CN106505310A - 具有宽带和宽角度扫描特性的低剖面阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有宽带和宽角度扫描特性的低剖面阵列天线，包括从上至下依次层叠设置的第一介质层、金属接地层和第二介质层；第一介质层的上表面设置有M行呈矩形阵列排布的金属贴片，矩形阵列包括L个子阵列，每个子阵列由M行、N列金属贴片构成，每两个相邻子阵列共用K列金属贴片；金属接地层上设置有L条沿矩形阵列行方向排布的馈电缝隙，每条馈电缝隙对应设置在一个子阵列的正下方；第二介质层的下表面设置有L条微带线，每条微带线的一端对应作为一个子阵列的馈电端口，每条微带线的另一端的水平投影对应与一条馈电缝隙的水平投影垂直相交。本发明提供的低剖面阵列天线，和传统微带贴片阵列相比具有更宽的带宽和扫描角。

Description

具有宽带和宽角度扫描特性的低剖面阵列天线

技术领域

本发明涉及微波通信技术领域，具体涉及一种具有宽带和宽角度扫描特性的低剖面阵列天线。

背景技术

现代无线通信技术的快速发展对通信系统提出了多功能化和高度集成化的要求，具有宽带和宽角度扫描特性的阵列天线在智能天线系统和雷达系统中受到了广泛的关注。国内外许多学者都对如何增大阵列的有效扫描角度进行了研究：采用非平面排布阵列（例如圆柱面阵列、多面阵列）或者可重构阵列的特性来实现宽角度扫描，非平面排布阵列通常体积较大，可重构阵列包括一些复杂的偏置电路。设计具有宽波瓣特性的天线是实现平面阵列宽角度扫描的一种方法，但是很明显宽波瓣天线会直接导致增益的降低，而且通常这种阵列的设计是在常规天线的基础上利用一些周期性金属结构，如电磁场带隙（EBG，Electromagnetic Band Gap）结构、高阻抗表面（HIS，High Impedance Surface）等，导致体积较大、结构比较复杂。Vivaldi天线由于具有良好的端射特性和宽带辐射能力被用于宽带和宽角度扫描阵列的设计，但是由于这种天线的高剖面使其难以用于小型集成系统以及共形载体。由于阵列客观存在的互耦效应问题以及扫描过程中出现的阻抗失配、栅瓣等问题，设计同时具有宽带和宽角度扫描特性的阵列天线一直是一个难点问题。

发明内容

本发明所要解决的是现有的阵列天线体积大、结构复杂、剖面高、难以兼顾宽带和宽角度扫描特性的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种具有宽带和宽角度扫描特性的低剖面阵列天线，包括从上至下依次层叠设置的第一介质层、金属接地层以及第二介质层；所述第一介质层的上表面设置有M行呈矩形阵列排布的金属贴片，所述矩形阵列包括L个子阵列，每个子阵列由M行、N列金属贴片构成，每两个相邻子阵列共用K列金属贴片，其中，L、M以及N为不小于2的正整数，K为小于N的正整数；所述金属接地层上设置有L条沿所述矩形阵列行方向排布的馈电缝隙，每条馈电缝隙对应设置在一个子阵列的正下方；所述第二介质层的下表面设置有L条微带线，每条微带线的一端对应作为一个子阵列的馈电端口，每条微带线的另一端的水平投影对应与一条馈电缝隙的水平投影垂直相交。

本发明提供的阵列天线基于耦合馈电的方式，由于M行呈矩形阵列排布的金属贴片本身具有周期结构，在相邻天线单元紧密排列的情况下，整个阵列口径形成连续分布的超材料表面，互耦效应对馈电端口阻抗的影响较小，保证了阵列天线的宽带特性和低剖面特性；同时，采用相邻天线单元共用辐射表面的排布方式，减小了馈电端口之间的间距，增大了阵列天线的扫描角。

可选的，所述金属贴片为矩形金属贴片。

可选的，所述L条微带线位于L条馈电缝隙的同一侧。对于一维线性阵列天线，将L条微带线设置在同一侧，馈电和相位控制更为方便。

可选的，所述金属接地层上还设置有两组波状缝隙；每组波状缝隙包括L+1条波状缝隙且对应位于L条馈电缝隙的一侧；每条微带线的另一端的水平投影穿过每两条波状缝隙的水平投影之间对应与一条馈电缝隙的水平投影垂直相交。在不改变阵列尺寸的情况下，引入波状缝隙的缺陷地结构，可以减小阵列扫描时的阻抗匹配恶化，进一步增大阵列天线的扫描角。

可选的，两组波状缝隙对称设置在L条馈电缝隙两侧。通过将两组波状缝隙设置为关于L条馈电缝隙对称，在保证阵列天线具有良好辐射方向图的前提下，可以进一步增大阵列天线的扫描角。

可选的，每条波状缝隙的水平投影至少部分落入所述矩形阵列的水平投影内。

可选的，所述馈电缝隙为矩形缝隙。

可选的，所述矩形缝隙的两端还设置有梯形缝隙。

可选的，所述波状缝隙为方波缝隙、正弦波缝隙、或者梯形波缝隙。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明提供的低剖面阵列天线，呈矩形阵列排布的金属贴片本身具有周期结构，且采用相邻天线单元共用辐射表面的排布方式，和传统微带贴片阵列天线相比具有更宽的带宽和扫描角，紧凑的结构和低剖面特性易于共形和集成，超材料表面的使用也使该阵列天线具有很好的辐射方向图和增益。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是本发明实施例的低剖面阵列天线的立体结构示意图；

图2是本发明实施例的呈矩形阵列排布的金属贴片的结构示意图；

图3是本发明实施例的金属接地层的结构示意图；

图4是本发明实施例的馈电缝隙的形状示意图；

图5是本发明实施例的波状缝隙的形状示意图；

图6是本发明实施例的微带线分布的结构示意图；

图7~图11是本发明实施例的低剖面阵列天线由边缘到中心的端口反射系数图；

图12是本发明实施例的低剖面阵列天线的扫描特性示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

图1是本实施例的低剖面阵列天线的立体结构示意图，所述低剖面阵列天线包括从上至下依次层叠设置的第一介质层12、金属接地层13以及第二介质层14。

具体地，所述第一介质层12的上表面设置有M行呈矩形阵列排布的金属贴片11。所述矩形阵列包括L个子阵列，每个子阵列由M行、N列金属贴片构成，每两个相邻子阵列共用K列金属贴片，其中，L、M以及N为不小于2的正整数，K为小于N的正整数。图2是本实施例的呈矩形阵列排布的金属贴片11的结构示意图，在本实施例中以M=4、L=9、N=4、K=1为例进行说明。所述呈矩形阵列排布的金属贴片11包括4行、28列呈矩形阵列排布的金属贴片，所述矩形阵列包括9个子阵列，即阵列天线包括9个天线单元，每个子阵列由4行、4列金属贴片构成，对应作为一个天线单元的辐射表面，每两个相邻子阵列共用1列金属贴片。天线单元辐射表面本身具有周期结构，彼此部分重叠组成一维阵列天线的辐射表面，阵列天线的辐射表面是4×28个金属贴片周期排列的表面。普通阵列天线由于天线单元间距减小带来的互耦效应会破坏端口的良好匹配，基于此周期结构的辐射表面的天线单元在紧密排列时依然可以保持良好的带宽特性。此阵列天线基于辐射表面共用的排列方式，使得天线单元间距大幅度减小，为宽角度扫描创造了条件。同时，由于阵列辐射表面结构上的周期性，天线单元的辐射表面不再局限于4×4个金属贴片，相邻天线单元共用辐射表面且阵列保持了良好的宽带特性。

进一步，所述金属贴片为矩形金属贴片。G1为矩形阵列的列距离，G2为矩形阵列的行距离，P1为所述金属贴片的长度，P2为所述金属贴片的宽度。G1、G2比P1、P2小得多，阵列天线的工作频率受P2和G2的约束较大。通常，此类阵列天线的工作频率大于4.5GHz，在4.5GHz~6GHz频带工作时，P2的典型值为10mm，G2的典型值为1mm。当设计为更高的频率时，P2和G2相应地要减小。而P1和G1对工作频率的影响小得多，可以根据阵列的横向排布作较为灵活的调整。当然从整体来说，尺寸都是随设定频率变高相应减小。所述金属贴片的长度P1、所述金属贴片的宽度P2、矩形阵列的列距离G1以及矩形阵列的行距离G2可根据实际需求进行设置，本发明对此不作限定。

图3是本实施例的金属接地层13的结构示意图。所述金属接地层13上设置有L条沿所述矩形阵列行方向排布的馈电缝隙31，每条馈电缝隙对应设置在一个子阵列的正下方，即每条馈电缝隙的水平投影对应位于一个子阵列列方向的中心线的水平投影位置。所述馈电缝隙31可以为矩形缝隙，也可以为图4所示的在矩形缝隙的两端还设置有梯形缝隙，即渐变缝隙，还可以为其他形式的缝隙，只要能保证正常馈电即可。

为了进一步增大阵列天线的扫描角，所述金属接地层13上还设置有两组波状缝隙。具体地，每组波状缝隙包括L+1条波状缝隙32且对应位于L条馈电缝隙的一侧。进一步，两组波状缝隙对称设置在L条馈电缝隙两侧，每条波状缝隙的水平投影至少部分落入所述矩形阵列的水平投影内。为了保证阵列天线的性能且尽量减小所述金属接地层13的面积，可以将所述波状缝隙32的外边缘设置为与所述矩形阵列的外边缘位于同一垂直平面内，即所述波状缝隙32水平投影的外边缘与所述矩形阵列水平投影的外边缘重合。所述波状缝隙32可以为图3所示的方波缝隙，也可以为图5所示的正弦波缝隙或者梯形波缝隙。通过在所述金属接地层13上设置所述波状缝隙32，引入缺陷地结构，可以减小阵列扫描时的阻抗匹配恶化，进一步增大阵列天线的扫描角。

所述第二介质层14的下表面设置有L条微带线15，每条微带线的一端对应作为一个子阵列的馈电端口，每条微带线的另一端的水平投影对应与一条馈电缝隙的水平投影垂直相交。在本实施例中，所述L条微带线位于L条馈电缝隙的同一侧。为了减小对输入的影响，每条微带线的另一端的水平投影穿过每两条波状缝隙的水平投影之间对应与一条馈电缝隙的水平投影垂直相交。

为更好地说明本发明提供的低剖面阵列天线的效果，本发明给出了一个具体设计实例，一个具有9个天线单元的一维阵列天线，单个天线单元的辐射表面由4×4个矩形金属贴片构成。该阵列天线的辐射表面为4×28个矩形金属贴片组成的周期结构表面，设计的阵列天线工作的中心频率为5.25GHz。使用介电常数为4.4的FR4基片作为所述第一介质层12和所述第二介质层14，所述第一介质层12的厚度为2mm，所述第二介质层14的厚度为0.8mm，整个矩形阵列的尺寸为321mm×65mm，所述金属贴片的长度P1和所述金属贴片的宽度P2均为9.5mm，矩形阵列的列距离G1和矩形阵列的行距离G2均为1mm，整个阵列天线的剖面为0.05λ₀，其中，λ₀为自由空间中心频率波长。图7~图11分别是阵列天线由边缘到中心五个输入端口反射系数图，结果表明，该阵列天线工作带宽为4.73～5.94GHz。该阵列的扫描特性如图12所示，阵列具有最大增益16dB，增益下降1dB以内最大扫描角为40度，在扫描至50度时增益下降在3dB以内，栅瓣电平控制在-10dB以下。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有宽带和宽角度扫描特性的低剖面阵列天线，其特征在于，包括从上至下依次层叠设置的第一介质层、金属接地层以及第二介质层；

所述第一介质层的上表面设置有M行呈矩形阵列排布的金属贴片，所述矩形阵列包括L个子阵列，每个子阵列由M行、N列金属贴片构成，每两个相邻子阵列共用K列金属贴片，其中，L、M以及N为不小于2的正整数，K为小于N的正整数；

所述金属接地层上设置有L条沿所述矩形阵列行方向排布的馈电缝隙，每条馈电缝隙对应设置在一个子阵列的正下方；

所述第二介质层的下表面设置有L条微带线，每条微带线的一端对应作为一个子阵列的馈电端口，每条微带线的另一端的水平投影对应与一条馈电缝隙的水平投影垂直相交。

2.根据权利要求1所述的具有宽带和宽角度扫描特性的低剖面阵列天线，其特征在于，所述金属贴片为矩形金属贴片。

3.根据权利要求1所述的具有宽带和宽角度扫描特性的低剖面阵列天线，其特征在于，所述L条微带线位于L条馈电缝隙的同一侧。

4.根据权利要求3所述的具有宽带和宽角度扫描特性的低剖面阵列天线，其特征在于，所述金属接地层上还设置有两组波状缝隙；

每组波状缝隙包括L+1条波状缝隙且对应位于L条馈电缝隙的一侧；

每条微带线的另一端的水平投影穿过每两条波状缝隙的水平投影之间对应与一条馈电缝隙的水平投影垂直相交。

5.根据权利要求4所述的具有宽带和宽角度扫描特性的低剖面阵列天线，其特征在于，两组波状缝隙对称设置在L条馈电缝隙两侧。

6.根据权利要求4所述的具有宽带和宽角度扫描特性的低剖面阵列天线，其特征在于，每条波状缝隙的水平投影至少部分落入所述矩形阵列的水平投影内。

7.根据权利要求4所述的具有宽带和宽角度扫描特性的低剖面阵列天线，其特征在于，所述波状缝隙为方波缝隙、正弦波缝隙或者梯形波缝隙。

8.根据权利要求1所述的具有宽带和宽角度扫描特性的低剖面阵列天线，其特征在于，所述馈电缝隙为矩形缝隙。

9.根据权利要求8所述的具有宽带和宽角度扫描特性的低剖面阵列天线，其特征在于，所述矩形缝隙的两端还设置有梯形缝隙。