CN108429009B - 一种双极化阵列天线结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种双极化阵列天线结构，包括矩形天线基板、以及布置在所述天线基板表面的：第一频段垂直极化发射天线、第一频段水平极化发射天线、第一频段垂直极化接收天线、第一频段水平极化接收天线、第二频段垂直极化发射天线、第二频段水平极化发射天线、第二频段垂直极化接收天线、第二频段水平极化接收天线、第三频段垂直极化发射天线、第三频段水平极化发射天线、第三频段垂直极化接收天线、第三频段水平极化接收天线。本发明的双极化阵列天线结构可在1‑18GHz的超宽带范围内实现波束范围不小于40°，且具有较小的体积与重量。

Description

一种双极化阵列天线结构
技术领域
本发明涉及天线设计领域，尤其涉及一种双极化阵列天线结构。
背景技术
在电磁散射特性测量系统中，发射天线和接收天线是实现对外电磁信号转换的必要部件，全尺寸近场电磁测量对发射天线和接收天线提出了特殊使用需求：需覆盖1-18GHz超大带宽，全频段波束宽度在40度以上，受车体安装空间限制天线尺寸小于0.68m*0.68m*0.13m，重量不大于6kg。
实际应用中，若采用单一天线单元，那么在全频段内波束宽度会变化较大，因为波束宽度θ与天线口径尺寸之间的关系为θ≈65λ/D(λ为工作波长，D为天线口径尺寸)，这样在单一的天线尺寸下天线波束宽度必然随波长而变化，面对天线的工作频段跨越1-18GHz，那么在1GHz即使波束宽度为180°，在18GHz时波束宽度也会降低至10°左右。显然这种波束宽度成倍的变化无法满足近场测量中为实现对目标区域的覆盖而必须达到的较大波束宽度。
若采用多支天线在测量中更换使用，则带来以下问题：首先天线的反复更换不利于状态保持，可能会导致对应于同一目标，重新安装天线前后两组数据存在细微差异；再者，由于天线的工作频段限制，在测量中无法实现大带宽成像测量。
此外，目前往往采用喇叭天线、抛物面天线同时安装于测量车上以解决以上问题，但二者径向尺寸较大，无法在测量车体侧面径向尺寸仅有13cm的空间进行安装。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种双极化阵列天线结构，能够满足全尺寸近场电磁测量系统对发射天线和接收天线的带宽、波束宽度、尺寸、重量等全部要求。
本发明提供一种双极化阵列天线结构，包括矩形天线基板、以及布置在所述天线基板表面的以下天线单元：第一频段垂直极化发射天线、第一频段水平极化发射天线、第一频段垂直极化接收天线、第一频段水平极化接收天线、第二频段垂直极化发射天线、第二频段水平极化发射天线、第二频段垂直极化接收天线、第二频段水平极化接收天线、第三频段垂直极化发射天线、第三频段水平极化发射天线、第三频段垂直极化接收天线、第三频段水平极化接收天线；其中，第一频段的频率小于第二频段的频率，第二频段的频率小于第三频段的频率；而且：
第一频段垂直极化发射天线与第一频段垂直极化接收天线位于所述天线基板的任意两个对角，第一频段水平极化发射天线与第一频段水平极化接收天线位于所述天线基板的另外两个对角；
第二频段垂直极化发射天线与第二频段垂直极化接收天线近于所述天线基板的任意两个对角，二者的连线通过所述天线基板中心点；第二频段水平极化发射天线与第二频段水平极化接收天线近于所述天线基板的另外两个对角，二者的天线通过所述天线基板中心点；
第三频段垂直极化发射天线、第三频段垂直极化接收天线、第三频段水平极化发射天线以及第三频段水平极化接收天线近于所述天线基板的中心点；并且，第三频段垂直极化发射天线与第三频段垂直极化接收天线的连线平行于所述天线基板的任一对角线，第三频段水平极化发射天线与第三频段水平极化接收天线的连线平行于所述天线基板的另一对角线。
可选地，所述天线单元设置有扼流槽。
可选地，第一频段为1GHz到2GHz，第二频段为2GHz到6GHz，第三频段为6GHz到18GHz。
可选地，所述天线基板为正方形。
可选地，第二频段垂直极化发射天线、第二频段垂直极化接收天线、第二频段水平极化发射天线以及第二频段水平极化接收天线均为二元阵列天线。
可选地，所述天线单元均为印制板天线。
可选地，所述双极化阵列天线在1GHz到18GHz的频段的波束宽度不小于40°。
可选地，所述双极化阵列天线结构的长度小于0.68m，宽度小于0.68m，深度小于0.13m，重量不大于6kg。
可选地，所述天线基板采用绝缘材料制成。
可选地，所述双极化阵列天线用于近场电磁散射特性测量。
由以上技术方案可知，本发明提供的双极化阵列天线结构能够实现以下技术效果：
1.采用分段式阵列天线的形式实现了1-18GHz大带宽的覆盖，并且全频带内在保证增益变化不大的情况下，波束宽度均不小于40°；
2.通过设计合理的天线阵列布局，减少了高频段天线单元与天线基板边缘产生的耦合，同时增加了发射天线与接收天线之间的隔离度；
3.将扼流槽技术运用于天线设计中，可在降低背瓣的同时减少车体与天线之间的影响。
4.采用轻小型化设计，天线阵列尺寸在0.68m*0.68m*0.13m之内，重量不大于6kg，可降低车载测量系统转台的负担。
附图说明
图1是本发明实施例的双极化阵列天线结构布局示意图；
图2是本发明实施例的双极化阵列天线在1GHz时E面方向图；
图3是本发明实施例的双极化阵列天线在4GHz时E面方向图；
图4是本发明实施例的双极化阵列天线在14GHz时E面方向图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。
本发明的发明人考虑到，现有的天线设计方案无法满足全尺寸近场电磁测量系统对发射天线和接收天线提出的以下需求：覆盖1-18GHz超大带宽，全频段波束宽度在40度以上，天线尺寸小于0.68m*0.68m*0.13m，重量不大于6kg。于是，本发明的发明人针对性地设计以下双极化阵列天线以满足上述需求。
可以理解，本发明所使用的术语“第一”、“第二”、“第三”等在本文中用于描述各种对象，但这些对象不受上述术语限制。上述术语仅用于将几个对象区分。举例而言，在不脱离本发明范围的情况下，可以将第一频段称为第二频段，也可以将第二频段称为第一频段，第一频段与第二频段都是频段，但二者不是同一频段。
以下详细介绍本发明的技术方案。
图1示出了本发明的双极化阵列天线结构布局示意图。如图1所示，本发明的双极化阵列天线由天线基板与布置在天线基板表面的多个天线单元组成。
实际应用中，天线基板为矩形。较佳地，可根据安装空间情形设置为正方形。为了减轻重量，其材料可为轻质绝缘材料。各天线单元如下：第一频段垂直极化发射天线、第一频段水平极化发射天线、第一频段垂直极化接收天线、第一频段水平极化接收天线、第二频段垂直极化发射天线、第二频段水平极化发射天线、第二频段垂直极化接收天线、第二频段水平极化接收天线、第三频段垂直极化发射天线、第三频段水平极化发射天线、第三频段垂直极化接收天线、第三频段水平极化接收天线。图1中天线基板(最外侧的矩形)内具有最大边长的矩形1即通指第一频段的四种天线单元，2通指第二频段的四种天线单元，3通指第三频段的四种天线单元。
为了在1GHz-18GHz的频段内保证波束宽度，本发明将双极化阵列天线在工作频率上分三段实现：即第一频段：1GHz-2GHz、第二频段：2GHz-6GHz和第三频段：6-18GHz。通过这种频段划分，可在保证波束宽度均不小于40度的前提下，确保各频段之间增益的平坦度。
为了保证上述三个频段的波束宽度，本发明除了对任一天线单元采用常规优化方法设计之外，还需对各天线单元进行整体布局。具体地，为了在有限的布局空间内实现最大化的收发隔离，可将相同频段相同极化方式的接收、发射天线采用对角而非平行布局，并将波长最长的第一频段的天线单元布置在最外侧，以增加收发间距；将波长最短的第三频段的天线单元布置在最内侧，以减少其与天线基板作用产生的碎瓣；将波长居中的第二频段的天线单元布置于第一频段与第三频段之间。
具体应用中，采用以下方式进行各频段天线单元的布局：
第一频段垂直极化发射天线与第一频段垂直极化接收天线位于天线基板的任意两个对角，第一频段水平极化发射天线与第一频段水平极化接收天线位于天线基板的另外两个对角。可以理解的是，位于某对角的指的是：与该对角对应的端点的距离在第一预设距离之内。
第二频段垂直极化发射天线与第二频段垂直极化接收天线近于天线基板的任意两个对角，二者的连线通过天线基板中心点；第二频段水平极化发射天线与第二频段水平极化接收天线近于天线基板的另外两个对角，二者的天线通过天线基板中心点。可以理解的是，近于某对角的指的是：与该对角对应的端点的距离在第二预设距离之内，第二预设距离大于第一预设距离。
第三频段垂直极化发射天线、第三频段垂直极化接收天线、第三频段水平极化发射天线以及第三频段水平极化接收天线近于天线基板的中心点；并且，第三频段垂直极化发射天线与第三频段垂直极化接收天线的连线平行于天线基板的任一对角线，第三频段水平极化发射天线与第三频段水平极化接收天线的连线平行于天线基板的另一对角线。
通过上述布局方式，可有效保证双极化阵列天线在1GHz-18GHz的频段内波束宽度不小于40°，同时，可在提高收发天线隔离度的前提下，降低天线之间的耦合效应，改善低频段天线的副瓣性能。
作为一个优选方案，第二频段的四种天线设计为性能指标较佳的二元阵列天线。此外，每一天线单元设置有扼流槽，以降低背瓣、减少车体与天线之间的相互影响。
在本发明实施例中，上述三个频段的各天线均为印制板天线，以此减小天线深度尺寸，满足安装要求。实际应用中，设计完成的双极化阵列天线的长度小于0.68m，宽度小于0.68m，深度小于0.13m，重量不大于6kg，可完全满足全尺寸近场电磁测量系统对发射天线和接收天线的尺寸、重量等要求。
图2、3、4分别是本发明实施例的双极化阵列天线在1GHz、4GHz、14GHz时E(电场)面方向图，从中可以看到其在三个频点的波束宽度均大于40°，满足全尺寸近场电磁测量系统对带宽与波束宽度的要求。
本发明提供的双极化阵列天线结构能够实现以下技术效果：
(1)采用分段式阵列天线的形式实现了1-18GHz大带宽的覆盖，并且全频带内在保证增益变化不大的情况下，波束宽度均不小于40°；
(2)通过设计合理的天线阵列布局，减少了高频段天线单元与天线基板边缘产生的耦合，同时增加了发射天线与接收天线之间的隔离度；
(3)将扼流槽技术运用于天线设计中，可在降低背瓣的同时减少车体与天线之间的影响。
(4)采用轻小型化设计，天线阵列尺寸在0.68m*0.68m*0.13m之内，重量不大于6kg，可降低车载测量系统转台的负担。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。
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，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种双极化阵列天线结构，其特征在于，包括矩形天线基板、以及布置在所述天线基板表面的以下天线单元：第一频段垂直极化发射天线、第一频段水平极化发射天线、第一频段垂直极化接收天线、第一频段水平极化接收天线、第二频段垂直极化发射天线、第二频段水平极化发射天线、第二频段垂直极化接收天线、第二频段水平极化接收天线、第三频段垂直极化发射天线、第三频段水平极化发射天线、第三频段垂直极化接收天线、第三频段水平极化接收天线；其中，第一频段的频率小于第二频段的频率，第二频段的频率小于第三频段的频率；而且：
第一频段垂直极化发射天线与第一频段垂直极化接收天线位于所述天线基板的任意两个对角，第一频段水平极化发射天线与第一频段水平极化接收天线位于所述天线基板的另外两个对角；
第二频段垂直极化发射天线与第二频段垂直极化接收天线近于所述天线基板的任意两个对角，二者的连线通过所述天线基板中心点；第二频段水平极化发射天线与第二频段水平极化接收天线近于所述天线基板的另外两个对角，二者的天线通过所述天线基板中心点；
第三频段垂直极化发射天线、第三频段垂直极化接收天线、第三频段水平极化发射天线以及第三频段水平极化接收天线近于所述天线基板的中心点；并且，第三频段垂直极化发射天线与第三频段垂直极化接收天线的连线平行于所述天线基板的任一对角线，第三频段水平极化发射天线与第三频段水平极化接收天线的连线平行于所述天线基板的另一对角线；
其中，第一频段为1GHz到2GHz，第二频段为2GHz到6GHz，第三频段为6GHz到18GHz；所述双极化阵列天线在1GHz到18GHz的频段的波束宽度不小于40°。
2.如权利要求1所述的双极化阵列天线结构，其特征在于，所述天线单元设置有扼流槽。
3.如权利要求1所述的双极化阵列天线结构，其特征在于，所述天线基板为正方形。
4.如权利要求1所述的双极化阵列天线结构，其特征在于，第二频段垂直极化发射天线、第二频段垂直极化接收天线、第二频段水平极化发射天线以及第二频段水平极化接收天线均为二元阵列天线。
5.如权利要求1所述的双极化阵列天线结构，其特征在于，所述天线单元均为印制板天线。
6.如权利要求1所述的双极化阵列天线结构，其特征在于，所述双极化阵列天线结构的长度小于0.68m，宽度小于0.68m，深度小于0.13m，重量不大于6kg。
7.如权利要求1所述的双极化阵列天线结构，其特征在于，所述天线基板采用绝缘材料制成。
8.如权利要求1-7任一所述的双极化阵列天线结构，其特征在于，所述双极化阵列天线用于近场电磁散射特性测量。
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