[发明专利]基于磁介质型人工磁导体的超低剖面强耦合超宽带相控阵

说明书

本发明公开了一种基于磁介质型人工磁导体结构的超低剖面强耦合超宽带相控阵天线，它包含印制在超薄介质层上的辐射单元层，以及人工磁导体反射板。所述的辐射单元层中的偶极子天线单元末端分别向相邻的偶极子天线单元末端延伸，形成可以增强单元间电容耦合量的交指电容。该天线能够实现3.3倍频程范围内±60°二维宽角扫描，由于加载了由磁介质作为介质基板的人工磁导体结构，其剖面高度仅约为高频波长的0.03倍，满足了天线的超宽带宽角扫描以及超低剖面的要求。本发明提供的超低剖面强耦合超宽带相控阵天线尤其适合需要超宽工作频带以及天线超低剖面要求的应用平台。

技术领域

本发明属于天线工程技术领域，特别涉及超宽带宽角扫描相控天线阵系统，具体来说是一种基于强互耦效应的，加载的人工磁导体(Artificial magnetic conductor，AMC)的具有超宽带低剖面特性的相控天线阵列，可用于要求超宽频带以及低剖面的电子平台。

背景技术

相控阵天线是指通过控制天线阵列中各个天线单元的馈电相位来实现阵列天线波束空间扫描的天线阵列。超宽带相控阵作为相控阵天线发展的趋势，是无线电子技术发展的必然要求。传统的超宽带相控阵天线的设计思路是以孤立天线单元设计为起点，然后再将天线单元通过恰当的组阵方式来构成宽带天线阵列。显然，这样的设计方式往往局限性很大，受限于单元带宽、低频时地板短路以及互耦等影响，这类传统的超宽带相控阵多多少少都存在着体积庞大，不易于共形，技术结构过于复杂等缺点，不利于实现波束的大角度扫描和工作频带的拓展。

因此，一种基于强耦合效应的超宽带相控阵天线便应运而生。俄亥俄州立大学的B.Munk 教授摒弃了传统超宽带相控阵将单元间的互耦视作“有害”的设计方式，在美国专利号为 6512487专利“宽带相控阵及相关技术”(Wideband Phased Array Antenna andAssociated Methods)中，首次提出了通过加强单元间的互耦效应来拓展带宽的方法。然而Munk等人所设计的强互耦超宽带相控阵由于存在介质型宽角阻抗匹配层，该宽角匹配层的介质板材具有与工作波长成正比的厚度，因而导致阵列整体剖面较高。在申请号为201610230021.1的中国专利“一种双极化一维强耦合超宽带宽角扫描相控阵”中提出了一种利用垂直极化偶极子竖直渐变延伸部分与金属围栏部分的共同作用来改善垂直极化端口的低频电抗，从而拓展低频带宽的方法。该天线的两个极化在±60°扫描范围内分别具有5:1和4:1的工作带宽，并采用寄生印刷介质板代替了传统的宽角阻抗匹配层，实现了轻量化的效果。然而该天线剖面高度为0.95倍高频波长，虽远小于传统的Vivaldi天线，但仍难以满足低剖面甚至共形要求。在申请号为201710515792.X的中国专利“一种强互耦超宽带宽角扫描双极化共形相控阵天线”中提出了一种将基于强互耦效应的偶极子与共形阵相结合的新型共形阵，该共形阵以锥台形为载体，剖面高度为0.43倍高频波长，在6-18GHz范围内实现±60°扫描，虽然该共形阵剖面高度较上述有所降低，但是工作带宽也降低到了3:1，且在工作频率较低的频段天线剖面高度仍较高。2013年，发表于IEEE Transactions onAntennas and Propagation(IEEE T-AP) 的文章“UWB Low-Proile Tightly CoupledDipole Array With Integrated Balun and Edge Terminations”提出了一种工作于200MHz-600MHz的强互耦相控阵天线，剖面高度仅为0.3倍高频波长，然而该天线只能实现±30°扫描。此外，通过在阵列顶层放置一块或者数块介质板(宽角阻抗匹配层)，可用以减缓阵列扫描时带来的一些阻抗变化，从而实现宽角扫描。在 2016年Ersin Yetisir等人发表于IEEE T-AP的文章“Ultrawideband Array With 70°Scanning Using FSSSuperstrate”中，提出了一种使用寄频率选择表面代替了传统的宽角阻抗匹配层的强互耦相控阵天线，该阵列实现了0.5-3.1GHz工作频率内E面±75°，D面±70°，H面±60°扫描，且在扫描频带内驻波比小于3.2。但该天线仍然存在剖面较高的缺点，剖面高度约为 0.77倍高频波长。