一种双极化微带相控阵天线单元及其阵列

摘要

本发明涉及了一种双极化微带相控阵天线单元，包括辐射结构、馈电结构和金属背腔，辐射结构包括第一介质层和第二介质层，寄生贴面设于第一介质层的下表面，辐射贴片设于第二介质层的上表面，辐射贴片和寄生贴片相对设置，馈电结构包括第三介质层、接地板、第四介质层、第一极化馈电线和第二极化馈电线，接地板设于第三介质层和第四介质层之间，第一极化馈电线设于第二介质层和第三介质层之间，第二极化馈电线设于第四介质层下表面。本发明通过天线单元采用多层贴片耦合的宽带微带单元，天线下方添加金属背腔控制后向杂散辐射，采用上述天线单元得到的相控阵天线可以同时达到宽带宽角扫描、高隔离度、低副瓣、高前后比和低剖面的效果。

权利要求

1.一种双极化微带相控阵天线单元，其特征在于，包括辐射结构、馈电结构和金属背腔(6)，

所述辐射结构包括第一介质层(1)、第二介质层(2)、寄生贴片(9)和辐射贴片(10)，所述寄生贴面设于所述第一介质层(1)的下表面，所述辐射贴片(10)设于所述第二介质层(2)的上表面，所述寄生贴片(9)和所述辐射贴片(10)相对设置，所述寄生贴片(9)和所述辐射贴片(10)之间设有预设长度的间隙，所述馈电结构包括第三介质层(3)、接地板(5)、第四介质层(4)、第一极化馈电线(7)和第二极化馈电线(8)，所述接地板(5)设于所述第三介质层(3)和所述第四介质层(4)之间，所述第一极化馈电线(7)设于所述第二介质层(2)和所述第三介质层(3)之间，所述第二极化馈电线(8)设于所述第四介质层(4)的下表面，所述第三介质层(3)的上表面与所述第二介质层(2)的下表面相对设置，所述第四介质层(4)的下表面与所述金属背腔(6)的上表面相对设置，所述第二介质层(2)、所述第三介质层(3)和所述第四介质层(4)依次压合叠放设置；

所述接地板(5)设有第一缝隙(51)和第二缝隙(52)，所述第一缝隙(51)和所述第二缝隙(52)相交，所述第一缝隙(51)和所述第二缝隙(52)之间的夹角为90°；所述第一极化馈电线(7)向所述接地板(5)的投影与所述第一缝隙(51)位于同一直线上，所述第二极化馈电线(8)向所述接地板(5)的投影与所述第二缝隙(52)位于同一直线上。

2.根据权利要求1所述的一种双极化微带相控阵天线单元，其特征在于，所述第一极化馈电线(7)与所述第二极化馈电线(8)异面垂直。

3.根据权利要求1所述的一种双极化微带相控阵天线单元，其特征在于，所述第一缝隙(51)与所述第二缝隙(52)的交点向所述寄生贴片(9)的投影位于所述寄生贴片(9)的中心，所述第一缝隙(51)与所述第二缝隙(52)的交点向所述辐射贴片(10)的投影位于所述辐射贴片(10)的中心。

4.根据权利要求1所述的一种双极化微带相控阵天线单元，其特征在于，所述间隙内的介质为空气。

5.根据权利要求1所述的一种双极化微带相控阵天线单元，其特征在于，所述第一极化馈电线(7)向所述第一缝隙(51)的投影超出所述第一缝隙(51)的所在区域，所述第二极化馈电线(8)向所述第二缝隙(52)的投影超出所述第二缝隙(52)的所在区域。

6.根据权利要求1所述的一种双极化微带相控阵天线单元，其特征在于，所述第四介质层(4)设有多个金属化过孔，所述多个金属化过孔为沿着所述金属背腔(6)向所述第四介质层(4)的投影区域的边缘设置。

7.根据权利要求1所述的一种双极化微带相控阵天线单元，其特征在于，所述辐射贴片(10)的面积小于所述寄生贴片(9)的面积。

8.一种双极化微带相控阵，其特征在于，包括如权利要求1‑7任一项所述的双极化微带相控阵天线单元和多个由至少两个所述天线单元组成的阵元。

说明书

一种双极化微带相控阵天线单元及其阵列

技术领域

[0001] 本发明涉及到天线技术领域，尤其涉及一种相控阵天线单元及其阵列。

背景技术

[0002] 宽角扫描相控阵天线的设计难点之一是阻抗匹配。当天线阵列波束扫描角度发生变化时，天线的输入阻抗也会随之发生变化。如果变化过大，就会造成天线失配，辐射效率
下降。

[0003] 改善阻抗匹配的方法之一是减小单元之间的耦合。R.Xia等人提出了一种解耦网络来减小天线单元之间的耦合(R.Xia,S.Qu,P.Li,D.Yang,S.Yang and Z.Nie.“Wide‑
Angle Scanning Phased Array Using an Efficient Decoupling Network”.IEEE 
Transactions on Antennas and Propagation,Nov.2015,vol.63,no.11,pp.5161‑
5165.)，实现了广角阻抗匹配，但天线副瓣较高，且工作带宽只有3.3％；S.Qu等人采用稀疏
阵列的方式(S.Qu,D.He,S.Yang and Z.Nie.“Novel Parasitic Micro Strip Arrays for 
Low‑Cost Active Phased Array Applications”.IEEE Transactions on Antennas and 
Propagation,April 2014,vol.62,no.4,pp.1731‑1737.)使有源单元的实际距离达到一个
波长以上，使馈电端口间的耦合大大降低，但同样存在副瓣高和带宽窄等问题；
T.R.Cameron等人在天线上方增加一层由开口谐振环和介质层构成的阻抗匹配层
(T.R.Cameron and G.V.Eleftheriades.“Analysis and Characterization of a Wide‑
Angle Impedance Matching Metasurface for Dipole  Phased Arrays”.IEEE 
Transactions on Antennas and Propagation Sept.2015,vol.63,no.9,pp.3928‑
3938.)，有效的增加了天线的扫描范围，但天线结构的增加也造成了天线剖面增高。采用宽
波束的天线单元也能有效的增加天线扫描范围，但难以同时拓宽天线工作带宽。

[0004] 改善相控阵天线带宽通常从宽带阵元和宽带阵列技术两方面入手。Q.Fang等人提出了一种双极化缝隙耦合微带天线单元(Q.Fang,L.Song,M.Jin,Y.Han and X.Qiao“. Dual 
polarised aperture‑coupled patch antenna using asymmetrical feed”.IET 
Microwaves,Antennas&Propagation2015,vol.9,no.13,pp.1399‑1406.)，利用非对称的馈
电结构，得到了较高的端口隔离度和交叉极化隔离度，测试得到的带宽大于35％。但该单元
不利于用于相控阵组阵，强烈的互耦会带来严重的失配问题，天线单元前后比仅能达到
10dB，且在天线后方λ_0/4处添加反射板会增加天线的剖面高度。紧耦合的偶极子天线阵列
以其宽频带、良好的扫描性能、低剖面和低交叉极化等特点而广泛运用于宽带宽角扫描的
相控阵中，但其馈电结构设计过程中充满了挑战和限制，包括紧凑的巴伦设计、阻抗匹配网
络设计、低损耗、低剖面、轻重量等等。尤其是巴伦结构，对设计加工的容差要求高，且双极
化馈线往往和天线是垂直的，可靠性较差。宽频带微带天线通过纵向延长其单元尺寸，降低
其最低截止频率，从而得到超宽带的特性，且具有良好的波束扫描性能，但其较长的纵向尺
寸严重限制了在低剖面系统中工程运用。

[0005] 因此，为了解决上述问题，需要提供一种双极化微带相控阵天线单元及其阵列。

发明内容

[0006] 本发明的目的是提供一种双极化微带相控阵天线单元及其阵列，通过天线单元采用多层贴片耦合的宽带微带单元，天线下方添加金属背腔控制后向杂散辐射，采用上述天
线单元得到的相控阵天线可以同时达到宽带宽角扫描、高隔离度、低副瓣、高前后比和低剖
面的效果。

[0007] 为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

[0008] 一种双极化微带相控阵天线单元，包括辐射结构、馈电结构和金属背腔，所述辐射结构包括第一介质层、第二介质层、寄生贴片和辐射贴片，所述寄生贴面设于所述第一介质
层的下表面，所述辐射贴片设于所述第二介质层的上表面，所述寄生贴片和所述辐射贴片
相对设置，所述寄生贴片和所述辐射贴片之间设有预设长度的间隙，所述馈电结构包括第
三介质层、接地板、第四介质层、第一极化馈电线和第二极化馈电线，所述接地板设于所述
第三介质层和所述第四介质层之间，所述第一极化馈电线设于所述第二介质层和所述第三
介质层之间，所述第二极化馈电线设于所述第四介质层的下表面，所述第三介质层的上表
面与所述第二介质层的下表面相对设置，所述第四介质层的下表面与所述金属背腔的上表
面相对设置，所述第二介质层，所述第三介质层和所述第四介质层依次压合叠放设置。

[0009] 可选的，所述接地板设有第一缝隙和第二缝隙，所述第一缝隙和所述第二缝隙相交，所述第一缝隙和所述第二缝隙之间的夹角为90°。

[0010] 可选的，所述第一极化馈电线与所述第二极化馈电线异面垂直。

[0011] 可选的，所述第一极化馈电线向所述接地板的投影与所述第一缝隙位于同一直线上，所述第二极化馈电线向所述接地板的投影与所述第二缝隙位于同一直线上。

[0012] 可选的，所述第一缝隙与所述第二缝隙的交点向所述寄生贴片的投影位于所述寄生贴片的中心，所述第一缝隙与所述第二缝隙的交点向所述辐射贴片的投影位于所述辐射
贴片的中心。

[0013] 可选的，所述间隙内的介质为空气。

[0014] 可选的，所述第一极化馈电线向所述第一缝隙的投影超出所述第一缝隙的所在区域，所述第二极化馈电线向所述第二缝隙的投影超出所述第二缝隙的所在区域。

[0015] 可选的，所述第四介质层设有多个金属化过孔，所述多个金属化过孔为沿着所述金属背腔向所述第四介质层的投影区域的边缘设置。

[0016] 可选的，所述辐射贴片的面积小于所述寄生贴片的面积。

[0017] 另一方面，本申请还提供了一种双极化微带相控阵，包括上述的天线单元和多个由至少两个所述天线单元组成的阵元。

[0018] 根据本发明提供的具体实施例，本发明具有以下技术效果：

[0019] 1)本发明提供一种双极化微带相控阵天线单元及其阵列，通过天线单元采用多层贴片耦合的宽带微带单元，天线下方添加金属背腔控制后向杂散辐射，同时抑制单元间的
耦合，采用上述天线单元得到的相控阵天线可以同时满足宽带宽角扫描、高隔离度、低副
瓣、高前后比和低剖面的特性，具有较强的综合性能；

[0020] 2)为实现宽带特性，天线单元采用了多调谐回路的双层倒置堆叠式贴片结构，通过缝隙的口径耦合馈电，使天线加入了附加的电感电容结构，有效的拓宽其带宽，同时堆叠
贴片间采用空气层而非其他介质层，降低了上层谐振腔的Q值，也有助于拓宽带宽；

[0021] 3)为实现宽角度扫描特性，寄生贴片倒置在第一介质层的下表面，第一介质层在扫描时产生的电抗变化和地板所产生的电抗变化状态相反，因此可以抵消扫描导致的电抗
变化，减小阻抗失配程度，使阵列能够扫描到相对较大的角度，同时在组阵时针对单元采用
折衷优化的设计方法，进一步减小了互耦对阵列扫描能力的影响；

[0022] 4)为实现高隔离度特性，采用了位于辐射贴片和寄生贴片中心的对称十字开缝方式，其对称性为交叉极化提供了良好的隔离，同时天线两极化馈电位于不同层的不共面设
计则保证了天线端口间的高隔离度；

[0023] 5)为实现高前后比特性，在天线下方引入金属背腔，金属背腔与第四介质层上的金属化过孔共同配合控制耦合缝隙向后的散射，同时选取细长的对称十字缝隙，在降低设
计复杂度的同时兼顾了耦合量和较小后向辐射。

附图说明

[0024] 为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对
于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还能够根据这些附图获得其
它附图。

[0025] 图1是本发明实施例提供的一种双极化微带相控阵天线单元的分层结构图。

[0026] 图2是本发明实施例提供的一种双极化微带相控阵天线单元的侧视图。

[0027] 图3是本发明实施例提供的一种双极化微带相控阵天线单元中第一介质层、寄生贴片和辐射贴片之间的相对位置关系示意图。

[0028] 图4是本发明实施例提供的一种双极化微带相控阵天线单元中第一极化馈电线、第二极化馈电线、第一缝隙与第二缝隙之间的相对位置关系示意图。

[0029] 其中，图中附图标记对应为：

[0030] 1‑第一介质层，2‑第二介质层，3‑第三介质层，4‑第四介质层，5‑接地板，51‑第一缝隙，52‑第二缝隙，6‑金属背腔，7‑第一极化馈电线，8‑第二极化馈电线，9‑寄生贴片，10‑
辐射贴片。

具体实施方式

[0031] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其
他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0032] 此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本申请至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、
“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描
述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定
的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描
述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由
此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，
术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应
该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除
了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

[0033] 本发明的目的是提供一种双极化微带相控阵天线单元及其阵列，通过天线单元采用多层贴片耦合的宽带微带单元，天线下方添加金属背腔控制后向杂散辐射，采用上述天
线单元得到的相控阵天线可以同时达到宽带宽角扫描、高隔离度、低副瓣、高前后比和低剖
面的效果。

[0034] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0035] 本实施例中，一种双极化微带相控阵包括多个阵元，阵元是由至少两个天线单元组成的。为实现低副瓣特性，在组阵中可采用泰勒分布的不等功分设计，通过调整天线辐射
方向图零点位置使近旁瓣两侧的零点靠近，从而控制旁瓣的大小。

[0036] 参阅图1‑3，双极化微带相控阵天线单元包括辐射结构、馈电结构和金属背腔6，辐射结构包括第一介质层1、第二介质层2、寄生贴片9和辐射贴片10，寄生贴面设于第一介质
层1的下表面，辐射贴片10设于第二介质层2的上表面，寄生贴片9和辐射贴片10相对设置，
寄生贴片9和辐射贴片10之间设有预设长度的间隙，馈电结构包括第三介质层3、接地板5、
第四介质层4、第一极化馈电线7和第二极化馈电线8，接地板5设于第三介质层3和第四介质
层4之间，第一极化馈电线7设于第二介质层2和第三介质层3之间，第二极化馈电线8设于第
四介质层4的下表面，第三介质层3的上表面与第二介质层2的下表面相对设置，第四介质层
4的下表面与金属背腔6的上表面相对设置，第二介质层2、第三介质层3和第四介质层4依次
压合叠放设置。

[0037] 其中，通过天线单元采用多层贴片耦合的宽带微带单元，天线下方添加金属背腔控制后向杂散辐射，同时抑制单元间的耦合，采用上述天线单元得到的相控阵天线可以同
时满足宽带宽角扫描、高隔离度、低副瓣、高前后比和低剖面的特性，具有较强的综合性能。
为实现宽角度扫描特性，寄生贴片倒置在第一介质层的下表面，第一介质层在扫描时产生
的电抗变化和地板所产生的电抗变化状态相反，因此可以抵消扫描导致的电抗变化，减小
阻抗失配程度，使阵列能够扫描到相对较大的角度，同时在组阵时针对单元采用折衷优化
的设计方法，进一步减小了互耦对阵列扫描能力的影响。

[0038] 在一个可能的实施方式中，接地板5设有第一缝隙51和第二缝隙52，第一缝隙51和第二缝隙52相交，第一缝隙51和第二缝隙52之间的夹角为90°。通过缝隙的口径耦合馈电，
使天线加入了附加的电感电容结构，有效的拓宽其带宽；为实现高隔离度特性，采用了位于
辐射贴片和寄生贴片中心的对称十字开缝方式，其对称性为交叉极化提供了良好的隔离。
选取细长的对称十字缝隙，在降低设计复杂度的同时，兼顾了耦合量和较小后向辐射。

[0039] 在一个可能的实施方式中，第一极化馈电线7与第二极化馈电线8异面垂直。天线两极化馈电位于不同层的不共面设计则保证了天线端口间的高隔离度。在一个可能的实施
方式中，第一极化馈电线7向接地板5的投影与第一缝隙51位于同一直线上，第二极化馈电
线8向接地板5的投影与第二缝隙52位于同一直线上。通过缝隙的口径耦合馈电，使天线馈
电线与贴片不共面、两不同极化馈电线不共面的设计，减小或消除了馈电结构对天线方向
图的寄生辐射影响，且馈线的拓扑结构所收到的约束小，便于布置馈电网络来组阵以实现
高增益和低副瓣，设计自由度高。

[0040] 在一个可能的实施方式中，第一缝隙51与第二缝隙52的交点向寄生贴片9的投影位于寄生贴片9的中心，第一缝隙51与第二缝隙52的交点向辐射贴片10的投影位于辐射贴
片10的中心。

[0041] 在一个可能的实施方式中，寄生贴片9与辐射贴片10之间设有预设长度的间隙，间隙内的介质为空气。寄生贴片9与辐射贴片10之间采用空气层而非其他介质层，降低了上层
谐振腔的Q值，也有助于拓宽带宽。

[0042] 在一个可能的实施方式中，第一极化馈电线7向第一缝隙51的投影超出第一缝隙51的所在区域，第二极化馈电线8向第二缝隙52的投影超出第二缝隙52的所在区域。

[0043] 在一个可能的实施方式中，第四介质层4设有多个金属化过孔，多个金属化过孔为沿着金属背腔6向第四介质层4的投影区域的边缘设置。为实现高前后比特性，在天线下方
引入金属背腔，金属背腔与第四介质层上的金属化过孔共同配合控制耦合缝隙向后的散
射，同时选取细长的对称十字缝隙，在降低设计复杂度的同时兼顾了耦合量和较小后向辐
射。

[0044] 在一个可能的实施方式中，辐射贴片10的面积小于寄生贴片9的面积。

[0045] 上述实施例具有以下技术效果：

[0046] 1)本发明提供一种双极化微带相控阵天线单元及其阵列，通过天线单元采用多层贴片耦合的宽带微带单元，天线下方添加金属背腔控制后向杂散辐射，同时抑制单元间的
耦合，采用上述天线单元得到的相控阵天线可以同时满足宽带宽角扫描、高隔离度、低副
瓣、高前后比和低剖面的特性，具有较强的综合性能；

[0047] 2)为实现宽带特性，天线单元采用了多调谐回路的双层倒置堆叠式贴片结构，通过缝隙的口径耦合馈电，使天线加入了附加的电感电容结构，有效的拓宽其带宽，同时堆叠
贴片间采用空气层而非其他介质层，降低了上层谐振腔的Q值，也有助于拓宽带宽；

[0048] 3)为实现宽角度扫描特性，寄生贴片倒置在第一介质层的下表面，第一介质层在扫描时产生的电抗变化和地板所产生的电抗变化状态相反，因此可以抵消扫描导致的电抗
变化，减小阻抗失配程度，使阵列能够扫描到相对较大的角度，同时在组阵时针对单元采用
折衷优化的设计方法，进一步减小了互耦对阵列扫描能力的影响；

[0049] 4)为实现高隔离度特性，采用了位于辐射贴片和寄生贴片中心的对称十字开缝方式，其对称性为交叉极化提供了良好的隔离，同时天线两极化馈电位于不同层的不共面设
计则保证了天线端口间的高隔离度；

[0050] 5)为实现高前后比特性，在天线下方引入金属背腔，金属背腔与第四介质层上的金属化过孔共同配合控制耦合缝隙向后的散射，同时选取细长的对称十字缝隙，在降低设
计复杂度的同时兼顾了耦合量和较小后向辐射。

[0051] 本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据
本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不
应理解为对本发明的限制。