CN106785427A - 一种超宽带强耦合阵列天线 - Google Patents

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薛东海
朱杰
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Abstract

本发明公开了一种超宽带强耦合阵列天线，包括若干个呈阵列排列的天线单元，每个天线单元均包括偶极子天线阵元、渐变线巴伦变换器及电阻型频率选择表面，所述偶极子天线阵元采用领结形短偶极子天线，电阻型频率选择表面设置于偶极子天线的下方，电阻型频率选择表面为方环形，渐变线巴伦变换器设置于偶极子天线阵列的下方，且渐变线巴伦变换器穿过电阻型频率选择表面，渐变线巴伦变换器的输出端与偶极子天线的端口相连，天线单元的下方还设置有金属接地板。本发明能够突破栅瓣条件、单元尺寸及金属接地板对阵列性能的限制，使阵列天线能够在更宽频范围内正常工作，满足不同平台及不同任务的功能需求。

Description

一种超宽带强耦合阵列天线
技术领域
本发明涉及微波无线通信技术领域，尤其涉及一种超宽带强耦合阵列天线。
背景技术
随着无线通信技术的而快速发展，对各种天线提出了越来越高的要求。一方面，室内高速无线数据接入技术的兴起对超宽频带天线提出了广泛需求，另一方面，由于超宽带通信系统的工作的工作频段范围内，还存在诸如无线局域网、全球微波互联接入通信系统，为了降低不同通信系统之间的相互干扰，宽带相控阵天线得到了越来越多的应用。
现代相控阵天线是利用电子系统控制天线阵列中各个单元的馈电幅度、相位，以使阵列主瓣波束具有空间扫描特性。当阵列工作频带较宽，同时可以进行宽角域扫描时，就构成了宽带相控阵天线。相比较于旋转或者上下移动阵面的传统机械扫描方式的天线，相控阵天线具有反应时间短和可靠性高等诸多优势。
但是，传统宽带相控阵天线的工作宽带受到三方面的限制：
(1)周期排布的阵列天线，为了在大角度扫描时避免栅瓣出现，单元间距一般不能大于最高工作频率的半个波长，这就限定了天线单元的最大横向尺寸，也就是说，在单元间距确定的情况下，限定了天线阵的最高工作频率；
(2)理论上，具有自相似结构的非频变天线具有无限宽带，但是受单元尺寸和馈电结构限制，能实现的阻抗宽带也是有限的，特别是阵列环境下，天线单元的横向尺寸受限，也就限定了单元天线的最低工作频率；
(3)阵列天线为了实现定向辐射，提高增益，都需要在天线阵的底部加装接地板，当天线单元距离接地板为其工作频率的1/4波长时，激励电流与镜像电流同相叠加，但当距离接地板为半个波长时，激励电流与镜像电流反相抵消，就不能实现有效辐射，因此接地板成为限制阵列天线工作宽带的另一个重要因素。
综上，传统阵列的天线宽带非常有限，一般不超过6个倍频程，而现有的相控阵天线均没有解决这个问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超宽带强耦合阵列天线，能够突破栅瓣条件、单元尺寸及金属接地板对阵列性能的限制，使阵列天线能够在更宽频范围内正常工作，满足不同平台及不同任务的功能需求。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种超宽带强耦合阵列天线，包括若干个呈阵列排列的天线单元，每个天线单元均包括用于调整天线谐振频率的偶极子天线阵元、用于变换阻抗和转换阻抗的渐变线巴伦变换器及用于抑制反射波的电阻型频率选择表面，所述偶极子天线阵元采用领结形短偶极子天线，相邻的两个偶极子天线阵元的振子臂部分重叠，所述电阻型频率选择表面设置于偶极子天线的下方，电阻型频率选择表面为方环形，渐变线巴伦变换器设置于偶极子天线阵列的下方，且渐变线巴伦变换器穿过电阻型频率选择表面，渐变线巴伦变换器的输出端与偶极子天线的端口相连，所述每个天线单元中的偶极子天线阵元、每个天线单元中的渐变线巴伦变换器及每个天线单元中的电阻型频率选择表面均位于同一水平面上；所述天线单元的下方还设置有用于压制天线后向辐射的金属接地板。
优选地，所述渐变线巴伦变换器的形状沿与天线相反的方向呈指数型渐变，且渐变线巴伦变换器较宽的一端连接馈电端口，交窄的一端连接偶极子天线阵元。
优选地，所述渐变线巴伦变换器采用介质板的介电常数为2.2，厚度为0.5mm的渐变线巴伦变换器。
优选地，所述金属接地板的长度为60mm，且金属接地板与偶极子天线阵元之间的距离为46.5mm。
优选地，所述偶极子天线阵元的上方还设置有用于改善阵列宽角扫描特性的介质罩。
优选地，所述介质罩采用介电常数为2，厚度为12.3mm的介质罩。
本发明具有如下有益效果：
(1)相控阵天线采用领结形短偶极子天线，利用阵子臂之间的寄生电容来调整天线的谐振频率，能够降低谐振频率，使得整个阵列天线能够在宽频范围内正常工作，满足平台不同任务的功能需求；
(2)天线单元的下方设置有金属接地板，能够压制天线的后向辐射，提高阵列的前向辐射效率；
(3)偶极子天线的下方设置有电阻型频率选择表面，能够在很宽的频率范围内抑制来自接地板的反射，从而改善偶极子天线于金属接地板之间的传输特性，避免金属接地板的封校阻抗经过零点，进一步拓展宽带；
(4)偶极子天线阵元的上方还设置有介质罩，能够改善阵列天线的宽角匹配特性，使得阵列天线的传输特性更加稳定。
本发明基于各个天线单元间的强耦合效应，采取金属接地板及电阻型频率选择表面加载技术以改善天线阻抗宽带，具有18:1的超宽工作频带和±45°的宽角扫描能力，通过精确控制阵列单元的幅度和相位，实现空间波束扫描，在不影响相控阵天线正常工作的情况下，使得天线阵列的工作频段更宽，能够满足多种复杂任务的应用需求，且降低了系统结构的设计难度，大大地降低了制造成本。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的俯视图；
图3为本发明所述天线单元的结构示意图；
图4为本发明所述偶极子天线阵元的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他所有实施例，都属于本发明的保护范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”及“后”指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位和位置关系，仅仅是为了便于描述本发明的内容，而不是暗示所指的元件必须按照特定的方位设置，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”及“连接”应做广义理解，例如，可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1至图3所示，本发明包括若干个呈阵列排列的天线单元，每个天线单元均包括用于调整天线谐振频率的偶极子天线阵元5、用于变换阻抗和转换阻抗的渐变线巴伦变换器4及用于抑制反射波的电阻型频率选择表面2，电阻型频率选择表面2设置于偶极子天线阵元5的下方，渐变线巴伦变换器4设置于偶极子天线阵元5的下方，且渐变线巴伦变换器4穿过电阻型频率选择表面2，渐变线巴伦变换器4的输出端与偶极子天线阵元5的端口相连。
在本实施例中，天线单元采用16*16阵列排列，每个天线单元中的偶极子天线阵元5均采用领结形短偶极子天线，领结形短偶极子天线的结构为现有技术，不再赘述，相邻的两个偶极子天线阵元5的振子臂部分重叠，本实施例中，偶极子天线阵元5及偶极子天线单元的参数如表1所示，
表1
参数 符号 数值
臂宽 Lx 20mm
全臂长 Ly 24mm
端口长度 fw 1.4mm
端口宽度 fh 1mm
输入阻抗 Zfeed 100Ω
后臂长 s 3.65mm
阵子臂重叠长度 t 1.5mm
如图4所示，臂宽Lx表示偶极子天线阵元5的阵子臂的宽度，全臂长Ly表示偶极子天线阵元5的阵子臂的长度，端口长度fw表示偶极子天线阵元5的端口的长度，端口宽度fh表示偶极子天线阵元5的端口的宽度，阵子臂重叠t长度表示相邻的两个偶极子天线阵元5的阵子臂重叠部分的长度，后臂长s表示领结形端部的长度(包括相邻的两个偶极子天线阵元5的重叠部分)，Zfeed表示偶极子天线阵余案5的输入阻抗。
渐变线巴伦变换器4采用介质板的介电常数为2.2，厚度为0.5mm的渐变线巴伦变换器，渐变线巴伦变换器4的形状沿与偶极子天线阵元5相反的方向呈指数渐变，且渐变线巴伦变换器4较宽的一端连接馈电端口，较窄的一端连接偶极子天线阵元5。渐变线巴伦变换器4用于实现70Ω到100Ω的阻抗变换，渐变线巴伦变换器4还用于实现微带从不平衡馈电到平行双线的平衡馈电过渡。
电阻型频率选择表面2为方环形，电阻型频率选择表面用于在很宽的频率范围内抑制来自接地板的反射，从而改善偶极子天线于金属接地板之间的传输特性，在本实施例中，为了更好地改善信号的传输特性，电阻型频率选择表面2的宽度为2mm，电阻型频率选择表面与偶极子天线阵元的距离为13mm。
偶极子天线阵元5的下方还设置有用于压制天线后向辐射的金属接地板3，金属接地板3与偶极子天线阵元5之间的距离为46.5mm。金属接地板3用于压制天线的后向辐射，提高阵列的前向辐射效率。
偶极子天线阵元5的上方还设置有用于改善阵列宽角扫描特性的介质罩1，介质罩1采用介电常数为2，厚度为12.3mm的介质罩。
本发明在工作时，首先将微波信号经馈电端口发送至渐变线巴伦变换器4，由渐变线巴伦变换器4对微波进行阻抗变换，并将微波信号发送至偶极子天线阵元5，信号在偶极子天线阵元5放入表面激励起感应电流，进而产生辐射，将微波信号发送出去，在此过程中，设置于偶极子天线阵元5上方的介质罩1能够改善阵列的宽角扫描特性，金属接地板3能够压制天线后向辐射，并提高阵列的前向辐射效率，电阻型频率选择表面2能够改善偶极子天线阵元5与金属接地板3之间的传输特性，使得阵列可以在较宽的频率范围内工作。
偶极子天线阵元5的馈电幅度和相位由系统的控制器控制，通过对偶极子天线阵元5的幅度和相位调整，使得天线阵列能够实现大角度空域扫描。
本发明能够突破栅瓣条件、单元尺寸及金属接地板对阵列性能的限制，使阵列天线能够在更宽频范围内正常工作，满足不同平台及不同任务的功能需求。

Claims (6)

1.一种超宽带强耦合阵列天线，其特征在于：包括若干个呈阵列排列的天线单元，每个天线单元均包括用于调整天线谐振频率的偶极子天线阵元、用于变换阻抗和转换阻抗的渐变线巴伦变换器及用于抑制反射波的电阻型频率选择表面，所述偶极子天线阵元采用领结形短偶极子天线，相邻的两个偶极子天线阵元的振子臂部分重叠，所述电阻型频率选择表面设置于偶极子天线的下方，电阻型频率选择表面为方环形，渐变线巴伦变换器设置于偶极子天线阵列的下方，且渐变线巴伦变换器穿过电阻型频率选择表面，渐变线巴伦变换器的输出端与偶极子天线的端口相连，所述每个天线单元中的偶极子天线阵元、每个天线单元中的渐变线巴伦变换器及每个天线单元中的电阻型频率选择表面均位于同一水平面上；所述天线单元的下方还设置有用于压制天线后向辐射的金属接地板。
2.如权利要求1所述的一种超宽带强耦合阵列天线，其特征在于：所述渐变线巴伦变换器的形状沿与天线相反的方向呈指数型渐变，且渐变线巴伦变换器较宽的一端连接馈电端口，较窄的一端连接偶极子天线阵元。
3.如权利要求2所述的一种超宽带强耦合阵列天线，其特征在于：所述渐变线巴伦变换器采用介质板的介电常数为2.2，厚度为0.5mm的渐变线巴伦变换器。
4.如权利要求1所述的一种超宽带强耦合阵列天线，其特征在于：所述金属接地板的长度为60mm，且金属接地板与偶极子天线阵元之间的距离为46.5mm。
5.如权利要求4所述的一种超宽带强耦合阵列天线，其特征在于：所述偶极子天线阵元的上方还设置有用于改善阵列宽角扫描特性的介质罩。
6.如权利要求5所述的一种超宽带强耦合阵列天线，其特征在于：所述介质罩采用介电常数为2，厚度为12.3mm的介质罩。
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