[发明专利]基于电磁带隙结构的大单元间距宽角扫描相控阵天线

说明书

本发明公开了一种基于电磁带隙结构的大单元间距宽角扫描相控阵天线，属于雷达、无线通信技术领域。该天线单元呈三角栅格排布，包括上层介质板、中层介质板、下层金属地板；上表面印刷有微带馈线的中层介质板与上表面设有连接凹槽的金属地板贴合；同轴线内芯连接微带馈线的馈电点，微带馈线的另一端位于连接凹槽上方进行耦合馈电；上层介质板上表面印刷有金属带线；上层介质板和金属地板之间还设置有抑制表面波的电磁带隙结构。本发明引入电磁带隙结构，通过抑制表面波传播的方式有效的消除了扫描盲点，实现了宽角、宽带的特性。具有单元尺寸较大大，结构形式简单的优点，可以大大降低实际应用中大型相控阵天线的制造成本。

技术领域

本发明属于雷达技术，无线通信技术领域，具体涉及一种基于电磁带隙结构的大单元间距宽角扫描相控阵天线，特别涉及宽带、宽角扫描，适用于微波、毫米波等雷达和通信系统中。

背景技术

相控阵天线因其具有的快速的波束扫描能力，并且没有传统的机械波束扫描系统时间延迟、运动惯性等缺点，在军事以及商业领域都得到了广泛的应用。过去的几十年里，随着军事机载平台对多功能系统的需求，宽带、宽角相控阵天线的研究也得到了广泛的重视。传统的矩形栅格的相控阵天线，在设计的过程中为了使天线阵在扫描的时候不出现栅瓣，单元大小往往都小于高频端半个波长。在实际应用中，阵列的面积往往很大，较小的单元尺寸使得在相同的口径面下单元数目大大增加，这也大大增加了昂贵的TR组件的数目。在保证天线具有宽带、宽角等良好性能的前提下，采用较大尺寸的天线单元可以大大的减小相控阵天线的成本，这也是相控阵天线设计中需要考虑的一个重要指标。

为了保证在较大的单元尺寸下，大角度扫描时阵列不出现栅瓣，E.D.Sharp在1961公开了一种三角栅格排布的相控阵天线(E.D.Sharp,“A triangular arrangement ofplanar-array elements that reduces the number needed,”IRE Transactions onAntennas and Propagation,vol.9, iss.2,pp.126-129,March 1961)，在实现相同的扫描角条件下，三角栅格排布满足要求的单元尺寸更大，相同的面积下相对于矩形栅格排布可以减少13.4％的单元数目。对于实际应用中的大型相控阵天线来说，13.4％的单元数的减少可以大大降低天线的成本。然而，对于三角栅格的宽带天线的设计，当天线的单元间距大于工作频率的半波长时，地板以及相邻的两列天线刚好可以等效为一个半模开口波导结构，当激励满足要求的情况下电磁波将会以漏泄模的形式沿着E面呈表面波传播，从而在E面扫描的时候形成扫描盲点，并且随着扫描角度的增大，扫描盲点往低频偏移，对于宽角扫描的相控阵来说大大减小了天线的工作带宽。A.Ellgardt 以锥形槽单元的三角栅格相控阵为例，对三角栅格相控阵的谐振特性进行了分析，并给出了谐振频点的计算公式(A.Ellgardt,“A scanblindness model for single-polarizedtapered-slot arrays intriangular grids,”IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.56,pp.2937-2942,Sep.2008)，但是并没有给出相应的解决办法。

综上所述，采用三角栅格排布，可以使得更大尺寸的单元满足大角度扫描的需求，从而大大减少相控阵单元的数目。但是单元尺寸较大，会在E面扫描的时候产生扫描盲点，使得满足大角度扫描的工作带宽受损。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明在相控阵天线设计中引入电磁带隙结构，在保证工作频带内其他频点的工作性能条件下，抑制沿着E面传播的表面电磁波，从而消除扫描盲点，使得天线在满足单元尺寸较大的情况下，具有宽带、宽角的能力。

本发明具体的技术方案如下：