一种用于二维非对称宽角扫描的低剖面双圆极化微带天线阵的制作方法

本发明属于用于接收、也可用于发射无线电波，或实现同时收发工作的天线技术领域，涉及一种双圆极化微带天线阵，具体涉及一种用于二维非对称宽角扫描的低剖面双圆极化微带天线阵。

背景技术：

对卫星通信和遥感系统来说，为有效传输信息，克服电离层法拉第旋转效应引起的极化畸变，要求天线具有圆极化的性能，且同一天线阵面在接收模式与发射模式下同时工作，这就要求天线具备双圆极化的工作能力。军用方面，空间目标预警领域，各国也普遍采用双圆极化天线作为基本辐射单元组阵。在民用方面，广播电视系统采用双圆极化天线亦可有效减小信号漏失、克服重影。这也一定程度上也推动了双圆极化天线技术的发展。因此双圆极化天线技术在军用和民用领域的应用范围越来越广泛。

在机载和星载的应用场合，特别强调对天线剖面的要求，以免改变飞行器的气动特性、影响运输发射或带来其他不必要的机械干涉。

微带天线具有低成本、低剖面、易于集成和共形的特点，适于设计低剖面圆极化天线。常见的圆极化微带天线的实现方式有三种：

一、单元级实现，即通过合适的馈电方式实现双圆极化的性能，再将对应的天线单元周期性排列组阵（张继龙，卢春兰，钱祖平等．一种新型圆极化贴片天线的研究［j］．微波学报，35(3)，2009:31-33．）。其优点是组阵方式较为自由，不需遵循严格的空间位置要求。各个单元的驻波、隔离性能一致，驻波带宽较宽。缺点是馈电网络较复杂。

二、阵列级实现，即通过旋转相同的微带天线单元，实现相邻单元之间的相位差，从而实现天线的圆极化的辐射性能（曹媛，一种bgan系统微带天线的设计制作.大连海事大学,硕士论文，2008.3）。该方法馈电网络简单，轴比带宽能达到最宽，并可取得最小的轴比，天线增益高。缺点是结构复杂，成本高。

三、混合模式，将以上两种实现方式组合，以期实现更优的电性能。

为了实现微带天线的宽带性能，常用的技术有背腔技术（詹珍贤，王周海．x波段二维宽带宽扫背腔微带天线［j］．雷达与对抗，34(2)，2014:44-47．）、耦合馈电技术（冯钧．一种h形槽耦合微带天线模型及分析［j］．视听界(广播电视技术)，1，2007:28-31．）和多层贴片技术（马汉清,姜兴．一种小型化宽带贴片天线的设计［j］．广西科学院学报，21(增刊)，2005:94-96．）。三种技术在一定程度上都展宽了微带天线的带宽。如果组合使用，可以得到更宽的带宽。

现有的技术资料指出了圆极化的实现方式和展宽宽带微带天线的方法，但是相关工作考虑的带宽指的是驻波带宽。在有源阵列中，天线单元间存在互耦，以有源驻波衡量天线性能更为准确（马春娥，陈智慧，田垒．适于相控阵应用的宽带微带天线［j］．弹箭与制导学报，1，2015:28-31．）。它更精确地反映了电磁能量辐射的效率。因为天线的互耦随扫描角度的变化导致有源驻波随之变化，所以扫描范围内有源驻波的调节比驻波更为困难。此外，大角度扫描后轴比也会恶化，这也需要通过恰当的天线设计予以补偿。特别的，在二维扫描范围要求不对称时，还需要对二维扫描性能做折中处理。

现有的组阵技术中，单元的馈电位置围绕天线子阵的边缘。天线子阵内部的耦合较小。而天线子阵边缘的耦合较大。耦合的不均匀性将导致天线大角度扫描的有源驻波恶化。现有的单元技术在耦合馈电的部分采用等长双臂或四臂的馈电方式，没有考虑二维扫描范围不同对天线的要求差异。

技术实现要素：

为了解决双圆极化微带天线的宽角扫描问题，使双圆极化微带天线阵具有非对称宽带宽角扫描、低有源驻波、高隔离、低轴比、低剖面的特点，本发明提供一种用于二维非对称宽角扫描的低剖面双圆极化微带天线阵。

用于二维非对称宽角扫描的低剖面双圆极化微带天线阵包括由四个以上的双圆极化微带天线子阵按二维周期性延拓组成；每个双圆极化微带天线子阵由四个低剖面双圆极化微带天线组成，呈田字形；每个低剖面双圆极化微带天线包括矩形的金属背腔7，金属背腔7内由上至下依次设有上层微带板1、上层泡沫板2、下层微带板3、中层泡沫板4、金属薄膜5和下层泡沫板6，并通过两个连接器8连接作为射频接口；改进在于：

所述每个低剖面双圆极化微带天线的剖面厚度为0.08倍中心频率波长；

所述上层微带板1的外侧面上设有矩形的金属层，矩形的金属层外部套设有金属边框；

所述下层微带板3的上表面设有两对金属臂，两对金属臂呈放射状十字分布，两对金属臂的外端分别位于下层微带板3的四边的边缘处，两对金属臂的内端呈不接触状态；

所述金属薄膜5设于中层泡沫板4的下表面中心，且与下层微带板3的两对金属臂内端对应，金属薄膜5的中心与上层微带板1的中心、下层微带板3的中心在一条直线上；

所述两个连接器8的内导体分别连接着两对金属臂中的一条臂，两个连接器8的外导体分别连接着金属背腔7；且每个低剖面双圆极化微带天线中的两个连接器8分别位于相邻两侧边的边缘处；

每个双圆极化微带天线子阵中，按顺时针方向旋转，每个低剖面双圆极化微带天线中的一个连接器8位于子阵边缘处，另一个连接器8位于子阵中相邻低剖面双圆极化微带天线的边缘处。

进一步限定的技术方案如下：

所述上层微带板1的材料和下层微带板3的材料均为微波复合介质基板，厚度为0.127mm。

所述上层微带板1外侧面上的金属层为正方形的金属贴片11，所述正方形的边长为0.35倍中心频率波长；金属边框的宽度为0.005倍中心频率波长，金属边框的内侧边和金属贴片11的周边之间的间距均为0.005倍中心频率波长。

所述两对金属臂为长度不等的一对长金属臂和一对短金属臂，两对金属臂的外端距下层微带板3的边缘之间的间距相等；两对金属臂的外端均为圆弧形；所述长金属臂的长度为0.14倍中心频率波长，短金属臂的长度小于长金属臂的长度；所述金属臂的宽度为0.02倍中心频率波长。

所述上层泡沫板2、中层泡沫板4和下层泡沫板6的厚度比为1：1：2。

所述金属薄膜5为正方形，边长为0.14倍中心频率波长。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1、本发明在下层微带板采用非对称的四臂结构，折中了二维不同扫描范围对天线的要求。可实现一维±60°，一维±30°的扫描。非等长金属臂构造了与上层微带贴片和下层金属薄膜间不同的分布电容，对探针馈电的感性补偿有差异，从而形成了两个端口的不同的相位频率响应特性，可针对二维扫描的非对称性实现非对称的补偿，平衡宽角扫描范围内不同扫描角度的有源驻波特性。

2、本发明在下层微带板与背腔内底面之间设有金属薄膜，加强馈电耦合，有效降低天线剖面厚度至0.08个中心频率自由空间波长。

3、旋转组阵方式使天线单元的极化性能和组阵方式的圆极化性能实现了叠加，降低了轴比。±30°扫描轴比小于1.5db，±60°扫描轴比小于4.5db。

4、均匀的旋转组阵方式减小了不同天线单元馈电部位的互耦，提升了有源驻波和隔离性能，拓展了工作带宽。相对带宽15%内，非扫描态，端口有源驻波优于2.0，端口隔离优于-10db。扫描态，端口有源驻波优于3.0，端口隔离优于-6db。

5、在上层微带贴片附加边框，减小了天线单元间的互耦。

附图说明

图1为本发明立体结构示意图。

图2为一个天线单元的分解图。

图3为上层微带板的结构示意图。

图4为下层微带板的结构示意图。

图5为中层泡沫板的结构示意图。

图6为下层泡沫板的结构示意图。

图7为四个天线单元组阵的示意图。

图8为实施例1的天线阵在外接电桥的阵中环境下有源驻波性能图。

图9为实施例1的天线阵在外接电桥的阵中环境下隔离性能图。

图10为实施例1的天线阵的中频典型波瓣图。

上图中序号：上层微带板1、上层泡沫板2、下层微带板3、中层泡沫板4、金属薄膜5、下层泡沫板6、金属腔体7、连接器8、金属贴片11、金属边框12。第一金属臂31、第二金属臂32、第三金属臂33、第四金属臂34、第一连接孔35、第二连接孔36、第一连接器内导体41、第二连接器内导体42。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。

实施例

在本实施例中方位向需要扫描±60°，俯仰向需要扫描±30°。方位向单元间距选为0.48λ0，扫描向单元间距选为0.49λ0；其中λ0为中心频率波长，即光速与天线中心频率的比值。

参见图1，用于二维非对称宽角扫描的低剖面双圆极化微带天线阵由21个双圆极化微带天线子阵按二维周期性延拓组成。参见图7，每个双圆极化微带天线子阵由四个低剖面双圆极化微带天线组成田字形。参见图2，每个低剖面双圆极化微带天线包括矩形的金属背腔7，金属背腔7内由上至下依次设有上层微带板1、上层泡沫板2、下层微带板3、中层泡沫板4、金属薄膜5和下层泡沫板6，并通过两个连接器8连接作为射频接口。

每个低剖面双圆极化微带天线的剖面厚度为0.08倍中心频率波长。

参见图3，上层微带板1的外侧面上设有矩形的金属层，金属层为金属贴片11，矩形的金属层外部套设有金属边框12。正方形的金属贴片11的边长为0.35倍中心频率波长；金属边框12的宽度为0.005倍中心频率波长，金属边框12的内侧边和金属贴片11的周边之间的间距均为0.005倍中心频率波长。

参见图4，下层微带板3的上表面设有一对长金属臂和一对短金属臂，一对长金属臂为第一金属臂31和第三金属臂33，一对短金属臂为第二金属臂32和第四金属臂34，两对金属臂的外端均为圆弧形。两对金属臂呈放射状的十字分布，两对金属臂的外端分别位于下层微带板3的四边的边缘处，且与下层微带板3边缘之间的间距相等；两对金属臂的内端呈不接触状态。长金属臂的长度为0.14倍中心频率波长，短金属臂的长度约为长金属臂的0.9倍；所述金属臂的宽度为0.02倍中心频率波长。

金属薄膜5设于中层泡沫板4的下表面中心，且与下层微带板3的两对金属臂内端对应，金属薄膜5的中心与上层微带板1的中心、下层微带板3的中心在一条直线上。

参见图4和图5，两个连接器8的内导体分别连接着两对金属臂中的一条臂，即第一连接器内导体41通过第一连接孔35连接着第一金属臂31，第二连接器内导体42通过第二连接孔36连接着第二金属臂32。两个连接器8的外导体分别连接着金属背腔7；且每个低剖面双圆极化微带天线中的两个连接器8分别位于相邻两侧边的边缘处。

参见图7（a）或图7（b），每个双圆极化微带天线子阵中，按顺时针方向旋转，每个低剖面双圆极化微带天线中的一个连接器8位于子阵边缘处，另一个连接器8位于子阵中相邻低剖面双圆极化微带天线的边缘处。

图8给出了该实施例天线阵在外接电桥的阵中环境下有源驻波的实测曲线，表明该天线在相对带宽约15％的工作频带内，法向有源驻波优于1.4，扫描态有源驻波优于2.2。

图9给出了该实施例天线阵在外接电桥的阵中环境下端口隔离的实测曲线，表明该天线在相对带宽约15％的工作频带内，法向端口隔离优于-10db，扫描态端口隔离优于-6db。

图10给出了该实施例中频典型波瓣图的仿真结果。该天线阵在整个工作频带内法向交叉极化优于-25db。仿真所得扫描30°和扫描60°的轴比分别为0.86db和3.40db。

本发明天线提出了一种二维非对称宽角扫描的低剖面双圆极化微带天线阵，具体包括可产生双圆极化天线单元及一种特殊的旋转组阵方式。具体采用了双圆极化微带天线技术、背腔技术、非对称金属臂馈电技术、金属薄膜耦合技术和旋转组阵技术。尽管本发明在此参照一个优选实施例方案进行了描述，但本领域技术人员应认识到在不脱离所附权利要求书中阐明的本发明的精神和范围情况下，可对其简单替换，如使用圆形微带贴片，增加金属薄膜的层数，在金属背腔中附加传输线改变连接器的对外接口位置等，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的发明保护范围。