CN104319481A - 一种低剖面超宽带天线阵列设置方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及天线技术领域，尤其是涉及一种低剖面超宽带天线阵列设置方法。本发明针对现有超宽带低剖面阵列设计的不足，提出了一种低剖面超宽带的设计方法，通过采用制造镜像的方式消除采用槽线天线单元组阵时固有的谐振问题，再基于强互耦效应对阵列单元进行设计，最后采用寄生单元对阵列的工作带宽进行调节。实现了天线低剖面超宽带特性的同时，具有良好的制造性和可装配性。本发明通过在BAVA天线介质与BAVA天线地板之间设置金属壁制造镜像方式，并且同时通过方向图乘积定理与电磁周期边界理论去除阵列单元的互耦合达到展宽带宽的目的。

Description

一种低剖面超宽带天线阵列设置方法

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其是涉及一种低剖面超宽带天线阵列设置方法。

背景技术

天线分为谐振天线（驻波天线、频带固定）和非谐振天线（行波天线、宽频带）。行波天线按形成原理分为四类：长天线和加载、谐振行波阵列、慢波、漏波。

ETSA渐变槽型天线分别成为Vivaldi天线、LTSA天线、CWSA天线或者BWSA天线。

VIvaldi天线就是TSA天线的一种，这是一种具有指数型渐变线的天线，另一种是LTSA天线，这两种天线共同构成TSA天线。TSA天线通常采用的微带线馈电，而微带线是非对称的传输线，TSA天线的发射端-两条张开的曲线是对称的。为了使天线对称辐射，1988年提出一种新型天线-对趾天线，也就是将两条指数曲线包围的覆铜区域个挖去一个半圆（或者半椭圆）后分别至于介质板的上下两面，称之为AVA。1996年提出带状线馈电的BAVA，

TSA天线可以在介质板敷金属的一面或两面加工，在微波频率，采用微带线或者带状线来馈电，因此微带线/带状线-双槽线的分析与设计就显得很重要。BAVA方式馈电的TSA天线就是就是采用带状线馈电的TSA天线。

至今为止的阵列天线或难以实现低剖面(这里的低剖面是指剖面高度低于天线阵列工作时最高工作频率的对应波长。例如一个工作频率最高为18GHz的天线阵列，其剖面高度须低于16.67mm)，或难以实现工作频带覆盖多倍的倍频程(倍频程为最高工作频率与最低工作频率之比，工作频段6GHz-18GHz便是3倍倍频程)。设计一种兼具超宽带与低剖面特性的天线阵列成为目前阵列天线研究的核心难题之一。现有的这类阵列设计方法分为两类，采用MEMS技术的宽带可重构阵列设计方法和采用强互耦技术的强互耦阵列设计方法。

采用MEMS技术的宽带可重构阵列设计方法是采用MEMS结构改变天线的形态，从而实现天线性能的动态配置。这种设计方法的代表是乔治亚理工研究所(GTRI)的MEMS天线阵列，这种设计方法存在的限制是，阵列的瞬时工作带宽依然是窄带，并且为形成一个阵元，需要采用许多MEMS开关，控制电路如果位于天线孔径面上，会对于天线的性能造成显著的影响，如果位于天线孔径面之下，则会增加天线加工的难度。

采用强互耦技术的阵列设计方法的典型代表是Munk提出的强互耦偶极子阵列，这种阵列需要复杂的馈电结构和组装工艺，在实际应用时依然难以满足极低剖面的要求并且易在巴伦上产生谐振。Elsallal提出了一种无需采用平衡馈电的强互耦阵列，这种阵列的馈电方式较为简单，但其同样需要复杂的加工与组装工艺。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有超宽带低剖面阵列设计的不足，本发明提出一种低剖面超宽带天线阵列设置方法，通过采用制造镜像的方式消除采用槽线天线单元组阵时固有的谐振问题，再基于强互耦效应对阵列单元进行设计，最后采用寄生单元对阵列的工作带宽进行调节。实现了天线低剖面超宽带特性的同时，具有良好的制造性和可装配性。

本发明技术方案：

一种低剖面超宽带天线阵列设置方法包括：

步骤1：在BAVA天线介质与BAVA天线地板之间设置金属壁，所述BAVA天线地板、金属壁与BAVA天线介质分别相互垂直，所述BAVA天线地板位于水平面上；所述金属壁底端位于BAVA天线地板两个侧面上，并且金属壁垂直于BAVA天线地板的中轴线与BAVA天线介质侧面粘接； 

步骤2：通过方向图乘积定理与电磁周期边界理论去除阵列单元的互耦合，实现阵列单元频带展宽；其中所述阵列单元包括BAVA天线与金属壁；具体过程是：通过对天线阵元四周电磁场分布的处理模拟了阵元之间存在的强互耦效应，并对这一效应通过电磁周期边界理论计算阵列之间的强互耦效应带来的容抗分量，依照方向图乘积定理设计指数率变形的槽型金属片，用以抵消原本制约阵列展宽的容抗分量，从而实现频带展宽。

进一步的，所述BAVA天线寄生单元为n层金属，所述n范围是2-4,所述BAVA天线寄生单元相互叠加，BAVA天线寄生单元形状为矩形。

进一步的，所述金属壁垂直于水平面的高度是BAVA天线介质高度的1/2至1倍；金属壁厚度是BAVA天线工作频率的1/10-1/6。

进一步的，所述BAVA天线采用微波基材覆铜板，并通过微波多层印制板层压工艺加工。

本发明有益效果是：

1）  传统天线阵列的工作带宽受制于相互耦效应，通常工作在6倍倍频程以内，而本发明设计的阵列单元由于加入金属壁，加入金属壁等效于制造了辐射单元的镜像，这种镜像效应实现了谐振点的消除，解决了谐振点问题。

2）  通过方向图乘积定理与电磁周期边界理论相结合，通过调节依照指数率变形的槽型金属片，去除阵列单元的互耦合，消除了强互耦效应，带宽可达到9倍倍频程。

3）  传统天线阵列剖面高度通常与工作频段下限的波长相比拟，而本发明设计的阵列单元剖面高度与工作频段上限的半波长相比拟对于6倍倍频程天线阵列而言，其最低频工作波长为最高频工作波长6倍，传统阵列剖面高度与最低频工作波长相近，而本发明设计的阵列单元剖面高度为BAVA天线最高频工作波长的一半，因此高度仅为传统阵列高度的1/12。

附图说明

图1a本专利结构主视图。

图1b是本专利结构俯视图。

图1c是本专利结构左视图。

图2a是本专利设计方法为初始状态Smith圆图。

图2b是本专利设计方法为引入镜像后Smith圆图。

图2c是本专利设计方法为调节互耦后Smith圆图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

1、本发明相关说明：

BAVA天线指的是传统的带状线馈电的BAVA天线。BAVA天线结构介绍见《Analysis and Design of the Antipodal Vivaldi Antenna Applied in UWB System》其中2.3节；作者：王昌弢；导师：窦文斌；作者基本信息：东南大学 ， 电磁场与微波技术， 2006， 硕士。

BAVA天线介质指的是带状线馈电BAVA天线的介质。BAVA天线的介质在BAVA天性中的作用是包裹了槽型金属片，并使其与地板、寄生单元等分隔开来，起到结构支撑及绝缘作用。

BAVA天线地板指的是带状线馈电BAVA天线的地板。BAVA天线的地板在BAVA天性中的作用位于天线单元最底端，起屏蔽双向辐射作用。

BAVA天线寄生单元指的是BAVA天线的寄生单元。BAVA天线的寄生单元在BAVA天性中的作用是起到调节天线阻抗，展宽天线带宽作用。寄生单元与槽型金属片平行分布， 

BAVA天线槽型金属片指的是带状线馈电BAVA天线的槽型金属片。BAVA天线的槽型金属片在BAVA天性中位于介质内部，与地板垂直并与寄生单元平行，起到辐射电磁波的作用。

改进点1：:传统BAVA天线单元的剖面高度通常在工作频率下限的一倍波长左右，具备相较Vivaldi天线单元优异的低剖面特性，但其剖面高度依然存在较高。直接采用槽线阵列进行组阵时存在固有谐振点(在该频点阵列无法正常工作)，会影响3:1以上阵列倍频程带宽的实现。本发明在BAVA天线之间设计具备特定高度(BAVA天线介质垂直于BAVA天线地板方向高度的1/2倍至1倍之间)与厚度(频带上限对应波长的1/10左右)的金属壁(见图1)，加入金属壁等效于制造了辐射单元的镜像，这种镜像效应实现了谐振点的消除。

改进点2：经典的天线阵理论忽略了阵列单元之间的互耦，一个相控阵的辐射方向图表示为阵因子和单元方向图的乘积。但实际上由于互耦效应，自由空间中的单元方向图和处于阵列环境中的单元方向图是不同的，对于有限尺寸相控阵，位于阵列中心区和边缘区的单元所处的环境也是不同的。可见直接引用方向图乘积定理在理论上是不严格的，经典的天线阵理论分析相控阵天线的波束扫描特性是一种近似方法，仅当阵元间互耦效应很弱时有效。因此实际上在设计相控阵时，很多时候还需把互耦因素考虑进来。本发明的设计方法在以单个天线阵元为设计对象，大幅节省了设计时间与计算资源，同时又采用电磁周期边界理论，通过对天线阵元四周电磁场分布的处理模拟了阵元之间存在的强互耦效应，并对这一效应通过电磁周期边界理论计算阵列之间的强互耦效应带来的容抗分量，依照方向图乘积定理设计指数率变形的槽型金属片，用以抵消原本制约阵列展宽的容抗分量，从而实现频带展宽。

改进点3：采用寄生单元调节阵列的带宽指的是在设计时对单元之间的互耦进行分析与利用，使得阵列具备了单个天线单元无法实现的宽带辐射能力。为了增强单元之间的耦合，本发明还采用多层寄生单元对阵列进行了调节，寄生单元可以为单层或多层金属(见图1)，在单元大小和间距都不改变的情况下，仅靠寄生单元的形状来加强单元间的耦合度，即利用可调节的电容耦合分量加强了单元之间的耦合，从而实现了阵列在宽频带内的阻抗匹配。BAVA天线使用微波基材覆铜板，采用微波多层印制板层压工艺进行制造，可以实现多层介质与金属层的紧密粘接，同时保证信号的低损耗、低延迟传输。

实施例一：

  以某经典BAVA阵列单元为例，在对其结构进行改进前，初始带宽并不宽，在8GHz处存在明显的谐振。为了解决这一问题，设计时在单元之间加入金属壁，在加入金属壁后，由于辐射单元镜像的存在，谐振点被消除，阵列带宽得到了大幅拓宽。接下来采用强互耦阵列设计方法，通过调节阵列单元的容性阻抗，实现了1.9GHz-18GHz频带内的无谐振，同时整个阵列单元的剖面高度可以控制在15mm以下。BAVA阵列带宽随着结构改进而展宽这一过程在Smith圆图上更加明晰。图2a为初始状态、图2b为引入镜像后以及图2c为调节互耦后三种状态阵列的Smith圆图，可见本发明的设计方法一方面通过调节强互耦效应使得阵列的阻抗在所需频带内不再强烈变化，另一方面通过加载容性阻抗使得阵列的阻抗曲线向Smith圆图中心移动，从而体现出宽带性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (4)

1.一种低剖面超宽带天线阵列设置方法，其特征在于包括：

步骤1：在BAVA天线介质与BAVA天线地板之间设置金属壁，所述BAVA天线地板、金属壁与BAVA天线介质分别相互垂直，所述BAVA天线地板位于水平面上；所述金属壁底端位于BAVA天线地板两个侧面上，并且金属壁垂直于BAVA天线地板的中轴线与BAVA天线介质侧面粘接； 

步骤2：通过方向图乘积定理与电磁周期边界理论去除阵列单元的互耦合，实现阵列单元频带展宽；其中所述阵列单元包括BAVA天线与金属壁；具体过程是：通过对天线阵元四周电磁场分布的处理模拟了阵元之间存在的强互耦效应，并对这一效应通过电磁周期边界理论计算阵列之间的强互耦效应带来的容抗分量，依照方向图乘积定理设计指数率变形的槽型金属片，用以抵消原本制约阵列展宽的容抗分量，从而实现频带展宽。

2.根据权利要求1所述的一种低剖面超宽带天线阵列设置方法，其特征在于所述BAVA天线寄生单元为n层金属，所述n范围是2-4,所述BAVA天线寄生单元相互叠加，BAVA天线寄生单元形状为矩形。

3.根据权利要求1所述的一种低剖面超宽带天线阵列设置方法，其特征在于所述金属壁垂直于水平面的高度是BAVA天线介质高度的1/2至1倍；金属壁厚度是BAVA天线工作频率的1/10-1/6。

4.根据权利要求1至3之一所述的一种低剖面超宽带天线阵列设置方法，其特征在于所述BAVA天线采用微波基材覆铜板，并通过微波多层印制板层压工艺加工。