一种X波段宽带高增益、低交极比双极化微带天线阵列

技术领域

本发明属于雷达通信技术领域，涉及一种双极化微带天线阵列，尤其是一种X波段宽带高增益、低交极比双极化微带天线阵列。 

背景技术

在雷达通信系统中，为提高系统的灵敏度、距离和方位分辨率、成像模糊度及测绘带宽等性能，要求使用具有双极化、宽频带、高隔离度、低交叉极化电平、高效率的有源相控阵天线。 

现有技术中，这种天线大都采用波导缝隙阵来实现，其技术相对比较成熟，可以实现良好的端口隔离和交叉极化特性，但其结构比较笨重、加工复杂，特别用于卫星上，受到空间、重量等限制，不能做得太大。 

本发明专利内容 

本发明专利的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种X波段宽带高增益、低交极比双极化微带天线阵列，其采用光子晶体结构、左手材料覆层等新技术，再通过增加寄生贴片及对天线阵馈电网络的巧妙设计，使其具有宽频带、高隔离度、高增益、低交叉极化电平和低栅瓣电平等良好的电气性能，同时重量轻、轮廓低、制造简单、易与有源器件相结合。 

本发明专利的目的是通过以下技术方案来解决的： 

这种X波段宽带高增益、低交极比双极化微带天线阵列依次由： 左手材料覆层、倒置的寄生贴片层、Rohacell31HF泡沫支撑层、含辐射单元的天线水平极化共面波导馈电层、天线垂直极化缝隙耦合馈电层、微带天线阵固定腔体、金属反射板和射频连接器组组成。 

上述每列辐射单元的俯仰面波束宽度为7°，增益15dBi。 

上述左手材料覆层、寄生贴片层、Rohacell31HF泡沫支撑层、天线水平极化共面波导馈电层通过导电胶粘合在一起并通过非金属螺钉固定牢靠与天线垂直极化缝隙耦合馈电层、金属反射板一起镶嵌在微带天线阵固定腔体相应的安装台阶上；所述射频连接器组焊接在天线垂直极化缝隙耦合馈电层上，在金属反射板上与射频连接器组上的射频连接器对应的位置钻孔，使射频连接器顺利穿出。 

上述倒置的寄生贴片层、天线水平极化共面波导馈电层、天线垂直极化缝隙耦合馈电层均采用ROGERS RT/duroid5880双面覆铜介质板材，介电常数ε_r=2.2，材料正切角损耗tanδ=0.0009,介质板厚度1.5mm，介质板的双面涂覆有厚度36μm的铜箔。 

上述泡沫支撑层采用Rohacell31HF材料，介电常数为ε_r=1.04,正切角损耗tanδ=0.0017。 

进一步的，通过光绘技术在天线水平极化共面波导馈电层正面的铜箔上蚀刻方形辐射贴片，辐射片边长为0.25λ～0.27λ，辐射片之间间距为0.86λ～0.88λ，天线结构以四个贴片单元为一个基本单元，左边两单元与右边两单元成垂直面镜像且自身单元之间采用反相馈电，各基本单元之间采用并行馈电；天线水平极化共面波导馈电层的正面阵列之间蚀刻Mushroom型光子晶体结构，光子晶体单元 为边长0.1λ的正方形贴片，光子晶体单元之间缝隙为0.01λ，光子晶体单元中心有直径0.014λ的金属化过孔，光子晶体结构边缘与辐射贴片之间的距离为0.2λ；天线水平极化共面波导馈电层的反面铜箔上偏离辐射贴片中心1-2mm下方位置开“hourglass”型耦合缝，使能量从天线垂直极化缝隙耦合馈电层耦合到辐射单元。 

上述天线垂直极化缝隙耦合馈电层的介质板正面光绘蚀刻与共面波导馈电层相同位置、相同形状的“hourglass”型耦合缝，介质板反面光绘蚀刻天线阵垂直极化馈电网络。 

上述金属反射板采用厚度δ=1.5mmm的铝板；放置于距天线垂直极化缝隙耦合馈电层正下方0.25λ处，其中λ为天线在中心频率工作时对应的空气中波长。 

上述微带天线阵固定腔体上设置有用以安装天线水平极化共面波导馈电层、天线垂直极化缝隙耦合馈电层、金属反射板的安装台阶。 

与现有技术相比，具有以下有益的技术效果： 

（1）本发明专利由八列微带天线阵单元构成；天线阵单元为多层微带天线，寄生片、天线水平极化共面波导馈电层、垂直极化缝隙耦合馈电层都是通过光绘技术蚀刻在介质板的正面和反面上（光绘精度±0.02mm），从工艺上保证了设计思路的可实现性；同时微带形式克服了传统波导天线的缺点，具有结构轻巧、体积小、重量轻、易于运输、安装和架设。 

（2）与现有技术的微带双极化天线其天线轴向交极比在-15dBi～-20dBi之间，两极化端口隔离度≤-28dBi，而本发明专利 提供的双极化微带天线阵列在方位面±30°扫描范围内，轴向交极比≤-37dBi，天线两极化端口隔离度≤-38dBi。 

（3）本发明专利采用左手材料覆层和光子晶体结构等新技术，能够有效地降低天线副瓣、栅瓣以及阵列之间的互耦。 

附图说明

图1是X波段宽带高增益、低交极比双极化微带天线阵列整体效果图； 

图2是X波段宽带高增益、低交极比双极化微带天线阵列拆分图； 

图3是寄生贴片层俯视图； 

图4是天线水平极化共面波导馈电层（含辐射片）俯视图； 

图5是天线垂直极化缝隙耦合馈电层俯视图； 

图6是金属反射板俯视图； 

图7是天线驻波(VSWR)曲线； 

图8是天线隔离度曲线； 

图9是天线增益方向图； 

图10是天线交叉极化比曲线。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明专利做进一步详细描述： 

如图1所示，本发明的X波段宽带高增益、低交极比双极化微带天线阵列，由八列微带天线阵单元(阵单元的俯仰面波束宽度为7°，增益15dBi)组成该双极化微带天线阵列1。其中，如图2， 该双极化微带天线阵列1包括左手材料覆层2、倒置的寄生贴片层3、Rohacell31HF泡沫支撑层4，含辐射单元的天线水平极化共面波导馈电层5、天线垂直极化缝隙耦合馈电层6、微带天线阵固定腔体7、金属反射板8以及射频连接器组9。 

参见图2：左手材料覆层2、寄生贴片层3、Rohacell31HF泡沫支撑层4，天线水平极化共面波导馈电层5通过导电胶粘合在一起并通过非金属螺钉固定牢靠与天线垂直极化缝隙耦合馈电层6、金属反射板8一起镶嵌在微带天线阵固定腔体相应的安装台阶上，射频连接器组焊接在天线垂直极化缝隙耦合馈电层6上，在金属反射板8上与射频连接器对应的位置钻孔，保证射频连接器顺利穿出。 

如图3、4、5所示：本发明专利倒置的寄生贴片层3、天线水平极化共面波导馈电层（含辐射单元）5、天线垂直极化缝隙耦合馈电层6均采用国外进口材料ROGERS RT/duroid5880双面覆铜介质板材，介电常数ε_r=2.2，材料正切角损耗tanδ=0.0009,介质板厚度1.5mm，介质板的双面涂覆有厚度36μm的铜箔，该材料介质损耗小，性能稳定。 

参见图2，以上左手材料覆层2可降低副瓣电平和栅瓣电平，增强主瓣方向性。将左手材料作为天线覆盖层，电磁波受到左手材料负折射率的散射作用，波束将只能在垂直于天线方向的很小范围内传播，其他方向将受到限制，这将有效地改善天线的方向性，增强主瓣，也能削弱副瓣和栅瓣，左手材料覆层2的厚度根据理论经验选取0.1λ。 

参见图3，以上倒置的寄生贴片层3可展宽天线的工作频带，且该寄生贴片层介质类似天线罩作用可对天线起保护。寄生贴片层3中的方形贴片通过光绘工艺在铜箔上蚀刻而成，贴片边长为0.3λ，单列贴片之间间距为0.87λ，列与列贴片之间的距离为0.76λ，该寄生贴片层3与天线水平极化共面波导馈电层5存在互耦效应，能有效展宽天线的工作带宽。 

采用Rohacell31HF材料作为支撑泡沫，该材料的介电常数为ε_r=1.04,正切角损耗tanδ=0.0017，与空气性能相近，对天线的电气性能影响较小，同时可有效降低天线的整体重量。 

如图4所示，天线水平极化共面波导馈电层（含辐射片）5，该层为天线阵主要辐射层，天线的垂直极化和水平极化分别从方形辐射片的两个正交边馈电，该层正面结构以四个贴片单元为一个基本单元，左边两单元与右边两单元成垂直面镜像，但都采用水平极化反相馈电，垂直极化同相馈电。各基本单元之间采用并行馈电，并且将变换带放置在单元之间，避免了变换带的弯曲，使得变换带两边的馈线幅度和相位更加均衡，从而使整个线阵的方向图随频率变化的影响更小，也有利于交叉极化的抑制。 

通过光绘技术在天线水平极化共面波导馈电层（含辐射单元）5正面的铜箔上蚀刻方形辐射贴片，辐射片边长为0.25λ～0.27λ，辐射片之间间距为0.86λ～0.88λ，天线结构以四个贴片单元为一个基本单元，左边两单元与右边两单元成垂直面镜像且自身单元之间采用反相馈电，各基本单元之间采用并行馈电；天线水平极化共面波 导馈电层（含辐射单元）5的反面铜箔上偏离辐射贴片中心1-2mm下方位置开“hourglass”型耦合缝，以便将能量从天线垂直极化缝隙耦合馈电层5耦合到辐射单元。 

如图4所示，天线水平极化共面波导层5，该层阵列馈线之间刻蚀Mushroom型光子晶体结构，微波段光子晶体结构对表面波具有频率带隙的作用，当表面波波长与光子晶体尺寸相近时，表面波就会落到这个带隙中，从而达到抑制作用。因此，在本发明专利中，利用光子晶体抑制表面波，进而降低阵列之间的互耦。此种结构中，光子晶体单元为边长0.1λ的正方形贴片，光子晶体单元之间缝隙为0.01λ，光子晶体单元中心有直径0.014λ的金属化过孔，光子晶体结构边缘与辐射贴片之间的距离为0.2λ。 

如图5所示，天线垂直极化缝隙耦合馈电层6的介质板正面光绘蚀刻与共面波导馈电层5相同位置、相同形状的“hourglass”型耦合缝，介质板反面光绘蚀刻天线阵垂直极化馈电网络。 

如图6所示：金属反射板8,采用厚度δ=1.5mmm的铝板，铝板的表面平整度良好；放置于距天线垂直极化缝隙耦合馈电层6正下方0.25λ（λ为天线在中心频率工作时对应的空气中波长）处。在金属反射板8上与射频连接器组对应的位置钻孔，保证射频连接器组顺利穿出。 

微带天线阵固定腔体7，在该腔体上铣出天线水平极化共面波导馈电层（含辐射单元）5、天线垂直极化缝隙耦合馈电层6、金属反射板8的安装台阶。 

如图7、8、9、10所示，本发明的X波段宽带高增益、低交极比双极化微带天线阵列仿真结果表明：天线驻波VSWR＜1.3，天线两个极化端口的隔离度S₂₁＜-38dBi，天线的方向图增益G≥25dBi,天线交叉极化比≤-37dBi；同时该微带天线阵与传统波导天线相比，体积小、重量轻、结构简单、有利于天线的运输和安装。