阅读说明：本技术 基于电阻环加载的紧耦合超宽带低剖面共形相控阵 (Tightly-coupled ultra-wideband low-profile conformal phased array based on resistance ring loading ) 是由 杨仕文 鲍雨生 杨锋 黄明 朱军 乔文昇 于 2021-07-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了基于电阻环加载的紧耦合超宽带低剖面共形相控阵极其研制方法。通过提出一种增强电容耦合的方法,改进传统的十字交叉型偶极子,在天线辐射贴片与地板之间加载一种由微带线和集总电阻构成的阻性频选表面,拓展天线的工作带宽。应用一种功分器加双巴伦的馈电结构,可以实现更好的匹配,降低天线的剖面高度。整个天线阵列进行了共形化处理,应用轻薄的介质基板,取消了厚重的宽角阻抗匹配层,质量更轻,金属地板呈一定的弧度弯曲,以便安装在工作平台。本发明在f-(L)-8f-(L)频段内可达到45度扫描有源驻波小于3,并且天线的整体高度小于0.53个高频波长。(The invention discloses a tightly-coupled ultra-wideband low-profile conformal phased array based on resistance ring loading and a development method thereof. By providingA method for enhancing capacitive coupling improves a traditional cross dipole, a resistive frequency selection surface formed by microstrip lines and lumped resistors is loaded between an antenna radiation patch and a floor, and the working bandwidth of an antenna is expanded. By applying the feed structure of the power divider and the double balun, better matching can be realized, and the section height of the antenna is reduced. The whole antenna array is subjected to conformal treatment, a light and thin medium substrate is used, a thick and heavy wide-angle impedance matching layer is omitted, the mass is lighter, and the metal floor is bent at a certain radian so as to be mounted on a working platform. The invention is in f L ‑8f L The scanning active standing wave of 45 degrees in the frequency band is less than 3, and the whole height of the antenna is less than 0.53 high-frequency wavelength.)

基于电阻环加载的紧耦合超宽带低剖面共形相控阵

技术领域

本发明属于天线工程技术领域，特别涉及基于电阻环加载的紧耦合超宽带低剖面共形相控阵及其研制方法。

背景技术

相控阵天线相对于传统的机械扫描天线，具有易于波束赋形、任意改变波束指向、易于形成多波束等优点。超宽带(UWB)相控阵在多功能应用中备受关注，它利用多个波束、极化和频带来实现不同的功能。

传统的超宽带天线单元一般都具有比较大的横向或者纵向尺寸，难以实现低剖面、共形化、轻薄化设计等诸多问题。基于以上弊端，近年来出现了一种新型的紧耦合天线，与传统的宽带相控阵不同，紧耦合天线的设计思路是利用单元之间的耦合来拓展天线的带宽。该类型的相控阵天线可以集宽频带、尺寸小、低剖面、易共形等多种优势于一体。专利US6512487提出了基于紧耦合技术的低剖面超宽带相控阵，但仍停留在平面天线阵范畴内，未就紧耦合阵列的共形化提出思路。

2018年，文献“Broadband Antenna Array Aperture Made of Tightly CouplePrinted Dipoles”提出一种基于紧耦合技术的超宽带相控阵。该天线实现了在1.2GHz-6GHz(5：1)的带宽内，扫描到60°角时驻波比小于3。该设计采用了垂直放置的偶极子和厚重的介质匹配层，使得天线的剖面高度和质量增加，不利于拓展到低频。

在专利CN110085975A中，发明人提出了一种基于紧耦合技术的机载低散射超宽带相控阵，实现了0.5-2GHz(4：1)的带宽。该设计采用了磁偶极子作为基本辐射单元，有利于共形，但是难以实现双极化，且天线的剖面较高。在专利号CN 112038753 A中，发明人针对此问题采用了交叉放置的电偶极子实现双极化，但该阵列天线的工作带宽仍有待进一步拓展，难以满足更宽频带需求。

针对存在的上述问题，本发明公开了一种基于电阻环加载的紧耦合超宽带共形相控阵，致力于在带宽拓展、剖面降低、共形化设计等方面取得突破。

发明内容

本发明的目的在于，针对传统的紧耦合超宽带天线工作带宽不够，剖面较高，不利于共形等问题，提出一种通过增强电容耦合的方法，加载一种阻性的频选结构，采用功分器加双巴伦的馈电结构，实现了0.53个高频波长的剖面高度和fL-8fL的带宽，工作方式为双线极化，能够实现了45度角扫描。整个阵列质量轻，易共形，便于安装在工作平台。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

基于电阻环加载的紧耦合超宽带低剖面共形相控阵，该天线阵列包括了轻薄易弯曲的介质基板(100)、印刷在介质基板的十字交叉型偶极子单元(101)、印刷在偶极子和下一层介质基板的三角形(104)和方形寄生贴片(103)、加载于天线辐射单元和金属地板之间的阻性频选表面(200)、连接功分器和偶极子的改进Marchand巴伦(300)、放置于金属地板上的微带功分器(400)以及曲面形状的金属地板(500)。

偶极子层采用用轻薄的双层介质基板，第一层基板上表面印刷改进的三角形状的十字交叉偶极子，紧连着偶极子印刷着类似形状的寄生贴片。第二层基板上印刷由四个小三角形和一个方形组成的耦合寄生贴片。偶极子和寄生贴片紧密连接，金属贴片之间的缝隙和上下层金属贴片之间可以产生足够的电容耦合来抵消低频因为地面短路而产生的电感，从而拓展低频的带宽。

进一步的，天线单元包含两个交叉放置的极化，每个极化放置两个偶极子，分别由一个改进的Marchand巴伦馈电，连接到放置在金属地面上的功分器上，功分器由50欧姆同轴接头馈电。双巴伦馈电的方式可以实现同轴接头50欧姆到偶极子层的阻抗变换。

进一步的，所述加载于天线辐射贴片和金属地板之间的电阻环由环状微带线和集总电阻组成，电阻分别放置在方环状微带线的四条边上，对称的结构提供良好的极化一致性。电阻环层中间开通孔，同时在偶极子基板和金属地面开孔，用尼龙柱进行固定。

进一步的，所述金属地板上设置一系列通孔和安装槽，分别用于安装巴伦、接头、功分器、和固定上层介质基板。地板进行曲面化处理，开螺纹孔以便安装角铝和接头，角铝用来固定巴伦并且保证巴伦垂直于地板。

综上所述，本天线设计具有以下创新：(1)改进了传统的偶极子辐射贴片结构，新型的寄生贴片结构有效增加了电容耦合，拓展了天线的低频带宽。(2)加载一种基于电阻环的阻性频选表面，对称的结构为双线极化提供了一致的吸收特性，改善了天线的宽带匹配。(3)应用功分器加双巴伦的馈电馈电方案，每个单元的每个极化包含两个偶极子，在不增加天线口径和后端TR组件的情况下，有效的使巴伦小型化，降低了天线的剖面。(4)对整个天线阵列进行了共形化处理，根据载体平台的结构对阵列天线进行了曲面化处理，采用轻薄的柔性介质基板，取消了传统厚重的宽角阻抗匹配层，整个天线质量更轻，易于共形。

附图说明

图1为所提供的基于电阻环加载的紧耦合超宽带低剖面共形相控阵单元示意图。其中，101为十字交叉型偶极子辐射贴片和寄生耦合贴片，200为电阻环，300为Marchand巴伦，400为微带单级功分器，500为弯曲地板。

图2和图3为不同角度的整个共形阵列天线的示意图，天线按照图1所述单元1ⅹ14组阵，激励中间的10个单元。

图4为耦合寄生贴片结构。102的形状与偶极子结构相同，印刷在第一层介质基板的正面，与偶极子交叉放置，103为方形的金属贴片，印刷在第二层介质基板的背面，104为三角形金属贴片，印刷在第一层介质基板的背面，寄生贴片之间的缝隙以及上下两层贴片之间可以产生足够的电容耦合，从而改善低频带宽。

图5为电阻环的结构，201为微带线走线，202为集总电阻，203为集总电容。

图6为功分器加双巴伦的馈电结构，302为功分器和巴伦的垂直连接处，303为巴伦和偶极子的垂直连接处，304为带状线巴伦的主体结构，在巴伦的地上开了方孔以便优化阻抗匹配，401为功分器的隔离电阻。

图7为阵列天线垂直极化典型端口的0-45度扫描驻波的测试情况。

图8为阵列天线水平极化典型端口的0-45度扫描驻波的测试情况。

图9为阵列天线在低频fL处扫描方向图的测试情况。

图10为阵列天线在中频4fL处扫描方向图的测试情况。

图11为阵列天线在高频8fL处扫描方向图的测试情况。

具体实施方案

如图1所示，本实施例基于电阻环加载的紧耦合超宽带低剖面共形相控阵，由印刷在双层介质板的十字交叉偶极子和耦合寄生贴片101、极化对称的电阻环结构200、连接功分器与偶极子的Marchand巴伦300、放置于弯曲地板上的微带功分器400、呈一定曲率的金属地板500构成。

所述天线介质基板均采用普通介质基片。辐射贴片层100为双层介质基板压合在一起。馈电巴伦为带状线结构，由双层介质板压合在一起组成。地板采用碳纤材料双面敷铜，微带功分器背面的地需要和地板需要焊接在一起，并且在功分器介质基板和地板上开孔固定。地板上开矩形的巴伦安装槽和固定角铝的螺纹孔，巴伦安装在槽上，并用角铝固定在地板背面以保证垂直。巴伦与功分器的垂直连接处、巴伦与偶极子的电连接处通过焊接保证电连接。天线层、电阻环层和地板开通孔用尼龙柱贯通固定。

图5所示的电阻环结构由微带线和集总元件构成，金属条带印刷在单层普通介质基板上，集总元件通过通过焊接方式安装在微带线上，包括200欧姆的电阻和100pF的电容。

图6所示的功分器和巴伦介质基板均采用普通介质基片，巴伦为带状线结构，巴伦的上下地通过金属化通孔连接，且末端焊接在金属地板上保证接地。功分器焊接在地板上，一分二的方式可以实现同轴接头50欧姆到100欧姆的转换，天线层的阻抗约为90欧姆，因此巴伦带状线结构承担100欧姆到90欧姆的阻抗变化，在不增加巴伦长度的情况下很好的实现了阻抗匹配。

天线的整体剖面高度为0.53个高频波长，包括金属地板的厚度，相邻单元之间的距离为0.5个高频波长。

图7为阵列天线垂直极化在沿组阵方向扫描0°、30°和45°时典型端口的有源驻波比，可以看到在fL-8fL频段内，端口的有源驻波比小于3，实现了良好的匹配性能。

图8为阵列天线水平极化在沿组阵方向扫描0°、30°和45°时典型端口的有源驻波比，可以看到在fL-8fL频段内，端口的有源驻波比小于3，实现了良好的匹配性能。

图9为阵列天线在fL频点处沿组阵方向扫描0°、30°和45°时的主极化和交叉极化增益对比图，方向图波束指向性良好，极化隔离度均在15dB以上。

图10为阵列天线在4fL频点处沿组阵方向扫描0°、30°和45°时的主极化和交叉极化增益对比图，方向图波束指向性良好，极化隔离度均在20dB以上。

图11为阵列天线在8fL频点处沿组阵方向扫描0°、30°和45°时的主极化和交叉极化增益对比图，方向图波束指向性良好，极化隔离度均在20dB以上。不扫描时高频的增益能够达到17dB。

以上所述实施例仅表达了本发明的

具体实施方式

，其描述较为具体和详细，应当理解他们只是以一种示例形式被提出，不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。