[发明专利]基于紧耦合结构的小型化宽带宽角圆极化扫描相控阵天线

说明书

本发明公开了一种基于紧耦合结构的小型化宽带宽角圆极化扫描相控阵天线，包括由上到下顺次设置的上层介质层、辐射单元层、中层介质板层、下层介质板和金属地板层，其中辐射单元层上表面印刷正交偶极子辐射单元，下表面印刷有圆形金属贴片，圆形金属贴片通过金属化过孔与金属地板层相连接；下层介质板与金属地板层中间印制有带状线T型功分器，带状线T型功分器通过金属化过孔与正交偶极子辐射单元连接；金属地板层上设置有毛纽扣，毛纽扣连接带状线T型功分器；圆形通孔贯穿上层介质板、辐射单元层和中层介质板，正交偶极子辐射单元末端下方设置有圆形接地金属贴片。本发明实现了宽带宽角圆极化扫描，降低了天线单元的尺寸，并且可一体化加工。

技术领域

本发明涉及雷达技术、无线通信技术领域，特别是一种基于紧耦合结构的小型化宽带宽角圆极化扫描相控阵天线。

背景技术

相控阵天线是由天线单元排布形成阵面，对每个天线单元的输入信号的幅度及相位进行控制，实现阵面合成波束的空间扫描。对于宽带有源相控阵天线，在宽带天线单元后连接宽带T/R组件，通过控制T/R组件的收发状态及幅度、相位变化，精准控制发射或接收空间从而实现雷达及通信功能。传统宽带相控阵的设计观念是首先设计出一个满足需求的宽频带孤立的相控阵单元，然后将其置于相应的阵列环境中，并采用补偿或减弱阵元间互耦效应的技术措施，还要避免扫描时可能出现的盲点以及发生方向图畸变，设法使其能够正常工作达到性能要求。实际上，由于阵列环境中阵元之间互耦效应的影响，宽带相控阵天线长期以来都是阵列天线的设计领域一大难点。此外，由于剖面较高、重量较大，传统宽带相控阵天线的应用面临越来越多的挑战。

近年来天线领域研究出一种利用天线阵元之间的强互耦作用设计宽带或超宽带特性的阵列天线，即紧耦合阵列天线。与传统的相控阵天线设计中需要去耦合的不同，这种天线通过紧密排列天线单元加强单元间的耦合，并利用阵元间的耦合来实现超宽带与小型化，这类新型阵列天线的带宽不受限于阵元独立工作时的带宽，在很宽的扫描角范围无栅瓣出现，具有很好的超宽带与宽角扫描性能。因此，对这类新型天线结构进行深入研究对提高相控阵天线的各类性能具有重要意义。基于强互耦效应的紧耦合相控阵天线技术，其基本设计思想可追溯到Wheeler在1965年提出的连续电流层阵(Continuous CurrentSheetArray,CCSA)，这是一种不包含馈电结构和反射地板的理想阵列天线，输入阻抗和辐射阻抗均只含有电阻分量而不包含电抗分量，且只与波束指向有关。Wheeler进一步发现距离地板一定高度的理想电流层在进行侧向辐射时工作带宽能够达到无限大。2003年Munk教授于著作《Frequency selective surfaces:theory and design》报道紧密排列的偶极子阵列天线可取得与CCSA天线相似的电流分布，进而提出了利用强电容耦合偶极子的紧耦合阵列天线。

目前，紧耦合阵列天线设计一般采用偶极子天线作为天线阵列单元，并在偶极子天线末端加载交指电容来增加阵元之间的耦合效应，同时在天线上方加载单层或多层介质板作为宽角匹配层以改善阵列的扫描特性。2012年Steve Holland等人基于紧耦合理论于“A 7-21GHz Dual-Polarized Planar Ultrawideband Modular Antenna(PUMA)Array”中提出一款工作于7-21GHz的平面双极化阵列天线，该天线E面、H面最大扫描角达45°。2018年，Vouvakis团队通过在馈电金属柱间加载容性贴片将阵列的工作带宽扩展为6:1，扫描角最大可达±60°。

上面紧耦合天线在实现天线的宽角、宽频带方面都做了一些工作，但是这些天线均是采用双极化工作模式，都不具备圆极化辐射能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可实现圆极化和宽带宽角扫描要求、天线单元的尺寸小、可一体化加工的相控阵天线。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于紧耦合结构的小型化宽带宽角圆极化扫描相控阵天线，包括上层介质板、辐射单元层、正交偶极子天线辐射单元、圆形金属贴片、中层介质板、第一～五金属化过孔、下层介质板、金属地板层、毛纽扣、圆形通孔和带状线T型功分器；