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CN115473034A - 一种基于带状线缝隙耦合的金属槽线天线 - Google Patents

一种基于带状线缝隙耦合的金属槽线天线 Download PDF

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CN115473034A CN202211147771.4A CN202211147771A CN115473034A CN 115473034 A CN115473034 A CN 115473034A CN 202211147771 A CN202211147771 A CN 202211147771A CN 115473034 A CN115473034 A CN 115473034A
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周浩
于大群
连迎春
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Abstract

贴片天线如采用介质板作为辐射贴片的支撑材料,不仅会增加层压次数提高成本,还容易引起表面波传播;如采用泡沫作为辐射贴片的支撑材料,一方面会增大工程实现的难度,另一方面泡沫的长期可靠性也较差。本发明提出了一种基于带状线缝隙耦合的金属槽线天线,该天线辐射部分采用金属整板槽线结构,具有宽带宽角扫描特性,交叉极化低,采用成熟的机加工工艺保证了天线在高频段仍具有较高的一致性。天线馈电结构采用印制板层压结构,通过带状线进行缝隙耦合馈电。天线辐射部分与馈电部分采用螺钉压接,工程实现简单,加工实施成本较低。天线便于和网络集成设计,适合一体化阵面系统架构设计。

Description

一种基于带状线缝隙耦合的金属槽线天线
技术领域
本发明属于天线技术领域,具体涉及一种基于带状线缝隙耦合的金属槽线天线。
背景技术
随着电子技术的发展及军事需求的增长,预警机、战斗机、军事舰船及卫星等平台上的雷达、通信、电子战等各类射频系统越来越多,但一般情况下彼此独立运行。传统射频系统的不断增加,使得平台上天线数目越来越多,各类外露天线大大增加了作战平台的雷达反射截面积,降低了平台隐身性能。且各类传感器之间各自为战、缺乏高度一体化增加了各设备间的电磁干扰,使得各系统难以最大限度地发挥各自性能。因此针对现在作战环境和发展现状,满足多种作战系统同时工作,对雷达探测系统提出了更高的要求,超宽带宽扫描角问题已经成为现代雷达阵面发展的瓶颈。
对于天线阵面系统而言,其基本功能是实现电磁波的发送与接收,同时也被认为是电磁波的幅度、相位、频率和极化特性的空间滤波器。为适应雷达低剖化、轻薄化的要求,具有宽带宽角扫描优良性能的天线辐射单元研究日益受到重视,其性能的好坏会直接影响到雷达的信息处理能力。
相控阵天线的主要特点是具有快速的波束扫描能力,其一般应用于机载、舰载、星载及弹载系统中。随着各国军事实力的较量,在军事电子系统领域,尤其是雷达的相关技术受到越来越多的重视,而相控阵天线作为其不可或缺的关键一环更是得到了众多的关注。目前对雷达提出的诸多如远距离探测、多目标探测以及更复杂环境下探测等更多的新要求是采用机械扫描阵列天线无法实现的,因此渐渐被相控阵天线取代。宽扫描角、宽带相控阵技术更是当前各种应用领域急需的性能。
目前常见的相控阵天线单元主要有印刷振子天线、贴片天线、开槽渐变线天线等形式。通常采用贴片天线作为与综合层高集成度的选型方式。但贴片天线如采用介质板作为辐射贴片的支撑材料,不仅会增加层压次数提高成本,还容易引起表面波传播;如采用泡沫作为辐射贴片的支撑材料,一方面会增大工程实现的难度,另一方面泡沫的长期可靠性也较差。
总之,现有的高集成度相控阵天线存在一个主要的技术难点:在满足宽带宽角扫描性能需求的同时,要兼顾工程实现性并降低成本。
发明内容
为克服现有技术中的不足,本发明提出了一种基于带状线缝隙耦合的金属槽线天线,该天线辐射部分采用金属整板槽线结构,具有宽带宽角扫描特性,交叉极化低,采用成熟的机加工工艺保证了天线在高频段仍具有较高的一致性。天线馈电结构采用印制板层压结构,通过带状线进行缝隙耦合馈电。天线辐射部分与馈电部分采用螺钉压接,工程实现简单,加工实施成本较低。天线便于和网络集成设计,适合一体化阵面系统架构设计。
本发明的基于带状线缝隙耦合的金属槽线天线,包括金属辐射部分(1)和印制板馈电部分(2)两个部分;其中,金属辐射部分(1)包括阶梯槽线变换部分(7)和平面金属板(8),印制板馈电部分(2)包括多个金属化屏蔽孔(3)、馈电端口(4)、“工”字型耦合缝(5)和馈电带状线(6);阶梯槽线变换部分(7)包括两个相同的金属部分,对称分布在平面金属板(8)上,多个金属化屏蔽孔(3)分布在“工”字型耦合缝(5)周围;激励能量从馈电端口(4)输入,沿馈电带状线(6)进行传输,通过“工”字型耦合缝(5)传播至金属辐射部分(1)中间缝隙处,通过金属辐射部分(1)两级变换与自由空间的匹配;所述印制板馈电部分(2)采用两层印制板层压形成,上下层都为金属地层,馈电带状线(6)在印制板馈电部分(2)两层印制板中间,“工”字型耦合缝(5)开在印制板馈电部分(2)上层印制板的底面上,金属化屏蔽孔(3)贯穿印制板馈电部分(2)并与上下层金属地层保证电连续。
进一步地,所述金属辐射部分(1)通过整块金属板加工形成,平面金属板(8)上开有一个“工”字型缝,该缝与印制板馈电部分(2)上的“工”字型耦合缝(5)进行匹配,实现印制板馈电部分(2)到金属辐射部分(1)的转换;阶梯槽线变换部分(7)对称分布在平面金属板(8)上,通过两级变换实现平面金属板(8)上“工”字型缝传输过来的能量到自由空间的匹配。
进一步地,天线的矩形周期排布间距为0.53λ*0.56λ,总体厚度为0.5λ~0.6λ,印制板馈电部分(2)选用两层固定厚度为0.254mm的板材,金属辐射部分(1)的厚度为0.45λ~0.55λ。
进一步地,所述平面金属板(8)的厚度为0.08λ~0.12λ,平面金属板(8)上的“工”字型缝长度为0.28λ~0.34λ,中间较窄部分宽度为0.05λ~0.07λ,较宽部分的宽度为0.11λ~0.15λ.
进一步地,所述阶梯槽线变换部分(7)超出平面金属板(8)的高度为0.37λ~0.42λ,宽度为0.45λ~0.5λ,厚度为0.17λ~0.22λ,下面较窄部分的高度为0.25λ~0.3λ,较窄部分缝隙宽度为0.05λ~0.07λ,上面较宽部分的高度为0.18λ~0.22λ,较宽部分缝隙宽度为0.25λ~0.3λ。
进一步地,所述金属化屏蔽孔(3)之间的距离为0.03λ~0.035λ,直径为0.015λ~0.02λ,形成的等效腔体长度为0.35λ~0.4λ,宽度为0.28λ~0.32λ。
进一步地,所述“工”字型耦合缝(5)总宽度为0.3λ~0.35λ,中间较细缝的宽度为0.01λ~0.013λ,两边较宽部分长度为0.13λ~0.17λ,宽度为0.04λ~0.05λ。
进一步地,所述馈电带状线(6)从“馈电端口(4)延伸出的较宽线长度为0.1λ~0.15λ,线宽度为0.02λ~0.025λ,在工”字型耦合缝(5)部分进行分叉,分叉的两条较细线相对于较宽线为对称结构,长度为0.25λ~0.3λ,宽度为0.015λ~0.018λ,两条线距离为0.15λ~0.2λ。λ为中心频率的工作波长。
本发明的有益效果在于
天线单元辐射部分采用金属整板结构,加工精度高、一致性好;馈电结构采用成熟的印制板加工工艺,便于和网络集成设计,适合一体化阵面系统架构设计;天线具有宽带宽角扫描特性,并具有很好的交叉极化性能;天线工程实现简单,适用于相控阵雷达系统。
附图说明
图1为本发明Ku波段天线侧视图。
图2为天线单元俯视图。
图3为金属辐射部分示意图。
图4为印制板馈电部分示意图。
图5为天线单元扫描时的驻波曲线。
其中,金属辐射部分1、印制板馈电部分2、金属化屏蔽孔3、馈电端口4、“工”字型耦合缝5、馈电带状线6、阶梯槽线变换部分7、平面金属板8。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明Ku波段的基于带状线缝隙耦合的金属槽线天线,主要由两部分组成,分别为:金属辐射部分1、印制板馈电部分2。其中金属辐射部分1包括:阶梯槽线变换部分7、平面金属板8;其中印制板馈电部分2包括:金属化屏蔽孔3、馈电端口4、“工”字型耦合缝5、馈电带状线6,其中激励能量从馈电端口4输入,沿馈电带状线6进行传输,通过“工”字型耦合缝5传播至金属辐射部分1中间缝隙处,通过金属辐射部分1两级变换与自由空间实现良好匹配。图1给出了天线整体结构的侧视图,图2给出了天线整体结构的俯视图,图3给出了金属辐射部分的示意图,图4给出了印制板馈电部分的示意图。
1)印制板馈电部分2采用两层印制板层压形成,上下层都为金属地层,馈电带状线6在印制板馈电部分2中间层,“工”字型耦合缝5开在印制板馈电部分2上层金属底层上,金属化屏蔽孔3贯穿印制板馈电部分2并与其上下层金属地保证电连续。
2)金属辐射部分1通过整块金属板加工形成,从图2上看平面金属板8上同样开有一个“工”字型缝,该缝与印制板馈电部分2上的“工”字型耦合缝5进行匹配,实现印制板馈电部分2到金属辐射部分1的转换;阶梯槽线变换部分7对称分布在平面金属板8上,通过两级变换实现平面金属板8上“工”字型缝传输过来的能量到自由空间的良好匹配。
3)对于常规的基于缝隙耦合馈电的贴片天线,如果采用印制板作为贴片的支撑材料,由于印制板本身具有一定的介电常数,会引起传输表面波导致扫描时出现奇点;另一种方法是采用泡沫结构作为贴片的支撑材料,尽管减小了等效介电常数避免产生表面波,但此时装配较为困难,长期可靠性也较差。本发明中印制板馈电部分2与常规基于缝隙耦合的贴片天线相同,金属辐射部分1采用槽线结构,既保证了天线的工作带宽内扫描时不出现表面波,同时装配简单可靠性高。
4)为满足天线的宽带和宽角扫描性能,利用电磁场数值算法结合仿真技术,通过优化设计与性能比对来达到改善天线辐射特性及S参数的目的。在设计优化阶段,单元间距为固定参数,重点调整优化了印制板馈电部分2中“工”字型耦合缝5的长度及缝隙宽度、馈电带状线6中延伸部分的线长度及宽度;金属辐射部分1中阶梯槽线变换部分7的各部分尺寸。通过这些参数的优化,最终实现宽带、宽角扫描的天线性能要求。
下面给出依照上述设计和装配固定方法以及尺寸要求范围的具体实施例。
(1)天线辐射部分加印制板馈电结构的总厚度为9.6mm,单元间距为9.5mm×10mm。其中印制板馈电部分两层厚度均为0.254mm,通过0.12mm的半固化片层压,天线印制板选材为ROGERS6002;天线金属辐射部分的总厚度为8.9mm。
(2)天线金属辐射部分,平面金属板板厚为1.84mm,平面板上工字缝长度为5.8mm,较细部分宽度为1.1mm,较宽部分宽度为2.5mm;平面板上的阶梯变换部分宽度为8.7mm,下半部分的高度为3.34mm,中间缝隙宽为1.1mm,上半部分高度为3.75mm,缝隙宽为4.9mm。
(3)对于印制板馈电部分,围成矩形腔体的金属化屏蔽孔直径为0.3mm,相邻孔中心距离为0.6mm,所形成的腔体长度为6.6mm,宽度为5.4mm;印制板中间“工”字型耦合缝总的宽度为5.9mm,其中间较细缝宽为0.2mm,两边对称的较宽部分长度为2.8mm,宽度为0.8mm;馈电带状线中直接受馈电端口激励的较宽部分线宽为0.43mm,长度为2.3mm,较宽部分延伸出两段较细的分叉线,其线宽为0.31mm,线长为3.7mm。
金属辐射部分1与印制板馈电部分2采用螺钉压接,工程实现简单,加工实施成本较低,天线便于和网络集成设计,适合一体化阵面系统架构设计。
天线单元实现的主要性能指标为:
◆工作频率:相对带宽12%;
◆扫描范围:±50°;
◆驻波特性:全空域扫描驻波小于2.5。
图5为本发明实施例的扫描驻波曲线图,其中横坐标代表频率,纵坐标表示各角度扫描驻波(VSWR),多条测试曲线分别表示沿两个主切面不同扫描角度情况下的回波损耗情况。可根据扫描驻波结果看出,通过本发明手段可以有效实现±55°的宽角扫描匹配。从图中可以看出,本发明给出的应用于Ku波段的基于带状线缝隙耦合的金属槽线天线性能指标均达到了预期的设计要求。
本发明不局限于上述具体的实施方式,本发明可以有各种更改和变化。凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于带状线缝隙耦合的金属槽线天线,其特征在于:包括金属辐射部分(1)和印制板馈电部分(2)两个部分;其中,金属辐射部分(1)包括阶梯槽线变换部分(7)和平面金属板(8),印制板馈电部分(2)包括多个金属化屏蔽孔(3)、馈电端口(4)、“工”字型耦合缝(5)和馈电带状线(6);阶梯槽线变换部分(7)包括两个相同的金属部分,对称分布在平面金属板(8)上,多个金属化屏蔽孔(3)分布在“工”字型耦合缝(5)周围;激励能量从馈电端口(4)输入,沿馈电带状线(6)进行传输,通过“工”字型耦合缝(5)传播至金属辐射部分(1)中间缝隙处,通过金属辐射部分(1)两级变换与自由空间的匹配;所述印制板馈电部分(2)采用两层印制板层压形成,上下层都为金属地层,馈电带状线(6)在印制板馈电部分(2)两层印制板中间,“工”字型耦合缝(5)开在印制板馈电部分(2)上层印制板的底面上,金属化屏蔽孔(3)贯穿印制板馈电部分(2)并与上下层金属地层保证电连续。
2.根据权利要求1所述的一种基于带状线缝隙耦合的金属槽线天线,其特征在于:所述金属辐射部分(1)通过整块金属板加工形成,平面金属板(8)上开有一个“工”字型缝,该缝与印制板馈电部分(2)上的“工”字型耦合缝(5)进行匹配,实现印制板馈电部分(2)到金属辐射部分(1)的转换;阶梯槽线变换部分(7)对称分布在平面金属板(8)上,通过两级变换实现平面金属板(8)上“工”字型缝传输过来的能量到自由空间的匹配。
3.根据权利要求1所述的一种基于带状线缝隙耦合的金属槽线天线,其特征在于:天线的矩形周期排布间距为0.53λ*0.56λ,总体厚度为0.5λ~0.6λ,印制板馈电部分(2)选用两层固定厚度为0.254mm的板材,金属辐射部分(1)的厚度为0.45λ~0.55λ,λ为中心频率的工作波长。
4.根据权利要求2所述的一种基于带状线缝隙耦合的金属槽线天线,其特征在于:所述平面金属板(8)的厚度为0.08λ~0.12λ,平面金属板(8)上的“工”字型缝长度为0.28λ~0.34λ,中间较窄部分宽度为0.05λ~0.07λ,较宽部分的宽度为0.11λ~0.15λ,λ为中心频率的工作波长。
5.根据权利要求4所述的一种基于带状线缝隙耦合的金属槽线天线,其特征在于:所述阶梯槽线变换部分(7)超出平面金属板(8)的高度为0.37λ~0.42λ,宽度为0.45λ~0.5λ,厚度为0.17λ~0.22λ,下面较窄部分的高度为0.25λ~0.3λ,较窄部分缝隙宽度为0.05λ~0.07λ,上面较宽部分的高度为0.18λ~0.22λ,较宽部分缝隙宽度为0.25λ~0.3λ。
6.根据权利要求1所述的一种基于带状线缝隙耦合的金属槽线天线,其特征在于:所述金属化屏蔽孔(3)之间的距离为0.03λ~0.035λ,直径为0.015λ~0.02λ,形成的等效腔体长度为0.35λ~0.4λ,宽度为0.28λ~0.32λ,λ为中心频率的工作波长。
7.根据权利要求1所述的一种基于带状线缝隙耦合的金属槽线天线,其特征在于:所述“工”字型耦合缝(5)总宽度为0.3λ~0.35λ,中间较细缝的宽度为0.01λ~0.013λ,两边较宽部分长度为0.13λ~0.17λ,宽度为0.04λ~0.05λ,λ为中心频率的工作波长。
8.根据权利要求1所述的一种基于带状线缝隙耦合的金属槽线天线,其特征在于:所述馈电带状线(6)从“馈电端口(4)延伸出的较宽线长度为0.1λ~0.15λ,线宽度为0.02λ~0.025λ,在工”字型耦合缝(5)部分进行分叉,分叉的两条较细线相对于较宽线为对称结构,长度为0.25λ~0.3λ,宽度为0.015λ~0.018λ,两条线距离为0.15λ~0.2λ,λ为中心频率的工作波长。
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