一種寬角度波束掃描的超材料相控陣天線的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的相控陣天線可以在波束大角度掃描過程中實(shí)現(xiàn)良好的有源阻抗匹配，從而提高天線系統(tǒng)的輻射效率，改善天線的輻射方向圖。該超材料相控陣天線支持線極化電磁場(chǎng)或圓極化電磁場(chǎng)，輻射場(chǎng)的交叉極化特性或圓極化軸比特性良好。本發(fā)明適用于雷達(dá)探測(cè)和移動(dòng)衛(wèi)星通信等技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]相控陣天線剖面低，易于與載體共形，可以快速準(zhǔn)確地控制輻射波束的指向，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于雷達(dá)探測(cè)領(lǐng)域，同時(shí)在移動(dòng)通信領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。
[0003]為了實(shí)現(xiàn)寬角掃描功能，必須嚴(yán)格控制天線單元的間距，避免大角度掃描時(shí)出現(xiàn)柵瓣；必須使用寬波束的天線單元形式；需要調(diào)節(jié)天線單元的互耦特性，避免出現(xiàn)掃描盲點(diǎn)。
[0004]目前工程應(yīng)用的寬角度波束掃描的相控陣天線主要以下幾種:
[0005](1)微帶天線。這種天線單元使用印制板工藝制作而成，剖面低，方便與載體共形；但這類天線單元波束寬度窄，波束掃描范圍受限。
[0006](2)螺旋天線。這種天線形式天然支持圓極化，輻射波束在法線方向軸比特性極佳，但是寬波束軸比特性差，不適合寬角度圓極化波束掃描。并且這種天線形式無法發(fā)送或接收線極化信號(hào)。
[0007](3)波導(dǎo)口天線。在金屬波導(dǎo)中使用介質(zhì)加載技術(shù)，可以縮小布陣周期，保證波束大角度掃描時(shí)仍無柵瓣出現(xiàn)。將波導(dǎo)口內(nèi)部加載的介質(zhì)向外延伸一段長(zhǎng)度，能夠改善天線的阻抗匹配特性。但是這種天線形式容易出現(xiàn)掃描盲點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明提出一種寬角掃描的超材料相控陣天線。在天線陣面正上方覆蓋有超材料，可以改善天線的寬角阻抗匹配特性。超材料覆層由大量周期性排布的金屬貼片組成，支持雙線極化波和雙圓極化波，能夠改善天線輻射的交叉極化特性或圓極化軸比特性。
[0009]為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)指標(biāo)，采用的技術(shù)方案為:
[0010]一種寬角掃描的超材料相控陣天線1為平面結(jié)構(gòu)，由若干天線單元周期排布而成。每個(gè)相控陣天線單元均包括金屬波導(dǎo)4和填充在金屬波導(dǎo)內(nèi)的加載介質(zhì)5，金屬波導(dǎo)4的下端口為饋電口 6，金屬波導(dǎo)4的上端口為輻射口，其特征在于:在每個(gè)相控陣天線單元的輻射口的上方架設(shè)有超材料覆層2。
[0011]其中，所述的超材料覆層2由射頻板7和多個(gè)亞波長(zhǎng)金屬貼片8組成，亞波長(zhǎng)金屬貼片8印刷在射頻板7的上表面。
[0012]其中，相控陣天線單元的布陣周期是亞波長(zhǎng)金屬貼片布陣周期的整數(shù)倍。
[0013]其中，超材料覆層與輻射口之間的間隙為0.02?0.2工作波長(zhǎng)。
[0014]其中，在超材料覆層與輻射口之間還設(shè)置有支撐材料層3，超材料覆層的下表面貼合支撐材料層3的上表面，支撐材料層3的下表面貼合輻射口面。
[0015]其中，所述的支撐材料層3的介電常數(shù)范圍為1?1.1，損耗正切小于0.01。
[0016]其中，加載介質(zhì)5上表面與輻射口面相齊平。
[0017]本發(fā)明相比于【背景技術(shù)】，技術(shù)優(yōu)點(diǎn)為:
[0018](1)超材料覆層2可以抑制表面波模式，有效減小天線單元之間的互耦。相比介質(zhì)段延伸匹配法，本發(fā)明可在整個(gè)無柵瓣掃描區(qū)域?qū)崿F(xiàn)更優(yōu)異的阻抗匹配，回波損耗更低，天線輻射效率更高。
[0019](2)超材料覆層2上印刷的金屬貼片對(duì)稱性高，支持雙線極化或雙圓極化電磁信號(hào)。
[0020](2)超材料覆層2采用印制板工藝制作而成，工藝成熟穩(wěn)定，加工精度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于安裝固定。
[0021](3)加載介質(zhì)5的切面與金屬波導(dǎo)4 口面平齊，便于加工制作。
【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖2是相控陣天線單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖3是超材料覆層的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面，結(jié)合圖1至圖3對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0026]—種寬角掃描的超材料相控陣天線，包括多個(gè)相控陣天線單元，相控陣天線單元布陣形式靈活，既可采用方形布陣，也可采用三角形布陣。每個(gè)相控陣天線單元均包括金屬波導(dǎo)4和填充在金屬波導(dǎo)內(nèi)的加載介質(zhì)5，金屬波導(dǎo)4的下端口為饋電口 6，金屬波導(dǎo)4的上端口為輻射口，在每個(gè)相控陣天線單元的輻射口的上方架設(shè)有超材料覆層2。所述的超材料覆層2由射頻板7和多個(gè)亞波長(zhǎng)金屬貼片8組成，亞波長(zhǎng)金屬貼片8印刷在射頻板7的上表面。相控陣天線單元的布陣周期是亞波長(zhǎng)金屬貼片布陣周期的整數(shù)倍。加載介質(zhì)5可選用聚四氟乙烯注塑而成，介質(zhì)上表面與輻射口面相齊平。
[0027]作為一個(gè)實(shí)施例，超材料覆層與輻射口之間空氣，兩者之間的間隙為0.02?0.2
工作波長(zhǎng)。
[0028]作為另一個(gè)實(shí)施例，在超材料覆層與輻射口之間還設(shè)置有支撐材料層3，超材料覆層的下表面貼合支撐材料層3的上表面，支撐材料層3的下表面貼合輻射口面。所述的支撐材料層3的介電常數(shù)范圍為1至1.1，損耗正切小于0.01。
[0029]超材料覆層的設(shè)計(jì)流程如下:
[0030](1)使用等效介質(zhì)理論和電磁計(jì)算方法設(shè)計(jì)得到實(shí)現(xiàn)寬角阻抗匹配所需要的材料參數(shù)。
[0031](2)使用橫向周期排布的亞微長(zhǎng)金屬貼片獲得所需要的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
[0032](3)通過調(diào)節(jié)金屬貼片的外形尺寸，改變等效的超材料厚度，可以使電磁信號(hào)在各個(gè)方位面，不同俯仰角度下都具有良好的透波效率。
[0033]該超材料相控陣天線的簡(jiǎn)要工作原理如下:
[0034]該天線可用于接收天線或發(fā)射天線。以發(fā)射天線為例，其電磁信號(hào)的傳送過程為:射頻信號(hào)經(jīng)過饋電口 6進(jìn)行金屬波導(dǎo)內(nèi)部形成電磁場(chǎng)信號(hào)。電磁場(chǎng)信號(hào)到達(dá)輻射口面處，經(jīng)過超材料覆層2有效輻射到自由空間中。通過改變相鄰單元之間的相位差，可以精確控制輻射波束的指向。
[0035]其中超材料覆層2的作用原理為:該覆層等效于一種各向異性介質(zhì)，它可以抑制表面波模式的出現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)寬角范圍內(nèi)的阻抗匹配。同時(shí)，超材料覆層由弱諧振的金屬貼片結(jié)構(gòu)組成，在寬頻帶范圍內(nèi)的熱損耗低，對(duì)信號(hào)系統(tǒng)的信噪比影響小。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種寬角掃描的超材料相控陣天線，包括多個(gè)相控陣天線單元，每個(gè)相控陣天線單元均包括金屬波導(dǎo)(4)和填充在金屬波導(dǎo)內(nèi)的加載介質(zhì)(5)，金屬波導(dǎo)(4)的下端口為饋電口，金屬波導(dǎo)(4)的上端口為輻射口，其特征在于:在每個(gè)相控陣天線單元的輻射口的上方架設(shè)有超材料覆層(2)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬角掃描的超材料相控陣天線，其特征在于:所述的超材料覆層⑵由射頻板(7)和多個(gè)亞波長(zhǎng)金屬貼片⑶組成，亞波長(zhǎng)金屬貼片⑶印刷在射頻板(7)的上表面。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種寬角掃描的超材料相控陣天線，其特征在于:相控陣天線單元的布陣周期是亞波長(zhǎng)金屬貼片布陣周期的整數(shù)倍。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬角掃描的超材料相控陣天線，其特征在于:超材料覆層與輻射口之間的間隙為0.02?0.2工作波長(zhǎng)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬角掃描的超材料相控陣天線，其特征在于:在超材料覆層與輻射口之間還設(shè)置有支撐材料層(3)，超材料覆層的下表面貼合支撐材料層(3)的上表面，支撐材料層(3)的下表面貼合輻射口面。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種寬角掃描的超材料相控陣天線，其特征在于:所述的支撐材料層(3)的介電常數(shù)范圍為1?1.1，損耗正切小于0.01。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬角掃描的超材料相控陣天線，其特征在于:加載介質(zhì)(5)上表面與輻射口面相齊平。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種寬角度掃描的超材料相控陣天線。該相控陣天線為平面結(jié)構(gòu)，由若干天線單元周期排布而成。一種典型的相控陣天線單元由金屬波導(dǎo)、加載介質(zhì)和饋電端口組成。相控陣天線陣面上方覆蓋有超材料，起到寬角度波束掃描范圍內(nèi)阻抗匹配的作用。本發(fā)明涉及的相控陣天線可以在寬角度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)電磁信號(hào)的發(fā)送和接收，提高天線的輻射效率，改善輻射波的交叉極化特性或圓極化軸比特性。
【IPC分類】H01Q1/52, H01Q21/00, H01Q13/06
【公開號(hào)】CN105356054
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510764831
【發(fā)明人】何應(yīng)然, 張宙, 韓國(guó)棟, 王煥菊, 肖松, 丁寧
【申請(qǐng)人】中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所
【公開日】2016年2月24日
【申請(qǐng)日】2015年11月11日