节的偶极子可以提供额外的电抗分量，与平行双线集成后，构成多级阻抗匹配网络，实现超宽带和超宽角扫描功能。

28、(3)平行双线的馈线与射频端口之间引入基于共面波导-微带线的阻抗变换结构，以进一步扩大阵列的带宽。基于共面波导-微带线的阻抗变换结构不仅能在有限的空间范围内实现阻抗的变换，使馈电结构更为紧凑，还大大降低了造价成本，简化了装配与维护的流程。采用平行双线-共面波导-微带线的馈电方式，将部分的阻抗变换结构设置在金属接地板的下方，这样便可以在有限的空间内实现阻抗变换，且集成度高，结构稳健，造价低廉。

29、(4)整个超宽带相控阵天线没有加载任何的介质匹配层，馈电结构普适性强，并仅通过调整平行双线的间距、粗细、寄生枝节的形状和尺寸等参数进行阻抗匹配，具有更高的自由度，实现超宽带宽角扫描。由于没有加载任何额外的宽角匹配结构，本设计相较于以往的紧耦合阵列应具有更低的结构剖面，更小的质量和成本，更低的交叉极化电平。

30、(5)天线阵列阻抗带宽为5-18ghz(边射时active vswr≤2，e面45°扫描activevswr≤3，h面45°扫描active vswr≤2)，达到3.6倍频程，对于任何频段的双极化相控阵天线均适用，可以覆盖vhf、uhf、p波段、l波段、s波段、c波段、x波段、ku波段、ka波段以及毫米波段，这是以往任何紧耦合天线技术都不具备的。

31、(6)结构简单，体积小，重量轻，便于加工和组装，造价成本低廉，具有较强的工程实用性。