一种改善强耦合相控阵截断效应的超表面结构制造技术

本发明专利技术公开了一种改善强耦合相控阵截断效应的超表面结构，属于天线工程技术领域。该超表面结构由介质基板、额外耦合贴片和周期性金属贴片构成。位于介质基板正面的额外耦合贴片，为阵列边缘天线单元提供电容耦合量。位于介质基板背面的周期性金属贴片，缓和从天线阵列到自由空间的阻抗剧烈变换，改善阵列边缘天线单元匹配。本发明专利技术的结构简单，具有轻量化、小型化的优点。在实施例中，设计了一款强耦合相控阵，对比加载本发明专利技术所述结构前后阵列单元的侧射及扫描有源驻波，得知此结构对天线单元的截断效应有显著改善作用。截断效应有显著改善作用。截断效应有显著改善作用。

【技术实现步骤摘要】
一种改善强耦合相控阵截断效应的超表面结构


[0001]本专利技术属于天线工程
，涉及强耦合相控阵天线，具体涉及一种改善强耦合相控阵截断效应的超表面结构。此结构能显著改善强耦合相控阵截断效应导致的阵列匹配性能恶化，具有体积小、重量轻和结构简单的特点。

技术介绍

[0002]在雷达和通信系统中，相控阵天线由于其高增益、快速扫描、波束可控的优点，得到了广泛的应用。而由于强耦合相控阵天线具有超宽带、低剖面等优势，其在当前的相控阵天线研发中受到了重视。
[0003]强耦合相控阵天线通过在阵列天线单元之间引入电容耦合，抵消金属地板加载带来的电感效应，极大地拓展了天线的工作频带。然而位于阵列边缘的天线单元，其外侧没有其他天线单元提供电容耦合，偶极子臂电流在阵列边缘截断，有源驻波会剧烈恶化，匹配性能下降。论文“A Low
‑
profile Wideband Wide
‑
Angle Scanning Tightly Coupled Dipole Array Antenna”采用延长阵列边缘天线单元偶极子臂和耦合贴片的方法来增加边缘单元的电容耦合，改善截断效应。但这会导致阵列体积增加，不利于阵列轻量化、小型化设计。

技术实现思路

[0004]本专利技术在
技术介绍
的基础上，提出了一种新型的改善强耦合相控阵截断效应的超表面结构，降低强耦合相控阵边缘单元有源驻波，改善阵列匹配性能。此专利技术结构简单，具有轻量化的特点，有利于阵列的小型化设计。
[0005]本专利技术技术方案为一种改善强耦合相控阵截断效应的超表面结构，该超表面结构包括：介质基板、额外耦合贴片、和周期性金属贴片；
[0006]所述介质基板的背面设置周期性金属贴片，正面设置额外耦合贴片，所述周期性金属贴片包括多个单元贴片，所有单元贴片的排列方式为阵列排布，或横向均匀排布纵向嵌合排布；
[0007]所述超表面结构设置于强耦合相控阵天线的边缘，紧靠于强耦合相控阵天线单元，超表面结构的介质基板与强耦合相控阵天线的介质基板正交，超表面结构的额外耦合贴片与强耦合相控阵天线边缘的单元天线的耦合贴片正交并电连接。
[0008]进一步的，所述额外金属贴片的最小外截四边形为矩形。
[0009]进一步的，所述周期性金属贴片的每一个单元贴片的形状为圆形、环形、正多边形；当单元贴片为正多边形时，也可将正多边形划分为多个相同的三角形。
[0010]本专利技术通过加载额外耦合贴片为阵列提供额外的耦合分量，改善阵列截断效应导致的阵列边缘天线单元有源驻波恶化；通过加载周期性金属贴片缓和从天线阵面到自由空间的阻抗变换，改善阵列边缘天线单元的有源驻波。额外耦合贴片和周期性金属贴片分别印刷在超表面介质基板的正反两侧，超表面介质基板与强耦合相控阵天线介质基板正交放置，此加载方式不会导致阵列体积显著增加。该超表面结构能显著改善强耦合相控阵截断
效应导致的阵列匹配性能恶化，具有体积小、重量轻和结构简单的特点。
附图说明
[0011]图1是本专利技术所述超表面结构的单元正视图、后视图和3d视图。其中(a)是所述结构单元正视图，(b)是所述结构单元后视图，(c)是所述结构单元3d视图。
[0012]图2是部分替换了图1周期性金属贴片的其余形式超表面结构。
[0013]图3是未加载本专利技术所述超表面结构的强耦合相控阵阵列示意图。
[0014]图4是加载本专利技术所述超表面结构的强耦合相控阵阵列示意图。
[0015]图5是加载本专利技术所述超表面结构后阵列边缘天线单元示意图。
[0016]图6是加载本专利技术所述超表面结构后阵列整体正视图。
[0017]图7是未加载本专利技术所述超表面结构时阵列天线单元侧射有源驻波(Active VSWR)曲线。
[0018]图8是加载本专利技术所述超表面结构后阵列天线单元侧射有源驻波(Active VSWR)曲线。
[0019]图9是未加载本专利技术所述超表面结构时阵列天线单元H面60
°
扫描有源驻波(Active VSWR)曲线。
[0020]图10是加载本专利技术所述超表面结构后阵列天线单元H面60
°
扫描有源驻波(Active VSWR)曲线。
具体实施方式
[0021]实施例1。
[0022]本实施例中改善截断效应的超表面结构单元模型如图1。介质基板材料为聚酰亚胺，厚度为0.05mm，介电常数3.5。如图1(c)所示，结构1为矩形额外耦合贴片，印刷在薄膜介质基板正面，尺寸为6mm*3.15mm。结构2为改善阵列边缘天线单元匹配的周期性方形金属贴片，按照矩形栅格排布，印刷在薄膜介质基板背面，尺寸为3.2mm*3.2mm。超表面单元尺寸为7.5mm*17.1mm。
[0023]图2展示了部分其他超表面结构示意图，均能起到截断效应改善作用。本专利技术所提出的超表面结构，其周期性金属贴片的形状包括但不限于图2所展示的方形、圆形、环形、三角形、多边形等形状。额外耦合贴片的形状包括但不限于图2所展示的矩形、多边形、圆弧形、椭圆形等形状。金属贴片在单元中的数量应当根据实际情况而修正，但均需满足矩形或三角形栅格周期排布。
[0024]为验证本专利技术提出超表面结构的性能，设计了一款工作带宽为9:1的强耦合相控阵天线阵列，其示意图如图3所示。阵列沿X轴方向由8个天线单元沿E面排布组成，边缘截断；阵列平行于Y轴的方向设置为周期边界。天线单元沿Y轴正方向按1
‑
8进行编号。图中天线阵列尺寸为8a*8，其中a＝7.5mm。
[0025]图4是在阵列两侧边缘加载图1所示超表面结构后的阵列示意图。
[0026]图5是加载图1所示超表面结构后强耦合相控阵边缘天线单元示意图。聚酰亚胺介质基板3紧贴阵列边缘放置，与天线层介质基板8正交。周期性方形金属贴片4印刷于介质基板3外侧。矩形额外耦合贴片5印刷于介质基板3内侧，与天线单元自带的耦合贴片7电连接。
结构6为天线单元的偶极子臂，印刷在天线层介质基板8的背面。结构9为天线的地板。
[0027]图6是加载图1所示超表面结构后阵列整体正视图。
[0028]图7是未加载本专利技术所述超表面结构时阵列天线单元侧射有源驻波曲线。f
L
为此阵列的最低工作频率，f0为此阵列的中心工作频率。由于阵列的截断效应，此时在f
L
‑
3f
L
范围内，阵列1、8号天线单元有源驻波远大于3。
[0029]图8给出了加载本专利技术所述超表面结构后阵列天线单元侧射有源驻波曲线。从图中可以看出，阵列1、8号天线单元有源驻波小于3，其余天线单元有源驻波小于2。由此可知本专利技术所述超表面结构的加载能有效降低阵列单元有源电压驻波比，改善阵列侧射匹配性能。
[0030]图9是未加载本专利技术所述超表面结构阵列天线单元H面60
°
扫描有源驻波曲线。此时在f
L
‑
3本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种改善强耦合相控阵截断效应的超表面结构，该超表面结构包括：介质基板、额外耦合贴片、和周期性金属贴片；所述介质基板的背面设置周期性金属贴片，正面设置额外耦合贴片，所述周期性金属贴片包括多个单元贴片，所有单元贴片的排列方式为阵列排布，或横向均匀排布纵向嵌合排布；所述超表面结构设置于强耦合相控阵天线的边缘，紧靠于强耦合相控阵天线单元，超表面结构的介质基板与强耦合相控阵天线的介质基板正交，超表面结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：屈世伟，吴振宇，汤润之，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：