内嵌式展宽角扫描相控阵天线设计方法与流程

1.本发明涉及一种广泛应用于雷达、卫星通信、导航和空间探测等领域毫米波卫星通信等的地面接收系统，尤其是小型化或一体化设计的内嵌式展宽角扫描相控阵天线设计方法。


背景技术：

2.接收来自卫星的微弱信号，往往要求接收天线具有很宽的波束，在低仰角有较高的增益，且要求圆极化。通常我们研究的天线是单元的形势，不同的单元具有不同的特性，其谐振频率，带宽，轴比以及方向图都是不一样的。但是单个天线的增益往往受材料以及设计的限制，不能够达到卫星通信或是其他应用的指标。相控阵天线的最大特点是增益大，能够实现大空域的扫描，这样就能够很好的观察所视范围内的目标情况。而且也可以运用天线的多波束特性，同时跟踪好几个目标的动态，并将信息反馈回来，给计算机进行分析。相控阵天线虽然具有众多的优点，但是由于受到孔径渡越时间和波束指向漂移的限制，难以在大扫描角度下实现宽瞬时带宽。相控阵线单元的阵中波束宽度有限，方向图特性和极化特性随着波束扫描而变化，且交叉极化水平随着扫描角度的增大而显著恶化，加之极化固有的频率敏感性，导致扫描到低仰角方向阵列增益下降过大；天线单元的端口输入阻抗与扫描角相关，扫描范围越大，扫描时天线单元输入端口越难实现阻抗匹配，导致相控阵天线的效率降低。由于受到孔径渡越时间和波束指向漂移的限制，相控阵天线扫描范围受限，难以在大扫描角度下实现宽瞬时带宽。
3.相控阵天线是一种通过控制各单元天线的相位，运用宽角进行扫描的天线。卫星通信一般要用到宽角扫描的圆极化相控阵天线。宽角扫描圆极化天线阵列的轴比由两方面决定：一是阵列单元自身的轴比，二是阵列排布方式对天线轴比的影响。轴比值是通过天线单元旋转实现的，轴比特性将直接影响阵列天线的性能。如果阵列单元的排列和馈电单馈点圆极化贴片在30的波束内轴比小于元间互耦会严重恶化单元轴比。现有技术对圆极化阵列单元轴比的改善，已有许多文献论述过排布方式对轴比影响的研究，也是以微带单元阵列为例结果的较多，且多为微带结构。微带结的微带天线前后比较差、带宽较窄，单层结构的微带天线很难在展宽波束的同时保持宽波束内良好的圆极化性能，成为限制系统性能的技术瓶颈，天线辐射单元和地板面积都较小，天线安装应用有很大的困难；由于单馈点圆极化微带天线自身轴比带宽很窄，导致以其为主辐射元的宽波束天线轴比带宽也很窄，无法同时覆盖卫星通信的多个工作频段。圆极化微带天线由于其自身结构的限制，阻抗带宽与轴比带宽并不是非常宽，从而限制了其在某些场景中的应用。另外，当旋转圆极化微带阵列天线的阵元采用线极化微带贴片时，宽角扫描状态下天线增益骤降，后瓣电平增大。不管是阻抗带宽，或者是圆极化微带天线的轴比带宽。这主要是因为微带天线属于谐振式天线，其品质因数q较高，而天线的阻抗带宽和轴比带宽均和q成反比。普通的单馈圆极化微带天线的轴比带宽一般小于2％。微带天线的品质因数q与介质板的相对介电常数和厚度有关，介电常数越小，厚度越厚，q值越小，带宽越宽。所以，为了提高微带天线带宽需要增加天线介
质板的厚度，但是厚度的增加又会使得馈电探针变长，从而带来了额外的感抗，这会导致阻抗匹配性能恶化。传统的单向辐射微带天线在端射方向的增益急剧下降，这使得传统微带天线的辐射覆盖范围有限。由于大部分平面微带相控阵天线主波束的扫描范围大约只有90
°
～100
°
，同时增益波动约4-5db，存在扫描角度有限等缺陷，无法满足通信系统的大角度空域覆盖需求。在毫米波频段用高介电常数介质微带法，天线辐射单元过小，天线增益较低，同时不利于馈电设计和加工；用微带介质天线法的天线辐射单元和地板面积都较小，天线安装应用有很大的困难。对于微带天线，扩展波束宽度的常见方法主要有以下几类：一是采用特殊的辐射单元，例如在微带贴片天线两边增加辅助辐射枝节，或利用带寄生单元的叠层贴片结构，或在微带贴片上加载缝隙和探针等；第二类是采用优化的接地结构，例如带有锥形台地板的开槽贴片天线，或使用碗状背腔结构，或采用3d方形接地结构，还有在微带贴片天线周围使用金字塔形地板和半封闭折叠金属墙结构等技术；第三类是借助在天线单元或子阵中利用特定的馈电网络，例如采用一分三功分器馈电的圆极化微带天线单元，采用集成有顺序旋转馈电网络的微带天线四元子阵等等。上述方法都有效地提高了圆极化天线的波束宽度，但是都在一定程度上牺牲了天线尺寸，甚至因尺寸过大，不适用于小型化或一体化相控阵天线设计。和普通微带天线一样，由于馈电点不在天线几何中心，单元天线旋转以后馈电同轴不再是规则分布，这会增加阵列天线馈电网络的设计难度。
4.随着卫星导航、定位及移动卫星通信的小型移动终端天线和飞行器载天线的发展，对天线的覆盖范围提出了越来越高的要求。对天线这一关键器件提出了更高的要求。对于卫星导航定位系统，要求圆极化天线具有低仰角处增益不可过低的宽波束性能。如我国的双星定位系统和美国的gps系统用户机天线，以及测控系统的飞行器载天线，都要求具有近似半球的覆盖能力，而且要具有较高的低仰角增益。阵列设计中不能出现栅瓣，栅瓣会使能量分散，增益下降，而且栅瓣会导致目标定位、测向造成错误。根据卫星定位的基本原理可知对定位精度的响应最大的是低仰角处的信号。因此，导航定位系统要求圆极化天线具有低仰角处增益不可过低的宽波束性能。增加了天线的控制难度及制作复杂度，降低了相控阵的可靠性。现在的相控阵天线往往要求高增益、窄波束，则就意味着天线口径大，单元天线数量庞大，直接用电磁仿真设计整个天线很难完成天线的设计工作。为了快速准确地捕捉到微弱的卫星信号，一般要求天线具有很宽的波瓣宽度并能保持一定的低仰角增益。如gps的某些应用中要求天线单元的波束覆盖达到120
°
甚至更高，并且在频带范围内具有较好的圆极化特性，而普通的微带天线的波速宽度一般在70～110
°
左右，在仰角为10
°
的低仰角时增益在-7～-3db之间，因此用普通的微带天线实现上述要求非常困难。
5.相控阵天线现实宽波束天线单元的主流方法有可重构技术、构造磁流源、超表面加载等。基于可重构技术，利用有源器件加载，实现较宽扫描范围的平面相控阵可重构天线通过有源开关器件对天线表面电流分布进行控制，实现单元的波束偏转，从而动态实现宽角度辐射覆盖。目前，可重构宽角扫描天线只实现了一维的扫描范围展宽，并未拓展到二维层面上，而且在工作时不仅需要调整单元间的相差，还需对每个单元进行控制。基于等效磁流源的天线单元也只能在一维实现宽角扫描，部分文献中提出的等效磁流源天线在某一维的尺寸较大，这就限制了其在二维扫描相控阵中的应用。实际应用中单元天线电流要受到阵列中其它单元天线的互耦影响，而且单元间距相对于波长越小，影响越明显。互耦是天线间能量的相互耦合或电磁感应效应，互耦的影响主要来源于其相邻单元，距离越远的单元
对它的影响越小。由于阵列单元间互耦，会改变单元上电流的幅度和相位分布，导致单元呈现出不同于孤立状态下的阻抗和辐射特性，进而影响阵列扫描性能。在宽频带下，阵列中固定的单元间距将导致频带内阵因子变化较大，随扫描角度的源驻波所引起互耦的改变而变化剧烈，更增加了阵列设计的复杂性。


技术实现要素：

6.本发明针对现有圆极化平面阵列的扫描角受限和宽角扫描阵列三维体积大的不足之处，提供一种剖面低，增益高，性能可靠，波束更宽广覆盖范围，且具有较大的波束宽度、较好的圆极化特性和良好宽角扫描增益特性的内嵌式展宽角扫描相控阵天线设计方法，以解决现有技术下大角度扫描增益偏低，圆极化性能较差，天线轮廓过大的问题。
7.本发明解决所述问题采用以下技术方案：一种内嵌式展宽角扫描相控阵天线设计方法，其特征在于：利用阵列单元间互耦的产生机理，在下层介质板8上方引入宽角阻抗匹配阻性加载的上层介质板7共面集成于同一块介质基板上，设计出天线金属地板9、下层介质板8叠层的上层介质板7和天线辐射单元1及其底部设计一个提高天线低仰角增益的馈电锥台基座6，然后将若干个天线辐射单元1按四元组阵排列栅格分布为宽角扫描矩阵，并依次置于矩阵阶梯座孔中，并且每个天线辐射单元1下端面固定在下层介质板8的二维层面上，将2
×
2四元子阵扩展得到类似的三维相控阵天线阵列；每个天线辐射单元1采用一个工作于tm
31
模的圆环辐射器2，圆环微带贴片通过贯穿上层介质板7且以波束立体角的圆阵金属柱4，将圆环辐射器2和同层圆极化贴片辐射器3连接在一起形成一个三维立体化辐射流动的鼠笼腔包裹天线单元，圆环辐射器2与垂直于圆极化贴片辐射器3底部之间的馈电柱5贯穿下层介质板8耦合孔，耦合固定在天线金属地板9的馈电锥台基座6上；辐射能量从馈电柱5馈入，经圆环辐射器2圆环微带贴片辐出去，并通过波束立体角圆阵金属柱4和圆极化贴片辐射器3耦合产生辐射场相叠加线极化辐射能量，经圆极化贴片辐射器3纵槽宽边中心馈电柱5形成圆极化辐射，一部分能量沿着法向辐射，另一部分能量则沿着介质板向切向传播辐射电磁波，馈电柱5获得圆极化辐射耦合能量，以加载单极子阵的方式向空间辐射电磁波；所有四元子阵11上的天线辐射单元1布阵按纵槽方向顺序依次旋转0
°
、90
°
、180
°
、270
°
相同单元间距、顺时针进行排布，采用同轴四馈电的方式组成四个馈电锥台基座6垂直单极子按顺时针依次滞后90
°
按进行馈电，获得最佳的旋圆极化性能。
8.本发明相比于现有技术具有如下有益效果：本发明针对传统宽波束天线的局限性，利用阵列单元间互耦的产生机理，采用两层结构设计，在下层介质板8上方引入宽角阻抗匹配阻性加载的上层介质板7共面集成于同一块介质基板上，设计出天线金属地板9、下层介质板8叠层的上层介质板7和天线辐射单元1及其底部设计一个提高天线低仰角增益的馈电锥台基座6，通过引入接地的方式拓宽圆极化，可以组成低剖面宽角扫描圆极化阵列天线，结构简单、质量轻且剖面低，工程实用性高。这种利用双层介质，在下层介质板8上方加载天线辐射单元1金属环结构对天线的方向图起到了引向的作用，运用金属环和圆形贴片辐射场相叠加的原理，把电流引向水平方向，边沿电流绕射引起较大的后向辐射。均通过耦合产生线极化辐射。两个电场分量的相位差能在宽角度范围内保持90
°
左右，天线的波束宽度得到了展宽。加载双层可以在展宽半功率波束宽度的同时保证宽波束范围内良好的圆极化性能，上层为在同层介质板上加载金属环的圆
贴片，利用引向作用展宽天线波束；下层引入馈电柱5，通过相位补偿改善波束范围内的圆极化，结构空间叠层的双层结构，试图以贴片间辐射缝隙的互耦作用来提升天线的整体工作带宽等电磁参量。由于介质的相对介电常数比空气大，在介质中传播的电磁波在介质和空气的分界面会产生强烈的反射，形成介质波导，使电磁波沿介质传播，使天线在水平和垂直方向都有较强的辐射，这样就可能展宽微带天线波束，由于介质的相对介电常数比空气大，在介质中传播的电磁波在介质和空气的分界面会产生强烈的反射，形成介质波导，使电磁波沿介质传播，使天线在水平和垂直方向都有较强的辐射，这样就可能展宽微带天线波束，具有很宽的波束，可以在上半空间提供较均匀的覆盖。与加载单层寄生环时破坏主辐射贴片自身的圆极化特性相比，双层金属环可以使得主辐射贴片保持自身良好的宽角圆极化性能。并且双层金属环，天线的半功率波束宽度可以展宽到159
°‑
78
°
～81
°
，3db轴比波束宽度可达180
°
，法线方向增益为2.7dbi，。即宽波束范围内天线的圆极化性能良好。通过双层金属环单元空间场的叠加，可以使圆极化天线在展宽半功率波束宽度的同时保持波束范围内良好的圆极化性能。
9.本发明将若干个天线辐射单元1按四元组阵排列栅格分布为宽角扫描矩阵，并依次置于矩阵阶梯座孔中，并且每个天线辐射单元1下端面固定在下层介质板8的二维层面上，具有显著的低剖面特性天线高度约0.08λ0；所构成二维宽角扫描圆极化的四元组阵宽波束天线单元，设计中仅通过相对简单的子阵优化和排布，实现了在无额外复杂结构的前提下实现了良好的圆极化特性和宽波束和圆极化功能。与相同面积的传统天线相比具有较好的圆极化性能。解决了天线轮廓过大的问题。并且2
×
2四向天线单元加载高阻抗表面元子阵11的阵列排布方式快速准确地捕捉到微弱的卫星信号，扫描速度快，具有大角度扫描的潜力，以及良好的方向图旋转对称性，圆极化波具有较强的抵抗有害环境的能力，将2
×
2四元子阵扩展得到类似的三维相控阵天线阵列，辐射增益和应用范围等全部得到了很大的改善，天线单元的波束覆盖达到120
°
甚至更高，并且在频带范围内具有较好的圆极化特性，降低了阵列设计的复杂性和相控阵天线系统中由于馈线网络带来的损耗，克服了阵列单元互耦随扫描角度改变而剧烈变化的问题。实测结果表明，2
×
2和4
×
4天线阵列的阻抗带宽分别达到32％和39.7％。天线阵列的旁瓣电平和交叉极化电平较低，工作频带内2
×
2天线阵列最大增益达到13.8db，4
×
4天线阵列最大增益达到17.8db。相比传统矩形排布，具有更优的圆极化性能、较宽的子阵波束宽度。该三维相控阵天线阵列在低剖面尺寸下，实现了方位360
°
、俯仰
±
60
°
扫描。
10.本发明针对现有圆极化平面阵列的扫描角受限和三维宽角扫描阵每个天线辐射单元1采用一个工作于tm
31
模的圆环辐射器2，圆环微带贴片通过贯穿上层介质板7且以锥面所围成空间的波束立体角的圆阵金属柱4，将圆环辐射器2和同层圆极化贴片辐射器3共圆心放置连接在一起，能量汇聚集中，传播性强，可减小圆形贴片与圆环贴片之间的耦合，可以有效的提高低仰角增益，使天线在俯仰角上只有一个最大辐射极值点，减小圆形贴片与圆环贴片之间的耦合。圆环辐射器2与垂直于圆极化贴片辐射器3底部之间的馈电柱5贯穿下层介质板8耦合孔，耦合固定在天线金属地板9的馈电锥台基座6上；所形成的鼠笼腔包裹天线单元形成的宽波束辐射，改变天线辐射特性，提高了低仰角增益，中心频率3db轴比波束宽度大于129
°
，性能可靠。同时经圆极化贴片辐射器(3)纵槽宽边中心馈电柱(5)形成圆极化辐射，提升了天线的工作带宽。由于四元组阵排列栅格分布为宽角扫描矩阵，相邻四个
四元结构天线单元直接和间接耦合信号相互抵消，相邻四元单元馈电端口的隔离度得到显著提高。通过对相邻四元单元间互耦信号的有效补偿，实现了阵列单元的宽角阻抗匹配。波束立体角圆阵金属柱4，将圆环辐射器2和同层圆极化贴片辐射器3连接在一起，通过波束立体角能量聚合，避免了大角度扫描时因阻抗失配造成的增益下降。
11.本发明采用馈电柱5贯穿下层介质板8，向上连接环形辐射器2，向下连接馈电基座盘6，圆环辐射器2圆环微带贴片通过波束立体角圆阵金属柱4和圆极化贴片辐射器3耦合产生辐射场相叠加线极化辐射能量，经圆极化贴片辐射器3宽边中心纵槽形成圆极化辐射，一部分能量沿着法向辐射，另一部分能量则沿着介质板向切向传播辐射电磁波，馈电柱5获得圆极化辐射耦合能量，以加载单极子阵的方式向空间辐射电磁波，天线在两个方向上展宽天线的波束宽度均有较强的辐射，同时展宽了驻波带宽，驻波和轴比特性良好，进而展宽了天线的通过圆极化贴片辐射器3中心开缝形成圆极化辐射功率波束宽度，获得了良好的宽角扫描增益特性和圆极化特性。
12.本发明采用同轴四馈电的方式组成四个馈电锥台基座6垂直单极子按顺时针依次滞后90
°
按进行馈电，利用垂直单极子的寄生辐射来改善圆贴片天线的波束宽度，可以获得最佳的旋圆极化性能。采用所有四元子阵11上的天线辐射单元1布阵按纵槽方向顺序依次旋转90
°
、180
°
、270
°
相同单元间距、顺时针进行排布可以较好地保证天线阵列实现高增益高辐射效率，提升阵列天线轴比，扩展阵列天线的轴比带宽。这种阵列单元排布方式不仅可以改善子阵的轴比，还使得主波束扫描至大角度时天线单元因子增益可以补偿阵因子的增益下降，实现二维大角度扫描。这种可以由16个2
×
2四元子阵11为一组按照0
°
、90
°
、180
°
、270
°
旋转组阵建立8
×
8阵列矩形排布的相控阵天线，具有良好的宽角扫描增益特性和圆极化特性。仿真测试性能良好，此8x8天线可以多块结合使用设计单元天线数量更多，规模更大的发射相控阵天线。另外通过单元天线周期性旋转解决了微带贴片天线轴比带宽较窄的难题。设计的相控阵天线具有扫描角度大、轴比特性好、重量轻、低剖面、抗辐照性好等优点。2
×
2四元子阵列之间的间距为2
×
d，直观感觉扫描过程中会出现栅瓣，实际上扫描过程中馈电相位是各单元天线单独变化，而不是2
×
2小阵列为单位变化的，单元天线间距仍然是d＝5-6mm，所以不会出现栅瓣。相控阵天线扫描到60
°
时，其主波束增益与不扫描时相比仅仅下降了2.3db左右，方位360
°
、俯仰
±
60
°
扫描范围内增益波动小于3db，且天线阵列的扫描轴比小于3db。通过仿真验证，随着扫描角度的增加，波束宽度从12度左右增加到24度左右；副瓣电平随着扫描角度增大；本发明中相控阵天线实现了方位360
°
、俯仰
±
60
°
扫描，扫描范围内增益波动仅小于3db，扫描轴比小于3db，3db轴比波束宽度在两个正交面分别达到了80
°
和180
°
，半功率波束宽度达到了165
°
，改变介质层的结构改善了宽波束内的轴比，6db轴比波束宽度在两个正交面达到了140
°
和180
°
，半功率波束宽度在两个正交面均达180
°
，天线在大于20％带宽内驻波均小于2。解决了现有技术下大角度扫描增益偏低，圆极化性能较差的问题。试验应用表明，本发明具有较好的带宽、高增益、圆极化特性好、结构紧凑，剖面低的特点，很适合在通信领域组大型天线阵列。
附图说明
13.图1是本发明按四元组阵排列栅格阵列布局排布结构示意图；
12.图2是图1四元子阵的透视立体结构示意图；
13.图3是图2的侧向透视示意图；
14.图4是图3的单个天线辐射单元的透视示意图；
15.图5是图2的仰视图。
14.图中：1.天线辐射单元，2.圆环辐射器，3.圆极化贴片辐射器，4.金属柱，5.馈电柱，6.馈电锥台基座，7.上层介质板，8.下层介质板，9.天线金属地板，10.隔离环。
具体实施方式
15.参阅图1-图4。根本发明，利用阵列单元间互耦的产生机理，在下层介质板8上方引入宽角阻抗匹配阻性加载的上层介质板7共面集成于同一块介质基板上，设计出天线金属地板9、下层介质板8叠层的上层介质板7和天线辐射单元1及其底部设计一个提高天线低仰角增益的馈电锥台基座6，然后将若干个天线辐射单元1按四元组阵排列栅格分布为宽角扫描矩阵，并依次置于矩阵阶梯座孔中，并且每个天线辐射单元1下端面固定在下层介质板8的二维层面上，将2
×
2四元子阵扩展得到类似的三维相控阵天线阵列；每个天线辐射单元1采用一个工作于tm
31
模的圆环辐射器2，圆环微带贴片通过贯穿上层介质板7且以波束立体角的圆阵金属柱4，将圆环辐射器2和同层圆极化贴片辐射器3连接在一起形成一个三维立体化辐射流动的鼠笼腔包裹天线单元，圆环辐射器2与垂直于圆极化贴片辐射器3底部之间的馈电柱5贯穿下层介质板8耦合孔，耦合固定在天线金属地板9的馈电锥台基座6上；辐射能量从馈电柱5馈入，经圆环辐射器2圆环微带贴片辐出去，并通过波束立体角圆阵金属柱4和圆极化贴片辐射器3耦合产生辐射场相叠加线极化辐射能量，经圆极化贴片辐射器3纵槽宽边中心馈电柱5形成圆极化辐射，一部分能量沿着法向辐射，另一部分能量则沿着介质板向切向传播辐射电磁波，馈电柱5获得圆极化辐射耦合能量，以加载单极子阵的方式向空间辐射电磁波；所有四元子阵11上的天线辐射单元1布阵按纵槽方向顺序依次旋转90
°
、180
°
、270
°
相同单元间距、顺时针进行排布，采用同轴四馈电的方式组成四个馈电锥台基座6垂直单极子按顺时针依次滞后90
°
按进行馈电，获得最佳的旋圆极化性能。
16.在以下描述的实施例中，相邻四个天线辐射单元1按顺序旋转90
°
的方式组成2
×
2四元子阵11，2
×
2四元子阵11的形成方式为：先固定一个3d结构的天线辐射单元天线单元1于左下角阶梯座孔中，将其余三个阶梯座孔中的天线辐射单元1围绕各自的馈电柱5按顺时针分别旋转90
°
、180
°
、270
°
，再按相同单元间距、顺时针进行排布，阶梯座孔口径的大于天线辐射单元1的直径，所形成的环缝阻抗带为辐射阵子的表面电流提供了足够长的流动路径，可以避免交叉耦合现象，故天线的圆极化性能更好。
17.四元子阵11可以按单元间距0.48λ0组成16个子阵，或8
×
8矩形排布的右旋圆极化子阵相控阵天线。
18.在上述方案基础上，本实施例还可以作如下改进：每个天线辐射单元1均有一个贯通下层介质板8，向上连接环形辐射器2，向下连接馈电基座盘6的馈电柱5和固定在天线金属地板9上，或采用触碰式馈电的馈电锥台基座6。圆阵金属柱4形成的波束立体角为85
°‑
115
°
或垂直结构。这样不仅可以使谐振频率下移，而且可以使3db轴比波束宽度大幅度拓宽，最大可达120
°
。
19.进一步的，天线辐射单元1相连的馈电柱5和馈电锥台基座6可以垂直于纵槽中心或图4所示的偏离宽边触碰式馈电偏，偏离此方向的强度会随角度的增大而减小，形成切向
方向电场最强的辐射方向图，接地板上半空间得以叠加。根据具体应用需要，还可以将馈电柱5更改为对孔内壁进行金属化的金属化过孔，在内壁上加工宽为0.6mm，长为λr/4波长。利用金属腔体代替天线反射器，生成具有宽波束和高前后比的单向辐射源方向图，将内导体与表面馈电环焊接，形成具有很宽波束宽度和良好轴比特的微带交叉偶极子过金属化过孔缝隙巴伦馈电结构，利用两个相互垂直，相位相差90
°
的正交电流就可以在空间内形成圆极化波，将3db轴比波束宽度提高到165
°
以上，从而展宽天线波束，同时有着较好的交叉极化特性；或采用smp型连接器或超小型推入式射频同轴连接器ssmp等同轴连接器进行盲插式馈电。通过介质微带偶极子天线在其工作频段的驻波曲线，优化馈电巴伦上的缝隙尺寸可以调节天线驻波。
20.在可选的实施例中，
20.进一步的，宽角扫描天线矩阵每个2
×
2四元子阵11对应的天线辐射单元1可以按顺时针依次超前90
°
进行馈电，极化方式可通过调整馈电位置更改为左旋圆极化。
21.进一步的，上层介质板(7)加载高阻抗表面反射板上的每个圆环辐射器(2)印制在同心介质隔环中，介质隔环环绕其圆环金属贴片阻隔表面电流的传播，产生电容效应，圆环金属贴片通过贯穿上层介质层的等圆周角均布排列的4-8个圆阵金属柱(4)或金属化过孔产生电感效应，将上层介质底面上的圆极化贴片辐射器(3)连接在一起，圆极化贴片辐射器(3)通过纵槽宽边中心向下连接贯通下层介质板(8)的馈电柱(5)，馈电柱(5)通过馈电基座盘(6)与天线金属地板(9)相连，圆阵金属柱(4)轴线偏离的波束立体角为3
°‑
15
°
或垂直结构。
22.进一步的，根据天线的工作频率、尺寸和带宽要求，确定介电常数，选择合适的介质材料和介质厚度。介质板介质天线方向性系数大于3db。可以采用低介电常数k＜3低损耗和低泄漏电流的加厚型，在此取厚度h 2-6mm，以增大天线的带宽及增益，上层介质板7可以采用20mil-100mil厚的板材罗杰斯rogers高频板ro5880，下层介质板8可以采用20mi-100mil厚度的板材罗杰斯rogers陶瓷填充ptfe复合材料/层压ro3003材料高频层压板，所选接地板具有一定的结构强度，天线金属地板9使用介电常数为≤2.2的金属结构，剖面仅0.13个λ波长作为地板，具有低剖面的性能，达到了良好的小型化效果，最终，为改善宽角扫描性能，结合3d结构的天线辐射单元1，在波长0.08λ0剖面尺寸下实现
±
60
°
二维扫描，从而实现拓展带宽，λ0为自由空间波长。
23.参阅图5。馈电锥台基座6位于下层介质板8的背面，馈电锥台基座6周围设有一个与天线金属地板9背面共同构成一个同轴结构的同心隔离环10，馈电锥台基座6底部设有阻值呈指数型递增且加载在的电阻膜片，可以有效的抑制地板表面的电流，进而减小由天线金属地板9表面电流引起的边缘散射，改善天线的后瓣。隔离环10可以减小单元天线受到的临近单元的影响。这种结构改善了相控阵宽角扫描特性。
24.本发明特别参照优选的实施例来说明和展示，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，因此凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何结构或材料的修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

技术特征：
1.一种内嵌式展宽角扫描相控阵天线设计方法，其特征在于：利用阵列单元间互耦的产生机理，在下层介质板(8)上方引入宽角阻抗匹配阻性加载的上层介质板(7)共面集成于同一块介质基板上，设计出天线金属地板(9)、下层介质板(8)叠层的上层介质板(7)和天线辐射单元(1)及其底部设计一个提高天线低仰角增益的馈电锥台基座(6)，然后将若干个天线辐射单元(1)按四元组阵排列栅格分布为宽角扫描矩阵，并依次置于矩阵阶梯座孔中，并且每个天线辐射单元(1)下端面固定在下层介质板(8)的二维层面上，将2
×
2四元子阵扩展得到类似的三维相控阵天线阵列；每个天线辐射单元(1)采用一个工作于tm
31
模的圆环辐射器(2)，圆环微带贴片通过贯穿上层介质板(7)且以波束立体角的圆阵金属柱(4)，将圆环辐射器(2)和同层圆极化贴片辐射器(3)连接在一起形成一个三维立体化辐射流动的鼠笼腔包裹天线单元，圆环辐射器(2)与垂直于圆极化贴片辐射器(3)底部之间的馈电柱(5)贯穿下层介质板(8)耦合孔，固定在天线金属地板(9)的馈电锥台基座(6)上；辐射能量从馈电柱(5)馈入，经圆环辐射器(2)圆环微带贴片辐出去，并通过波束立体角圆阵金属柱(4)和圆极化贴片辐射器(3)耦合产生辐射场相叠加线极化辐射能量，经圆极化贴片辐射器(3)纵槽宽边中心馈电柱(5)形成圆极化辐射，一部分能量沿着法向辐射，另一部分能量则沿着介质板向切向传播辐射电磁波，馈电柱(5)获得圆极化辐射耦合能量，以加载单极子阵的方式向空间辐射电磁波；所有四元子阵(11)上的天线辐射单元(1)布阵按纵槽方向顺序依次旋转0
°
、90
°
、180
°
、270
°
相同单元间距d、顺时针进行排布，采用同轴四馈电的方式组成四个馈电锥台基座(6)垂直单极子按顺时针依次滞后90
°
按进行馈电，获得最佳的旋圆极化性能。2.如权利要求1所述的内嵌式展宽角扫描相控阵天线设计方法，其特征在于：相邻四个天线辐射单元(1)按顺序旋转90
°
的方式组成2
×
2四元子阵11，2
×
2四元子阵(11)的形成方式为：先固定一个3d结构的天线辐射单元天线单元(1)于左下角阶梯座孔中，将其余三个阶梯座孔中的天线辐射单元(1)围绕各自的馈电柱5按顺时针分别旋转90
°
、180
°
、270
°
，再按相同单元间距、顺时针进行排布，阶梯座孔口径的大于天线辐射单元(1)的直径，所形成的环缝阻抗带为辐射阵子的表面电流提供足够长的流动路径。3.如权利要求1所述的内嵌式展宽角扫描相控阵天线设计方法，其特征在于：四元子阵(11)按单元间距0.48λ0组成16个子阵，或8
×
8矩形排布的右旋圆极化子阵相控阵天线，λ0为自由空间波长；四元子阵(11)按单元间距0.48λ0组成16个子阵，或8
×
8矩形排布的右旋圆极化子阵相控阵天线，λ0为自由空间波长。4.如权利要求1所述的内嵌式展宽角扫描相控阵天线设计方法，其特征在于：四元子阵(11)按单元间距0.48λ0组成16个子阵，或8
×
8矩形排布的右旋圆极化子阵相控阵天线，λ0为自由空间波长。天线辐射单元(1)相连的馈电柱5和馈电锥台基座(6)垂直于纵槽中心或偏离宽边中心距离的触碰式馈电，偏离此方向的强度会随角度的增大而减小，形成切向方向电场最强的辐射方向图，接地板上半空间得以叠加。5.如权利要求1所述的内嵌式展宽角扫描相控阵天线设计方法，其特征在于：根据具体应用需要，将馈电柱(5)更改为对孔内壁进行金属化的金属化过孔，在内壁上加工宽为0.6mm，长为λ
r
/4波长，利用金属腔体代替天线反射器，生成具有宽波束和高前后比的单向辐射源方向图，将内导体与表面馈电环焊接，形成具有很宽波束宽度和良好轴比特的微带交叉偶极子过金属化过孔缝隙巴伦馈电结构，利用两个相互垂直，相位相差90
°
的正交电流
就可以在空间内形成圆极化波，将3db轴比波束宽度提高到165
°
以上，从而展宽天线波束，或采用smp型连接器或超小型推入式射频同轴连接器ssmp等同轴连接器进行盲插式馈电。6.如权利要求1所述的内嵌式展宽角扫描相控阵天线设计方法，其特征在于：宽角扫描天线矩阵每个2
×
2四元子阵(11)对应的天线辐射单元(1)按顺时针依次超前90
°
进行馈电，极化方式通过调整馈电位置更改为左旋圆极化。7.如权利要求1所述的内嵌式展宽角扫描相控阵天线设计方法，其特征在于：上层介质板(7)加载高阻抗表面反射板上的每个圆环辐射器(2)印制在同心介质隔环中，介质隔环环绕其圆环金属贴片阻隔表面电流的传播，产生电容效应，圆环金属贴片通过贯穿上层介质层的等圆周角均布排列的4-8个圆阵金属柱(4)或金属化过孔产生电感效应，将上层介质底面上的圆极化贴片辐射器(3)连接在一起，圆极化贴片辐射器(3)通过纵槽宽边中心向下连接贯通下层介质板(8)的馈电柱(5)，馈电柱(5)通过馈电基座盘(6)与天线金属地板(9)相连，圆阵金属柱(4)轴线偏离的波束立体角为3
°‑
15
°
或垂直结构。8.如权利要求1所述的内嵌式展宽角扫描相控阵天线设计方法，其特征在于：根据天线的工作频率、尺寸和带宽要求，确定介电常数，选择合适的介质材料和介质厚度，介质板介质采用天线方向性系数大于3db，低介电常数k＜3低损耗和低泄漏电流的加厚型，在此取厚度h 2-6mm，以增大天线的带宽及增益，上层介质板(7)采用20mil-100mil厚的板材罗杰斯rogers高频板ro5880，下层介质板(8)采用20mi-100mil厚度的板材罗杰斯rogers陶瓷填充ptfe复合材料/层压ro3003材料高频层压板，所选天线金属地板(9)使用介电常数为≤2.2的金属结构，剖面仅0.13个λ波长作为地板，为改善宽角扫描性能，结合3d结构的天线辐射单元(1)，在波长0.08λ0剖面尺寸下实现
±
60
°
二维扫描，从而实现拓展带宽，λ0为自由空间波长。9.如权利要求1所述的内嵌式展宽角扫描相控阵天线设计方法，其特征在于：馈电锥台基座(6)位于下层介质板8的背面，馈电锥台基座(6)周围设有一个与天线金属地板(9)背面共同构成一个同轴结构的同心隔离环(10)，馈电锥台基座(6)底部设有阻值呈指数型递增且加载在的电阻膜片。10.上层介质板(7)加载高阻抗表面反射板上的每个圆环辐射器(2)印制在同心介质隔环中，介质隔环环绕其圆环金属贴片阻隔表面电流的传播，产生电容效应，圆环金属贴片通过贯穿上层介质层的等圆周角均布排列的4-8个圆阵金属柱(4)或金属化过孔产生电感效应，将上层介质底面上的圆极化贴片辐射器(3)连接在一起，圆极化贴片辐射器(3)通过纵槽宽边中心向下连接贯通下层介质板(8)的馈电柱(5)，馈电柱(5)通过馈电基座盘(6)与天线金属地板(9)相连，圆阵金属柱(4)轴线偏离的波束立体角为3
°‑
15
°
或垂直结构。

技术总结
本发明公开的一种内嵌式展宽角扫描相控阵天线设计方法，具备良好宽角扫描增益特性和圆极化特性的天线结构，通过下述技术方案予以实现：每个天线辐射单元采用圆环辐射器，通过贯穿上层介质板且以波束立体角的圆阵金属柱，将同层圆极化贴片辐射器连接在一起，耦合产生辐射场相叠加线极化辐射能量，经宽边中心纵槽形成圆极化辐射，能量沿着介质板传播辐射电磁波，馈电柱获得圆极化辐射耦合能量，以加载单极子阵的方式向空间辐射电磁波；所有四元子阵上的天线辐射单元布阵按纵槽方向顺序依次旋转相同单元间距，采用同轴四馈电的方式组成四个馈电锥台基座垂直单极子按顺时针依次滞后90


技术研发人员：李烨 郭超 郭娜 肖顺
受保护的技术使用者：浩泰智能（成都）科技有限公司
技术研发日：2023.07.17
技术公布日：2023/10/15