一种宽带方位面宽角扫描阵列天线、控制方法及应用

本发明属于天线，尤其涉及一种宽带方位面宽角扫描阵列天线、控制方法及应用。

背景技术：

1、目前，在小型无人机和机载通信系统中，为了能安装在机身，实现隐身的目的，提出了一系列平装小型机载天线，如表面波天线、喇叭槽天线，顶帽天线等等。但是，这些天线只能提供固定的波束，并且在较小的扫描角度下，也会存在潜在的光栅瓣，因此很难用这种天线单元来构建波束扫描阵列。

2、最近，一种宽带方位面宽角扫描阵列天线被开发出来，具有低轮廓、宽带宽和高增益的特点。但是，该阵列天线可扫描的角度仅为±45°，对于更高的通信要求无法满足。

3、因此，如何让天线实现更大角度的扫描是宽带方位面宽角扫描阵列天线研究中亟需解决的问题。

4、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

5、1.受限的扫描角度：现有的扫描阵列天线往往只能在较小的扫描角度范围内工作。当需要扫描的角度增大时，天线的性能会显著下降。这主要是由于天线设计的物理限制，使得天线无法在大角度范围内有效地接收或传输信号。

6、2.固定波束的限制：现有的天线通常只能产生固定的波束。这意味着天线的方向性是固定的，无法根据需要进行调整。这限制了天线在一些需要动态调整波束方向的应用中的使用。

7、3.存在的光栅瓣问题：在扫描角度较小的情况下，现有的天线可能会产生潜在的光栅瓣。光栅瓣会产生不需要的辐射或接收，影响天线的性能。尽管有一些方法可以降低光栅瓣的影响，但这些方法通常会增加系统的复杂性和成本。

8、因此，如何设计一种可以实现大角度扫描，具有动态调整波束方向能力，且不产生光栅瓣的宽带方位面宽角扫描阵列天线，是当前天线技术研究中亟待解决的关键技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种宽带方位面宽角扫描阵列天线、控制方法及应用。

2、本发明是这样实现的，一种宽带方位面宽角扫描阵列天线，包括：16个天线单元，矩阵单元由5个负载不同尺寸的月牙形顶帽的单极子组成，由同轴线到共面带线馈电。所述天线单元带宽32.3％，波束宽度大于150度，本实例基于所述单元，构建了1*16和2*8阵列天线，可实现±90°大角度扫描，并且可以将单元进行垂直拓展，压缩俯仰面波束宽度。

3、具体包括：

4、步骤一，用5个负载不同尺寸的月牙形顶帽的单极子组成天线单元；

5、进一步，所述顶帽单极子的几何结构由有限金属地、垂直柱子和顶帽组成；

6、进一步，所述顶帽介质衬底选择介电常数为2.2，损耗角正切为0.001的介质板。

7、步骤二：用同轴线、微带线和共面带线为天线馈电；

8、进一步，所述同轴线内导体一端连接微带线，外导体同时连接金属地和共面带线。电磁能量沿微带线传播，通过共面带线的间隙，耦合到共面带线上。

9、进一步，所述共面带线为有着背面接地结构的宽度不同的金属片，通过弯曲来连接垂直柱子，使柱子能够沿直线对齐，来得到所需要的相位差。

10、进一步，所述顶部的介质衬底选择介电常数为10.2，损耗角正切为0.0025的介质板，底部介质衬底选择介电常数为2.2，损耗角正切为0.001的介质板。

11、步骤三：基于所述单元，将贴片连接，并构建1*16和2*8阵列天线。

12、本发明的另一目的在于提供一种无人机，所述无人机搭载所述宽带方位面宽角扫描阵列天线。

13、本发明的另一目的在于提供一种机载通信系统，所述机载通信系统搭载所述宽带方位面宽角扫描阵列天线。

14、本发明的另一目的在于提供一种所述宽带方位面宽角扫描阵列天线的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：

15、顶帽单极子由有限金属地、垂直柱子和顶帽组成，所有的单极子具有相同的高度，并都沿着同一条直线排列，单极子上装有不同尺寸的顶帽，以实现所需要的谐振频率；

16、共面带线的宽度沿距离不断变化，以实现良好的阻抗匹配，在共面带线的末端连接有两个金属化过孔，用以吸收天线剩余的电磁波。

17、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

18、第一、本发明提出一种宽带方位面宽角扫描阵列天线，利用该天线的特性，再对顶帽天线的形状做出改变，使天线单元的波束宽度在150°以上。将天线单元组成阵列，利用单元之间连接的贴片，降低天线之间的耦合，实现了±90°波束扫描。本发明在降低天线高度的同时，能够实现大角度扫描，在无人机和机载通信系统中的潜力很大。

19、第二，本发明提出一个新结构的16单元大角度扫描天线阵列，相比于其他的天线阵列，可以实现大角度扫描，具有良好的扫描性能，并且可以将单元进行垂直拓展，压缩俯仰面波束宽度。并且，这种宽带方位面宽角扫描阵列天线具有相对简单的结构和制造过程，使其更容易进行制造、装配和维护，降低了制作的成本和复杂性。同时，也能够根据不同的需求以及应用场景对天线进行适当的定制和调整，比如改变单元数量、排列方式和激励控制等，来适应不同的尺寸、频率和角度要求。

20、第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：

21、(1)本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：

22、宽带方位面宽角扫描阵列天线能够满足大角度宽带扫描应用的需求，包括通信、雷达、航空、航天等领域。与一般的尺寸大笨重的相控阵不同，该天线具有相对简单的结构和制造过程，使其更容易进行制造、装配和维护，降低了制作的成本和复杂性。同时，该天线具有良好的宽带性能、辐射效率和灵活性，能够提供更好网络覆盖能力和通信质量，用于提高雷达监测和定位跟踪的准确性，提升航空航天系统的性能和安全性。这将满足用户对更高性能和更可靠解决方案的需求。

23、(2)本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：

24、传统的大角度扫描阵列重量重，尺寸大，不能满足安装在飞机、无人机以及其他通讯设备上的需求，而现阶段能满足尺寸以及重量要求的天线又难以实现更大角度的波束扫描。本发明既解决了尺寸和重量问题，同时又可以实现±90°波束扫描，填补了国内外业内技术空白。

25、第四，每个权利要求都体现了一种显著的技术进步：

26、权利要求1：通过设计包括16个天线单元，每个由5个负载不同尺寸的月牙形顶帽的单极子组成的阵列天线，可以实现宽带方位面的宽角扫描。使用共面带线馈电和三层结构，以及在共面带线末端添加金属化过孔以吸收剩余功率，都有助于提升天线的性能和效率。

27、权利要求2：通过使用特定的几何结构，包括有限地面、垂直柱子和顶帽，可以进一步优化天线的性能，例如改善其扫描角度或增加其带宽。

28、权利要求3：通过在同轴线内部连接相同特性阻抗的微带线，并使微带线穿过共面带线的间隙，可以将沿微带线传播的电磁能量耦合到共面带线上，从而进一步提升天线的性能。

29、权利要求4：通过使用宽度不同的金属片作为共面带线，并弯曲它们来交替连接垂直柱子，可使柱子沿直线对齐，来得到所需要的相位差。这种设计有助于提升天线的宽带性能和扫描能力。

30、权利要求5：通过选择特定的介质衬底，可以进一步优化天线的性能。这些材料的介电常数和损耗角正切都被精心选择以满足特定的性能要求。

31、权利要求6：顶帽介质衬底的材料选择也是根据其特性来进行的，这同样有助于优化整个天线系统的性能。

32、总的来说，每一项权利要求都针对天线的某一特性或功能进行了优化和改进，从而实现了大角度扫描、宽带、高效率和高性能的宽带方位面宽角扫描阵列天线。