一种SIW宽角扫描天线阵去耦方法

一种siw宽角扫描天线阵去耦方法
技术领域
1.本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种siw宽角扫描天线阵去耦方法。


背景技术：

2.相控阵天线当扫描角度增大时，由于天线阵列单元间距较小，单元间的耦合增大，不仅单元方向图和阵因子会影响扫描能力，天线单元间较大的耦合也会对天线扫描能力有较大影响。单元间的耦合会导致馈电端口的阻抗发生较大变化从而影响阵列扫描时的端口阻抗匹配，将对天线的工作带宽带来较大恶化，所以阵元间去耦对于阵列性能的提升有很大的意义。
3.阵元间耦合主要分为表面波耦合，近场耦合，远场耦合。表面波耦合主要由于阵元间的介质较厚或者具有较高的介电常数；近场耦合来自于天线的空间近场辐射；远场耦合是天线远场辐射造成。因为远场耦合是对处于远场的天线元进行耦合，所以耦合较小，一般不考虑。
4.目前去耦合主要分作两大类，第一类是从耦合源头去耦，阻止耦合的发生，去除耦合路径，让表面波或者近场不能到达附近天线单元，其中就包括dgs结构，ebg结构，通过类似滤波功能阻止表面波耦合至邻近单元；对于近场耦合可以通过单元间加载一定高度的金属挡板来阻断传输路径。dgs可以等效为一个lc，其可以形成谐振对经过该结构的波进行滤除，当多个dgs进行一定顺序的排列时，可以形成一定的阻带，达到阻断表面波的作用。dgs便于加工，但是其占用空间大，要求阵元间有一定的空间，对于多元的阵列不适用，因为其余部分去耦结构的分流会影响其去耦效果，并且开槽会对天线方向图有一定影响。电磁带隙结构(ebg)，其作用与dgs作用类似，通过天线单元间周期性排列一定的金属，等效电路也是类似lc等效，所以能实现滤波功能，进而阻断天线单元间耦合波传输，其缺点为加工繁琐，占用空间大，且不适用于大阵列。
5.另一类是从结果出发，引入新的耦合抵消初始耦合。常见的有中和线(nl)，其引的耦合与原始耦合如果等幅反向就会抵消原始的耦合，但是由于中和线上会有电流，导致外加的结构也会产生辐射，进而对原方向图、阻抗等性能产生影响。另外一种利用外加耦合抵消原始耦合的方式是最近几年所提出来的阵列天线去耦表面(ads)，通过在天线阵上方一定距离处加载一个周期性排列金属片的反射表面，单元发射的电磁波会部分反射至相邻单元。表面与阵列间距以及表面结构会影响反射波幅度和相位，调整上述参数可以使反射波与原始耦合等幅反相从而抵消原始耦合，但加载的ads不仅使得天线加工难度增大，而且会提高天线剖面高度。


技术实现要素：

6.针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种siw宽角扫描天线阵去耦方法，用于解决背景技术中提出的相控阵天线扫描时阵元间存在耦合的技术问题。
7.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
8.一种siw宽角扫描天线阵去耦方法，使用遗传算法优化阵元之间特定位置有无金属柱，引入新的耦合来抵消原有的耦合，以实现去耦。
9.包括以下步骤：
10.步骤一、对四块介质板表面金属化并纵向开槽形成阵元；
11.步骤二、对其中两块阵元一端侧面开槽，另外两块阵元两端侧面开槽，去除阵元的部分金属壁；
12.步骤三、将四块阵元拼合，其中，两块一侧端面开槽的阵元放置在两端，两块两侧开槽的阵元放置在中间，且相邻两块阵元开槽处两两相对；
13.步骤四、去除的金属壁用若干等间距金属柱代替；
14.步骤五、用离散端口代替金属柱。
15.相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
16.没有改变天线的占用空间和剖面高度，且适用于阵列加工，采用该方法去耦可以保持方向图不变，确保目标频段的阻抗匹配良好，并降低端口有源反射系数。
附图说明
17.图1(a)为本发明阵列单元结构图。
18.图1(b)为本发明阵列结构俯视图。
19.图1(c)为本发明阵列结构侧视图。
20.图2为本发明阵元端口反射系数。
21.图3为本发明优化区域示意图。
22.图4(a)为本发明带有金属柱阵列天线结构示意图。
23.图4(b)为本发明所使用金属柱的尺寸示意图。
24.图5为本发明优化流程图。
25.图6为本发明优化后阵列结构图。
26.图7(a)为本发明阵列去耦前后s11。
27.图7(b)为本发明阵列去耦前后s22。
28.图7(c)为本发明阵列去耦前后s33。
29.图7(d)为本发明阵列去耦前后s44。
30.图7(e)为本发明阵列去耦前后s21。
31.图7(f)为本发明阵列去耦前后s31。
32.图7(g)为本发明阵列去耦前后s32。
33.图7(h)为本发明阵列去耦前后s41。
34.图7(i)为本发明阵列去耦前后s42。
35.图7(j)为本发明阵列去耦前后s43。
36.图8(a)为本发明阵列去耦前后0度扫描s1。
37.图8(b)为本发明阵列去耦前后0度扫描s2。
38.图8(c)为本发明阵列去耦前后0度扫描s3。
39.图8(d)为本发明阵列去耦前后0度扫描s4。
40.图9(a)为本发明阵列去耦前后30度扫描s1。
41.图9(b)为本发明阵列去耦前后30度扫描s2。
42.图9(c)为本发明阵列去耦前后30度扫描s3。
43.图9(d)为本发明阵列去耦前后30度扫描s4。
44.图10(a)为本发明阵列去耦前后45度扫描s1。
45.图10(b)为本发明阵列去耦前后45度扫描s2。
46.图10(c)为本发明阵列去耦前后45度扫描s3。
47.图10(d)为本发明阵列去耦前后45度扫描s4。
48.图11(a)为本发明阵列去耦前后0度扫描方向图。
49.图11(b)为本发明阵列去耦前后30度扫描方向图。
50.图11(c)为本发明阵列去耦前后45度扫描方向图。
具体实施方式
51.下面结合附图及实施例对本发明中的技术方案进一步说明。
52.实施例：
53.一种siw宽角扫描天线阵去耦方法，使用遗传算法优化阵元之间特定位置有无金属柱，引入新的耦合来抵消原有的耦合，以实现去耦。
54.包括以下步骤：
55.步骤一、对四块介质板表面金属化并纵向开槽形成阵元；
56.步骤二、对其中两块阵元一端侧面开槽，另外两块阵元两端侧面开槽，去除阵元的部分金属壁；
57.步骤三、将四块阵元拼合，其中，两块一侧端面开槽的阵元放置在两端，两块两侧开槽的阵元放置在中间，且相邻两块阵元开槽处两两相对；
58.步骤四、去除的金属壁用若干等间距金属柱代替；
59.步骤五、用离散端口代替金属柱。
60.如图1(a)所示为siw开槽天线单元，如图1(b)所示为优化前siw开槽天线四元阵列，阵元为siw表面金属化然后纵向开槽，阵元包括介质板以及金属化的波导壁，介质材料为rogers ro3003，介电常数为3
±
0.04，损耗因子tanδ为0.0010，厚度为0.50mm，单元辐射槽长a为4.9mm，单元辐射槽宽b为1.4mm，开槽与波导壁距离c为1.65mm，波导宽度d为4.3mm，如图1(c)所示，波导厚度e为0.5mm，阵列左侧为波导的馈电端口，且每个阵元之间为金属壁，单元端口反射系数如图2所示。
61.如图3所示，去除波导间金属壁，提供去耦优化区域，其中f为12mm，g为4.95mm，h为2mm，其中h取值任意不会影响s参数幅值。
62.如图4(a)所示，将原图3去除的金属壁用等间距金属柱代替，金属柱直径为0.1mm，高度与波导相等，如图4(b)所示，取局部金属柱观察，金属柱距离金属壁的距离i为0.15mm，金属柱间距j为0.2mm，相邻单元之间有60个金属柱，四单元阵列内部金属柱为180个。
63.将图4中金属柱用特征阻抗为50欧姆的离散端口代替，内部离散端口总共为180个，加上单元4个波导馈电端口总共184端口，计算得到总共184端口的s参数，再转换为z矩阵，其中za大小为4*4，表示外部4个波导端口阻抗矩阵，zd大小为180*180，表示内部180端口阻抗矩阵，zb大小为4*180，表示外部波导端口与内部离散端口互阻抗，zc大小为180*4，
也表示外部波导端口与内部离散端口互阻抗。
64.计算时为了通过内部离散端口来模拟金属柱存在与否，我们需给内部离散端口加上负载，理想情况下负载为0即短路表示该内部离散端口处存在金属柱，理想情况下负载为无穷大即开路表示内部离散端口处无金属柱，实际情况金属柱存在时用一个较小电抗表示，金属柱不存在时用1e8来表示无穷大。
65.波导尺寸以及介电常数已知，可求出波导端口特征阻抗，离散端口特征阻抗为50欧姆，根据z矩阵以及内部端口负载状态，可通过内部多端口方法求出4个阵元波导馈电端口z矩阵，其中zl为180*180的对角阵，对角元素为对应内部离散端口的负载状态较小电抗或1e8，已知4个波导馈电端口的z矩阵可计算出4个波导馈电端口s参数。
66.已知s参数后将每个优化频点作为优化目标，优化频带为30.8-31.8ghz，优化变量为负载状态，为了约束每两个相邻单元之间金属柱状态相同，我们将第一第二单元间60个离散端口负载状态变量化，我们改变第一第二单元之间内部离散端口负载状态时，第二第三单元之间离散端口负载状态以及第三第四单元之间离散端口负载状态的改变与第一第二单元间内部离散端口负载状态改变一致，通过遗传算法进行优化，保证在优化频带内每个优化频点上端口反射系数小于-10db，端口间传输系数尽可能降低。
67.优化流程图如图5所示，最终优化后的金属柱状态如图6所示，优化前后的波导馈电端口s参数如图7所示，阵列0度扫描时端口有源反射系数如图8所示，阵列30度扫描时端口有源反射系数如图9所示，阵列45度扫描时端口有源反射系数如图10所示，阵列扫描方向图如图11所示，优化前后目标频段端口反射系数以及端口间传输系数均得到改善，阵列扫描0度、30度、45度时目标频段有源反射系数均有改善且工作在-10db以下，优化前后阵列扫描时方向性系数未改变。
68.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种siw宽角扫描天线阵去耦方法，其特征在于：使用遗传算法优化阵元之间特定位置有无金属柱，引入新的耦合来抵消原有的耦合，以实现去耦。包括以下步骤：步骤一、对四块介质板表面金属化并纵向开槽形成阵元；步骤二、对其中两块阵元一端侧面开槽，另外两块阵元两端侧面开槽，去除阵元的部分金属壁；步骤三、将四块阵元拼合，其中，两块一侧端面开槽的阵元放置在两端，两块两侧开槽的阵元放置在中间，且相邻两块阵元开槽处两两相对；步骤四、去除的金属壁用若干等间距金属柱代替；步骤五、用离散端口代替金属柱。2.根据权利要求1所述的一种siw宽角扫描天线阵去耦方法，其特征在于：所述介质板材料为rogers ro3003，介电常数为3
±
0.04，损耗因子tanδ为0.0010，厚度为0.50mm。3.根据权利要求1所述的一种siw宽角扫描天线阵去耦方法，其特征在于：开槽长a为4.9mm，开槽与波导壁距离c为1.65mm，波导宽度d为4.3mm，波导厚度e为0.5mm。4.根据权利要求1所述的一种siw宽角扫描天线阵去耦方法，其特征在于：去除金属壁长度f为12mm，g为4.95mm，h为2mm。5.根据权利要求1所述的一种siw宽角扫描天线阵去耦方法，其特征在于：金属柱直径为0.1mm，厚度与波导相等，金属柱距离金属壁的距离i为0.15mm，金属柱间距j为0.2mm，相邻单元之间有60个金属柱，四单元阵列内部金属柱为180个。6.根据权利要求1所述的一种siw宽角扫描天线阵去耦方法，其特征在于：步骤五中所述离散端口特征阻抗为50欧姆。

技术总结
本发明提供了一种SIW宽角扫描天线阵去耦方法，用于解决相控阵天线扫描时阵元间存在耦合的技术问题。本发明公开了一种SIW宽角扫描天线阵去耦方法，使用遗传算法优化阵元之间特定位置有无金属柱，引入新的耦合来抵消原有的耦合，以实现去耦。方法包括以下步骤：步骤一、对四块介质板表面金属化并纵向开槽形成阵元；步骤二、对其中两块阵元一端侧面开槽，另外两块阵元两端侧面开槽，去除阵元的部分金属壁；步骤三、将四块阵元拼合，其中，两块一侧端面开槽的阵元放置在两端，两块两侧开槽的阵元放置在中间，且相邻两块阵元开槽处两两相对；步骤四、去除的金属壁用若干等间距金属柱代替，确保目标频段的阻抗匹配良好，并降低端口有源反射系数。步骤五、用离散端口代替金属柱。步骤五、用离散端口代替金属柱。步骤五、用离散端口代替金属柱。


技术研发人员：王任 黄浩 邵俊杰 董明华 梁木生 王秉中
受保护的技术使用者：电子科技大学长三角研究院（湖州）
技术研发日：2023.04.24
技术公布日：2023/8/24