一种基于弯曲十字介质谐振天线单元的宽角扫描相控阵
阅读说明：本技术 一种基于弯曲十字介质谐振天线单元的宽角扫描相控阵 (Wide-angle scanning phased array based on bent cross-shaped dielectric resonant antenna unit ) 是由 刘宏梅 张铁林 王雪娇 张红晓 房少军 王钟葆 于 2021-07-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于弯曲十字介质谐振天线单元的宽角扫描相控阵,包括：弯曲十字介质谐振天线、开槽型弯曲金属地板、弯曲介质基板、L型弯曲馈电线和弯曲介质墙；该相控阵能够实现增益波动小的相位扫描,可以满足雷达系统的性能要求,因此该宽角扫描相控阵具有如下优点：整个天线结构的曲率半径相同,可共形在圆柱体等物体表面,具有低剖面的结构特点；通过采用具有高介电常数、低介质损耗的材料制做介质谐振器天线,使天线阵具有无表面波损耗、辐射效率高等特点；在天线单元之间开有截断矩形槽和弯曲介质墙,有效抑制了天线单元间的互耦效应,加大了相控阵天线的扫描角度。(The invention discloses a wide-angle scanning phased array based on a bent cross-shaped dielectric resonant antenna unit, which comprises: the antenna comprises a bent cross dielectric resonant antenna, a slotted bent metal floor, a bent dielectric substrate, an L-shaped bent feeder line and a bent dielectric wall; the phased array can realize phase scanning with small gain fluctuation, and can meet the performance requirement of a radar system, so that the wide-angle scanning phased array has the following advantages: the curvature radius of the whole antenna structure is the same, the antenna structure can be conformal on the surfaces of objects such as a cylinder and the like, and the antenna structure has the structural characteristic of low profile; by adopting the material with high dielectric constant and low dielectric loss to manufacture the dielectric resonator antenna, the antenna array has the characteristics of no surface wave loss, high radiation efficiency and the like; a truncated rectangular groove and a curved dielectric wall are arranged between the antenna units, so that the mutual coupling effect between the antenna units is effectively inhibited, and the scanning angle of the phased array antenna is increased.)
技术领域
本发明涉及相控天线阵领域，尤其涉及一种基于弯曲十字介质谐振天线单元的宽角扫描相控阵。
背景技术
随着雷达技术的不断发展，人们对移动通信系统的性能提出了更高的要求。为了能够实现雷达技术所要求的的定位功能，天线波束能灵活扫描的相控阵体制雷达应运而生，但由于微带天线具有在高频段工作时的金属欧姆损耗大、天线单元间存在较强的互耦效应等缺点，使其应用场合受到了限制。而介质谐振器天线由于其具有无表面波、辐射效率高、形状多变、易于应用于各种场合等特点，在高频段小型化的阵列天线设计方面有着美好前景。现有的宽角扫描相控阵普遍需要对其进行复杂的平面阵列单元设计以及解耦措施设计，不具有简洁性、可设计性等特性，限制了其在雷达系统领域的应用。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于弯曲十字介质谐振天线单元的宽角扫描相控阵，具体方案包括：弯曲十字介质谐振天线、开槽型弯曲金属地板、弯曲介质基板、L型弯曲馈电线和弯曲介质墙；
所述弯曲十字介质谐振天线包括8个大小、间距均相同的弯曲十字介质谐振天线单元，从左到右依次为第一单元、第二单元、第三单元、第四单元、第五单元、第六单元、第七单元和第八单元；
所述开槽型弯曲金属地板固定在弯曲介质基板的上表面，包括8个大小、间距均相同的缝隙耦合槽和9个大小、间距均相同的地板截断矩形槽，其中8个缝隙耦合槽包括从左至右依次排列设置的第一耦合槽、第二耦合槽、第三耦合槽、第四耦合槽、第五耦合槽、第六耦合槽、第七耦合槽和第八耦合槽，所述第一耦合槽位于第一单元正下方，第二耦合槽位于第二单元正下方，第三耦合槽位于第三单元正下方，第四耦合槽位于第四单元正下方，第五耦合槽位于第五单元正下方，第六耦合槽位于第六单元正下方，第七耦合槽位于第七单元正下方，第八耦合槽位于第八单元正下方；所述地板截断矩形槽包括从左至右依次排列设置的第一矩形槽、第二矩形槽、第三矩形槽、第四矩形槽、第五矩形槽、第六矩形槽、第七矩形槽、第八矩形槽和第九矩形槽，所述第一矩形槽位于第一单元左侧，第二矩形槽位于第一单元和第二单元之间，第三矩形槽位于第二单元和第三单元之间，第四矩形槽位于第三单元和第四单元之间，第五矩形槽位于第四单元和第五单元之间，第六矩形槽位于第五单元和第六单元之间，第七矩形槽位于第六单元和第七单元之间，第八矩形槽位于第七单元和第八单元之间，第九矩形槽位于第八单元右侧；
所述L型弯曲馈电线位于弯曲介质基板的下表面并通过缝隙耦合槽激励弯曲十字介质谐振天线。
所述弯曲介质墙包含9个大小、间距均相同的介质墙，从左到右依次为第一介质墙、第二介质墙、第三介质墙、第四介质墙、第五介质墙、第六介质墙、第七介质墙、第八介质墙和第九介质墙；所述第一介质墙位于第一矩形槽的正上方，第二介质墙位于第二矩形槽的正上方，第三介质墙位于第三矩形槽的正上方，第四介质墙位于第四矩形槽的正上方，第五介质墙位于第五矩形槽的正上方，第六介质墙位于第六矩形槽的正上方，第七介质墙位于第七矩形槽的正上方，第八介质墙位于第一矩形槽的正上方，第九介质墙位于第一矩形槽的正上方，所述弯曲介质墙的高度与弯曲十字介质谐振天线的高度相同。
所述弯曲十字介质谐振天线、开槽型弯曲金属地板、弯曲介质基板、L型弯曲馈电线和弯曲介质墙具有相同的曲率半径，所述缝隙耦合槽间距为工作频率对应波长的0.48倍；所述地板截断矩形槽的间距为工作频率对应波长的0.48倍；所述弯曲介质墙的间距为工作频率对应波长0.48倍。
所述弯曲十字介质谐振天线的曲率为0.05；所述弯曲十字介质谐振天线沿着半功率波束较宽的方向依次排列。
通过调整弯曲介质墙的高度降低弯曲十字介质谐振天线各单元间互耦效应。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种基于弯曲十字介质谐振天线单元的宽角扫描相控阵，该相控阵能够实现增益波动小的相位扫描，可以满足雷达系统的性能要求，因此该宽角扫描相控阵具有如下优点：整个天线结构的曲率半径相同，可共形在圆柱体等物体表面，具有低剖面的结构特点；通过采用具有高介电常数、低介质损耗的材料制做介质谐振器天线，使天线阵具有无表面波损耗、辐射效率高等特点；在天线单元之间开有截断矩形槽和弯曲介质墙，有效抑制了天线单元间的互耦效应，加大了相控阵天线的扫描角度；通过多个半功率波束宽度较宽的弯曲十字介质谐振天线单元组合，该天线阵能实现较宽的扫描角度以及较小的增益波动。综上，本发明天线阵结构具有结构简单、低剖面、高扫描角度、低增益波动等特性，非常适用于雷达系统的应用场合。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于弯曲十字介质谐振天线单元的宽角扫描相控阵的结构俯视图。
图2为本发明基于弯曲十字介质谐振天线单元的宽角扫描相控阵的结构侧视图。
图3为本发明基于弯曲十字介质谐振天线单元的宽角扫描相控阵的结构正视图。
图4为本发明基于弯曲十字介质谐振天线单元的宽角扫描相控阵示例的端口匹配曲线图。
图5为本发明基于弯曲十字介质谐振天线单元的宽角扫描相控阵示例的隔离性能曲线。
图6为本发明弯曲十字介质谐振天线示例在中心工作频率5.8GHz及其附近频段的E面(phi＝0度)可实现增益变化图。
图7为本发明弯曲十字介质谐振天线示例在中心工作频率5.8GHz处的E面(phi＝0度)角度扫描可实现增益图。
图中：1.弯曲十字介质谐振天线，11、第一单元，12、第二单元，13、第三单元，14、第四单元，15、第五单元，16、第六单元，17、第七单元，18、第八单元，2、开槽型弯曲金属地板，211、第一耦合槽，212、第二耦合槽，213、第三耦合槽，214、第四耦合槽，215、第五耦合槽，216、第六耦合槽，217、第七耦合槽，218、第八耦合槽，221、第一矩形槽，222、第二矩形槽，223、第三矩形槽，224、第四矩形槽，225、第五矩形槽，226、第六矩形槽，227、第七矩形槽，228、第八矩形槽，229、第九矩形槽，3、弯曲介质基板，4、L型弯曲馈电线，41、第一馈电线，42、第二馈电线，43、第三馈电线，44、第四馈电线，45、第五馈电线，46、第六馈电线，47、第七馈电线，48、第八馈电线，5、弯曲介质墙，51、第一介质墙，52、第二介质墙，53、第三介质墙，54、第四介质墙，55、第五介质墙，56、第六介质墙，57、第七介质墙，58、第八介质墙，59、第九介质墙。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
如图1所示的一种基于弯曲十字介质谐振天线单元的宽角扫描相控阵，包括弯曲十字介质谐振天线1、开槽型弯曲金属地板2、弯曲介质基板3、L型弯曲馈电线4和弯曲介质墙5。所述弯曲十字介质谐振天线1包括第一单元11、第二单元12、第三单元13、第四单元14、第五单元15、第六单元16、第七单元17和第八单元18，其中每个单元由两个长、宽、高分别为8.5mm、19mm、5mm的长方体相垂直放置构成，该形状有助于展宽单元天线的半功率波束宽度；所述开槽型弯曲金属地板2包括缝隙耦合槽21和截断矩形槽22，其从左到右分别为第一耦合槽211、第二耦合槽212、第三耦合槽213、第四耦合槽214、第五耦合槽215、第六耦合槽216、第七耦合槽217和第八耦合槽218以及第一矩形槽221、第二矩形槽222、第三矩形槽223、第四矩形槽224、第五矩形槽225、第六矩形槽226、第七矩形槽227、第八矩形槽228和第九矩形槽229，其中第一耦合槽211位于第一单元11正下方、第二耦合槽212位于第二单元12正下方、第三耦合槽213位于第三单元13正下方、第四耦合槽214位于第四单元14正下方、第五耦合槽215位于第五单元15正下方、第六耦合槽216位于第六单元16正下方、第七耦合槽217位于第七单元17正下方、第八耦合槽218位于第八单元18正下方，而第一矩形槽221位于第一单元11左侧、第二矩形槽222位于第一单元11和第二单元12之间、第三矩形槽223位于第二单元12和第三单元13之间、第四矩形槽224位于第三单元13和第四单元14之间、第五矩形槽225位于第四单元14和第五单元15之间、第六矩形槽226位于第五单元15和第六单元16之间、第七矩形槽227位于第六单元16和第七单元17之间、第八矩形槽228位于第七单元17和第八单元18之间、第九矩形槽229位于第八单元18右侧，其中耦合槽用于L型弯曲馈电线4激励正上方单元天线，而截断矩形槽可以减低天线间的互耦效应，有助于提高天线的扫描角度；L型弯曲馈电线4分为第一馈电线41、第二馈电线42、第三馈电线43、第四馈电线44、第五馈电线45、第六馈电线46、第七馈电线47和第八馈电线48，其均位于弯曲介质基板3的下表面；弯曲介质墙5分为第一介质墙51、第二介质墙52、第三介质墙53、第四介质墙54、第五介质墙55、第六介质墙56、第七介质墙57、第八介质墙58和第九介质墙59，其中第一介质墙51位于第一矩形槽221的正上方居中、第二介质墙52位于第二矩形槽222的正上方居中、第三介质墙53位于第三矩形槽223的正上方居中、第四介质墙54位于第四矩形槽224的正上方居中、第五介质墙55位于第五矩形槽225的正上方居中、第六介质墙56位于第六矩形槽226的正上方居中、第七介质墙57位于第七矩形槽227的正上方居中、第八介质墙58位于第一矩形槽228的正上方居中、第九介质墙59位于第一矩形槽229的正上方居中，且弯曲介质墙5的高度与该文阵列的扫描角度有关，本文选取的高度与弯曲十字介质谐振天线1相同。
本发明采用的技术指标如下：
中心频率：5.8GHz
各端口回波损耗：>15dB
极化方式：线极化
扫描角度：±70度
增益波动：＜2dBi
如图1、2、3所示的一种基于弯曲十字介质谐振天线单元的宽角扫描相控阵，所述弯曲十字介质谐振天线1包含8个大小、间距均相同的弯曲十字介质谐振天线单元，从左到右分别为第一单元11、第二单元12、第三单元13、第四单元14、第五单元15、第六单元16、第七单元17和第八单元18。在开槽型弯曲金属地板2上开有缝隙耦合槽21和地板阶段矩形槽22，其分别可分为第一耦合槽211、第二耦合槽212、第三耦合槽213、第四耦合槽214、第五耦合槽215、第六耦合槽216、第七耦合槽217和第八耦合槽218以及第一矩形槽221、第二矩形槽222、第三矩形槽223、第四矩形槽224、第五矩形槽225、第六矩形槽226、第七矩形槽227、第八矩形槽228和第九矩形槽229，其中缝隙耦合槽可被L型弯曲馈电线激励，从而使天线工作，而地板截断矩形槽和弯曲介质墙5，共同降低了天线单元之间的互耦效应。并且弯曲十字介质谐振天线宽角度扫描相控阵的天线单元利用介电常数为10的低介质损耗材料制成，天线单元之间的耦合方式是空间波耦合，这种耦合方式随着距离的增加衰减快，因此在一定程度上抑制了天线单元间的互耦效应。同时该相控阵采用半功率波束宽度较宽的弯曲十字介质谐振天线单元作为单元天线，将其按半功率波束宽度较宽的方向组阵，可以在该面实现宽角度扫描以及较小的增益波动。
如图4所示，本发明提出的一种基于弯曲十字介质谐振天线单元的宽角扫描相控阵在示例中心频率5.8GHz处及附近频带内的有源S参数小于-15dB，说明本发明提出的天线具有较好的匹配性能。
如图5所示，本发明提出的一种基于弯曲十字介质谐振天线单元的宽角扫描相控阵在示例中心频率5.8GHz处的各单元之间隔离(以第二单元12为例)小于-15dB，隔离性能较好。
如图6所示，本发明提出的一种基于弯曲十字介质谐振天线单元的宽角扫描相控阵在示例中心频率5.8GHz处及其附近频段的E面(phi＝0度)可实现增益，可以看出该天线在该频段附近增益稳定。
如图7所示，本发明提出的一种基于弯曲十字介质谐振天线单元的宽角扫描相控阵在示例中心频率5.8GHz处的E面(phi＝0度)可实现增益可以实现±70度的角度扫描(Theta从-70度到70度)，并且其增益波动小于2dBi，说明本发明提出的天线阵可以实现较宽的角度扫描，并且其增益波动较小。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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