[实用新型]天线单元、阵列天线及相控阵雷达

说明书

本申请公开了一种天线单元以及配置这种天线单元的阵列天线，所述天线单元中连接有能够主动消耗吸收该天线单元中射频功率、以降低该天线单元的Q值的主动损耗性电阻。优选地，还包括与所述主动损耗性电阻导热连接、以对所述主动损耗性电阻作降温处理的低温设备。本申请可有效降低阵列天线各天线单元间的耦合。

技术领域

本申请设于阵列天线技术领域，具体涉及一种天线单元以及配置有这种天线单元的阵列天线，适用于相控阵天线、相控阵雷达及磁共振射频阵列线圈等领域。

背景技术

天线是接收和辐射空间电磁波的一种必要的能量转化装置，是电路与空间电磁波能量的界面器件，在现代通信中的应用非常广泛。在一般情况下，由单个天线就可以完成发射和接收电磁波的任务。但随着需求不断发展，在很多应用场合中，往往必须借助多个天线，使其按照一定的规律排列并且最终连接在一起构成天线阵列，见图1，每个单个的天线即为一个天线单元。阵列天线可以被定义为：一类由不少于两个天线单元规则或随机排列并通过适当调整每个单元的功率幅度和相位以获得预定特性的天线组合。决定阵列天线特性的主要参数有五个：即单元个数、单元位置、单元本身的辐射特性、每个单元的幅度加权和相位加权。

在最初的阵列天线研究工作中，人们往往假定天线单元都是在理想的状态下，各自孤立、相互之间不干扰的工作，然而在实际的天线阵系统中，如图1所示，天线单元间能量的相互耦合是一种不可避免的现象，特别是当单元间距离比较近的时候，各单元之间的相互耦合都已经很强了，各单元之间通过各自辐射或接收的电磁场相互作用，发生了电磁耦合效应，致使各单元的幅度及相位发生很大的变化，影响了各天线单元的幅相特性和反射系数，并最终影响了天线阵列的总体性能，比如发射时候的增益减小，接收时候信噪比的降低。因此， 如何降低天线阵列单元间的互耦一直是天线设计领域中的热点和难点问题。鉴于耦合带来的不良影响，研究人员在硬件上设计了各种减小耦合的方法和电路，比如电磁带隙、缺陷地、短路柱等等，以及可以利用低耗或无耗的高Q电抗元件来设计一系列的去耦网络。但无论何种方法，总有其局限性和优缺点，并没有完全通用的完美去耦方法。

以往工程研究人员在硬件提出天线单元间的去耦方案，往往基于天线单元辐射电磁场的分析方法和结果。本发明基于天线等效电路的分析方法，提出了一种新的单元间去耦方法及改善方案。

无论何种天线结构，在电路上均可以等效为一个谐振回路和一个匹配电路网络的组成。天线单元的原理可等效为电路如图2所示，包括谐振回路和匹配网络。其中X₁和X₂是等效的电抗元件(电感或电容)；R_Radiation是天线的等效辐射电阻，R_Conductor是天线导体本身的损耗电阻；另外还需要一个匹配网络，将X₂端口的天线阻抗Z_Antenna变换为传输线匹配(特征)阻抗Z_Match，以满足接收时前置低噪声放大器的噪声匹配或者发射时候的功率传输匹配。

需要指出的是，图2中的R_Radiation和R_Conductor并不是加在天线上的实体电阻，而是在电路分析时为了更直观简单的原因，而添加到等效电路中的。传统上，在天线设计的时候，为了尽可能提高发射时候的效率或者接收时候的信噪比，R_Radiation和R_Conductor，特别是R_Conductor的影响需要尽可能的避免和减少，一般都采用高导电率的良导体。此外X₁一般为电感(以下用电感符号L_Antenna表示)，X₂位于天线的馈入端，一般为电容(以下用电容符号C_P表示)。还有，每个天线都需要加入一个激励源或终端负载，用Terminator表示，为终端阻抗，一般为匹配的特性阻抗(此处采用一个比较常用特性阻抗值50ohm来表示，因此图2可再 次等效为图3。