CN107104277B - 双极化紧耦合偶极子阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双极化紧耦合偶极子阵列天线，天线单元由同类型的两个单极化偶极子单元正交组合而成，单极化偶极子单元则由交指型偶极子和馈线巴仑、金属地板、宽角匹配层组成。其中馈电巴伦由三部分组成：与偶极子连接的共面带线部分，馈电端与同轴线连接的渐变三角微带传输线以及中间的过渡部分。本发明在偶极子阵列天线的基础上，利用阵元间的互耦效应来拓展频带带宽，引入宽角匹配层来改善天线阵的宽角扫描特性；且对共面带线馈电下在特定频点处存在的共模电流所引起的共模谐振进行处理，通过在金属地与渐变地之间设置50欧姆的电阻，分流共模电流，不仅使共模谐振消失，同时还拓展了天线的工作带宽，且整个工作带宽内的性能有很好的提升。

Description

双极化紧耦合偶极子阵列天线

技术领域

本发明涉及超宽带天线技术领域，尤其涉及一种基于交指型紧耦合偶极子单元的双极化超宽带宽角天线阵列。

背景技术

传统的超宽带阵列天线因为其优势得到了迅猛发展，而随着研究的不断深入，他们的缺点也逐渐显现。首先，也是最重要的制约因素，是阵列间的耦合给性能带来的影响。由于阵列天线的阵元往往排布紧密，相邻单元间会产生强烈的耦合，使得阵列单元的场分布与单个超宽带天线不同，进而影响整个阵列的性能。除了耦合问题外，超宽带天线的体积问题也备受诟病，传统的Vivaldi天线阵、脊背渐变开槽天线阵为了实现阻抗的渐变，往往需要较长的长度；传统的平面螺旋天线，为了实现超宽带特性，需要较大的半径。可见传统的超宽带天线阵由于其体积，难以实现小型化、易共形等要求。

超宽带紧耦合天线阵，相比于传统的阵列巧妙化解了阵元间耦合的影响，与传统阵列选择抑制耦合或者消除耦合不同，超宽带耦合天线阵选择和利用并加强耦合来拓展天线带宽。基于利用耦合拓展带宽的理念，紧耦合天线阵不是传统宽带天线而是振子作为阵单元，典型大小仅为最大工作频率对应波长的二分之一，体积远小于传统的超宽带天线。在剖面高度方面，紧耦合天线为了提高正向辐射，需要在阵列平面一下四分之一中心频率波长处放置一块金属反射板。相比与Vivaldi天线等，剖面高度已经得到了极大的压缩。除了前述两点优势，紧耦合天线阵还有易共形、宽角扫描、低RCS(Radar Cross Section)、交叉极化性能好等优势。

研究表明，这种新型阵列具有超宽频带特性，宽角扫描的特性；由于天线电尺寸极小，组阵后天线阵列整体体积小，雷达散射口径小，故其还可以用于共形，且不会对被共形物件的气动性能产生较大影响。对于该种新型阵列技术，如何通过其特性设计其结构成为研究的方向，因此，对这种新颖的天线结构开展研究从而获得更高性能的天线技术指标具有重要的实际工程意义。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种基于交指型双极化紧耦合偶极子阵列天线，利用偶极子阵元间的强耦合作用，加上匹配的馈线结构，此天线具有更好的宽带宽角性能。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

提供一种双极化紧耦合偶极子阵列天线，该天线阵列包括若干双极化天线单元，所述双极化天线单元包括正交放置的单极化偶极子单元，所述单极化偶极子包括交指段，所述交指段设计为相互扣紧的形式。

所述双极化偶极子单元包括左右两个正交的单极子，每个单极子包括偶极子臂和交指段；所述偶极子臂为半开口，两个偶极子臂的开口向外设置，所述开口处连接交指段；属于同一单极化偶极子单元的交指段互补插合，形成耦合。

所述单极化偶极子单元包括宽角匹配层、介质基板、介质基板上的偶极子单元、金属地和过渡巴伦；所述馈电巴伦包括最底端的三角渐变微带线部分和中间的过渡部分以及后半部分的共面带线，所述过渡部分巴伦包括上层地线、渐变地线、信号线；所述上层地线和信号线与偶极子单元位于介质基板的同一个面上，上层地线和信号线的上端分别连接偶极子单元的左右两个单极子；所述信号线分为上、下两节，所述上节与上层地线大致平行，下节为微带线，微带线线宽逐渐变宽以实现阻抗转换；所述介质基板上设有若干周期金属过孔，上层地线通过周期金属过孔与位于介质基板另一面的渐变地线相连实现导通，以实现渐变的阻抗匹配和场匹配；渐变地线宽度从下至上随曲率渐变曲线渐变减小，最终与上层地线宽度一致。

所述偶极子单元上端设置宽角匹配层，用于改善扫描特性。

所述渐变地线使用曲率渐变曲线渐变，公式中h_down表示整个渐变曲线的高度，c_down、w_down分别表示渐变线自变量t的变化区间，m表示渐变曲线的曲率。

所述交指段由若干连续矩形交指组成。

所述信号线下节微带线为达到同轴线阻抗到信号线的阻抗变换，微带线宽度从上至下呈三角形渐变变宽。

引入50欧电阻加载与渐变底线与金属地之间消除在特定频点处产生的共模电流引起的共模谐振。

本发明具有如下创新：

1.本发明主要提出一种基于偶极子阵元间互耦效应的双极化超宽带天线，通过加强阵元间的耦合拓宽天线带宽。

2.结构简单，易于加工：结构源于印刷偶极子天线，整个天线单元都是印刷在PCB板上，馈线结构也是由双线到微带的转化，构造简单紧凑，方便加工。

3.创新性强，技术前瞻性好：本发明在偶极子阵元部分使用了交指型电容，通过加强偶极子阵元间的耦合，实现了宽带特性；其可与超材料配合使用，实现极化转换等功能，拓展了人工表面等离子器件的应用范围，具有很好的技术前瞻性。

4.宽带宽角：加上馈线结构的天线阵列能够实现5.5倍频带宽，E、H面的扫描都能达到45°。

附图说明

图1是本发明阵子单元示意图；

图2是本发明阵子单元侧视图；

图3是偶极子单元示意图；

图4是图1所示阵子单元对应得S参数图；

图5、图6是本发明左右单元馈电巴伦结构示意图；

图7是巴伦渐变地的曲线坐标轴示意图；

图8、图9是本发明的整体结构剖面图；

图10是本发明结构激励馈电端口一时在phi＝0面扫描时对应的驻波比图；

图11是本发明结构激励馈电端口一时在phi＝90面扫描时对应的驻波比图；

图12是本发明结构激励馈电端口二时在phi＝0面扫描时对应的驻波比图；

图13是本发明结构激励馈电端口二在phi＝90面扫描时对应的驻波比图。

具体实施方式

双极化天线单元由正交放置的单极化偶极子单元组成，而单极化偶极子单元包括宽角匹配层1、介质基板上的偶极子单元2、介质基板3、过渡巴伦4、金属地5、由同轴线馈电的端口一6和馈电端口二7；所述半波偶极子单元包括左右两个单极子，每个单极子包括偶极子臂和交指段；所述偶极子单元的左右两个偶极子臂分别呈开口向左和开口向右的半圆形，半圆形开口处连接交指段；相邻偶极子单元的交指段互补插合，形成耦合(偶极子阻抗和其形状相关，可进行微调形状使其阻抗达到预期设定值)；所述馈电巴伦由最底端的三角渐变微带线部分和中间的过渡段以及后半部分的共面带线，过渡巴伦包括上层地线、渐变地线、信号线；所述上层地线和信号线与偶极子单元位于介质基板的同一个面上，上层地线和信号线的上端分别连接偶极子单元的左右两个单极子；所述信号线分为两节，上节为矩形与上层地线平行构成平行双线，下节为微带线，微带线线宽逐渐变宽以实现阻抗转换；所述介质基板上设有若干周期过孔，上层地线通过周期过孔与位于介质基板另一面的渐变地线相连，以实现渐变的阻抗匹配和场匹配；渐变地线宽度从下至上随曲率渐变曲线渐变减小，最终与上层地线宽度一致。

并且所述偶极子单元上端设置宽角匹配层。

所述渐变地线使用曲率可控曲线渐变，线宽由下至上逐渐变小，最终与上层地线宽度一致。

所述信号线的下节微带线从上至下呈三角形渐变变宽(阻抗从上往下由大变小)。

本发明是印刷偶极子天线的基础上，通过加强偶极子阵元间的耦合作用，以此达到扩展带宽的作用。主要由交指型偶极子阵元和馈线巴仑两个部分组成，馈线巴仑主要实现阻抗匹配以及电场匹配的功能。馈线巴仑主要由三个部分组成：共面双线部分，主要是为了给偶极子单元平衡馈电；传输线部分，主要是为了缓解输入阻抗随频率变化而变化的特性；微带线部分，主要是为了实现阻抗转换，将155Ω的阻抗值转化成50Ω的输出，最终能够更加方便天线的馈电。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

天线阵的介质基板为罗杰斯5880(介电常数为2.2)，如图1所示，本发明结构由单极化交指型紧耦合单元为基础，两个单极化单元通过咬合设计组成双极化单元。而单极化单元间通过矩形的互补交指形成耦合，同一阵子左右两边偶极子臂镜像对称(方向)，交指段互补，交指数量以及大小根据实际所需耦合强度设定。阵子下端连接共面双线至微带线的过渡巴伦，过渡巴伦上部为共面双线，下部为微带线输入，微带线由下至上逐步变窄，渐变地线长度取决于工作频段及带宽，渐变形式为曲线渐变。阵列单元上端覆盖一定厚度的介质层作为宽角匹配层，以提高天线宽角扫描性能，匹配层厚度以及介电常数需按实际工作频段等选取。

图2、图3为本发明所采用的紧耦合阵子单元结构，x方向以及y方向的周期为dx＝8.3mm，dy＝10mm，板材厚度h＝0.762mm，介质板的长度L＝23.646mm，金属反射板距离阵子最上端间距hrf＝14.823mm，阵子上端宽角匹配层介电常数为2.2，厚度hw＝6.35mm。紧耦合阵子单元印刷在介质基板中间层，交指段交指个数为4个，每个交指的长宽Lf＝0.7mm，Wf＝0.5mm，上下缝隙间距为g1＝0.25mm，左右间距为g2＝0.2m，交指后垫宽Wb＝0.5mm，长度Lb＝6mm。偶极子臂半径R＝3mm，圆心到偶极子臂对称中心距离d＝4.05mm，阶梯状过渡段两级长宽分别为，W1＝0.55mm，W2＝1.5mm，L1＝0.6mm，左右两臂之间的间距为df＝0.6mm，铜箔厚度t＝0.018mm。阵子性能仿真结果如图4所示，紧耦合阵子在1.6GHz到8.5GHz的频带内端口反射系数S11小于-10dB，实现了5.3:1的超宽带性能。

图5、图6给出了连接巴伦后的阵子单元结构，巴伦上端双线结构直接连接到偶极子上，下端为50欧姆微带输入。双线间距gf＝0.3mm，线宽Wdl＝0.4mm，双线位于介质基板中间层，地板位于基板底层，双线左侧的为上层地线长度Lug＝15.725mm，通过周期性过孔与底层渐变地线连接，过孔半径Rt＝0.15mm，共15个，间隔Lt＝1.05mm，右侧信号线可分为两节，第一节为矩形，长度Lsg1＝14.725mm，宽度为双线线宽Wdl，第二节长度Lsg2＝5.646mm，线宽由上侧的Wdl线性渐变到下侧Wms＝1mm。图7为渐变地线，渐变段长度为Ltr＝14.725mm，上侧宽度为Wdl，下侧宽度Wgnd＝3.6mm，采用曲线渐变的形式。

图8、图9为双极化单元组成的阵列形式。

根据上述实施例，利用电磁仿真软件可以得到如图10至图13所示的端口驻波比曲线，从该曲线可以看出，在端口驻波比小于3的前提下，实例一所示的超宽带宽角紧耦合天线阵，可以在1.2GHz到8.4GHz的超宽带内实现E面以及H面最高到45°的宽角扫描性能，完全符合设计需求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.双极化紧耦合偶极子阵列天线，其特征在于，该阵列天线包括若干双极化天线单元，所述双极化天线单元包括正交放置的单极化偶极子单元，所述单极化偶极子包括交指段，所述交指段设计为相互扣紧的形式；

所述单极化偶极子单元包括宽角匹配层、介质基板、介质基板上的偶极子单元、金属地和过渡巴伦；所述过渡巴伦包括最底端的三角渐变微带线部分和中间的过渡部分以及后半部分的共面带线，所述过渡巴伦包括上层地线、渐变地线、信号线；所述上层地线和信号线与偶极子单元位于介质基板的同一个面上，上层地线和信号线的上端分别连接偶极子单元的左右两个单极子；所述信号线分为上、下两节，所述上节与上层地线大致平行，下节为微带线，微带线线宽逐渐变宽以实现阻抗转换；所述介质基板上设有若干周期金属过孔，上层地线通过周期金属过孔与位于介质基板另一面的渐变地线相连实现导通，以实现渐变的阻抗匹配和场匹配；渐变地线宽度从下至上随曲率渐变曲线渐变减小，最终与上层地线宽度一致；所述交指段由若干连续矩形交指组成。

2.根据权利要求1所述的双极化紧耦合偶极子阵列天线，其特征在于，所述单极化偶极子单元包括左右两个正交的单极子，每个单极子包括偶极子臂和交指段；所述偶极子臂为半开口，两个偶极子臂的开口向外设置，所述开口处连接交指段；属于同一单极化偶极子单元的交指段互补插合，形成耦合。

3.根据权利要求1或2所述的双极化紧耦合偶极子阵列天线，其特征在于，所述偶极子单元上端设置宽角匹配层，用于改善扫描特性。

4.根据权利要求3所述的双极化紧耦合偶极子阵列天线，其特征在于，所述渐变地线使用曲率渐变曲线渐变，公式中h_down表示整个渐变曲线的高度，c_down、w_down分别表示渐变线自变量t的变化区间，m表示渐变曲线的曲率。

5.根据权利要求3所述的双极化紧耦合偶极子阵列天线，其特征在于，所述信号线下节微带线为达到同轴线阻抗到信号线的阻抗变换，微带线宽度从上至下呈三角形渐变变宽。

6.根据权利要求3所述的双极化紧耦合偶极子阵列天线，其特征在于，引入50欧电阻加载在渐变地线与金属地之间。