一种二维大角度扫描平面相控阵天线的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于天线技术领域，特别设及一种新型基于模式理论的二维大角度扫描平 面相控阵天线。
【背景技术】
[0002] 相控阵天线是随着雷达系统发展而诞生的产物。传统平面相控阵天线是通过电控 制阵元相位的方法来改变方向图的波束指向，但研究表明运种传统相控阵天线其扫描范围 仅仅局限在阵面法线-45°~+45°。狭小的扫描范围极大程度地极限了相控阵的应用领域和 发展空间，因此具备大角度扫描能力的相控阵雷达越来越受到人们重视，成为天线领域一 个重要的研究课题。
[0003] 文献"毫米波方向图可重构天线及其相控阵研究"（发表期刊：2011年全国微波毫 米波会议论文集;发表日期:2011年;作者:王秉中，下霄）提出了一种可大角度扫描并且增 益较高的相控阵天线，该天线单元采用缝隙禪合馈电的方式，通过改变馈电网络的结构，使 得天线具有方向图可重构的特性。据此单元设计了一个1X4单元的宽角度线极化扫描直线 阵列。文献只进行了一维的波束扫描，并未拓展到二维层面上，而且在工作时不仅需要调整 单元间的相差，还需对每个单元进行控制，增加了天线的控制难度及制作复杂度，降低了相 控阵的可靠性。
[0004] 文南犬('Balanced antipodal Vivaldi antenna for wide bandwidth phased arrays"(发表期刊：I 趾E Proc-Mmow Antennas Propag;发表日期：1996年4 月；作者： J.D.S丄angley ,P. S.化11 ,P.化wham)提出了一种W维瓦尔第天线为单元的相控阵，其中维 瓦尔第天线能够在一维方向上实现宽波束福射，因此组阵后，相控阵没有在一维面上有大 角度扫描的能力，未能实现二维面的大角度扫描，而且据其结果显示，相控阵天线的扫描增 益平坦度衰落在5地W上。
[0005] 目前，绝大多数报道仅实现一维宽角扫描，很少有报道拓展到二维宽角扫描。因 此，如何实现二维宽角扫描，且在宽角扫描过程中保持高质量扫描波束是相控阵天线研究 领域中一个机遇和挑战并存的课题。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术和问题，本发明的目的在于提供一种能够实现二维大角度扫描平面 相控阵天线。
[0007] 本发明基于模式理论设计二维宽波束天线单元，根据微带天线的模式理论进行分 析发现，工作在TMii模式下的微带天线具有二维宽波束覆盖的特性，当其工作时会在其各边 均产生一个驻波零点，电场在方形贴片四个顶角最强，而走向贴片中屯、，电场逐步衰减，在 方形贴片正中屯、处，电场为零，其福射最大方向便会偏离边射方向。因此本发明采用W下技 术方案：
[000引一种二维宽波束天线单元，包括介质基板、设于基板正面的福射贴片及微带馈线、 设于基板背面的金属接地板，其特征在于：所述福射贴片为正方形，其中屯、与基板中屯、重 合，福射贴片中屯、开有正方形凹槽；
[0009] 所述微带馈线为设置于福射贴片凹槽内的渐变式微带馈线，其中屯、位置为馈电 点，两末端分别与凹槽的一对角相连；
[0010] 所述金属接地板的尺寸和基板的尺寸相同；
[0011] 所述天线单元通过同轴线馈电，同轴线内导体穿过基板与馈电点相连，外导体与 接地板相连。
[0012] 所述天线单元等间距排列组成阵列天线。
[0013] 据理论分析，TMii模式下的福射贴片应为方形，本发明为了简化天线结构，对贴片 进行开槽设计，将贴片设计为方环结构，不仅为馈电网络提供了放置空间，还缩小了天线尺 寸，利于相控阵的设计。本发明采用同轴背馈的方式进行馈电，并将信号分为两路，对福射 贴片的一对对角进行等幅同相馈电，W此激励起天线的TMii模，使天线的福射方向图具有宽 波束的特性，从而使相控阵天线具有大角度扫描的能力，同时为了达到良好的匹配效果，在 福射贴片内部的馈电网络W渐变式微带线的形式进行设计。最后，将福射单元等间距排列 成面阵结构，由于单元本身的波束覆盖角度较大，将其合理布阵之后可实现二维大角度波 束扫描。采用CST Microwave Studio仿真软件对阵列进行仿真实验，并对相邻单元间的距 离进行了优化，最终得到了良好的扫描效果。
[0014] 本发明利用高次模式工作下的微带天线作为福射单元，通过简单的结构设计及馈 电形式激励起必要的高次模，从而得到宽波束福射效果，并将其二维组阵，实现二维大角度 扫描。具体实验结果表明：相控阵的二维扫描波束主瓣最大指向均可覆盖±30°~±60%扫 描波束增益平坦度被控制在3dBW内，整个二维扫描3dB波束覆盖范围可覆盖±15°~± 90。。
【附图说明】
[0015] 图1为本发明宽波束覆盖微带天线结构图；
[0016] 图2为本发明大角度扫描相控阵天线结构图；
[0017] 图3为本发明宽波束覆盖微带天线的仿真回波损耗；
[0018] 图4为本发明宽波束覆盖微带天线的方向图；
[0019] 图5为本发明大角度扫描相控阵天线的XOZ面扫描方向图。
[0020] 图6为本发明大角度扫描相控阵天线的YOZ面扫描方向图。
[0021] 图中：1.福射贴片，2.介质基板，3.金属接地板，4.同轴馈电端口，5.微带馈线。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述。
[0023] 该相控阵天线工作的中屯、频率为5.8G化，相控阵天线单元结构如图1(a)、（b)，包 括介质基板2,福射贴片1，微带馈线5,与介质板面积相等的金属接地板3,及同轴馈电端口 4。
[0024] 如图1(a)所示，所述福射贴片为中屯、开槽的正方形贴片，尺寸为边长wo = 17.2mm， 凹槽边长WS = 5.2mm。介质基板采用介电常数为4.4,厚度为1mm的FR4材质，其边长W = 50mm， 金属地板与介质板贴合，大小相同。微带馈线5为中屯、对称的渐变式微带馈线，设置于福射 贴片凹槽内，其中屯、为馈电点，连接同轴线内导体对贴片进行馈电，其具体尺寸是中屯、线宽 0.8mm，特性阻抗50欧，最细处宽Q. 32mm，两端位置线宽Q. 27mm，特性阻抗100欧。
[0025]将单元进行合理排布之后，设计了如图2所示的4X4结构的二维大角度扫描相控 阵天线，相邻单元的中屯、间距是25mm。
[00%]利用CST Microwave Studio对该相控阵天线单元进行建模仿真，其仿真回波损耗 如图3所示，图中标示出了-10地基准线。从图中可W看出，该天线工作在5.8G化，回波损耗 为-35地，在5.77~5.83G化频带范围内，相控阵天线的回波损耗均小于-10地。
[0027] 图4给出了宽波束天线在XOZ面和YOZ面的福射方向图。其福射是一个圆环状，在 XOZ和YOZ面上其3地波束宽度均为± 35°~±90°。
[0028] 图5和图6分别给出了相控阵天线在XOZ面和YOZ面内的扫描方向图。表1和表2分别 详细地列出了 XOZ面和YOZ面扫描方向图相关数据。从表中可W看出，本发明相控阵天线在 XOZ面联合3地波束宽度范围覆盖±15°~±85°，Y0Z面联合3地波束覆盖范围覆盖±15°~ ±90。。
[0029] 表1XOZ面福射方向图增益性能
[0031]表2Y0Z面福射方向图增益性能
【主权项】
1. 一种二维宽波束天线单元，包括介质基板、设于基板正面的辐射贴片及微带馈线、设 于基板背面的金属接地板，其特征在于:所述辐射贴片为正方形，其中心与基板中心重合， 辐射贴片中心开有正方形凹槽； 所述微带馈线为设置于辐射贴片凹槽内的渐变式微带馈线，其中心位置为馈电点，两 末端分别与凹槽的一对角相连； 所述天线单元通过同轴线馈电，同轴线内导体穿过基板与馈电点相连，外导体与接地 板相连。2. 如权利要求1所述的一种二维宽波束天线单元，其特征在于:所述金属接地板的尺寸 和基板的尺寸相同。3. 如权利要求1所述的一种二维宽波束天线单元，其特征在于:所述天线单元等间距排 列组成二维宽波束阵列天线。
【专利摘要】本发明公开了一种二维大角度扫描平面相控阵天线，属于天线技术领域。该相控阵天线单元包括介质基板、设于基板正面的辐射贴片及微带馈线、设于基板背面的接地板。本发明对辐射贴片进行开槽设计，不仅为馈电网络提供了放置空间，还缩小了天线尺寸；采用同轴背馈的方式，并将信号分为两路对辐射贴片进行等幅同相馈电，以此激励起天线的TM11模，使天线的辐射方向图具有宽波束的特性，从而使相控阵天线具有大角度扫描的能力；同时为了达到良好的匹配效果，在辐射贴片内部的馈电网络以渐变式微带线的形式进行设计。最后，将天线单元等间距排列成面阵结构，由于单元本身的波束覆盖角度较大，将其合理布阵之后可实现二维大角度波束扫描。
【IPC分类】H01Q1/38, H01Q1/50, H01Q21/06
【公开号】CN105552538
【申请号】CN201510955721
【发明人】丁霄, 裴赢洲, 邵维, 王秉中
【申请人】电子科技大学
【公开日】2016年5月4日
【申请日】2015年12月17日