一种超宽带阵列天线单元和有限阵列天线的制作方法

1.本发明涉及通信、雷达、电子对抗等多功能宽带一体化技术领域，特别是指一种超宽带阵列天线单元和有限阵列天线。


背景技术：

2.随着频率资源的日益紧张，功能业务需求的不断增多，不同频段、不同功能的多系统进行融合是设备超宽带发展的必然趋势。超宽带的阵列天线系统，符合多功能一体化设备的频率拓展需求。
3.超宽带的阵列系统具备典型的功能特征，超宽带阵列天线的不同设计也应运而生。近些年发展迅速，最初超宽带天线阵列采用vivaldi天线的连接阵形式，如2010年的ieee transactions on antennas and propagation文章，“ultrawidebandall-metalflared notch arrayradiator”，存在剖面较高、交叉极化随扫描角度增大逐步恶化的缺点。
4.后来又出现了低剖面紧耦合偶极子的天线形式，2013年的ieee transactions on antennas and propagation文章，“a wideband,wide scanning tightly coupled dipole array with integrated balun(tcda-ib)”,为了实现超宽频带，阵元间距为0.23倍波长，为了达到阵元间距和带宽的折衷，可以采用天线阵元二合一的设计形式，然而二合一分合路带来的损耗也影响着天线阵列的辐射效率。
5.低剖面紧耦合偶极子，一般多采用machand巴伦来实现，如2019年ieee transactions onantennas and propagation文章“dual-linear polarized phased array with 9:1bandwidth and 60
°
scanning off broadside,”这种巴伦设计需要多层印制板的压合结构，多采用介电常数较低如er＝2.2的低损耗板材，成本和复杂度均较高。这对于超短波频率低端来讲，由于阵子尺寸较大，材料带来的成本增加问题愈发严重。
6.在专利cn114744409a《一种阻性材料加载的十倍频程双极化强耦合相控阵天线》中，采用阻性频率选择表面，辐射效率受到影响。
7.对于超宽带阵列天线来讲，边缘电流截断的效应不可避免，工程中采用边缘端口加载50欧姆负载的形式进行虚元(哑元)设计，口径利用率不高。专利cn112216980a《一种全口径强耦合超宽带对称偶极子相控阵天线》中边缘采用延长偶极子臂进行设计，针对法向的效果较好，对于扫描情况下效果欠佳。专利cn114709616a《基于幅相调控的超宽带强耦合天线阵边缘效应抑制方法》中通过对阵列单元端口幅度和相位激励的优化，提供了全扫描状态时的有源驻波改善的一种方法。当然针对瞬时全带宽范围内的性能问题，双极化有限阵的边缘设计还需要改善，从而提升瞬时全带宽接收和辐射的能力。
8.因此，对于低成本、高效率的超宽带阵列天线是工程应用的迫切需求，在超宽带相控阵中具有重要意义。


技术实现要素：

9.有鉴于此，本发明的目的在于提出一种超宽带阵列天线单元和有限阵列天线，该结构能够满足超宽带相控阵的低成本需求，提高超宽带阵列天线的口径利用效率。
10.为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
11.一种超宽带阵列天线单元，包括频选匹配层、集总元件匹配网络和地板；
12.所述频选匹配层包括第一介质板；所述第一介质板的其中一表面设有以矩形阵列方式排布的方形金属片；
13.所述频选匹配层的正下方设有第二介质板和第三介质板，且第一介质板、第二介质板和第三介质板均相互平行；
14.所述第二介质板的内表面和第三介质板的内表面相邻，且两者之间设有带状线和扇形金属片组；
15.所述第二介质板的外表面和第三介质板的外表面均设有渐变缝隙巴伦；所述渐变缝隙巴伦包括金属板，所述金属板的中间位置设有渐变缝隙，渐变缝隙从金属板的顶部至金属板的下半部分渐窄；所述渐变缝隙的最窄端还连接有用于完成带状线至渐变缝隙的谐振腔功能的圆形缺孔；所述渐变缝隙的两侧还设有用于与渐变缝隙的形状共同完成超宽带匹配的三角形缺孔；所述扇形金属片组包括第一扇形金属片和第二扇形金属片；所述第一扇形金属片位于渐变缝隙的投影和三角形缺孔的投影之间，第二扇形金属片位于圆形缺孔的投影和三角形缺孔的投影之间；
16.第一扇形金属片的尖端和第二扇形金属片的尖端均连接在带状线的馈电端口；
17.所述地板位于第二介质板和第三介质板的下方，且地板垂直于第二介质板和第三介质板；带状线的另一端通过微带线与集总元件匹配网络连接；
18.所述第一介质板和第二介质板之间还设有第四介质板；所述第四介质板与地板相互平行；形成渐变缝隙最宽位置的金属板两侧均设有与其对应的偶极子耦合层；所述偶极子耦合层包括顶耦合层和平面偶极子；所述顶耦合层位于第四介质板的上表面，平面偶极子位于第四介质板的下表面。
19.进一步的，所述第一扇形金属片和第二扇形金属片半径相等，并且两者同圆心设置。
20.进一步的，所述第一扇形金属片和第二扇形金属片位于渐变缝隙投影的同一侧。
21.进一步的，所述带状线的馈电端口正对渐变缝隙的最窄端，且带状线朝渐变缝隙投影的另一侧延伸。
22.进一步的，所述集总元件匹配网络包含两个电感和一个电容，一个电感n和电容o并联，然后与另一电感m串联至地板。
23.一种超宽带有限阵列天线，包括多个如上述的一种超宽带阵列天线单元；每四个相邻的天线单元共用同一偶极子耦合层；且四个相邻的天线单元之间的夹角为90
°
。
24.本发明采取上述技术方案所产生的有益效果在于：
25.a)本发明提供一种渐变缝隙偶极子单元，阵元间距为高端频率的0.51倍波长。常规超宽带阵列天线为拓展带宽，采用0.2-0.4倍的高端频率波长为间距。本发明按照大间距进行阵列设计，与常规超宽带阵列天线的过紧耦合或二合一的损耗相比，减少了通道的数量，提升了辐射效率，降低了成本。
26.b)本发明中所有的组成部分，如：频选匹配层、顶耦合层、双极化平面偶极子、渐变缝隙巴伦和集总参数匹配网络均采用普通板材fr4材料来制造，与常规超宽带阵列天线的低介电常数的昂贵材料相比，有效降低了超短波频段阵列天线的成本。
27.c)本发明采用渐变缝隙巴伦和集总参数匹配网络联合设计，与传统阵列天线加载阻性材料相比，提升了全频段的辐射效率，达到了超宽带的有效匹配。
28.d)本发明中的有限阵列采用口字型闭合设计，与常规边缘开口的阵列天线相比，减弱了边缘效应的突变性，维持了边缘影响的对称性，达到瞬时全带宽的良好性能。
附图说明
29.图1是本发明超宽带阵列天线单元的结构示意图；
30.图2是本发明在相邻的天线单元的连接结构示意图；
31.图3是图2的俯视图；
32.图4是图2的立体结构示意图；
33.图5是本发明超宽带阵列天线单元有源驻波和效率图；
34.图6是本发明超宽带有限阵列立体图。
35.图7是本发明超宽带有限阵列俯视图。
36.其中，1、方形金属片，2、渐变缝隙，3、三角形缺孔，4、集总元件匹配网络连接，5、微带线，6、地板，7、圆形缺孔，8、第二扇形金属片，9、带状线，10、第一扇形金属片，11、金属板。
具体实施方式
37.下面，结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
38.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
39.参照图1，一种超宽带阵列天线单元，包括频选匹配层、集总元件匹配网络和地板；
40.所述频选匹配层包括第一介质板；所述第一介质板的其中一表面设有以矩形阵列方式排布的方形金属片；
41.所述频选匹配层的正下方设有第二介质板和第三介质板，且第一介质板、第二介质板和第三介质板均相互平行；
42.所述第二介质板的内表面和第三介质板的内表面相邻，且两者之间设有带状线和扇形金属片组；
43.所述第二介质板的外表面和第三介质板的外表面均设有渐变缝隙巴伦；所述渐变缝隙巴伦包括金属板，所述金属板的中间位置设有渐变缝隙，渐变缝隙从金属板的顶部至金属板的下半部分渐窄；所述渐变缝隙的最窄端还连接有用于完成带状线至渐变缝隙的谐振腔功能的圆形缺孔；所述渐变缝隙的两侧还设有用于与渐变缝隙的形状共同完成超宽带匹配的三角形缺孔；所述扇形金属片组包括第一扇形金属片和第二扇形金属片；所述第一扇形金属片位于渐变缝隙的投影和三角形缺孔的投影之间，第二扇形金属片位于圆形缺孔的投影和三角形缺孔的投影之间；
44.第一扇形金属片的尖端和第二扇形金属片的尖端均连接在带状线的馈电端口；
45.所述地板位于第二介质板和第三介质板的下方，且地板垂直于第二介质板和第三介质板；带状线的另一端通过微带线与集总元件匹配网络连接；
46.所述第一介质板和第二介质板之间还设有第四介质板；所述第四介质板与地板相互平行；形成渐变缝隙最宽位置的金属板两侧均设有与其对应的偶极子耦合层；所述偶极子耦合层包括顶耦合层和平面偶极子；所述顶耦合层位于第四介质板的上表面，平面偶极子位于第四介质板的下表面。
47.进一步的，所述第一扇形金属片和第二扇形金属片半径相等，并且两者同圆心设置。
48.进一步的，所述第一扇形金属片和第二扇形金属片位于渐变缝隙投影的同一侧。
49.进一步的，所述带状线的馈电端口正对渐变缝隙的最窄端，且带状线朝渐变缝隙投影的另一侧延伸。
50.进一步的，所述集总元件匹配网络包含两个电感和一个电容，一个电感n和电容o并联，然后与另一电感m串联至地板。
51.参照图2至图4和图6、图7的一种超宽带有限阵列天线，包括多个如上述的一种超宽带阵列天线单元；每四个相邻的天线单元共用同一偶极子耦合层；且两个相邻的天线单元之间的夹角为90
°
。
52.下面为更详细的实施例：
53.本实施例中频选匹配层、顶耦合层、双极化平面偶极子、渐变缝隙巴伦、集总参数匹配网络均采用普通板材fr4材料，实现了超短波频段的低成本应用。
54.顶耦合层采用平面设计，易于满足子阵模块化时的电连续要求，有助于子阵拆卸和组装的平面化操作。
55.双极化平面偶极子和渐变缝隙巴伦采用金属连接设计，形成一种新型的渐变缝隙偶极子，实现了大于高端频率的半波长间距，减少了通道的数量，降低超宽带阵列系统的成本。
56.本发明中的渐变缝隙巴伦和集总参数匹配网络联合优化设计，在不使用阻性材料的前提下，实现了超宽带9个倍频程的良好匹配，提升了全频段的辐射效率。
57.有限阵列，采用口字型封闭8*9双极化单元进行阵列组合设计，维持了有限阵列边缘电流的对称性，减弱了常规8*8双极化单元l”型组合边缘的开口突变性。然后对所有端口采用一组幅相馈电加权参数，达到瞬时全带宽的良好性能。
58.超宽带阵列天线单元从上到下依次为频选匹配层、顶耦合层、双极化平面偶极子、渐变缝隙巴伦、集总参数匹配网络和地板。超宽带阵列天线单元轮廓的形状由各参数综合设计，单元的高度b，耦合缝的深度e，渐变缝隙的最宽尺寸d渐变缝隙的最窄尺寸h，渐变缝隙的指数曲率p，各参数数值详见表1。
59.频选匹配层由多组方形金属块组成，排列在厚度0.254mm的fr4板材上。顶耦合层和平面偶极子由两层金属层组成，分布在厚度为0.508mm的fr4板材的上下两面。顶耦合层是圆形金属片，双极化平面偶极子是对角菱形，与渐变缝隙巴伦通过金属支撑相连。子阵之间的拼接，通过顶耦合的金属进行接触连接。
60.渐变缝隙巴伦由三层金属层和两层厚度为1mm的介质fr4板材组成。集总参数匹配网络由电容和电感组成。渐变缝隙由宽变窄，在最宽处连接平面偶极子，在最窄处用带状线
耦合馈电。带状线耦合馈电一端由两组扇形金属片并接组成，另一端由带状线转化为微带线，与集总元件匹配网络相连。
61.集总元件匹配网络包含两个电感和一个电容，一个电感n和电容o并联，然后与另一电感m串联至地。
62.有限阵列包括超宽带阵列天线单元按照大于频率高端的半波长组合成封闭口字型8*9有限子阵。然后采用一组瞬时全带宽幅相进行馈电，达到有限阵全口径全端口全带宽的优良效果。
63.阵元的宽度a，单元的高度b，频选的金属片高度c，渐变缝隙的最宽尺寸d，耦合缝的深度e，带状线耦合扇形片长度f，耦合馈电的圆形空腔直径g，渐变缝隙的最窄尺寸h，带状线的耦合宽度i，微带线的宽度j，顶耦合贴片的直径k，平面偶极子的长度l，集总元件电容o，电感m和n，渐变缝隙的指数曲率p。
64.频选匹配层由厚度0.254mm的fr4印制板实现，表面蚀刻周期性的多组金属块，改善了空间阻抗的匹配。
65.顶耦合层和双极化平面偶极子由厚度为0.508mm的fr4印制板实现，顶耦合层为金属圆形，对双极化的水平偶极子进行耦合作用，拓展了工作的带宽。
66.双极化平面偶极子与渐变缝隙巴伦通过金属支撑螺钉实现电接触连接。子阵之间的拼接，通过顶耦合的金属圆片进行接触式互联连接，有助于实现模块化子阵的便捷工程化。
67.渐变缝隙巴伦由厚度为1mm的fr4印制板两层压合而成。渐变缝隙巴伦由三层金属层组成，上下两层为渐变缝隙的形状，通过金属化过孔进行连接，实现超宽带的阻抗匹配转换。中间层为带状线耦合馈电设计，带状线的一端连接两组扇形金属片，另一端连接微带转换部分，带状线与微带线的转接通过金属化过孔维持地电流的连续性。
68.微带线上进行集总参数匹配网络的设计，进一步提高频率低端的匹配效果。集总参数匹配网络由电感和电容并联后，再与一个电感串联组成。其天线单元有源驻波和效率图参照图5。
69.有限阵列按照由水平极化8*9阵元，垂直极化9*8阵元，共同组合成封闭的口字型阵列，水平方向和垂直方向的布阵间距dx和dy相同，均等于阵元的宽度a，实现了大于高端频率半波长的大间距。在此基础上采用一组幅相激励加权馈电，改善边缘端口的反射系数，提高全口面的辐射有效性。
70.表1超宽带阵列天线单元参数数值表
71.
技术特征：
1.一种超宽带阵列天线单元，其特征在于，包括频选匹配层、集总元件匹配网络和地板；所述频选匹配层包括第一介质板；所述第一介质板的其中一表面设有以矩形阵列方式排布的方形金属片；所述频选匹配层的正下方设有第二介质板和第三介质板，且第一介质板、第二介质板和第三介质板均相互平行；所述第二介质板的内表面和第三介质板的内表面相邻，且两者之间设有带状线和扇形金属片组；所述第二介质板的外表面和第三介质板的外表面均设有渐变缝隙巴伦；所述渐变缝隙巴伦包括金属板，所述金属板的中间位置设有渐变缝隙，渐变缝隙从金属板的顶部至金属板的下半部分渐窄；所述渐变缝隙的最窄端还连接有用于完成带状线至渐变缝隙的谐振腔功能的圆形缺孔；所述渐变缝隙的两侧还设有用于与渐变缝隙的形状共同完成超宽带匹配的三角形缺孔；所述扇形金属片组包括第一扇形金属片和第二扇形金属片；所述第一扇形金属片位于渐变缝隙的投影和三角形缺孔的投影之间，第二扇形金属片位于圆形缺孔的投影和三角形缺孔的投影之间；第一扇形金属片的尖端和第二扇形金属片的尖端均连接在带状线的馈电端口；所述地板位于第二介质板和第三介质板的下方，且地板垂直于第二介质板和第三介质板；带状线的另一端通过微带线与集总元件匹配网络连接；所述第一介质板和第二介质板之间还设有第四介质板；所述第四介质板与地板相互平行；形成渐变缝隙最宽位置的金属板两侧均设有与其对应的偶极子耦合层；所述偶极子耦合层包括顶耦合层和平面偶极子；所述顶耦合层位于第四介质板的上表面，平面偶极子位于第四介质板的下表面。2.根据权利要求1所述的一种超宽带阵列天线单元，其特征在于，所述第一扇形金属片和第二扇形金属片半径相等，并且两者同圆心设置。3.根据权利要求1所述的一种超宽带阵列天线单元，其特征在于，所述第一扇形金属片和第二扇形金属片位于渐变缝隙投影的同一侧。4.根据权利要求1所述的一种超宽带阵列天线单元，其特征在于，所述带状线的馈电端口正对渐变缝隙的最窄端，且带状线朝渐变缝隙投影的对侧延伸。5.根据权利要求1所述的一种超宽带阵列天线单元，其特征在于，所述集总元件匹配网络包含两个电感和一个电容，一个电感n和电容o并联，然后与另一电感m串联至地板。6.一种超宽带有限阵列天线，其特征在于，包括多个如权利要求1至5任意一项所述的一种超宽带阵列天线单元；每四个相邻的天线单元共用同一偶极子耦合层；且相邻的两个天线单元之间的夹角为90
°
。

技术总结
本发明公开了一种超宽带阵列天线单元和有限阵列天线，属于通信、雷达、电子对抗等多功能宽带一体化技术领域。该天线包括频选匹配层、集总元件匹配网络和地板；频选匹配层包括第一介质板；第一介质板的其中一表面设有以矩形阵列方式排布的方形金属片；频选匹配层的正下方设有第二介质板和第三介质板，且第一介质板、第二介质板和第三介质板均相互平行；第二介质板的内表面和第三介质板的内表面相邻，且两者之间设有带状线和扇形金属片组。本发明能够满足超宽带相控阵的低成本需求，提高超宽带阵列天线的口径利用效率。阵列天线的口径利用效率。阵列天线的口径利用效率。


技术研发人员：姜海玲 敦书波 张海福 余贤 王浩 王亚涛 刘晓 李昕桉 杜克 郭子放
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第五十四研究所
技术研发日：2023.04.24
技术公布日：2023/7/21