一种基于多级谐振结构的低剖面宽带宽角阵列天线的制作方法

1.本发明涉及雷达和通讯技术领域，特别涉及一种基于多级谐振结构的低剖面宽带宽角阵列天线。


背景技术：

2.现代无线电电磁环境日益复杂化，对包含天馈部件的雷达和通信系统的性能提出了更高的要求。相控阵天线作为高性能天馈系统的代表，也在朝着大扫描角、多功能化的方向发展。而多功能化的重要前提就是超宽带化，超宽带技术具有高传输速率、大容量、低成本、抗干扰能力强等优势。同时，鉴于实际应用场景(如卫星载荷、航空器载荷、移动车辆载荷等)对天馈系统的尺寸结构有小型化的强烈需求，在保证高性能的前提下实现低剖面化也是阵列天线的重要发展方向。紧耦合技术在近几年也因其能极大扩展阻抗带宽和扫描角度而备受国内外相关机构重视。因此，研究和设计基于紧耦合技术的低剖面宽带宽角相控阵天线阵列有着非常广阔的前景和重要的实用价值。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于多级谐振结构的低剖面宽带宽角阵列天线，其最大的特点是以多级谐振结构替代传统高剖面的宽角匹配层(超材料匹配层、介质匹配层)，具有材料简单、易于加工的特点。
4.一种基于多级谐振结构的低剖面宽带宽角阵列天线，所述阵列天线由多个阵元结构组成，每个阵元结构包括：多级谐振结构宽角匹配层(1)、阻性频率选择层(8)、馈电结构层(9)、泡沫支撑层(7)以及竖直基板(6)；竖直基板(6)垂直安装在多级谐振结构宽角匹配层(1)和馈电结构层(9)之间，阻性频率选择层(8)安装在竖直基板(6)中部，泡沫支撑层(7)支撑在馈电结构层(9)与阻性频率选择层(8)之间；
5.所述竖直基板(6)的正面的上部对称印刷有两个紧耦合贴片(2)，两侧边缘各印有一条向下延伸的短接金属线(11)，同侧的紧耦合贴片(2)和短接金属线(11)组成紧耦合结构；正面的中部印有渐变微带线(3)的上部分和超宽带marchand巴伦(5)，渐变微带线(3)的上部分一端连接超宽带marchand巴伦(5)，另一端向下延伸到竖直基板(6)的底部；竖直基板(6)的背面印刷有一对金属偶极子(4)，金属偶极子(4)的底部一体印刷有微带线金属地板(10)；
6.所述多级谐振结构宽角匹配层(1)由具有两个嵌套分布的双开口金属谐振环印刷在基板上构成，其中谐振环结构面朝下，与竖直基板(6)上的金属偶极子(4)紧密接触并且电连接；
7.所述阻性频率选择层(8)为基板上均匀分布四个方形阻性开口谐振环，四个谐振环呈中心对称分布，且开口方向均不相同；
8.馈电结构层(9)底部为金属地板，金属地板上层为介质板，渐变微带线(3)的下半部分迂回印刷在介质板上，其一端与竖直基板(6)上的渐变微带线(3)上部分的末端电连
接，另外一端接到馈电结构层(9)边缘设置的馈电口上；竖直基板(6)上的短接金属线(11)和微带线金属地板(10)均与馈电结构层(9)的金属地板电连接。
9.较佳的，渐变微带线(3)上部分的所述另一端在底部形成90
°
转弯后横向延伸，其中转弯处进行截角处理。
10.较佳的，竖直基板(6)中部有沿水平方向延伸的镂空(13)。
11.较佳的，金属短接线(11)与渐变微带线(3)之间加工有插槽(12)，作为阻性匹配层(8)预留的接插位。
12.较佳的，竖直基板(6)背面的两侧短接金属线(11)对应位置设有沉槽(14)。
13.较佳的，多级谐振结构宽角匹配层(1)的基板中部开有插槽，竖直基板(6)的上端设有凸起，凸起插入到该插槽中，使得竖直基板(6)连接到多级谐振结构宽角匹配层(1)下方。
14.较佳的，阻性频率选择层(8)的基板由两块同样的部分组成，每个部分的内侧设有一个凸起，可分别插在竖直基板(6)预留的插槽(12)中进行固定。
15.较佳的，多个阵元结构一维阵列排布，构成阵列天线的最小功能模块。
16.较佳的，多个阵元结构二维阵列排布，构成阵列天线。
17.本发明具有如下有益效果：
18.本发明的一种基于多级谐振结构的低剖面宽带宽角阵列天线，其多级谐振宽角匹配结构层采用嵌套的双开口谐振环结构与偶极子形成多级谐振回路，一方面可以有效增加阻抗带宽和扫描角度，另一方面可以极大的降低匹配层(超材料匹配层、介质匹配层)的重量和高度；通过插入阻性频率选择层削弱了高频共模谐振的影响，扩展了高频部分带宽并优化了高频段的阻抗匹配性能，使得高频段电压驻波比由2.0左右优化到1.8以下(高频末端降到1.5以下)；辐射与紧耦合层基板上特定位置的开孔和盲槽配合阻性匹配层可以有效降低全频段内的有源驻波比。最终使得该天线具有良好的工作性能，工作频带为0.3-2.1ghz，可使用50ω同轴线直接馈电，并且天线阵列单元具有小尺寸、低剖面、超宽带、大扫描角、高辐射效率，易加工的特点。
附图说明
19.图1为天线阵元的3-d结构示意图；
20.图2为阵元多级谐振结构层上表面示意图；
21.图3(a)和3(b)分别为阵元竖直介质基板正、反面结构示意图；
22.图4(a)和4(b)分别为阵元频率选择层结构示意图和分解示意图；
23.图5(a)和5(b)分别为增加频率选择层前后天线电压驻波比性能对比；
24.图6为泡沫支撑层示意图；
25.图7(a)和7(b)分别为馈电结构层两个角度的示意图；
26.图8为1
×
7线阵结构组成的天线示意图；
27.图9为7
×
7面阵结构组成的天线示意图；
28.1-多级谐振宽角匹配层、2-紧耦合贴片、3-微带渐变线、4-金属偶极子、5-超宽带marchand巴伦、6-竖直基板、7-泡沫支撑层、8-阻性频率选择层、9-馈电结构层、10-微带线金属地板、11-短接金属线、12-插槽，13-镂空、14-沉槽。
具体实施方式
29.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
30.如图1所示为本发明的一种基于多级谐振结构的低剖面宽带宽角阵列天线的阵元结构3-d示意图，阵元结构主要包括：多级谐振宽角匹配层1、阻性频率选择层8、馈电结构层9、泡沫支撑层7以及竖直基板6；竖直基板6垂直安装在多级谐振宽角匹配层1和馈电结构层9之间，阻性频率选择层8安装在竖直基板6中部，泡沫支撑层7支撑在馈电结构层9与阻性频率选择层8之间。
31.其中，竖直基板6为厚度是1.016mm的rogers ad255c基板，其正面电路结构如图3(a)所示，其两侧上部对称印刷有两个紧耦合贴片2，两侧边缘各印有一条向下延伸的短接金属线11，同侧的紧耦合贴片2和短接金属线11组成紧耦合结构，在增强阵元间耦合效应的同时将共模谐振移出工作频带；正面的中部则印有渐变微带线3上部分和超宽带marchand巴伦5，渐变微带线3上部分的一端连接超宽带marchand巴伦5，另一端向下延伸到竖直基板6的底部，再在底部形成90
°
转弯后横向延伸，其中转弯地方进行截角处理，形成的完整渐变微带线馈电结构(以90
°
弯折处为分界线，分为上下两个部分)，该结构能够满足超宽带的馈电匹配性能。
32.如图3(b)所示，竖直基板6的背面印刷有一对金属偶极子4，金属偶极子4的底部一体印刷有微带线金属地10。
33.竖直基板6中部有沿水平方向延伸的镂空13，旨在为天线提供扰动，降低微带结构间的耦合效应；金属短接线11与渐变微带线3之间加工有插槽12，作为阻性匹配层8预留的接插位；如图3(b)所示，竖直基板6背面的两侧短接金属线11对应位置设有沉槽14，其能够改变短接线在整体谐振结构中的阻抗性能，产生类似谐振回路的效果，进而改善整体的匹配性能。
34.多级谐振宽角匹配层1如图2所示，该结构由具有两个嵌套分布的双开口金属谐振环印刷在1.016mm厚度的rogers ad255c基板(基板1)上构成，其中谐振环结构面朝下，与竖直基板6上的金属偶极子4紧密接触并且电连接(焊接)。该结构主要的作用是为振子提供多级l-c谐振结构，提供足够的电抗分量来替代介质加载来实现超宽带条件下天线与自由空间的阻抗匹配，进而实现超宽带条件下大扫描角的效果。竖直基板6上的紧耦合贴片2上端与多级谐振结构下表面距离为0.5mm。
35.多级谐振宽角匹配层1的基板中部开有插槽，竖直基板6的上端设有凸起，凸起插入到该插槽中，使得竖直基板6连接到多级谐振宽角匹配层1下方。
36.如图4所示，阻性频率选择层8为厚度1.016mm的tsm-ds3基板上均匀分布四个方形阻性开口谐振环，四个谐振环呈中心对称分布，且开口方向均不相同。周期单位内(52.34mm*52.34mm)，环内有介质板方形开槽用以减少重量。基板由两块同样的部分组成，每个部分的内侧设有一个凸起，可分别插在竖直基板6预留的插槽12中进行固定。其作用是能够少部分去除高频点的共模谐振，图5(a)和(b)分别为增加阻性频选层前后电压驻波比的情况,可以看到增加之后中高频段电压vswr降至1.8以下，低频段带宽(以vswr《2.5作为标准)也得到了扩展。本实施例中，阻性开口谐振环边长为16mm，环宽0.6mm，开口宽度为1mm，材质为方阻为50ω的阻性薄膜。
37.如图7(a)和7(b)所示，馈电结构层9底部为4mm金属地板，金属地板上层为1.016mm
厚度的rogers ad255c介质板，介质板在相应区域开槽为竖直基板6预留接插和焊接空间。渐变微带线3的下半部分迂回印刷在介质板上，其一端与竖直基板6上的渐变微带线3上半部分末端电连接，另外一端接到馈电结构层9边缘设置的50欧姆同轴馈电口上。竖直基板6上的短接金属线11和微带线金属地板10均与馈电结构层9的金属地板电连接。
38.如图6所示，泡沫支撑层7采用介电常数与空气相同的泡沫作为支撑物，起到固定支撑阻性匹配层8的作用。
39.如图8所示为由上述7个阵元构成的1*7线阵天线的结构图，其为实际拼装的基本模块结构。
40.如图9所示为由上述阵元构成的7*7全阵列天线的结构图，其金属地板为400mm*400mm，各个阵元间距为52.34mm，采用sma接头进行馈电。
41.综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。特别是多级谐振宽角匹配层与基板上特定位置开槽的设计需要被强调保护。