CN108199137A - 一种平面紧耦合双极性超宽带相控阵天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于紧耦合偶极子单元的平面双极性超宽带相控阵天线,属于电子通信技术领域,特别是超宽带相控阵天线领域。通过改进现有紧耦合天线阵列结构和馈线网络,并在偶极子天线单元的每个单极子上引入到地的接地孔来消除影响宽带天线性能的共模信号干扰,取消了现有紧耦合天线馈电网络中必有的宽带巴伦器件,解决了现有宽带相控阵天线成本高、不易共形、制作复杂及不能实现模块化功能的缺陷。实现的新型平面紧耦合双极性超宽带相控阵天线具有指标高、频带宽、小型化、易共形、结构简单和可模块化拼装等优点,可以满足现代民用移动通讯系统和军事探测雷达系统的发展对新一代相控阵天线的要求。

Description

一种平面紧耦合双极性超宽带相控阵天线
技术领域
本发明属于电子通信技术领域,特别是超宽带相控阵天线领域。
背景技术
尽管多年来传统的宽带阵列技术在研究方面一直不断取得重大的进展,但其仍然存在成本高昂、制造复杂、难以与平台(机身、车辆和船舶等)对装等问题。更严重的是,由于制造难度较高,使得其工作频率难以扩展到Ku波段以上,且在这些阵列中往往存在大量的巴伦器件,使得系统的集成更加复杂。
对宽带阵列天线而言,目前主要分三大类:垂直天线阵列、全平面天线阵列和紧耦合天线阵列。
垂直天线阵列包含渐变式槽天线阵列、类双极子天线阵列等,其工作带宽可达10:1,但由于阵元垂直摆放,故尺寸较大、难以集成;在高度方向上尺寸较大、天线旁瓣较高,严重限制了其应用范围;结构复杂、造价高昂,不适用于未来的低成本、多功能天线系统。
全平面天线阵列中比较典型的是微带贴片(补丁天线)阵列,该天线阵列的辐射单元和探针或孔耦合馈源都是使用简单的平面微波PCB技术制造,成本较低,其最大的相对工作带宽约为20%,尽管通过采用介质谐振器的方法可以将其相对工作带宽提高至22%,但由于介质材料成本相对较高,使得这2%性能的提升不具有性价比的优势。
紧耦合天线阵列是Munk在2003年提出的一种从频率选择表面(FrequencySelective Surface,FSS)技术发展而来的紧耦合天线阵列(Tightly Coupled Array,TCDA)。该电扫天线阵列利用单元天线之间形成的电容抵消单元天线与接地板之间形成的电感,能够在缩小天线阵列体积的同时提升天线阵列的带宽,兼具垂直天线阵列和全平面天线阵列的技术优势。但现有紧耦合天线的偶极子天线单元的馈电通常需要差分馈电(亦称平衡馈电),因此通常需要将系统的50不平衡欧姆输入/输出阻抗通过巴伦转换为平衡输入/输出与天线馈电匹配。这种电路的转换要使用大量的宽带巴伦器件,会造成馈线结构复杂、电路体积增大,不利于系统集成。
发明内容
通过改进现有紧耦合天线阵列结构和馈线网络,在偶极子天线单元的每个单极子上引入接地孔来消除影响宽带天线性能的共模信号干扰,取消了现有紧耦合天线馈线网络中必有的宽带巴伦器件,本发明可解决现有宽带相控阵天线成本高、不易共形、制作复杂及不能实现模块化功能的缺陷。所实现的新型平面紧耦合双极性超宽带相控阵天线具有指标高、频带宽、小型化、易共形、结构简单和可模块化拼装等优点,可满足现代民用移动通讯系统和军事探测雷达系统的发展对新一代相控阵天线的要求。
本发明的技术方案为一种基于紧耦合偶极子单元的平面双极性超宽带相控阵天线,其特征在于,包括介质基板层、阵列设置的偶极子双极性阵元、馈线网络和聚四氟乙烯覆盖层,如图1所示;所述介质基板层包括第一介质层和第二介质层;所述偶极子双极性阵元包括水平偶极子阵元和垂直偶极子阵元,其中水平偶极子阵元或垂直偶极子阵元包括对称设置的两个单极子,每个单极子又分为宽边和窄边,两个单极子的宽边相对并设置耦合缝隙;所述偶极子双极性阵元中的水平偶极子阵元和垂直偶极子阵元分别设置于第一介质层的上表面或下表面;所述覆盖层覆盖于第一介质层的上表面,第二介质层设置于第一介质层的下表面;所述馈线网络包括对每个水平偶极子阵元或垂直偶极子阵元进行馈电的信号馈入孔和接地孔;所述水平偶极子阵元或垂直偶极子阵元的信号馈入孔包括两个金属化过孔,分别设置于两个单极子的窄边末端,其中一个金属化过孔与天线底部的同轴馈线相连,另一个与天线的地连接;所述水平偶极子阵元或垂直偶极子阵元的接地孔包括两个金属化过孔,分别设置于两个单极子的窄边与宽边的交界处,两个金属化过孔都与天线的地相连;所述馈线网络设置于第二介质层内。
所述聚四氟乙烯覆盖层的作用为实现电磁波从介质到空间或从空间到介质的渐变的阻抗匹配和场匹配,以改善宽带性能;所述信号馈入孔的设置方式是为了实现平衡式信号馈入;所述接地孔的设置方式是为了实现抑制共模信号干扰,在超宽带频带内实现不平衡式信号输入到平衡式信号输入,从而在整个天线电路中省略了宽带巴伦器件,保证天线电路简单、结构紧凑。
进一步的,根据天线工作频段的不同,所述对称设置的两个单极子的宽边长度为其中λg为最低工作频率的波导波长,宽边的阻抗为50~80欧姆;其窄边长度为窄边的阻抗为90~120欧姆;宽边和窄边过渡段的长度为耦合缝隙为0.05~1mm;偶极子双极性阵元之间的间隔距离为第一介质层的厚度0.127~0.508mm;第一介质层的厚度0.254~3.048mm;信号馈入孔和接地孔的直径为0.1~1mm;聚四氟乙烯覆盖层的厚度为0.5~3mm。
进一步的,在阵列设置的偶极子双极性阵元之间的空余处设置通孔,其直径随着天线偶极子双极性阵元之间的间隔大小而变,为该通孔可用来改变电磁波在介质层的电磁场分布,以改善天线的宽带性能。
进一步的,将偶极子双极性阵元为N×N的阵列设置为一个天线模块,各天线模块之间可实现自由搭建。根据应用场景不同对天线要求不同,可以自由地搭建n*N×n*N阵列天线,方便地实现天线模块化的应用。
本发明的优点:
1、小尺寸和大带宽优势,具有平面补丁天线的厚度(小于10mm)和传统超宽带天线的带宽;
2、低成本优势,除了体积小带来的成本优势以外,相同天线口径下单元数量增加,有利于与通道芯片集成,使硅基芯片替代昂贵的微波毫米波芯片成为可能;同时有利于空间功率合成;
3、大动态范围优势,通道数量增加使天线增益可控范围增加;
4、抗干扰优势,单元面积减小,单元接收辐射能量减少,使单元通道抗干扰性能增加;
5、高天线辐射效能优势,天线效率可达90%以上,远高于传统天线阵列;
6、大扫描角优势,扫描角范围大于120°,可满足多数应用场景;
7、超薄天线、可模块化设计便于共形设计的优势,通讯基站的功率容量到百瓦级,系统灵敏度提升1~4dB,覆盖距离增大12%~58%。
附图说明
图1为本发明2×2天线阵列3D示意图。
图2为本发明2×2天线阵列俯视图。
图3为4×4天线阵列外形图,其中(a)为无聚四氟乙烯覆盖层的天线阵列,(b)为有聚四氟乙烯覆盖层的天线阵列。
图4为本发明4×4天线阵列散射参数测试结果图;图中横坐标为频率,单位GHz:纵坐标为端口反射S11,单位dB;标记1是天线最低工作频率8.920GHz,端口反射S11=-10.04dB,即驻波VSWR=1.92,标记2是天线工作频带内反射最高点,频率为11.439GHz,端口反射S11=-8.23dB,即驻波VSWR=2.27,标记3是天线工作频带内反射典型值,频率为25.836GHz,端口反射S11=-9.37dB,即驻波VSWR=2.03,标记4是天线最高工作频率33.314GHz,端口反射S11=-9.92dB,即驻波VSWR=1.94。
图5为本发明8×8天线阵列模块安装示意图。
图6为本发明12×12天线阵列模块安装示意图。
图7为本发明具体实施方式的天线增益方向图。
具体实施方式
本发明为一种基于紧耦合偶极子单元的平面双极性超宽带相控阵天线,其特征在于,包括介质基板层、阵列设置的偶极子双极性阵元、馈线网络和覆盖层,如图1所示;所述介质基板层包括第一介质层和第二介质层;所述偶极子双极性阵元包括水平偶极子阵元和垂直偶极子阵元,其中水平偶极子阵元或垂直偶极子阵元包括对称设置的两个单极子,每个单极子分为宽边和窄边,两个单极子的宽边相对并设置耦合缝隙;所述偶极子双极性阵元中的水平偶极子阵元和垂直偶极子阵元分别设置于第一介质层的上表面或下表面;所述覆盖层覆盖于第一介质层的上表面,第二介质层设置于第一介质层的下表面;所述馈线网络包括对每个水平偶极子阵元或垂直偶极子阵元进行馈电的信号馈入孔和接地孔;所述水平偶极子阵元或垂直偶极子阵元的信号馈入孔包括两个金属化过孔,分别设置于两个单极子的窄边末端,其中一个金属化过孔与天线底部的同轴线相连,另一个与天线的地连接;所述水平偶极子阵元或垂直偶极子阵元的接地孔包括两个金属化过孔,分别设置于两个单极子的窄边与宽边的交界处,两个金属化过孔都与天线的地相连;所述馈线网络设置于第二介质层内。
制作4×4阵列平面紧耦合双极性超宽带相控阵天线,外形图如图3所示。天线尺寸的长、宽、高为26.4mm×26.4mm×5.3mm。测试结果如图4。测试结果表明该天线的工作频率8.9GHz-33.3GHz(覆盖X波段、Ku波段、Ka波段),带内端口驻波典型值:VSWR=2.0。天线增益方向图如图7(a)。
4×4阵列天线为一个天线模块,4个模块拼接构成8×8天线阵列,外形图如图5所示。天线尺寸长、宽、高为52.8mm×52.8mm×5.3mm。天线增益方向图如图7(b)。
9个模块拼接构成12×12天线阵列,外形图如图6所示。天线尺寸长、宽、高为79.2mm×79.2mm×5.3mm。天线增益方向图如图7(c)。

Claims (4)

1.一种基于紧耦合偶极子单元的平面双极性超宽带相控阵天线,其特征在于,包括介质基板层、阵列设置的偶极子双极性阵元、馈线网络和覆盖层;所述介质基板层包括第一介质层和第二介质层;所述偶极子双极性阵元包括水平偶极子阵元和垂直偶极子阵元,其中水平偶极子阵元或垂直偶极子阵元包括对称设置的两个单极子,每个单极子分为宽边和窄边,两个单极子的宽边相对并设置耦合缝隙;所述偶极子双极性阵元中的水平偶极子阵元和垂直偶极子阵元分别设置于第一介质层的上表面或下表面;所述覆盖层覆盖于第一介质层的上表面,第二介质层设置于第一介质层的下表面;所述馈线网络包括对每个水平偶极子阵元或垂直偶极子阵元进行馈电的信号馈入孔和接地孔;所述水平偶极子阵元或垂直偶极子阵元的信号馈入孔包括两个金属化过孔,分别设置于两个单极子的窄边末端,其中一个金属化过孔与天线底部的同轴线相连,另一个与天线的地连接;所述水平偶极子阵元或垂直偶极子阵元的接地孔包括两个金属化过孔,分别设置于两个单极子的窄边与宽边的交界处,两个金属化过孔都与天线的地相连;所述馈线网络设置于第二介质层内。
2.如权利要求1所述的一种基于紧耦合偶极子单元的平面双极性超宽带相控阵天线,其特征在于所述对称设置的两个单极子的宽边长度为其中λg为最低工作频率的波导波长,宽边的阻抗为50~80欧姆;其窄边长度为窄边的阻抗为90~120欧姆;宽边和窄边过渡段的长度为耦合缝隙为0.05~1mm;偶极子双极性阵元之间的间隔距离为第一介质层的厚度0.127~0.508mm;第一介质层的厚度0.254~3.048mm;信号馈入孔和接地孔的直径为0.1~1mm;聚四氟乙烯覆盖层的厚度为0.5~3mm。
3.如权利要求1所述的一种基于紧耦合偶极子单元的平面双极性超宽带相控阵天线,其特征在于在阵列设置的偶极子双极性阵元之间的空余处设置通孔,其直径随着天线偶极子双极性阵元之间的间隔大小而变,为
4.如权利要求1、2或3所述的一种基于紧耦合偶极子单元的平面双极性超宽带相控阵天线,其特征在于将偶极子双极性阵元为N×N的阵列设置为一个天线模块,各天线模块之间可实现自由搭建,组成阵列更大的天线。
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