[发明专利]一种基于强互耦效应的低剖面宽带宽角扫描相控阵天线

说明书

技术领域

本发明属于天线工程技术领域，特别涉及宽带宽角扫描相控天线阵系统，具体来说是一种基于强互耦效应的，剖面极低的，可以实现宽带宽角扫描的相控天线阵列，适用于要求天线具有低剖面和宽带宽角扫描特性的载体平台。

背景技术

相控阵天线是在阵列天线的基础上发展起来的一种现代天线形式。相控阵天线具有纳秒级的快速波束扫描能力，并且完全没有机械波束扫描系统具有的运动惯性、时间延迟以及机械振动等缺点，因此在目标侦查、跟踪、成像以及卫星通信等领域得到广泛应用。传统相控阵天线设计方法，在宽带宽角扫描相控阵天线设计中面临着诸多棘手的困难。一方面，受常规阵列天线理论中“扫描角-阵元间距”定律限制，首先需要设计出单元尺寸小于高频端处半波长的宽带天线单元；另一方面，由于天线阵各单元之间较强的互耦效应，天线的驻波比和方向图在扫描时会发生恶化。此外，为了使天线阵具有良好的扫描效果，阵列单元往往剖面较高，结构复杂，不易于天线阵的安装和共形。在宽带宽角扫描相控阵中，以上问题会更加突出。

基于强互耦效应的相控阵天线，作为一种特别适合用作宽带相控阵天线的天线形式，近年来颇受关注。俄亥俄州立大学的B.Munk教授在美国专利号为6512487专利“宽带相控阵及相关技术”(WidebandPhasedArrayAntennaandAssociatedMethods)中，首次提出了基于天线阵列单元之间的强互耦拓展天线带宽的方法。在该种方法中，为了获得极宽的工作带宽，Munk在相邻偶极子之间引入了强电容耦合分量，这一强电容耦合分量刚好补偿了紧密排列偶极子单元固有的电感分量，这样当相控阵天线工作频率发生变化时，天线单元的输入阻抗以及辐射特性随着频率的变化较缓慢，从而展现出极宽的频带特性。然而，Munk等人的强电容耦合偶极子相控阵仍然存在很多不足。一、该种天线往往需要使用多层介质结构，其中作为宽角扫描阻抗匹配层的介质板材具有与工作波长成正比的厚度，因而导致阵列整体剖面较高，不利于阵列的安装与共形。二、该种天线其形式只在沿着偶极子臂的方向上加强了耦合，因此在一维宽角扫描时效果良好，而在二维宽角扫描时具有相当的局限性。三、该种天线偶极子末端采用交趾形式进行耦合，特别适用于多个倍频程的宽带天线,但其驻波比一般较高。

为克服以上缺点，实现强互耦天线阵的二维宽带宽角扫描，一些改进的、其他形式的强互耦天线阵被提出。申请号为200380104960.2的中国专利“相控阵天线上的多层电容耦合”中提出了的两个强互耦偶极子正交排列构成一个单元，进而组成平面阵列来实现二维扫描的方法。但是这种方法其一个单元中会有两个馈电端口，这无疑会增大设计、加工制造与馈电网络实现的难度，且这种栅格形式的偶极子比较复杂，用更复杂的结构更易出现不可控的天线性能恶化，例如出现共模谐振、表面波等现象。申请号201510163350.4的中国专利“一种改进型强互耦超宽带二维波束扫描相控阵天线”中提出一种偶极子两侧加U型贴片的改进型强互耦相控阵，该阵列无需宽角匹配层与正交排列的偶极子单元，实现了5：1带宽下±45°扫描，但是扫描至±45°时带内驻波比大于3，恶化严重。2013年，一篇发表在IEEE trans.Antennas Propag.(Vol.61,No.9,Sepetember 2013)的文章Wideband Planar Array With Integrated Feed and Matching Network for Wide-Angle Scanning提出了一种新型强互耦天线阵，该阵列实现了8-12.5GHz内E面±70°，H面±60°扫描，且在扫描频带内驻波比小于2。但是该天线结构复杂，且加载了较厚较重的阻抗匹配层，整体剖面高度接近1/2高频波长。

前述强互耦天线阵列，对传统强互耦相控阵进行了一些改进。但是，对于强互耦相控阵而言，随着剖面的降低，阵列的有源驻波会严重恶化。并且，由于强互耦阵列仅在沿偶极子臂方向上存在强烈互耦，在二维扫描时驻波恶化会更加严重，这对宽角扫描是尤为不利的。因此，目前的强互耦天线阵列，都存在扫描角度小或天线高度较高等问题。而在工程应用中，尤其在高速载体平台应用中，迫切需要一款天线能够同时满足低剖面与宽带宽角扫描的要求。而本发明正是为解决以上需求而提出。

发明内容

本明提出了一种新型的基于强互耦效应的，低剖面宽带宽角扫描相控阵天线，通过采用新型耦合形式，并在偶极子单元两侧分别加载两个矩形寄生贴片，实现了8-12GHz频带范围内比小于2.5情况下的±60°二维宽角扫描，且天线的整体高度仅为0.127高频(12GHz)波长。