阅读说明：本技术 一种60°斜极化超宽带低剖面阵列天线单元 (60-degree oblique polarization ultra-wideband low-profile array antenna unit ) 是由 崔满堂 温亚庆 周雷 杨康 陈文俊 于 2021-07-02 设计创作，主要内容包括：本发明属于雷达天线领域,提出了一种60°斜极化超宽带低剖面阵列天线单元,具体涉及一种正六边形平面叠层天线单元,主要包括金属反射板、介质层与辐射层,其中辐射层表面刻蚀三个旋转对称的飞镖状辐射臂。通过正三角栅格排布,阵中单元辐射臂与90°方向和斜30°方向相邻单元的辐射臂紧容性连接形成紧耦合模式,利用这两个方向上辐射电流合成等效实现60°斜极化,避免60°方向上单元直连带来的带宽受限问题,实现了60°斜极化阵列的超宽带和低剖面特性。类似的,本发明天线单元通过合理旋转和阵列布局,还可以实现-60°、±30°斜极化超宽带低剖面阵列。本天线单元适用于对垂直极化和水平极化增益有特殊需求的斜极化超宽带低剖面阵列天线。(The invention belongs to the field of radar antennas, provides a 60-degree oblique polarization ultra-wideband low-profile array antenna unit, and particularly relates to a regular-hexagon planar laminated antenna unit which mainly comprises a metal reflecting plate, a dielectric layer and a radiation layer, wherein three dart-shaped radiation arms which are rotationally symmetric are etched on the surface of the radiation layer. Through regular triangular grid arrangement, the radiation arms of the unit in the array are closely and capacitively connected with the radiation arms of the adjacent units in the 90-degree direction and the oblique 30-degree direction to form a tight coupling mode, the 60-degree oblique polarization is realized by utilizing the radiation current synthesis equivalence in the two directions, the problem of bandwidth limitation caused by direct connection of the units in the 60-degree direction is avoided, and the ultra-wideband and low-profile characteristics of the 60-degree oblique polarization array are realized. Similarly, the antenna unit can realize-60 DEG and +/-30 DEG obliquely polarized ultra-wideband low-profile array through reasonable rotation and array layout. The antenna unit is suitable for the oblique polarization ultra-wideband low-profile array antenna with special requirements on vertical polarization and horizontal polarization gain.)

一种60°斜极化超宽带低剖面阵列天线单元

技术领域

本发明涉及雷达天线领域。

背景技术

目前在相控阵雷达领域，要求面阵具有超宽带和低剖面特性，还需要面阵具有特定的极化形式，例如水平、垂直线极化或椭圆极化等。而在侦测系统中，为了能侦测到水平极化和垂直极化的信号，通常天线要设计成双极化形式。实际为了减小多极化侦测系统的复杂性，往往将天线设计为45°斜极化，这样水平分量和垂直分量都能接收，且极化增益相同，带来的缺点是侦测对方主极化的天线增益下降。如果要求垂直极化增益大于水平极化增益，则需要特殊的偏极化形式，例如偏离水平方向60°斜极化(极化角度以地面为参考系)。

对于60°斜极化超宽带阵列，通常的方案为先设计超宽带的垂直极化阵列，之后在阵面正上方覆盖宽带极化罩，将垂直极化偏转为60°斜极化。由于极化罩的存在，天线整体高度较高，不利于低剖面的实现。另一种设计方案，设计低剖面天线单元并斜60°方向摆放，采用紧耦合原理实现超宽带。由于60°方向上的相邻单元天线需要紧容性连接，会导致天线单元的横向电尺寸过大，单元内部出现自谐振，呈现出独立性，无法实现超宽带特性；如果60°方向上相邻单元松容性连接，该模式下电流的不连续性也会导致带内出现谐振点，不利于实现阵列的超宽带特性。例如，设计一个8*16规模的60°斜极化三倍频宽带阵列，方位面单元间距为高频点对应波长的一半，此时按照矩形栅格布阵，需要单元天线斜60°摆放，由几何关系可以确定单元横向尺寸约方位面间距的2倍，即高频点对应的一个波长，此时紧耦合原理不再适用，带宽受到限制。如果缩短单元天线的横向尺寸，在60°方向上相邻单元无法形成紧容性连接，带内出现谐振点导致无法实现超宽频程。因此，对于60°斜极化的阵列天线，同时实现超宽带和低剖面是一个难题。

发明内容

针对上述问题，本发明设计了一种适用于60°斜极化的超宽带低剖面阵列天线单元，解决了60°斜极化阵列设计中难以同时实现超宽带和低剖面的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种60°斜极化超宽带低剖面阵列天线单元，其中天线单元为正六边形叠层结构，自下往上依次为金属反射板1，第一介质层2，第二介质层3，金属辐射层4，第三介质层5，馈电形式采用双探针馈电结构6；所述金属辐射层4刻蚀在第二介质层3的上表面，双探针馈电结构6垂直贯穿金属反射板1至金属辐射层4；所述金属辐射层4由三个中心旋转对称的飞镖状辐射臂组成，旋转角度为120°，且飞镖状辐射臂一端指向旋转中心，另一端指向正六边形顶点位置。

进一步的，所述金属辐射层4的三个飞镖状辐射臂中，辐射臂4-2与辐射臂4-3在旋转中心附近金属连接，辐射臂4-1与另外两个臂不连接。

进一步的，所述金属辐射层4中，双探针馈电结构6的一根探针与辐射臂4-1接触，另一根探针与辐射臂4-2和辐射臂4-3的连接部分接触。

进一步的，所述正六边结构的第一介质层2，第二介质层3，第三介质层5均以三个非相邻顶点为圆心，在各介质层挖去部分圆柱形孔，既不影响辐射臂的性能，又减小了单元的重量。

进一步的，所述正六边形单元天线以正三角栅格布阵后，相邻三个单元的飞镖状辐射臂在六边形顶点处形成紧耦合模式，并且等效的辐射电流方向为斜60°方向。当然，正六边形单元天线按对称轴旋转后，通过合理布局，还可以实现-60°、±30°斜极化超宽带低剖面阵列。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明解决了60°斜极化阵列难以同时实现超宽带和低剖面的问题。通过正三角栅格排布，阵中单元辐射臂与90°方向和斜30°方向相邻单元的辐射臂紧容性连接形成紧耦合模式，利用这两个方向上辐射电流合成等效实现60°斜极化，避免60°方向上单元直连带来的带宽受限问题，最终实现60°斜极化阵列的超宽带特性。本发明天线单元为平面结构，组阵后具有低剖面的特征。

附图说明

图1为本发明天线单元的结构示意图；

图2为本发明天线单元排列的8x16阵列结构；

图3为本发明天线单元无限大周期边界下端口有源电压驻波比；

图4为本发明天线单元无限大周期边界下远场方向图各极化分量。

附图说明

：1，金属反射板；2，第一介质层；3，第二介质层；4，辐射层；4-1，辐射臂1；4-2，辐射臂2；4-3，辐射臂3；5，第三介质层；6双探针馈电结构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施案例，对本发明作进一步详细说明。

实施例1

参照图1，一种60°斜极化超宽带低剖面阵列天线单元，天线单元为正六边形叠层结构，自下往上依次为金属反射板1，第一介质层2，第二介质层3，金属辐射层4，第三介质层5，馈电形式采用双探针馈电结构6；金属辐射层4由三个中心旋转对称的飞镖状辐射臂组成，且飞镖状辐射臂内端指向旋转中心，外端指向六边形顶点位置且间隔一定距离。飞镖状辐射臂4-2和4-3在馈电结构附近用金属连接在一起，并在与双探针馈电结构的一根探针相接触，飞镖状辐射臂4-1的内端延伸到旋转中心位置，与双探针馈电结构的另一根探针相接触。

参照图2，将图1中天线单元按照正三角栅格排布成8*16的阵列，在三个天线单元的相邻区域，每个单元各有一个飞镖状辐射臂容性连接形成紧耦合模式。可以看出，在斜60°方向上的天线单元并没有直接容性连接，通过与90°方向和斜30°方向上的两个单元进行容性连接，避免60°方向上直接紧容性连接导致的带内谐振问题，有利于超宽带阵列的实现。

该天线单元的横向最大尺寸为0.2λ₀～0.3λ₀(λ₀为最低频点f₀对应的波长)，天线单元总高度小于0.1λ₀。

1、仿真条件和内容

利用商业仿真软件对实施案例1中的单元天线进行仿真。仿真时设置为周期边界条件，仿真结果为无限大阵中单元的有源驻波、阵列主极化以及水平、垂直极化分量的增益。

2、仿真结果分析

参照图3，该仿真结果为周期边界条件下，法向扫描时的有源驻波。可见在f₀～3f₀频段内，有源驻波均小于2.5，在三倍频程带宽内具有较好的阻抗匹配特性；

参照图4，该仿真结果为周期边界条件下，法向时，阵列主极化以及水平、垂直极化分量的增益曲线。可见，在f₀～3f₀频段内，阵列垂直极化增益比水平极化高约4.8dB，满足垂直极化增益大于水平极化增益的要求。

综上，采用本发明设计的单元天线，组阵后在三倍频程带宽内具有较好的传输和辐射特性，且阵列总高度小于低频点对应波长的0.1倍，具有低剖面的结构特性。主极化为60°斜极化，当然，通过合理布局也可以实现-60°、±30°极化形式，满足特殊的偏极化要求。因此，本天线单元适用于对垂直极化和水平极化增益有特殊需求的斜极化超宽带低剖面阵列天线。