[发明专利]一种大角度扫描微带相控阵天线

说明书

本发明提出一种大角度扫描微带相控阵天线，包括若干个分形结构形式的微带天线单元、上层微波介质板和下层微波介质板，所述的每个微带天线单元包括微带辐射贴片、耦合馈电微带线、射频连接器和天线地板。本发明通过采用新颖的分形微带天线单元结构形式和地板修形技术，有效拓展了传统微带相控阵天线的扫描范围(主波束可实现大于±70°的扫描)，无需额外的周期结构覆层或去耦网络，降低了设计复杂度和制造成本，保持了传统微带天线的低剖面优势。

技术领域

本发明涉及一种大角度扫描(主波束可实现大于±70°的扫描)微带相控阵天线，属于无线通信技术领域。

背景技术

相控阵天线具有波束指向、波束形状快速变化能力，能够实现宽视场的覆盖，在汽车防撞雷达、高速移动通信、物联网、数据链等军用、民用系统中拥有巨大的应用前景。由于微带天线的低剖面、低成本、易集成等优势，使其成为平面相控阵天线设计中首选的天线形式之一。然而，微带天线单元的3-dB波束宽度很难超过120°，导致微带相控阵天线的波束扫描范围一般被限制在±60°内，并且当扫描到±50°时，增益损失典型值约为4～5dB，这就需要增加相控阵天线的单元数目来弥补大角度扫描时增益损失，进而造成系统成本的大幅上升，在某种程度上也限制了微带相控阵天线的应用范围。

Cheng You-Feng等人在2016年Proceedings of IEEE Antennas PropagationSociety International Symposium会议中发表的论文“A novel planar phased arraywith wide beam-scanning coverage”中提出通过谐振在TM21模式的环形贴片以及两个对称缝隙来增加微带天线单元的波束宽度，基于该单元实现的相控阵天线3dB主波束覆盖扩展到了±66°，但该天线在最大扫描角处副瓣电平仅为-3.5dB，不能满足使用需求，而且为了满足大角度扫描阵列的阵元布局间距约束，文中的天线单元需要同时在地板上开对称的四个缝隙，将会引入较强的后向辐射。Cheng You-Feng等人在2016年IEEE AntennasWireless Propagation Letters期刊中发表的论文“2-D planar wide-angle scanningphased array based on wide-beam elements”提出利用寄生的周期结构覆层，成功实现主波束在±75°角域内的扫描，但是该覆层需要与辐射单元间保持一定的间距，增加了天线的剖面与制造成本，设计复杂度也显著上升。

除了展宽微带单元波束宽度外，大角度扫描时的有源驻波控制也是宽角扫描相控阵天线设计过程中需要重点考虑的因素。Xia Run-Liang等人在2015年IEEE Transactionson Antennas and Wireless Propagation期刊中发表的论文“Wide-angle scanningphased array using an efficient decoupling network”通过采用去耦网络来降低大角度时阵元间的互耦，进而实现大角度阻抗匹配，实验表明使用去耦网络的微带相控阵天线扫描角可延伸到±66°，仿真的增益损失为2.28dB。但是，该相控阵天线的工作带宽较窄，结构复杂，去耦网络还会引入额外的插入损耗，增加了制造成本。

通过对现有的技术调研分析可知，实现低成本、低剖面以及优越扫描性能的微带相控阵天线仍然极具挑战，也是实际工程应用中需要迫切解决的问题，对于拓展微带相控阵天线应用范围、降低系统成本具有重要价值。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供了一种低成本大角度扫描(主波束可实现大于±70°的扫描)微带相控阵天线，解决现有微带相控阵天线大角度扫描时增益损失过大、结构复杂、制造成本较高等问题。