[发明专利]一种基于介质集成腔体的宽带双极化相控阵天线

说明书

该发明公开了一种基于介质集成腔体的宽带双极化相控阵天线，涉及无线通信技术领域，雷达技术领域，特别是用于通信系统中的网格形腔体的相控阵天线领域。本发明天线布局简洁紧凑，网格形腔体布局使相控阵天线两个极化一致性高、辐射性能优秀，并具有良好的端口隔离度；馈电结构简单从而避免了复杂的馈电网络。介质集成腔体的结构进一步降低了天线的重量，并使整个天线的辐射孔径均可使用PCB工艺制作，易于加工组装，便于直接与射频前端进行集成。

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，雷达技术领域，特别是用于通信系统中的网格形腔体的相控阵天线领域。

背景技术

在过去的几十年里，宽带双极化相控阵天线在军事和商业领域愈发受到重视，广泛应用于多功能雷达，气象监测和航空管制等系统，尤其是军事载体平台对高性能多功能（监视、识别、追踪目标）雷达系统的需求促进了宽带双极化相控阵天线的快速发展。在该应用背景下，宽带、双极化、低剖面和轻重量是天线的主要设计指标。具有宽带特性的天线有利于雷达系统实现多任务、多目标协同工作；双极化特性有利于实现极化复用、极化捷变，提高了系统的抗干扰能力和灵敏度。因此在单一天线阵列口径下实现宽带、双极化是非常有益的。在传统的宽带双极化相控阵天线设计方法中，首先，为了避免扫描空域内出现栅瓣，天线单元尺寸必须满足无栅瓣条件，天线单元尺寸的限制增加了宽带和双极化布局的设计难度。其次，由于单个双极化相控阵阵元具有两个正交排布的极化端口，两极化端口需要实现独立工作，尽量避免互相干扰，所以极化隔离度的提高也是双极化相控阵天线设计需要考虑的重要问题。最后，在小阵元尺寸满足无栅瓣条件的情况下，阵元间的互耦会十分强烈，这严重影响了阵元扫描性能。即使天线阵列单元在侧射角度下有很好的宽带阻抗匹配，在大角度扫描情况下也往往会因为阵元间互耦形态的改变而使阵元出现严重的阻抗失配，如何抑制阵元间互耦一直是传统相控阵天线设计过程中主要挑战之一。

近年来，利用天线阵元间耦合来实现宽带相控阵天线的新思路引起了国际天线领域相关学者的广泛关注与深入研究。该思路的理论基础为Wheeler教授在1965年提出的连续电流面理论，Wheeler教授在IEEE Transactions on Antennas and Propagation期刊题为“Simple Relations Derived from a Phased-Array Antenna Made of an InfiniteCurrent Sheet”的论文里对此理论做了详细阐释。

2003年，俄亥俄州立大学的B. Munk教授在美国专利号6512487专利“宽带相控阵及相关技术”(Wideband Phased Array Antenna and Associated Methods)中首次提出了利用天线阵元间耦合的新型宽带相控阵。其特点是在偶极子单元之间加入耦合电容，利用单元间的强互耦效应形成连续电流，克服了互耦效应对天线带宽和扫描角的限制。在实际应用中，双极化强耦合偶极子相控阵天线的馈电网络需要进行精心设计，以避免馈电网络带来的交叉极化辐射和极化隔离度下降。另外，为了避免偶极子非平衡馈电而引起的共模谐振，通常需要采用短路探针或其他复杂的抑制措施。因此双极化强耦合偶极子阵列的馈电网络结构复杂，增加了整个天线系统的尺寸、剖面和成本。

在申请号为CN201610945580.0的中国专利“一种基于连接腔体的相控阵天线”中，提出了一种基于连续电流面理论设计的宽带相控阵天线，其利用微带馈线激励连接腔体来形成连续的等效磁流辐射，有效地增加了天线的工作带宽。但该款天线需要在其金属地板上开长槽以形成连接腔体，天线辐射孔径不能完全使用PCB工艺制作，不方便直接与射频前端进行集成。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提供一种避免复杂馈电网络设计，辐射孔径可以完全使用PCB工艺制作，易集成、加工组装方便，并具有宽带、低剖面、高极化隔离度、低交叉极化比和优秀扫描性能特性的双极化相控阵天线。