一种平面化的低剖面超宽带紧耦合宽角扫描阵列天线

1.本发明涉及超宽带相控阵的技术领域，特别涉及一种平面化的低剖面超宽带紧耦合宽角扫描阵列天线。


背景技术：

2.近年来，超宽带宽角扫描阵列天线在雷达和通信领域发展迅速。超宽带相控阵的优势在于，其工作频带覆盖多个倍频程，在有限口径内可以实现多功能、多任务、多波段无线通信、探测与感知等，实现综合孔径高效利用。该项技术使用单个阵列，完成宽带或较为离散的信号的发射和接收，实现多功能共孔径，节约天线和系统间的集成成本。为了实现超宽频谱覆盖、多目标、高定向性、远距离多样化通信和感知的性能，现代无线电系统通常使用具有波束扫描功能的超宽带阵列天线，受限于载体平台物理结构和多物理场特性，超宽带阵列天线通常要求小型化、低剖面结构特性。


技术实现要素：

3.针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的是提供一种平面化的低剖面超宽带紧耦合宽角扫描阵列天线，具有良好的交叉极化比，实现了超宽带、宽角扫描的性能并兼具低剖面的特性。为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，提供了一种平面化的低剖面超宽带紧耦合宽角扫描阵列天线，包括：
4.该天线单元包括第一层金属贴片、与第一层金属贴片相贴的第一层介质基板、与第一层介质基板相贴设置的第二层介质基板、设置于第二层介质基板一端面上的第二层蝶形金属贴片、与第二层金属贴片相贴设置的第三层介质基板、与第三层介质基板相贴设置的第四层介质基板；
5.馈电组件，该馈电组件包括部件设置于第四层介质基板一端面上的金属地、同轴探针、设置于同轴探针周围的金属化通孔、置于第四层介质基板上方的第三层平面金属带线及天线单元相对的侧面上设置有金属短路探针。
6.优选的，辐射组件包括第二层蝶形金属贴片、第三层介质基板及第四层介质基板。
7.优选的，第一层金属贴片与第一层介质基板构成介质金属超表面宽角匹配结构。
8.优选的，第一层介质基板上开设有多个第一空气孔。
9.优选的，第三层介质基板与第四层介质基板上均开设有一一相对应的第二空气孔。
10.优选的，馈电组件通过同轴接口使得同轴探针法向穿过金属地，延伸至平面金属带线，置于同轴探针周围的金属化通孔依次穿过第三层介质基板与第四层介质基板，连接金属地和第二层蝶形金属贴片表面。
11.优选的，第三层平面金属带线为微带线结构，第三层平面金属带线连接同轴探针构成平面转微带的馈电结构。
12.本发明与现有技术相比，其有益效果是：
13.(1)天线采用平面化结构，剖面小于0.35倍最高工作频率对应的波长。介质金属超表面匹配结构加强天线的容性耦合，带内实现良好匹配，天线扫描角度达
±
60
°
。
14.(2)天线采用同轴转平面金属带线馈电结构，提高了馈电效率，降低了天线单元的剖面。
15.(3)天线通过添加金属短路探针以及介质基板设孔等方法，解决了工作频带内紧耦合偶极子天线阵列存在的共模谐振的问题。
16.(4)天线采用平面化结构，便于采用标准pcb工艺。
附图说明
17.图1为根据本发明的平面化的低剖面超宽带紧耦合宽角扫描阵列天线的三维爆炸结构示意图；
18.图2为根据本发明的平面化的低剖面超宽带紧耦合宽角扫描阵列天线的正视图；
19.图3为根据本发明的平面化的低剖面超宽带紧耦合宽角扫描阵列天线的介质金属超表面宽角匹配结构示意图；
20.图4为根据本发明的平面化的低剖面超宽带紧耦合宽角扫描阵列天线的蝶形金属贴片示意图；
21.图5为根据本发明的平面化的低剖面超宽带紧耦合宽角扫描阵列天线的两个单元间排列的结构示意图；
22.图6为根据本发明的平面化的低剖面超宽带紧耦合宽角扫描阵列天线的结构示意图；
23.图7为根据本发明的平面化的低剖面超宽带紧耦合宽角扫描阵列天线的active vswr示意图；
24.图8为根据本发明的平面化的低剖面超宽带紧耦合宽角扫描阵列天线的4ghz处主极化、交叉极化示意图；
25.图9为根据本发明的平面化的低剖面超宽带紧耦合宽角扫描阵列天线的8ghz处主极化、交叉极化示意图；
26.图10为根据本发明的平面化的低剖面超宽带紧耦合宽角扫描阵列天线的12ghz处主极化、交叉极化示意图。
具体实施方式
27.下面将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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.参照图1-10，一种平面化的低剖面超宽带紧耦合宽角扫描阵列天线，包括：天线单元，该天线单元通过阵列形成阵列天线；
29.该天线单元包括第一层金属贴片101、与第一层金属贴片101相贴的第一层介质基板102、与第一层介质基板102相贴设置的第二层介质基板201、设置于第二层介质基板201一端面上的第二层蝶形金属贴片301、与第二层金属贴片301相贴设置的第三层介质基板
302、与第三层介质基板302相贴设置的第四层介质基板303；
30.馈电组件，该馈电组件包括部件设置于第四层介质基板303一端面上的金属地401、同轴探针403、设置于同轴探针403周围的金属化通孔405、置于第四层介质基板303上方的第三层平面金属带线404及天线单元相对的侧面上设置有金属短路探针406。
31.该天线单元根据功能可分为介质金属超表面宽角匹配组件、辐射组件和馈电组件三个部分。
32.介质金属超表面宽角匹配结构包括第一层金属贴片101和第一层介质基板102，第一层介质基板102设有空气孔103，降低第一层介质基板102的介电常数。
33.第二层蝶形金属贴片301上方的第二层介质基板201支撑介质金属超表面宽角匹配结构。
34.辐射组件包括第二层蝶形金属贴片301和第二层蝶形金属贴片301下方的第三层介质基板302与第四层介质基板303，第三层介质基板302与第四层介质基板303两侧挖空，降低了介电常数。
35.馈电组件输入端口采用标准同轴接口402，同轴探针403沿法向穿过金属地401，延伸至第三层平面金属带线404；第三层平面金属带线404采用微带线结构，为第二层蝶形金属贴片301以缝隙耦合的方式馈电；其中置于同轴探针403周围金属化通孔405约束和增强同轴转微带馈电；天线单元左右两边界附近的金属短路探针406位于第三层介质基板302与第四层介质基板303内部四周，抑制共模谐振。
36.馈电组件以缝隙耦合的方式为辐射结构中的第二层蝶形金属贴片301耦合馈电；介质金属超表面宽角匹配组件加载在辐射组件上方，提高阵列天线的超宽频带内的阻抗匹配和扫描性能。
37.本发明专利天线的结构、工作性能，在此以工作频带为3.85-12ghz的一种平面化的低剖面超宽带紧耦合宽角扫描阵列天线实例加以说明。该阵列天线单元结构如图1、2所示；天线单元中的介质金属超表面宽角匹配结构如图3所示；天线单元中的辐射层的蝶形金属贴片如图4所示；阵列天线两个单元间的排列结构如图5所示；阵列天线结构如图6所示。天线在3.85-12ghz工作频段内s11小于-10db，扫描角度
±
60
°
，剖面高度小于0.35倍最高工作频率对应的波长。
38.这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的，对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
39.尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

技术特征：
1.一种平面化的低剖面超宽带紧耦合宽角扫描阵列天线，其特征在于，包括：天线单元，该天线单元通过阵列形成阵列天线；该天线单元包括第一层金属贴片(101)、与第一层金属贴片(101)相贴的第一层介质基板(102)、与第一层介质基板(102)相贴设置的第二层介质基板(201)、设置于第二层介质基板(201)一端面上的第二层蝶形金属贴片(301)、与第二层金属贴片(301)相贴设置的第三层介质基板(302)、与第三层介质基板(302)相贴设置的第四层介质基板(303)；馈电组件，该馈电组件包括部件设置于第四层介质基板(303)一端面上的金属地(401)、同轴探针(403)、设置于同轴探针(403)周围的金属化通孔(405)、置于第四层介质基板(303)上方的第三层平面金属带线(404)及天线单元相对的侧面上设置有金属短路探针(406)。2.如权利要求1所述的一种平面化的低剖面超宽带紧耦合宽角扫描阵列天线，其特征在于，辐射组件包括第二层蝶形金属贴片(301)、第三层介质基板(302)及第四层介质基板(303)。3.如权利要求2所述的一种平面化的低剖面超宽带紧耦合宽角扫描阵列天线，其特征在于，第一层金属贴片(101)与第一层介质基板(102)构成介质金属超表面宽角匹配结构。4.如权利要求3所述的一种平面化的低剖面超宽带紧耦合宽角扫描阵列天线，其特征在于，第一层介质基板(102)上开设有多个第一空气孔(103)。5.如权利要求4所述的一种平面化的低剖面超宽带紧耦合宽角扫描阵列天线，其特征在于，第三层介质基板(302)与第四层介质基板(303)上均开设有一一相对应的第二空气孔。6.如权利要求1所述的一种平面化的低剖面超宽带紧耦合宽角扫描阵列天线，其特征在于，馈电组件通过同轴接口(402)使得同轴探针(403)法向穿过金属地(401)，延伸至平面金属带线(404)，置于同轴探针(403)周围的金属化通孔(405)依次穿过第三层介质基板(302)与第四层介质基板(303)，连接金属地(401)和第二层蝶形金属贴片(301)表面。7.如权利要求1所述的一种平面化的低剖面超宽带紧耦合宽角扫描阵列天线，其特征在于，第三层平面金属带线(404)为微带线结构，第三层平面金属带线(404)连接同轴探针(403)构成平面转微带的馈电结构。

技术总结
本发明公开了一种平面化的低剖面超宽带紧耦合宽角扫描阵列天线，包括：该天线单元包括第一层金属贴片、与第一层金属贴片相贴的第一层介质基板、与第一层介质基板相贴设置的第二层介质基板、设置于第二层介质基板一端面上的第二层蝶形金属贴片、与第二层金属贴片相贴设置的第三层介质基板、与第三层介质基板相贴设置的第四层介质基板；馈电组件，该馈电组件包括部件设置于第四层介质基板一端面上的金属地、同轴探针、设置于同轴探针周围的金属化通孔、置于第四层介质基板上方的第三层平面金属带线及天线单元相对的侧面上设置有金属短路探针。根据本发明，具有良好的交叉极化比，实现了超宽带、宽角扫描的性能并兼具低剖面的特性。性。性。


技术研发人员：何国强 崔泽红 张志发
受保护的技术使用者：上海大学
技术研发日：2023.05.08
技术公布日：2023/8/28