CN107546478B - 采用特殊方向图阵元的宽角扫描相控阵天线及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于宽角扫描相控阵天线技术领域，公开了一种采用特殊方向图阵元的宽角扫描相控阵天线及设计方法。所述低剖面相控阵采用具有特殊方向图的子阵作为阵元，实现低剖面相控阵天线在宽扫描角范围内具有平稳的增益或者满足在大扫描角时增益更高的要求；所述特殊方向图在阵列平面的法线方向与最大扫描角度方向之间且靠近最大扫描角度方向对称分布着最大增益方向，形成方向图中心凹陷的特征；阵元方向图的中心凹陷深度根据组阵要求进行设计，阵因子方向性越强，中心凹陷越深。本发明在不改变相控阵的阵因子的前提下，可以实现低剖面相控阵天线在宽扫描角范围内具有平稳的增益，或者满足在大扫描角时增益更高的要求。

Description

采用特殊方向图阵元的宽角扫描相控阵天线及设计方法

技术领域

本发明属于宽角扫描相控阵天线技术领域，尤其涉及一种采用特殊方向图阵元的宽角扫描相控阵天线及设计方法。

背景技术

当前，宽角扫描相控阵天线的有广泛的应用需求。在移动通信领域，应用于4.5G和5G中的大规模MIMO技术(massive MIMO)，需要基站天线具备宽角扫描能力，实现在扫描范围内对本小区有效的均匀覆盖。在星载天线领域中，对于近地轨道卫星，也要求其搭载的相控阵天线对覆盖区域内实现有效的覆盖。由于近地卫星距离地面的竖直高度远小于地球的半径，当扫描到最大角度，卫星与地面的距离，也就是实际的电波传播距离，会远大于卫星与地面的竖直距离。为了实现覆盖范围内的信号强度基本均匀，要求天线阵列在最大扫描角时的增益比扫描角为零度时的增益高得多，以补偿更远的传播距离。传统方法设计的常规宽角扫描相控阵天线在零度扫描角一般具有很高的增益，但是，在扫描范围超过±45度以后，增益下降非常显著。因此，采用传统方法设计宽角扫描相控阵天线，当最大扫描角对应的增益满足要求时，零度扫描角对应的增益必定出现很大的冗余。而这种冗余增益往往是以更大的阵列尺寸、更复杂的天线结构、重量以及更大的功耗作为代价获取的，这与实际应用中的各种限制形成尖锐的矛盾。这是因为在实际的应用场景中，各种系统组件及相控阵天线必须高密度地集成安装于有限的平台上，天线的结构必须尽可能地紧凑和小型化，因此上述冗余增益设计方法在绝大多数的实际应用中是难以实现的。为了解决大扫描角增益显著下降的问题，还有其它一些技术方案，其中一种思路是将天线阵面做成弧形(可看做是多个平面阵的组合)，但是这种天线具有较高的剖面(高度)，这跟高密度集成环境下天线阵具有低剖面的要求相矛盾，因此大大限制了这类天线可以应用的场景。可重构天线的概念也被借鉴并用以解决相控阵天线的宽角扫描问题，即利用方向图可重构天线代替传统的天线单元，当阵列进行大角度扫描时，可将单元方向图的指向切换到阵列的扫描方向，从而抑制大角度扫描时的增益下降问题。方向图可重构单元需要通过若干个开关来控制单元方向图的切换，会额外增加相控阵的控制难度。基于平面反射阵的解决方案结合了传统抛物反射面天线辐射效率高以及平面天线剖面低两方面的优势，该方案实现简单，效率高，但仅适用于扫描范围适中的应用场景，并且也存在大角度扫描时增益下降的问题。德国乌尔姆大学的Tobias Chaloun等人基于折叠式反射阵天线的理论设计并制造了一种工作于Ka频段上的具备宽角扫描能力的双极化叠层式反射阵天线，该天线阵由下方的若干天线单元及上方的极化栅格组成，可实现±60°的扫描角域，但是该阵列的每个单元下面都必须设计有源电路来调整单元的幅度和相位，单元的设计过于复杂且成本较高。根据天线理论，天线阵的增益等于阵因子增益与阵元的增益之和。在实际应用中，当阵因子增益确定后，影响天线阵增益的主要因素就是阵元的增益。传统阵元的最大辐射方向一般在天线阵平面的法线方向，在偏离最大辐射方向较大的角度上，阵元的增益明显下降，从而导致天线阵的增益显著降低。因此，改变阵元增益方向图的形状可从根本上解决宽角扫描相控阵天线的大角度扫描增益下降问题。

综上所述，目前的宽角扫描相控阵天线普遍存在大角度扫描时增益下降，或者阵元设计过于复杂等问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种采用特殊方向图阵元的宽角扫描相控阵天线及设计方法。

本发明是这样实现的，一种采用具有特殊方向图阵元的低剖面宽角扫描相控阵天线的设计方法，所述采用具有特殊方向图阵元的低剖面宽角扫描相控阵天线的设计方法采用具有特殊方向图的子阵作为阵元，利用阵元方向图中心凹陷的特征与阵因子方向图中心增益最高、两侧增益随着角度增大而下降的特征相叠加，实现低剖面相控阵天线在宽扫描角范围内具有平稳的增益或者满足在大扫描角时增益更高的要求；

所述特殊方向图在阵列平面的法线方向与最大扫描角度方向之间且靠近最大扫描角度方向对称分布着最大增益方向，形成方向图中心凹陷的特征；阵元方向图的中心凹陷深度根据组阵要求进行设计，阵因子方向性越强，中心凹陷越深。

进一步，所述子阵的尺寸在半个中心工作频率对应的波长左右，仅有一个馈电点，没有额外的控制元件。

本发明的另一目的在于提供一种由所述采用具有特殊方向图阵元的低剖面宽角扫描相控阵天线的设计方法得到的低剖面宽角扫描相控阵天线，所述低剖面宽角扫描相控阵天线由两级阵列组成；

第一级是由若干个微小单元及馈电结构组成的子阵；

第二级是由子阵及波束控制系统组成的相控阵天线。

进一步，所述低剖面宽角扫描相控阵天线采用的构成子阵的微单元为五元印刷偶极子，印刷在介质板的下表面，由平行双导线馈电，通过位于介质板上的子阵的馈电结构控制五元印刷偶极子的幅度和相位分布。

本发明的优点及积极效果为：采用具有此方向图的阵元所组成的低剖面相控阵天线，在不改变相控阵的阵因子的前提下，可以实现低剖面相控阵天线在宽扫描角范围内具有平稳的增益，或者满足在大扫描角时增益更高的要求。

传统的阵元很难具备前述特殊方向图，本发明提出采用由若干个微小单元及馈电结构组成的子阵作为阵元，实现前述特殊方向图。为避免出现栅瓣，本发明提出的子阵的尺寸应该与传统阵元的尺寸相当，控制在半个中心工作频率对应的波长左右，构成子阵的若干个微小单元必须紧密排布，子阵属于强耦合阵列；子阵仅有一个馈电点，没有额外的控制元件，可根据相控阵天线的组阵要求，通过调整子阵的馈电结构设计实现对子阵方向图形状的调整。

本发明不采用冗余设计就可以保证在大扫描角时具备较高的增益，而且子阵及其馈电结构可在印制板上加工制作，与需要大量控制开关的采用可重构天线作为阵元的方案及每个单元下面都必须设计有源电路来调整单元的幅度和相位的叠层式反射阵天线方案相比，本发明的天线结构简单，重量轻，制作成本低。

附图说明

图1是本发明的采用特殊方向图阵元的低剖面宽角扫描相控阵天线的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的子阵结构示意图；

图3是本发明实施例提供的子阵方向图；

图4是本发明实施例提供的宽角扫描特性的仿真结果图；

图中：1、波束控制系统；2、子阵最上部的介质板；3、子阵的馈电结构部分的介质板；4、金属反射板；5、子阵的微单元；6、平行双导线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1所示，本发明实施例提供的采用具有特殊方向图阵元的低剖面宽角扫描相控阵天线结构包括：若干子阵以及波束控制系统1。

本发明实施例提供的采用具有特殊方向图阵元的低剖面宽角扫描相控阵天线由两级阵列组成，第一级是由若干个微小单元及馈电结构组成的子阵，第二级是由子阵及波束控制系统构成的整个相控阵天线。子阵具有中心凹陷的特殊方向图形状，尺寸在半个中心工作频率对应的波长左右，仅有一个馈电点，没有额外的控制元件，可根据相控阵天线的组阵要求，通过调整子阵的馈电结构设计实现对子阵方向图形状的调整。每个子阵在馈电点处以与传统阵元相同的方式与波束控制系统相连接。波束控制系统的功能是控制各子阵的馈电幅度和相位，使波束指向预定的方向。

本发明提供的应用于低剖面宽角扫描相控阵天线的特殊阵元方向图，其在一个主平面或者两个正交主平面内的最大辐射方向不在阵列平面的法线方向，而在阵列平面的法线方向与最大扫描角度方向之间且靠近最大扫描角度方向对称分布着最大增益方向，形成方向图中心凹陷的特征，而且阵元方向图的中心凹陷深度根据组阵要求进行设计，阵因子方向性越强，中心凹陷越深。

如图2所示，本发明实施例提供的子阵结构示意图，采用的构成子阵的微单元5为五元印刷偶极子，印刷在介质板2的下表面，经由平行双导线6馈电，通过位于介质板3上的子阵的馈电结构控制五元印刷偶极子的幅度和相位分布，实现所需的特殊方向图形状。

表1组成子阵的五元印刷偶极子的幅度和相位分布

当组成子阵的五元印刷偶极子的幅度和相位分布按照表1所示取值时，得到图3所示的在H面内具备中心凹陷特征的子阵方向图。子阵方向图在偏离法线方向47°的方向对称分布着最大辐射方向，在阵列平面的法线方向，即方向图的中心处的增益低于最大增益2.5dBi，而且3dB波束宽度达到154°，具备宽波束特征。

以上述子阵作为相控阵的阵元，阵元间距选为0.55倍的中心工作频率对应的波长，组成一个1×5的一维相控阵。图4是本发明实施例的宽角扫描特性的仿真结果图。可以看出，在0°至45°范围之内，相控阵主波束的增益并没有随着扫描角度的增大而降低，相反还有2dB左右的提升；扫描到60°左右时，增益才有所回落，与0°扫描时的增益基本一致；直至扫描到67°时，增益相较于最大值下降达到了3dB，也就是说，该阵列在H面内的扫描范围达到了134°，明显优于传统平面相控阵天线的扫描范围。这充分说明，利用本发明提出的采用具有中心凹陷方向图形状的子阵作为相控阵天线的阵元，可在很大程度上缓解传统低剖面相控阵天线大角度扫描时增益明显下降的问题，为低剖面宽角扫描相控阵的设计提供了新的解决方法。

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)

1.一种采用具有特殊方向图阵元的宽角扫描相控阵天线，其特征在于，包括：子阵阵列及波束控制系统；

所述子阵阵列由微小单元与馈电结构构成；且子阵阵列为具有特殊方向图的子阵，该特殊方向图的特征是在阵列平面的法线方向与最大扫描角度方向之间靠近最大扫描角度的方向，对称分布最大增益方向，即形成方向图中心凹陷的特征；且能够通过调整子阵的馈电结构来调控子阵的方向图形状，即对子阵进行波束赋形；

所述子阵为强耦合阵列，且仅有一个馈电点，没有额外的控制元件；构成该子阵的微小单元紧密排布。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述微小单元是印刷在水平介质板下表面的五元印刷偶极子；所述馈电结构印刷在竖直介质板的两个表面上，包括平行双导线；每个偶极子的两臂分别与平行双导线连接，通过馈电结构控制五元印刷偶极子的幅度和相位分布。

3.一种采用特殊方向图阵元的宽角扫描相控阵天线的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)根据组阵要求，设置子阵的方向图形状，该形状具有中心凹陷特征；

(2)采用微小单元及其相应的馈电结构组成具有步骤(1)方向图形状的子阵，并将子阵的尺寸设置为中心频率对应的半个波长；

(3)以子阵作为阵元，每个子阵的馈电点均与波束控制系统连接，构成低剖面宽角扫描相控阵天线。

4.根据权利要3所述方法，其特征在于：所述子阵的方向图形状由中心凹陷深度、最大辐射方向的角度确定。

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