[go: up one dir, main page]

CN117977197A - 一种超宽带超宽角扫描的低剖面相控阵天线 - Google Patents

一种超宽带超宽角扫描的低剖面相控阵天线 Download PDF

Info

Publication number
CN117977197A
CN117977197A CN202410100597.0A CN202410100597A CN117977197A CN 117977197 A CN117977197 A CN 117977197A CN 202410100597 A CN202410100597 A CN 202410100597A CN 117977197 A CN117977197 A CN 117977197A
Authority
CN
China
Prior art keywords
ultra
antenna
wideband
metal
phased array
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202410100597.0A
Other languages
English (en)
Inventor
程钰间
孙建旭
杨海宁
何宗锐
徐震江
吴亚飞
王洪斌
李廷军
赵明华
樊勇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Electronic Science and Technology of China
Original Assignee
University of Electronic Science and Technology of China
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Electronic Science and Technology of China filed Critical University of Electronic Science and Technology of China
Priority to CN202410100597.0A priority Critical patent/CN117977197A/zh
Publication of CN117977197A publication Critical patent/CN117977197A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q5/00—Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements
    • H01Q5/20—Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements characterised by the operating wavebands
    • H01Q5/25—Ultra-wideband [UWB] systems, e.g. multiple resonance systems; Pulse systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/002—Protection against seismic waves, thermal radiation or other disturbances, e.g. nuclear explosion; Arrangements for improving the power handling capability of an antenna
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/0086—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices having materials with a synthesized negative refractive index, e.g. metamaterials or left-handed materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/30—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array
    • H01Q3/34—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q5/00—Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements
    • H01Q5/50—Feeding or matching arrangements for broad-band or multi-band operation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H01Q9/045—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with particular feeding means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/16—Resonant antennas with feed intermediate between the extremities of the antenna, e.g. centre-fed dipole
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

本发明公开了一种超宽带超宽角扫描的低剖面相控阵天线，属于天线工程技术领域。该天线单元包括从上至下设置的电磁超表面、纵向介质板、横向金属地板以及标SMA连接器；其中，纵向介质板的正面设置有馈线、扇形开路贴片、矩形耦合金属片，背面设置有金属地、偶极子辐射体。本发明通过在各天线单元的偶极子臂末端加载L形匹配枝节，以及在相邻天线单元的偶极子之间设置矩形金属连接贴片，改善了天线的阻抗匹配，提高了天的线工作带宽；再结合电磁超表面，能够实现超宽带紧耦合天线在较低工作频带内的全方位大角度扫描，且具有剖面低、结构简单、重量轻、机械强度好等优点。

Description

一种超宽带超宽角扫描的低剖面相控阵天线
技术领域
本发明属于天线工程技术领域，具体为一种超宽带超宽角扫描的低剖面相控阵天线。
背景技术
在军事雷达及卫星通信中，常常需要实现目标跟踪及跟踪对象快速切换，这就要求天线的波束指向可以快速更变并可以覆盖很大的空间区域。传统的军事雷达采用机械扫描天线，通过电机或者机械装置带动阵列天线使其最大波束指向跟随目标移动。这种实现方式具有体积大、笨重、控制结构复杂等缺点。为了满足快速目标跟踪和灵活的波束覆盖区域切换提出了相控阵的概念，即通过控制每个阵列天线单元的激励相位，来迅速调整阵列天线方向图最大波束指向。有源相控阵不仅具有扫描速度快、稳定性高和波束指向精准的优点，还可以实现波束赋形和多波束扫描，提供了显著的系统优势。因此，相控阵技术近年来受到军方和工业界的高度重视，正在成为机载、地面和空间应用中雷达和通信系统的首选方法。
如今日益发展的电子系统要求相控阵天线的带宽越来越宽、扫描角度越来越大。虽然宽带平面阵列天线已经实现了±60°扫描范围，但是不能满足现代电子系统的需求。不仅如此，为节约载体有限的空间和载荷、减小气动阻力和雷达散射截面(Radar CrossSection，RCS)，往往希望相控阵天线在实现超宽带性能的同时具有较低的剖面高度和较轻的重量。
综上所述，研究同时具备超宽带、大角度扫描、低剖面、低成本特性的相控阵天线具有非常重要的意义，本发明正是针对这些关键问题而提出。
发明内容
本发明目的在于提供一种超宽带超宽角扫描的低剖面相控阵天线，以解决超宽带、大角度扫描、低剖面、低成本特性的技术问题。本发明通过在各天线单元的偶极子臂末端加载L形匹配枝节，以及在相邻天线单元的偶极子之间设置矩形金属连接贴片，改善了天线的阻抗匹配，提高了天的线工作带宽；再结合电磁超表面，能够实现超宽带紧耦合天线在较低工作频带内的全方位大角度扫描，且具有剖面低、结构简单、重量轻、机械强度好等优点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种超宽带超宽角扫描的低剖面相控阵天线，由若干天线单元周期排列构成；所述天线单元，包括从上至下依次设置的横向介质板、纵向介质板、横向金属地板以及标准SMA连接器。
所述横向介质板的上表面设置有周期排布的金属贴片单元，构成电磁超表面。
所述纵向介质板的正面设置有第一金属层，背面设置有第二金属层。
所述横向金属地板上设置有通孔。
所述标准SMA连接器的内导体穿过通孔连接设置于所述纵向介质板正面的渐变微带馈线。
所述第一金属层，包括渐变微带馈线、扇形开路贴片、两个矩形耦合金属片；所述渐变微带馈线的一端连接SMA连接器的内导体，另一端连接扇形开路贴片；所述扇形开路贴片将能量耦合至所述第二金属层设置的渐变槽线中；两个所述矩形耦合金属片在第二金属层的投影分别位于两个偶极子臂的末端，且相邻天线单元的矩形耦合金属片相互连接。
所述第二金属层为左右镜像对称结构，包括金属地、偶极子辐射体；所述金属地中部设置有圆形槽，相邻天线单元的金属地相互连接；所述偶极子辐射体由两个偶极子臂构成，两个偶极子臂之间构成渐变槽线；所述渐变槽线与圆形槽连通，用于传输能量；所述偶极子臂起始端的外侧边界线为渐变形式，使得偶极子臂起始端构成渐变过渡结构，且相邻天线单元的偶极子臂之间设置有线性缝隙；所述线性缝隙内设置有连接相邻两偶极子臂的金属连接贴片。
进一步地，所述偶极子臂的上端还加载有L形匹配枝节。
进一步地，所述金属连接贴片的纵向长度小于线性缝隙的纵向长度。
进一步地，所述扇形开路贴片的圆心位于圆形槽圆心的上方，且两个圆心的间距为R/2～R，R为圆形槽的半径。
进一步地，所述渐变微带馈线为L形渐变微带馈线，由纵向渐变微带线、横向渐变微带线连接构成。
进一步地，所述纵向渐变微带线和所述横向渐变微带线均为阶梯渐变微带线或线性渐变微带线。
进一步地，所述矩形耦合金属片通过金属短路线连接金属地板。
进一步地，所述金属贴片单元呈M1×M2排列，M1的取值范围为7～15，M2的取值范围为7～15。
本发明的有益效果在于：
1.本发明基于Wheeler的无限大电流面原理，通过在天线单元间加载矩形金属连接贴片，改善了天线单元间的电流连续性，从而改善了天线阻抗匹配性能。
2.该相控阵天线通过设置电磁超表面实现了宽角扫描阻抗匹配，相较于传统的介质匹配层，减少了重量剖面和成本。
3.该天线单元通过设置矩形金属连接贴片、L形匹配枝节，能够实现全工作频带内低驻波，全方位角±70扫描°，78％相对带宽，且具有超宽带、超宽角扫描、低剖面、高效率等优点。
附图说明
图1为实施列中超宽带超宽角扫描低剖面相控阵天线阵列的立体图，该图所示的阵列规模为4×4。
图2为实施例中超宽带超宽角扫描低剖面相控阵天线单元的三维结构示意图。
图3为实施例中超宽带超宽角扫描低剖面相控阵天线单元的纵向介质板的结构示意图，其中(a)为正面视图，(b)为背面视图。
图4为实施例中超宽带超宽角扫描低剖面相控阵天线中两个相邻纵向介质板的正面结构示意图。
图5为实施例中超宽带超宽角扫描低剖面相控阵天线中两个相邻纵向介质板的背面结构示意图。
图6为实施例中超宽带超宽角扫描低剖面相控阵天线单元中电磁超表面的俯视图。
图7为实施例中超宽带超宽角扫描低剖面相控阵天线单元的有源驻波仿真结果图。
附图标记说明：1.横向介质板，2.纵向介质板，3.横向金属地板，4.标准SM A连接器的内导体，11.矩形金属贴片单元，211.L形渐变微带馈线，212.扇形开路贴片，213.矩形耦合金属片，214.金属短路线，221.矩形金属地，222.圆形槽，223.偶极子辐射体，224.L形匹配枝节，225.线性缝隙，226.矩形金属连接贴片，227.渐变过渡结构，228.渐变槽线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合说明书附图，对本实施例中的技术方案进行详细描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例提供了一种工作于P波段(0.23～1GHz)和L波段(1～2GHz)的超宽带超宽角扫描的低剖面相控阵天线，如图1所示，阵列规模为4×4；天线单元如图2所示，包括从上至下依次设置的厚度为10mm的横向介质板、厚度为2.5mm的纵向介质板、厚度为6mm的横向金属地板以及标准SMA连接器；整体尺寸为84mm(长)×84mm(宽)×89mm(高)。
如图6所示，所述横向介质板的上表面设置有15×15周期排布的矩形金属贴片单元，矩形金属贴片单元的尺寸为4.4mm×4.8mm、周期为5.6mm×5.6mm，构成具有改善宽角扫描性能的电磁超表面。
所述纵向介质板的长为81.2mm、宽为84mm，其正面设置有第一金属层，背面设置有第二金属层。
所述横向金属地板上设置有圆形通孔。
所述标准SMA连接器的内导体穿过通孔连接设置于纵向介质板正面的渐变微带馈线。
所述第一金属层，如图3、图4所示，包括L形渐变微带馈线、扇形开路贴片、两个矩形耦合金属片、金属短路线；其中，所述L形渐变微带馈线由纵向阶梯渐变微带线、横向阶梯渐变微带线构成，L形渐变微带馈线的一端连接SM A连接器的内导体，另一端连接扇形开路贴片的圆心；所述扇形开路贴片的半径为11.5mm、圆心角为95°，用于将能量耦合至所述第二金属层的渐变槽线中；两个所述矩形耦合金属片在第二金属层的投影分别位于两个偶极子臂的末端，相邻天线单元中的矩形耦合金属片相互连接，并通过金属短路线连接金属地板，矩形耦合金属片的长l1为20.5mm，宽w1为6.9mm。
所述第二金属层为左右镜像对称结构，如图3、图5所示，包括矩形金属地、偶极子辐射体；所述矩形金属地中部设置有圆形槽，相邻天线单元的矩形金属地相互连接；所述偶极子辐射体由两个偶极子臂构成，两个偶极子臂之间构成渐变槽线；所述渐变槽线与圆形槽连通，用于传输能量；所述偶极子臂的上端还加载有L形匹配枝节；所述偶极子臂起始端的外侧边界线为线性渐变形式，相邻单元偶极子臂起始端的外侧构成倒梯形槽，同时使得偶极子臂起始端构成渐变过渡结构，且相邻天线单元的偶极子臂之间设置有线性缝隙；所述线性缝隙内设置有连接相邻两偶极子臂的矩形金属连接贴片。如图3、图5所示，L形匹配枝节的尺寸为w2＝15.1mm、l2＝11.9mm、w3＝33.9mm、l3＝1.9mm；圆形槽的半径为13.5mm；偶极子辐射体中，l4＝29.2mm，渐变槽线下端宽度为w4＝2.4mm，上端宽度为w5＝39mm；倒梯形槽的尺寸为w6＝44.7mm、w7＝37.5mm、l5＝11.3mm。
L形渐变微带馈线与圆形槽组成的微带转槽线巴伦结构具备平衡馈电效果，能够抑制带内共模谐振的产生，同时提高天线单元在全工作频带内的阻抗匹配，提升辐射效率。
图7为超宽带超宽角扫描低剖面相控阵天线单元的有源驻波仿真结果图，由图可见，该天线单元具备78％的阻抗带宽和E面、H面±70°波束扫描能力，并且工作频段内全方位面±70°扫描有源驻波都小于2.5，反射损耗小，效率高；剖面高度仅89mm(0.22λLow，λLow为低频波长)，具有低剖面的物理结构。该天线单元具备超宽带、超宽角扫描、低剖面、高效率等良好性能。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (5)

1.一种超宽带超宽角扫描的低剖面相控阵天线，由若干天线单元周期排列构成；其特征在于，所述天线单元，包括从上至下依次设置的横向介质板、纵向介质板、横向金属地板以及标SMA连接器；
所述横向介质板的上表面设置有周期排布的金属贴片单元，构成电磁超表面；
所述纵向介质板的正面设置有第一金属层，背面设置有第二金属层；
所述第一金属层，包括L形微带馈线、扇形开路贴片、两个矩形耦合金属片；所述L形微带馈线的一端连接SMA连接器，另一端连接扇形开路贴片；所述扇形开路贴片将能量耦合至背面的渐变槽线中；
所述第二金属层为左右镜像对称结构，包括金属地部分、偶极子部分；所述金属地部分设置有圆形槽，相邻天线单元中的金属地部分相互连接；所述偶极子部分由两个偶极子臂以及位于两个偶极子臂之间的渐变槽线构成；所述偶极子臂起始端的外侧边界线为渐变形式，使得偶极子臂起始端构成渐变过渡结构，且相邻天线单元的偶极子臂之间设置有线性缝隙；所述线性缝隙内设置有连接两侧偶极子臂的矩形金属连接贴片。
2.如权利要求1所述的一种超宽带超宽角扫描的低剖面相控阵天线，其特征在于，所述偶极子臂的上端还加载有L形匹配枝节。
3.如权利要求1或2所述的一种超宽带超宽角扫描的低剖面相控阵天线，其特征在于，所述扇形开路贴片在第二金属层的投影至少部分与圆形槽不重合。
4.如权利要求3所述的一种超宽带超宽角扫描的低剖面相控阵天线，其特征在于，所述L形微带馈线由纵向渐变微带线、横向渐变微带线连接构成。
5.如权利要求4所述的一种超宽带超宽角扫描的低剖面相控阵天线，其特征在于，一种超宽带超宽角扫描的低剖面相控阵天线，所述金属贴片单元呈M1×M2排列，M1的取值范围为7～15，M2的取值范围为7～15。
CN202410100597.0A 2024-01-24 2024-01-24 一种超宽带超宽角扫描的低剖面相控阵天线 Pending CN117977197A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202410100597.0A CN117977197A (zh) 2024-01-24 2024-01-24 一种超宽带超宽角扫描的低剖面相控阵天线

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202410100597.0A CN117977197A (zh) 2024-01-24 2024-01-24 一种超宽带超宽角扫描的低剖面相控阵天线

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN117977197A true CN117977197A (zh) 2024-05-03

Family

ID=90845206

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202410100597.0A Pending CN117977197A (zh) 2024-01-24 2024-01-24 一种超宽带超宽角扫描的低剖面相控阵天线

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN117977197A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN120545687A (zh) * 2025-07-25 2025-08-26 深圳大学 一种宽角扫描相控阵天线

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN120545687A (zh) * 2025-07-25 2025-08-26 深圳大学 一种宽角扫描相控阵天线
CN120545687B (zh) * 2025-07-25 2025-09-30 深圳大学 一种宽角扫描相控阵天线

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110323575B (zh) 电磁超材料加载的双极化强耦合超宽带相控阵天线
CN115084872B (zh) 一种超宽带宽扫描角紧耦合相控阵天线
CN107086369B (zh) 一种基于强互耦效应的低rcs宽带宽角扫描相控阵天线
CN107369895B (zh) 一种定向高增益微带天线
CN114744409B (zh) 一种阻性材料加载的十倍频程双极化强耦合相控阵天线
CN110718752B (zh) 一种基于收发结构形式的超宽带强耦合透镜天线
CN114156627B (zh) 一种超宽带低剖面低散射曲面相控阵天线
CN112072294A (zh) 一种宽带低剖面高隔离度双圆极化二维宽角扫描稀疏阵列
CN113690636B (zh) 基于超表面的毫米波宽角扫描相控阵天线
CN112117532A (zh) 基于微带天线的紧凑型低耦合三极化回溯阵及三极化mimo天线单元
CN116565557A (zh) 一种宽角扫描超宽带双极化相控阵天线
US20230369760A1 (en) Multi-band, shared-aperture, circularly polarized phased array antenna
CN114069257A (zh) 一种基于强耦合偶极子的超宽带双极化相控阵天线
CN112670704A (zh) 一种斜45°极化辐射宽带瓦片式相控阵天线
CN108539435A (zh) 基于开槽天线及频率选择表面的宽带宽角扫描相控阵天线
CN207353459U (zh) 天线单元及天线阵列
CN116780208B (zh) 一种具有低散射副瓣和优良辐射特性的相控阵天线
CN106785479A (zh) 一种基于平面单极子天线的宽波瓣毫米波微带天线
CN110165406A (zh) 一种方向图可重构天线单元及相控阵
CN115207613B (zh) 一种宽带双极化天线单元及天线阵列
CN117977197A (zh) 一种超宽带超宽角扫描的低剖面相控阵天线
CN119050642B (zh) 铁氧体加载的大曲率机翼共形强耦合超宽带一维相控阵天线
CN114094353A (zh) 一种超宽带紧耦合阵列天线
CN107732440B (zh) 超宽带高增益波束上仰全向天线
CN116526134A (zh) 一种宽波束差分馈电交指梳状阵列天线

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination