导语：让隐身战机显形的——相控阵天线

相控阵天线

基于近零折射率超材料的相控阵天线。该天线由阵列形式的有源天线单元、综合网络、散热模块、电源及控制模块、高频接口、近零折射率超材料组成。近零折射率超材料的有效折射率neff小于1，接近于零；相控阵天线的天线单元的间距d0大于传统相控阵天线的天线单元最大间距d，其中d满足无栅瓣最大扫描角度θmax约束条件：

λ0是空间波长。基于近零折射率超材料的相控阵天线可解决相控阵天线单元间距与栅瓣波束的矛盾，增大了单元间距并扩大了不出现栅瓣条件下的波束扫描角度。有利于解决相控阵天线中热设计问题、互耦问题，同时还可大幅减少有源器件的使用数量，降低相控阵天线的成本。

实例

如图 1 所示，工作中心频率为 f0 ＝ 8GHz 的基于近零折射率超材料的相控阵天线，整体结构主要分为四层，顶层为平板形状的近零折射率超材料 1，第二层为有源天线单元 2和散热模块 3，第三层为综合网络 4，底层为高频接口 5 和电源及控制模块 6。各层间可以通过机械连接、焊接或粘合的方式组合成一体。

2 示出了由周期排列的亚波长树枝形单元结构 7 组成的近零折射率超材料 1， 实例中近零折射率超材料 1 在天线工作中心频率 f0 ＝ 8GHz 处的等效折射率值为 neff＝ 0.56，对应的等效介电常数 εeff ＝ 0.314，等效磁导率 μeff ＝ 1。采用如图 2 所示的树枝形单元结构 7 实现对应的电磁参数，相应的几何参数为 ：一级分支 l1 ＝ 2.5mm，二级分支l2 ＝ 1.2mm，夹角 θ ＝ 84°，线宽 w ＝ 0.4mm，以单元间距 d1 ＝ 4mm 排成周期阵列。采用印刷电路板技术将该图案制作于厚度为 2mm，相对介电常数为 2.65 的聚四氟乙烯单面敷铜基板 8 上。近零折射率超材料的总高度为 18mm，共需采用 9 层上述基板 8，通过机械连接或粘合工艺组装成一体。

如图 3 所示，有源天线单元 2 为开口波导天线，天线上部为无源圆波导 9 辐射结构，波导内径 天线下半部为有源模块 10，采用半导体工艺实现接收 / 发射功率器件及移相器功能，有源模块 10 嵌入圆波导 9 中组合成一个有源天线单元 2。散热模块 3为边缘带有鳍状散热结构的铝块，在铝块中加工出内径 间距 d2 为 30mm 的圆形通孔阵列，该圆形通孔即为圆波导 9。如果要提高散热效率，还可以在散热模块 3 中埋入热管、液冷通道等散热结构。[0019] 综合网络 4 包含了高频微带功率分配网络和低频控制及电源电路，采用多层电路板印刷技术在聚四氟乙烯基板上进行高低频混合布线，其输入输出为高频接头 5 和电源及控制模块 6。

] 图 4 和图 5 对比了本实施例提供的相控阵天线 ( 只包含有源天线单元 2、散热模块3、综合网络 4、底层为高频接口 5、电源及控制模块 6) 在加载近零折射率超材料 1 前后的波束扫描角度为 0°、+15°及 +30°远场方向图。如图 4 所示，相控阵天线未加载近零折射率超材料 1 时，该天线未出栅瓣的扫描角度为 +15°，当扫描角度为 +30°时，在 -46°方向出现 -3dB 的栅瓣。如图 5 所示，在加载近零折射率超材料 1 后，扫描栅瓣被完全抑制，同时主波束性能保持基本不变。因此基于近零折射率超材料的相控阵天线解决了相控阵天线单元间距与栅瓣波束的矛盾，增大了单元间距并扩大了不出现栅瓣条件下的波束扫描角度。有利于解决相控阵天线由于单元间距过小带来的热设计和有源器件设计难度增加，互耦影响等技术问题，同时还可以大幅减少有源器件的使用数量，降低相控阵天线的成本。

机械公社——为机械而生

免责声明:本站部份内容由优秀作者和原创用户编辑投稿，本站仅提供存储服务，不拥有所有权,不承担法律责任。若涉嫌侵权/违法的，请反馈，一经查实立刻删除内容。本文内容由快快网络小洁创作整理编辑！