[发明专利]一种圆极化缝隙天线单元及其相控阵

说明书

本发明公开了一种基于圆极化二维大角度扫描相控阵，属于天线技术领域。本发明采用平面微带结构设计宽波束圆极化天线单元，天线单元包括介质基板、设于基板正面的馈电网络、设于基板背面的方环形辐射缝隙、以及设于基板正下方的金属反射板。将天线单元进行恰当的排列组成相控阵天线，最后通过控制各个单元的馈电相位，实现了相控阵天线的二维大角度扫描功能，且具有圆极化特性。

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别涉及一种应用于车载、机载、舰载和星载雷达系统等多方面的相控阵天线。

背景技术

相控阵天线是随着雷达系统发展而诞生的产物。早期雷达系统是通过机械旋转的方式来获得较大的扫描区域，而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，从而覆盖较大的扫描区域。将其应用于雷达系统便可以大大提高系统扫描速度，为制导、探测、搜索、识别、捕获和跟踪提供了及时的信息，这对于雷达系统的发展而言起到了至关重要的作用。相控阵天线的应用领域主要集中体现在国防军事领域。在陆基系统中，有地面预警相控阵雷达、防空导弹系统、卫星跟踪相控阵雷达天线等等；在空基系统中，有战斗机机载火控雷达，有最新的保形“智能蒙皮”天线等；在海基系统中，为了有效地解决水面航母、舰艇编队在复杂电磁干扰环境下抗击空中、海上、海下多方向、多批次饱和攻击的威胁，大量的相控阵雷达被用于各类型舰艇上；在太空探索中，最具代表性的就是星载相控阵雷达。此外，随着商业用途的拓展，出现了用于预报气象、海啸、灾后搜索存活生命的相控阵天线。

在集成化、轻量化发展趋势的驱动之下，具有易于集成、重量轻等独特优势的微带天线成为雷达天线很好的选择。此外，相比于线极化天线，圆极化天线可以接收任意极化方式的电磁波，能满足使用者收发位置的随意性。因此可见宽角度圆极化天线及其阵列在军事领域雷达系统中有巨大的应用潜力。

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，丁霄)，文章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耦合馈电的方式，具体结构为五层，包括贴片层、上层介质板、地板层、下层介质板、馈电网络层，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。然后在此基础上设计了一个1×4单元的宽角度线极化扫描直线阵列。通过控制相控阵单元方向图及各个单元的馈电相位，该相控阵能实现从-80°到+80°范围内的一维大角度波束扫描。但其只进行了一维的波束扫描，并未拓展到二维层面上，而且由于微带天线本身的特性，使得普通的微带相控阵扫描角度很窄，且此相控阵为线极化辐射，导致其应用受到很大的限制。

文献“A Wide Band,Dual Polarized Patch Antenna for Wide Angle ScanningPhased Arrays (Doganay Dogan,2013-4-12)”将相控阵的扫描范围扩展到二维面上，但其工作需要由双端口控制才能实现水平极化和垂直极化两种工作方式，并且天线结构较为复杂、控制不便。

文献“A Broad Beam-width Microstrip Cross Antenna Design for Wide ScanAngle Phased Array(Zhao Wang；Dongmei Dan；Shaoqiu Xiao；Mingchun Tang.IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series on RF and Wireless Technologies forBiomedical and Healthcare Applications,2013-8-13)”对二维大角度扫描相控阵做了改进，使其能够辐射圆极化波，但每个单元需要由两个端口进行控制，降低了相控阵整体的灵敏度。

因此，如何将相控阵一维大角度扫描拓展到二维大角度扫描，且覆盖面广，是相控阵天线中一个极富挑战性的课题。此外，天线圆极化特性的实现也极为重要。

发明内容