[发明专利]一种改进型强互耦超宽带二维波束扫描相控阵天线

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术、雷达技术领域，它特别涉及超宽带相控阵二维扫描天线系统。

背景技术

作为发射和接收电磁能量的关键设备，天线系统被广泛应用在移动通信、卫星及军事等领域。具有宽频宽角扫描特性的相控阵天线是现代雷达系统中常用的天线形式，其主要特点即具有快速的波束扫描能力。随着空间技术的发展，其要求雷达在更远的距离上发现和跟踪目标，因此各种军事电子系统对相控阵的宽频带宽角扫描特性提出了更高的要求。传统的相控阵因其阵元间的互耦、馈电结构及馈电网络的误差等因素所以在拓展频带以及宽角扫描上有一定的局限性。近年来，一种基于新物理机理的天线在这种情况下被提出来，并且特别适合用作宽带相控阵天线，这便是基于强互耦效应的相控阵天线。这种思想最初是由B.Munk在美国专利号为6512487的专利中提出的“宽带相控阵及相关技术”(Wideband Phased Array Antenna and Associated Methods)。B.Munk提出的该类型的相控阵单元具有平面化、极宽工作带宽的特性。其提出的天线单元是平面偶极子的变形，即通过在偶极子末端交趾连接使相邻偶极子间引入较强的电容分量，来补偿紧密排列的偶极子相邻单元间固有的电感分量，这样当相控阵天线工作频率发生变化时，天线单元的输入阻抗以及辐射特性随着频率的变化较缓慢，从而展现出极宽的频带特性。

然而，此种思想的相控阵也有一些自身的不足之处：(1)利用此强耦合思想的超宽带相控阵一般都需要使用额外两层以上的介质板材放在天线阵列的上端，目的是当天线阵列进行扫描时能消除电纳的变化，从而实现宽角波束扫描。但是这样做不仅会增大天线的整体高度，更甚者所需的介质板材不一定能获取，可见比较繁琐且过程中会造成比较大的误差；(2)一维相位扫描雷达一般采用窄波束在仰角上进行相位扫描，而在方位上进行机械扫描，众所周知，机械扫描有诸多缺点，会带来其波束指向转换的惯性及雷达性能的变化等问题。因此现在相控阵雷达的发展趋势之一是采用具有二维波束扫描能力的相控阵天线，即能在方位和仰角两个方向上均能进行相控扫描。而该类天线一般都是只能达到宽带一维波束扫描，用于宽频带二维宽角波束扫描时其具有一定的局限性。这种强电容耦合的偶极子天线单元因其只是在沿着偶极子臂的方向上加强了耦合，所以一般只能达到一维宽角扫描，可见该强电容耦合的偶极子相控阵单元形式有待改进。(3)为 了实现二维扫描可能会用该形式的两个偶极子正交排列构成一个单元，进而组成平面阵列来实现二维扫描，这种方式的一个例子在名称为“相控阵天线上的多层电容耦合”的中国200380104960.2号专利申请中公开。虽然这样可以达到二维宽角波束扫描，但是其一个单元中会有两个馈电端口，这无疑会增大设计、加工制造与馈电网络实现的难度，且这种栅格形式的偶极子比较复杂，用更复杂的结构更易出现不可控的天线性能恶化，例如出现共模谐振、表面波等现象。

由上可知，基于强互耦效应的相控阵一般结构很难同时解决以上问题。因此在实际工程应用中，急需一种简单易行的方案来实现宽频带二维宽角扫描。本发明正是针对该需求而提出。

发明内容

鉴于以上技术背景，为了解决以上呈现的种种问题，尤其是相控阵阵列扫描时其阻抗随着扫描角度的变化而改变的问题，本发明提出了一种不需要使用宽角阻抗匹配层及正交排列的偶极子阵又易于实现宽带二维宽角扫描的超宽带相控阵天线。

本发明中天线单元的工作原理是基于以上提到的B.Munk等人提出的强互耦效应思想，是Wheeler理想阵列天线的变形，但它可以解决以上背景技术中提到的各项技术难题。本发明中采用如下技术方案：使用基于强互耦效应的交趾偶极子作为其中一个贴片单元，在一个方向上构成连续电流面，同时拉宽偶极子的交趾，形成沿纵向的电流，并采取措施在另一个方向增加单元间的耦合。另外为了消除表面波，在介质基片上对称位置处开了两个长方形的槽口。所以本发明提出的超宽带相控阵天线结构包括交趾偶极子、和U型结构贴片、承载印刷贴片的介质层(厚度为0.5mm，相对介电常数ε_r＝3.62)、在偶极子端口进行馈电的非平衡馈电结构。印刷偶极子和U型环放置在介质层的中间，印刷辐射贴片所在的介质层放置在距离反射地板上方约四分之一波长处，地板与该介质层直接由泡沫聚苯乙烯材料填充，起到支撑上层结构的作用。