一种超宽带双臂偶极子强耦合相控阵天线

本发明属于天线工程，具体涉及一种超宽带双臂偶极子强耦合相控阵天线，具有频带宽、结构紧凑、辐射效率高等特点。

背景技术：

1、随着无线通信技术的快速发展，民用和军用通讯对天线的功能有更高的要求，例如高增益、可调控的波束扫描。于是天线的形式由原本的单天线发展为多个天线单元组成的天线阵列，而阵列天线的波束扫描优势也由最初的机械式扫描发展为稳定精确的电控扫描。现如今的电控相控阵已经基本使用有源固态收发组件对各个天线单元的激励幅度和相位进行电子控制，成熟的电子调控技术使得相控阵天线能够实现快速波束扫描、综合波束形成、高精度追踪以及自适应抗干扰等先进的电子通讯功能，相控阵也因此被广泛应用在与民用军用相关的各个场景中。

2、传统的相控阵的设计是从单独的天线单元出发，忽略了阵列天线不同单元之间的耦合效应，先设计独立的宽带天线单元然后再将该天线单元进行合理组阵，为了避免阵列扫描时出现栅瓣，组阵时的单元间距不能过大，但同时过小的单元间距会增大不同单元之间的耦合效应，所以在天线阵列组阵时还需要减小单元之间的耦合，以避免周围单元对天线单元本身的带宽性能的影响。另外这类传统的宽带相控阵，往往都具有体积大，结构复杂，剖面高等缺陷。而强互耦相控阵天线利用单元之间的耦合效应形成连续电流，以拓展天线的低频工作带宽，增大天线波束扫描范围，不仅在设计之初就利用了单元之间的耦合，更具有单元小型化，剖面较低，整体平面结构和散射较低等优势。

3、2019年，文献“low-profile,lightweight,ultra-wideband tightly coupleddipole arrays loaded with split rings”提出了一种开口环加载的超宽带紧耦合天线阵列，其天线结构不加载任何有耗材料，实现了频带内高效率辐射，但是其阻抗带宽仅为7.2：1。2022年，文献“a ferrite-loaded ultralow profile ultrawideband tightlycoupled dipole array”提出了一种铁氧体加载型超低剖面强耦合超宽带偶极子相控阵，通过加载铁氧体条带，降低了天线剖面高度，实现了10：1的超宽带阻抗带宽，但是由于加载了有耗材料，带内最低辐射效率降为30％。

4、上述文献都对强耦合天线形式做出了贡献，但是目前强耦合天线的性能还有极大的改善余地，因此对新颖的天线结构展开研究从而获得更高性能的天线技术指标，具有非常重要的实际工程意义。

技术实现思路

1、本发明在上述背景技术的基础上，针对现有技术的不足，提出了一种超宽带双臂偶极子强耦合相控阵天线，解决了现有强耦合相控阵中天线尺寸较大、剖面较高、结构复杂，以及常见的超宽带强耦合相控阵天线存在阻性材料造成损耗的问题。

2、为实现上述目的，本发明采用的解决方案为：超宽带双臂偶极子强耦合相控阵天线，包括极化旋转表面层、超材料宽角阻抗匹配层、强耦合双臂偶极子单元、锥形渐变馈电巴伦、金属反射地板、同轴电缆。

3、所述极化旋转表面层包含周期分布的金属条带结构，印刷在厚度0.508mm、介电常数2.2的介质板上；金属条带结构通过产生与天线主极化方向相同的感应电流，改善天线的交叉极化水平；所述超材料宽角阻抗匹配层包含周期分布的倾斜交叉型金属条带结构，印刷在厚度0.508mm、介电常数2.2的介质板上；倾斜交叉型金属条带通过增强e面、h面的电流耦合，改善天线的在e面、h面的扫描能力。

4、进一步地，所述强耦合双臂偶极子单元包括印刷在介质板两侧的双臂天线金属结构，介质板的厚度为0.508mm，介电常数为2.2，偶极子天线的每一条双臂结构都包括了两个枝节，与不同位置的天线单元耦合，使得天线有更紧凑的结构同时保证了更宽的工作带宽，考虑到天线阵列焊接的简便性，偶极子天线单元的两条双臂结构与锥形渐变馈电巴伦的焊接点都在介质板的上方，其中两条双臂的部分结构印刷在介质板上方并在边缘处通过金属化过孔与介质板下方的双臂结构实现电连接。

5、进一步地，所述锥形渐变馈电巴伦包括锥形渐变线、馈线、v型槽的金属结构，其中锥形渐变线结构与馈线结构印刷在厚度为0.635mm，介电常数为6.15的介质板两侧，v型槽结构印刷在厚度为0.381，介电常数为2.2的介质板一侧，两块介质板通过介电常数为3.15，厚度为0.102mm的pp板粘结在一起，同时锥形渐变线结构与v型槽结构通过介质板上的金属化过孔实现电连接。

6、进一步地，金属地板厚度为3mm，金属地板上设置圆柱通孔以及矩形槽，锥型渐变馈电巴伦安装固定在金属地板上的矩形槽内，同轴电缆通过圆柱通孔与锥形渐变馈电巴伦电连接，以焊接的方式实现固定。

7、综上所述，本天线有以下创新：一、设计了一款双臂偶极子强耦合相控阵天线，该天线的每一条偶极子臂都含有两个枝节，因此称为双臂天线，实现了更宽的工作频段，同时实现了天线阵列的小型化；二、设计了一款极化旋转表面，保证了天线宽带工作的同时改善了天线阵列的交叉极化水平；三、设计了一款宽角阻抗匹配层，该匹配层适配双臂天线结构，改善了双臂天线e面、h面的扫描能力。

8、本发明具有的有益效果为：提出了一款超宽带双臂偶极子强耦合相控阵天线，该天线在不加载任何阻性损耗材料的情况下，实现了10倍频的带宽，天线拥有更简单的结构以及更高的辐射效率，同时该强耦合天线拥有更紧凑的结构以及更低的剖面高度，大大减小了天线设备的面积。

技术特征：

1.一种超宽带双臂偶极子强耦合相控阵天线，其特征在于，包括极化旋转表面(1)、超材料宽角阻抗匹配层(2)、强耦合双臂偶极子单元(3)、锥形渐变馈电巴伦(4)以及金属反射地板(5)；所述强耦合双臂偶极子单元(3)拥有四条双臂结构，每条双臂都拥有一长一短的两个枝节，与不同位置的天线单元耦合；所述锥形渐变馈电巴伦(4)与强耦合双臂偶极子单元(3)焊接以保证电连接，并置于所述强耦合双臂偶极子单元(3)下方以及金属反射地板(5)上方，考虑到天线阵列焊接的简便性，偶极子天线单元(3)的四条双臂结构与每个锥形渐变馈电巴伦(5)的焊接点都在介质板(301)的上方，其中两条双臂的部分结构印刷在介质板(301)上方并在金属结构边缘处通过金属化过孔(303)与介质板(301)下方的金属双臂结构实现电连接；所述超材料宽角阻抗匹配层(2)置于强耦合双臂偶极子单元(3)的上方；所述极化旋转表面(1)置于超材料宽角阻抗匹配层(2)的上方。

2.根据权利要求1所述的超宽带双臂偶极子强耦合相控阵天线，其特征在于，所述极化旋转表面(1)由介电常数为2.2，厚度为0.508mm的介质基板(101)以及印刷在介质基板(101)上面的水平金属条带(102)组成，金属条带(102)通过产生与天线主极化方向相同的感应电流，改善天线的交叉极化水平。

3.根据权利要求1所述的超宽带双臂偶极子强耦合相控阵天线，其特征在于，所述超材料宽角阻抗匹配层(2)由介电常数为2.2，厚度为0.508mm的介质基板(201)以及印刷在介质基板(201)上面的倾斜交叉型金属条带(202)组成，倾斜交叉型金属条带(202)通过增强e面、h面的电流耦合，改善天线的在e面、h面的扫描能力。

技术总结
本发明属于天线工程技术领域，涉及一种超宽带双臂偶极子强耦合相控阵天线，包括极化旋转表面层、超材料宽角阻抗匹配层、强耦合双臂偶极子单元、锥形渐变馈电巴伦、金属反射地板。强耦合双臂偶极子单元包括印刷在介质板两侧的双臂天线金属结构，每一条双臂结构都包括了两个枝节，与不同位置的天线单元耦合，使得天线有更紧凑的结构同时保证了更宽的工作带宽；双臂偶极子单元的上方加载了极化旋转表面层以及超材料宽角阻抗匹配层来改善双臂天线的交叉极化特性以及宽角扫描特性。本发明通过对偶极子天线结构的精心设计实现了10倍频的超宽带特性，同时天线结构不包含任何损耗材料，并且还具有低剖面、紧凑、宽角扫描等特点。

技术研发人员：陈益凯,张婷婷,杨仕文
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15