CN103151617B - 一种高增益低旁瓣窄波束的心形阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高增益、低旁瓣、窄波束的心形阵列天线，包括阵元，其涉及天线技术领域，阵元结构利用喇叭天线的设计思想并集成到LTCC中，阵列排布采用三角栅格排列，阵列的左上角开始标记为(0，0)，(m，n)即为第m行、第n列交叉处的栅格点，所述阵元设置在m+n为奇数的栅格点上，从阵列第二行开始，每行的阵元数目依次减少，形成心形结构。本发明采用心形阵列排布，可提高阵列的方向性系数，实现阵列的高增益、低旁瓣、窄波束（表征为E面和H面3dB波瓣宽度的乘积）特性，从而提高天线阵的作用距离和分辨率；本发明可应用于雷达和通讯系统等方面，如应用在飞行器、舰船、车载装置上，以及无线通信的固定或移动终端设备上。

Description

一种高增益低旁瓣窄波束的心形阵列天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种高增益、低旁瓣、窄波束的心形阵列天线。

背景技术

当前，无线通信系统的迅猛发展对天线的要求越来越高。如雷达天线，一般要求方向性强、增益高、旁瓣电平低、波束窄，波束可以实现电扫描以及其他一些特殊指标，单个天线往往达不到预定要求，这就需要多个天线联合起来工作，构成阵列天线，共同实现预定的指标。阵列天线是现代雷达和通信系统中常用的一种天线形式。

在阵列天线的设计中，增益、旁瓣电平和波束宽度是重要的性能指标。增益高则直接增加作用距离；而旁瓣电平的高低则直接影响天线的辐射性能，旁瓣电平高将导致能量分散，增益下降以及目标定位的判断错误等；波束过宽不但会影响雷达系统对信号的方位估计、分辨率、阵列方向性系数等指标的降低，还会使系统的抗干扰能力下降。

常规的阵列天线，旁瓣电平大约为-13.5dB。在阵列综合中，通常采用切比雪夫综合法、泰勒综合法等方法来控制副瓣电平，但这种设计方法无疑增加了馈电系统的复杂度。

此外，阵列天线主瓣宽度基本上和阵列长度成反比，为了使天线阵列保持一定的主瓣宽度和方向性系数，在单元间距受限制的条件下，势必要增加单元数目。这样不但不经济，还使馈电系统更复杂。因此如何能既不增加单元数目，又保持天线阵的辐射性能是天线阵列设计的难点。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是：如何在单元间距受限制且在不增加单元数目的情况下，保持天线阵的辐射性能。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种高增益、低旁瓣、窄波束的心形阵列天线，其特征在于，包括阵元，其阵列排布采用三角栅格排列，阵列的左上角开始标记为（0，0），（m，n）即为第m行、第n列交叉处的栅格点，所述阵元设置在m+n为奇数的栅格点上，从阵列第二行开始，每行的阵元数目依次减少，最终形成心形结构。

在本发明中，所述阵元为以LTCC集成的喇叭天线单元,所述喇叭天线单元共16层，其中介质层8层，金属层8层，每一层对应的辐射口径逐渐增大，形成喇叭状，同时辐射腔体周围的金属柱有效地抑制了表面波向外辐射，从而克服了在高频段上介质与导体的高损耗对天线增益的影响，有效地提高了天线增益。

在本发明中，当所有阵元等幅激励时，该阵列对应的阵因子为:

其中， $\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{mn}}=1,m+n=\mathrm{odd}\\ I_{\mathrm{mn}}=0,m+n=\mathrm{even}\end{array}\right.,$ α_mn为I_mn与起始单元电流I₀₀的相位差，dx为阵元横向间距，dy为阵元纵向间距。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

一、由于本发明采用心形阵列排布，可提高阵列的方向性系数，实现阵列的高增益、低旁瓣、窄波束（表征为E面和H面3dB波瓣宽度的乘积）特性，从而提高天线阵的作用距离和分辨率；

二、以LTCC集成的喇叭天线作为辐射单元，突破传统喇叭天线的尺寸，具有超低剖面和极小外形；

三、将天线的金属导体依照设计印在每一层LTCC介质层上，达到了隐藏天线设计布局的目的，同时提高了天线的稳定性；

四、采用LTCC封装工艺，使之更好地同特定功能的有源电路进行系统封装集成，形成紧凑的模块化设计，并进一步有效解决电磁兼容问题。

附图说明

图1本发明提供的心形阵列结构示意图。

图2本发明实施例提供的阵元结构示意图。

图3本发明实施例提供的阵列天线结构示意图。

图4本发明实施例中阵列天线的反射系数仿真曲线图。

图5本发明实施例中阵列天线天线在30GHz的H面方向图。

图6本发明实施例中阵列天线天线在30GHz的E面方向图。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的描述。

结合图1所示，该阵列由8个阵元组成。阵列排布采用三角栅格排列，从左上角（0，0）处开始标记，（m，n）即第m行、第n列交叉处的栅格点。在m+n为奇数的栅格点上放置辐射单元，而在m+n为偶数的栅格点上则不放置，同时，从第二行开始，每行的阵元数目依次减少，最终形成心形结构。阵元横向间距dx=4mm，纵向间距dy=5mm。间距由最小工作波长λ确定，这样设计可提高阵列的方向性系数，实现阵列的高增益、低旁瓣、窄波束特性，从而提高天线阵的作用距离和分辨率。

基于LTCC工艺实现该心形阵列天线，其中辐射单元选择LTCC集成的喇叭天线，如图2所示。天线单元共16层，其中介质层8层，金属层8层，每层介质层厚度为0.1mm，每层金属层厚度为0.01mm。第一层金属对应的辐射口径1的尺寸为：a=2.7mm，b=1.65mm，第二层辐射口径2的尺寸为a×(1+p)，b×(1+p)，这样，第k层辐射口径k的尺寸为（k=1，2，……，8）

$\left\{\begin{array}{c}a\·[1+(k-1)*p]\\ b\·[1+(k-1)*p]\end{array}\right.$ ，其中p=0.15。辐射口径周围的金属导通孔9，半径为0.1mm,通孔间距为0.6mm。金属导通孔可有效地抑制表面波向外辐射，增加天线单元之间的隔离。LTCC材料采用Ferro A6-M（介电常数ε_r为5.9，损耗角正切tanδ为0.002）。

确定上述尺寸和其他参数值后，采用三维电磁仿真软件HFSS对该天线阵列进行仿真，得到的反射系数S11如图4所示，对应阻抗带宽（|S11|<-10dB）为28.1-32.9GHz,带宽约为16%。天线阵列的总高度为0.8mm，实现了超低剖面，便于同其他电路实现系统级封装。图5和图6分别是阵列天线在谐振点30GHz的H面和E面方向图，增益为14.3dBi，H面旁瓣电平-27dBi，波束宽度26°，E面旁瓣电平-22dBi，波束宽度30°。该心形阵列在增益、旁瓣电平、波瓣宽度，其表征为E面和H面3dB波瓣宽度的乘积等方面，都优于同口径的2×4矩形栅格阵列；该心形阵与3×3矩形栅格阵相比，二者在增益、波瓣宽度方面相近，但前者的旁瓣电平则明显优于后者。通过这样设计，有效地克服了高频段LTCC结构中介质和导体的损耗对天线增益的影响，实现了阵列的高增益、低旁瓣、窄波束特性。

上述方案中，所述天线各部分的尺寸也可以选用其他长度，比如同比例放大或缩小，这对相关领域的技术人员来说是显而易见的；LTCC介质的相对介电常数也可在2-10的范围内进行选择。

Claims (2)

1.一种高增益、低旁瓣、窄波束的心形阵列天线，其特征在于，包括阵元，其阵列排布采用三角栅格排列，阵列的左上角开始标记为(0，0)，(m，n)即为第m行、第n列交叉处的栅格点，所述阵元设置在m + n为奇数的栅格点上，从阵列第二行开始，每行的阵元数目依次减少，最终形成心形结构；

当所有阵元等幅激励时，该阵列对应的阵因子为:

                                                

其中，，为与起始单元电流的相位差，dx为阵元横向间距，dy为阵元纵向间距。

2.根据权利要求1所述的高增益、低旁瓣、窄波束的心形阵列天线，其特征在于，所述阵元为LTCC集成的喇叭天线单元。