CN101065881B - 采用互补天线的宽带阵列天线 - Google Patents

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Abstract

一种包括缀片元件和接地平面的宽带天线阵列，其中该阵列构成了提供大带宽的无限大自互补结构并且采用了处于天线元件上方的电介质片。这些电介质片将会使天线元件的阻抗与自由空间匹配。

Description

采用互补天线的宽带阵列天线
技术领域
本发明涉及利用自互补天线结构的天线，并且更加具体地讲，是利用少量电介质片获得宽带阵列天线。
背景技术
自互补天线是与频率无关的天线的基本范例。它们以单一天线元件和天线阵列存在。众所周知，平面自互补天线具有Z0/2＝188.5Ω的恒定阻抗，即，空间固有阻抗的一半。由于平面自互补天线阵列向上和下两个方向都进行辐射，即，双向辐射，因此插入背衬接地平面的影响是破坏性的[1]。接地平面的影响可以借助天线元件和接地平面之间的雷达吸收材料来减小。这以雷达吸收材料中吸收掉一半功率为代价给出了一种宽带阵列。在本文中，示出了在平面自互补天线元件上叠置电介质片能够减小接地平面的恶化影响，并且因此可被用来设计超带宽天线。电介质片起到滤波器的作用并且变换从天线元件看到的阻抗。将这些片选择成具有相等的光学厚度，并且因此，类似于宽带匹配中四分之一波长变换器的用途[2]。针对无限大天线阵列给出了数值结果，该无限大天线阵列在两个电介质片的情况下，在-13dB处具有4.7∶1的宽面带宽，而在三个电介质片的情况下，在-17dB处具有5.5∶1的宽面带宽。
使用电介质片来提高天线性能不是新技术。可以使用电介质片来进行[3]中所示的平面阵列的大角度阻抗匹配。在[2]中，还示出了，可以使用电介质片来提高由紧密间隔的偶极子构成的阵列的带宽。
发明内容
使用薄电介质片(‘电介质底衬(under-ware)’)作为缀片阵列(patch array)的环境保护。我们观察到，所述薄电介质片几乎根本不会改变阻抗。由于互补阵列的恒定阻抗特性，因此接地平面的影响是破坏性的。改变接地平面距离的效果主要是在史密斯圆图中阻抗的旋转和拉伸，即，频率变标。一种包括缀片元件和接地平面的宽带天线阵列，其中所述阵列构成提供大带宽的无限大自互补结构并且采用了处于天线元件上方的电介质片，由此这些电介质片将会使天线元件的阻抗与自由空间匹配。在典型的实施方式中，使用了至少三个电介质片，由此每个电介质片为输入阻抗添加了一个环形，正如在史密斯圆图中可以直观地看到的。
附图说明
本发明连同它的其它目的和优点可以通过与附图相结合地参阅下面的说明来得到最佳理解，其中：
图1a以顶视图形式图解说明阵列的几何结构，其中无限大阵列由沿着角周期性重复的正方形理想电导体(PEC)缀片组成；
图1b以侧视图形式图解说明将光学厚度为d的电介质片叠置在缀片上方的情况；
图2总体上图解说明在按照以GHz为单位的频率进行宽面扫描的情况下仿真的阻抗；
图2a缀片阵列为中心点，缀片阵列与环境保护一起为离开中心的短弧，接地平面将阻抗变换为旋转大约Z0/2；
图2b在相对于175Ω对阻抗进行了归一化的情况下，对于单独一个ε1＝4的电介质片，给出了4∶1的-10dB带宽；
图2c在相对于120Ω对阻抗进行了归一化的情况下，对于d＝8mm、ε1＝7和ε2＝3的两个电介质片的情况，给出了4.7∶1的-13dB带宽；
图2d在相对于120Ω对阻抗进行了归一化的情况下，对于d＝8mm、ε1＝7.2和ε2＝3.4和ε3＝1.8的三个电介质片的情况，给出了5.5∶1的-17dB带宽；
图3a图解说明针对两个电介质片的情况，对H-平面的30°，45°和60°的扫描角度相对于120Ω进行了归一化的仿真反射系数；
图3b图解说明针对两个电介质片的情况，对E-平面的30°，45°和60°的扫描角度相对于120Ω进行了归一化的仿真反射系数；
图4a图解说明针对三个电介质片的情况，对H-平面的30°，45°和60°的扫描角度相对于120Ω进行了归一化的仿真反射系数；
图4b图解说明针对三个电介质片的情况，对E-平面的30°，45°和60°的扫描角度相对于120Ω进行了归一化的仿真反射系数；
图5a图解说明具有两个电介质片的缀片的参数研究，此时对阻抗进行了仿真，并且相对于120Ω对阻抗进行了归一化，并且在固定的接地平面距离d＝10mm且电介质片固定不变的情况下缀片宽度发生变化；
图5b图解说明具有两个电介质片的缀片的参数研究，此时对阻抗进行了仿真，并且相对于120Ω对阻抗进行了归一化，并且在固定缀片宽度a＝4.8mm的情况下接地平面距离d和电介质片厚度发生变化。
具体实施方式
在本文中，我们考虑如图1所示的由PEC缀片构成的无限大天线阵列。这些缀片是在每个缀片的边角处进行馈电的[4]，依靠所使用的馈电点给出了±45°方向上的线极化场。该缀片阵列是几乎自互补的，即，PEC结构几乎等同于它的互补体。由于这种自互补结构，有理由认为缀片的特性不是很取决于缀片的尺寸。在起始时，使用α＝3.6mm的缀片宽度和b＝0.3mm的馈电点距离，如图1a所示。可以利用FDTD、MoM或FEM来仿真所述无限大天线阵列，只要代码能够处理周期边界条件[2]、[5]。这里，采用由H.Holter开发的代码周期边界FDTD(PB-FDTD)[5]。使用PBFDTD进行的数字模拟证明，阻抗与频率无关且等于Z0＝2。将针对1GHz到20GHz的频率范围相对于189Ω进行了归一化的输入阻抗视为图2a中的史密斯圆图中心上的点。
使用薄电介质片(‘电介质底衬’[2])作为缀片阵列的环境保护。从图2a的结果中观察到，薄电介质片(厚度1mm，ε＝2.33)几乎根本没有改变阻抗。将这一效果视为从史密斯圆图中心离去的一小段圆弧。由于互补阵列的固定阻抗特性，接地平面(此处该接地平面处于距离d＝8mm的位置上)的影响是很严重的，如图2a所示。在接近18GHz的频率上，该阻抗接触到史密斯圆图的边缘，对应于半波长接地平面距离的破坏性干扰[1]。改变接地平面距离的效果主要是在史密斯圆图中旋转和拉伸阻抗，即，频率变标。
我们现在考虑缀片阵列与其环境保护一起作为一个整体并且通过在这些元件上方放置电介质片来提高带宽。薄板的变换性能是最小的[2]。电介质片起到针对f1·f·fu的频率范围使天线匹配的滤波器的作用。上频率fu因栅瓣的发生和来自处于半波长距离上的接地平面的破坏性干扰而受到限制。在用四分之一波长变换器模拟宽带匹配的过程中，将接地平面距离和电介质片选择成具有相等的光学厚度，即，使用d/√εi的电介质片厚度[2]。采用单独一个电介质片的情况很容易通过参数研究法来加以分析。在图2b中示出了采用单独一个电介质片的结果。在这种情况下，可以将电介质片设计为给出处于史密斯圆图中心的单一环形。接近4∶1的-10dB带宽相当于不采用电介质片、在接地平面上方有线偶极子的情况[2]。
有理由认为，通过在缀片阵列上方叠置多个电介质片能够提高带宽。随着电介质片的数量增多，参数研究法变得更加复杂。在缀片阵列上方叠置数个电介质片的效果可以利用全局优化算法来加以分析，例如，遗传算法[6]。不过，实证研究已经表明，可以通过由两个电介质片之间的恒定反射系数产生的一组电介质片的参数研究来选取介电常数，即，对于i＝1，...，N，εi＝εi+1(1+ρ)2/(1-ρ)2，其中N是电介质片的数目(此处N＝2或N＝3)并且εN+1＝1。针对ρ的参数研究(或线性搜索)给出介电常数的良好初始值。通过利用参数研究，很容易使这些值得到改善。
对于两个和三个电介质片的情况，-10dB带宽分别增大到5.8∶1和7.1∶1。在图2c和图2d中看到，在相对于120Ω进行了归一化的情况下，环形位于史密斯圆图的中心。如图2c中所示，在两个电介质片的情况下，阻抗在史密斯圆图中造成了两个重叠的环形。第三个电介质片加入了一个环形，因此增加了带宽并且将阻抗拉紧到史密斯圆图的中心。将环形加在史密斯圆图中心的性质是非常有利的，因为这给出了在匹配的频率范围内几乎恒定的反射系数量值。从Fano理论的角度出发，这是最佳的状态。Fano理论基于无损匹配网络的分析性能并且能够用于获得对带宽的基本限制。这说明带宽因频率的离散集上的确切匹配而遭受损失[7]。还令我们感兴趣的是观察到，在史密斯圆图中加入环形的性能类似于Chebyshev变换器的结果，在Chebyshev变换器中，每个四分之一波长变换器在史密斯圆图中加入一个近似环形。
使用反射系数|Γ|的量值来说明相对于扫描角度的特性。在图3中示出对应于两个电介质片的情况增大扫描角度的效果。在H-平面和E-平面内都考虑扫描角度30°、45°和60°，其中H-平面和E-平面为±45°对角面，如图1所示。如图3中所示，正如所预想的那样，反射系数随着扫描角度的增大而增大。这相当于史密斯圆图内半径增大的多个输入阻抗环形。因此，带宽随着扫描角度的增大而减小。对于一直到30°的扫描角度，-10dB带宽仅轻微减小。不过，当扫描角度增大超过45°时，就会出现一些中心频率上得不到匹配的频率范围。图4中示出了三个电介质片的情况下的相应结果。这里，可以看出，扫描角度的范围增大到接近45°。由于自互补结构的阻抗与该结构的几何形状无关，因此有理由认为缀片阵列的输入阻抗不是很取决于缀片单元的尺寸。在图5a中，针对缀片宽度为3.6mm，4.8mm和6.0mm的情况，示出了有两个电介质片的情况下相对于120Ω进行了归一化的输入阻抗。接地平面距离为10mm且电介质片参数为如图2c所示。在图5a中可以看出，直到12GHz，输入阻抗都几乎与缀片宽度无关。对于更高的频率，输入阻抗开始发生不同，因为两个馈电点之间的距离接近半个波长，并且因此开始出现栅瓣。在15GHz开始出现栅瓣相当于恰好6mm以上的缀片宽度。在图5b中也可以看出缀片阵列的与频率无关特性，其中改变垂直尺寸，即，接地平面距离从7mm变换到14mm。换句话说，缀片元件不会谐振，但工作带宽是由到接地平面的距离限定的。
结论
在本文中，证明了可以使用处于接地平面上方且同时带有处于天线元件上方的电介质片的无限大自互补天线阵列来设计宽带天线。电介质片使天线元件的阻抗与自由空间匹配。示出了：至少对于三个第一电介质片的情况而言，各个电介质片在史密斯圆图中为输入阻抗添加一个环形。而且，这些环形的半径随着电介质片数量的增加而减小，并且因此在很大带宽内减小了反射系数。令人感兴趣的是，观察到了这种圆环形图案给出了在匹配频率上几乎恒定的反射系数。所给出的基于无限大天线和简单馈电模型的结果表明，电介质片在基于自互补结构的宽带阵列设计中是很有用处的。在按照天线设计进行实现时，当然需要改善馈电网络的模型、分析有限阵列和获得试验验证。我们感兴趣的是，将这里给出的自互补阵列的性能与[2]中给出的由密集间隔有线偶极子构成的阵列所对应的结果进行比较。在自由空间中，偶极子阵列是宽带的，但并不是象自互补阵列那样与频率无关的。在偶极子的情况下，这是通过小心地抵消偶极子与接地平面之间的电抗效应(并且因此增大了带宽[2])来加以利用的。
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Claims (7)

1.一种宽带天线阵列，包括缀片元件和接地平面，其特征在于，所述缀片元件构成自互补结构，所述自互补结构设置在所述接地平面和位于所述缀片元件上方的多个叠置的电介质片之间，由此所述电介质片使所述缀片元件的阻抗与自由空间匹配，并提高所述宽带天线阵列的带宽。
2.如权利要求1中所述的阵列，其特征在于，使用了至少三个电介质片，由此每个电介质片在史密斯圆图中直观地看到为输入阻抗添加了一个环形。
3.如权利要求2中所述的阵列，其特征在于，每个这样的环形的半径随着电介质片数量的增加而减小，并且因此在大带宽上减小了反射系数。
4.如权利要求3中所述的阵列，其特征在于，在匹配的频率上获得了几乎恒定的反射系数并且所述几乎恒定的反射系数由所述史密斯圆图中的这样的圆环形图案直观表现出来。
5.如权利要求4中所述的阵列，其特征在于，所述缀片元件是不谐振的。
6.如权利要求1-5中任一权利要求所述的阵列，其特征在于，工作带宽主要取决于所述缀片元件到接地平面间的距离和所述电介质片的厚度，并且与缀片元件的大小非常无关。
7.如权利要求6中所述的阵列，其特征在于，所述缀片元件到所述接地平面间的所述距离和各所述电介质片的厚度具有相同的光学厚度。
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