CN109037895A - 宽带宽角低剖面的紧耦合天线阵 - Google Patents
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Abstract
本发明属于雷达技术与通讯技术领域，具体为宽带宽角低剖面的紧耦合天线阵。包括由支撑板、支撑板框架、反射板与馈电接头组成支撑件，由威尔金森功率分配器、馈电巴伦、辐射电流片和频率选择表面组成天线线路；天线线路由两块介质覆铜板压合，分四层：上层介质板上、下表面的线路结构层和下层介质板上、下表面的线路结构层；第一、四层为对称的辐射结构，第二层为空板，第三层为功率分配器和巴伦；第一、四层通过导电通孔电连接，为第三层提供封闭的环境，抑制能量外漏。辐射电流片采用对称分布结构，可减半巴伦与电流片耦合处感受到的阻抗；频率选择表面位于第三层上，用频率选择表面替代覆盖在电流片上的阻抗匹配介质层，可使天线加工和安装更简单方便。
Description
技术领域
本发明属于雷达和通讯技术领域，具体涉及一种紧耦合的天线阵。
背景技术
在现在的电子系统中，往往需要安装多部不同形式的天线来实现不同的功能，例如在军事领域有搜索雷达、火控雷达、通讯雷达和敌我识别雷达等；而民用通讯领域则有2G通讯天线，3G通讯天线和4G通讯天线等。通常情况下，由于各种因素的限制这些雷达或天线需要安装在一个平台上。但是由于电磁干扰、空间尺寸限制等问题，严重的影响了各天线的性能；并且在安装调试的过程中，为了尽量的降低各天线之间的干扰要花费大量的时间，如此又极大的增加了建造成本，因此需要开展低剖面宽带宽角阵列天线的研究。
紧耦合天线阵是基于惠勒电流片的概念，通过在天线之间增加一个额外的互耦电容来抵消由阵列地板在非四分之一波长段引入的输入感抗，使得阵列中各单元的阻抗能够在非常宽的频段和角度范围内保持稳定，从而实现阵列的宽带宽角特性。但是传统的电流片只是一个理性的模型，在工程化的问题中会遇到各种各样的问题，如天线单元之间的耦合很难精确调制，天线的馈电结构的集成问题，以及由于表面波和共模谐振引入的扫描盲角等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种阵列稳定性好、结构简单、加工方便、成本低廉的宽带宽角低剖面的紧耦合天线阵，以克服现有天线阵的上述不足。
本发明提供的宽带宽角低剖面的紧耦合天线阵，阵列可分为两大部分：支撑件与天线线路；所述支撑件由支撑板、支撑板框架、反射板与馈电接头等组成；所述天线线路由威尔金森功率分配器、馈电巴伦、辐射电流片和频率选择表面等组成；天线线路的主体结构由两块介质覆铜板压合而成，可分为四层：上层介质板上表面的线路结构层1、上层介质板下表面的线路结构层2、下层介质板上表面的线路结构层3和下层介质板下表面的线路结构层4；第一层和第四层上为对称的辐射结构，第二层为空板，第三层上为功率分配器和巴伦；所有的线路均采用传统的PCB工艺进行加工，天线的支撑件材料为铝合金，由数控机床加工；其中：
所述支撑板为天线线路提供支撑，通过螺丝将用传统PCB工艺制成的天线线路固定到支撑板的框架上，做成一个子阵模块，多个这样的子阵列模块并列放置，即组成一个两维的天线大阵；
所述反射板为金属地板，用于反射电磁波，以提高天线增益的效果，反射板通过螺丝与支撑板框架固定在一起；
所述馈电接头为同轴馈电端口，通过螺纹固定的方式，将馈电接头直接固定在支撑板上，再通过焊接的方式将同轴接头与固定在支撑板上的天线线路连接在一起；
所述功率分配器为一阶威尔金森功率分配器，与同轴接头和功率分配器的输入端相连，功率分配器的输出端与巴伦的输入端相连；
所述馈电巴伦一端直接与威尔金森功率分配器相连，另一端通过耦合的方式给辐射电流片馈电；
所述功率分配器和馈电巴伦均为带状线结构，其两侧的地板用导电通孔电连接，形成封闭的腔体结构，降低馈电线之间的耦合；
所述辐射电流片本质为一偶极子天线，其与相邻的偶极子之间通过强耦合的方式引入一等效电容，用于抵消由反射板引入的电感，故可以工作在很宽的带宽上；
所述频率选择表面为一排置于电流片上方的长方形金属条，该金属条等效为一阻抗变换器，作用与传统的匹配介质板相同，另外频率选择表面可以与天线线路一体加工，免去了后期的安装，使得阵列结构更紧凑简单，加工制造更方便，生产维护成本也更低。
本发明中，所述馈电接头通过焊接的方式与通过切除上层介质板而裸露出来的带状线相连，此时带状线就是微带线。
本发明中，所述功率分配器为一阶的威尔金森功率分配器，加在两个输出端口之间的隔离电阻的焊盘通过电镀通孔的方式引到第一层，即由功率分配器线路所在的下层介质板上表面的线路结构层3引到上层介质板上表面的线路结构层1上。
本发明中，所述反射板与支撑板分开加工，最后通过螺丝一块固定到支撑框架上。
本发明中，所述辐射电流片采用对称的结构，即第1层与第4层上的电流片结构完全一样，在与巴伦的耦合端口形成一并联的结构以减半其感受到的阻抗，位于第1层和第4层的对称电流片之间通过导电通孔电连接，以增加耦合来提升带宽，同样相邻的电流片之间采用直接连接的方式增加耦合，提高阵列的稳定性和带宽。
本发明中，第1层和第4层的铜箔通过导电通孔连接在一块，为功率分配器和巴伦提供一个封闭的环境。
本发明中，辐射单元与自由空间的阻抗变换器采用频率选择表面的结构，频率选择表面的尺寸比最高频的四分之一波长略小。
本发明提供的紧耦合的天线阵，结构紧凑简单，加工制造方便，生产维护成本低；阵列的稳定性好，即阵列中各单元的阻抗能够在非常宽的频段和角度范围内保持稳定，实现阵列的宽带宽角特性。
附图说明
图1为天线单元的结构图示。其中，（a）侧视图，（b ）正视图。
图2为一维线阵模块的结构简图。
图3为16×16阵列结构示意图。
图4为周期边界条件下H面的驻波图。
图5为周期边界条件下E面的驻波图。
图6为16×16阵列中心单元H面不同频率下的单元方向图，实线为主极化的方向图，由上至下分别为18Ghz到6Ghz，虚线为交叉极化的方向图。
图7为16×16阵列中心单元E面不同频率下的单元方向图，实线为主极化的方向图，由上至下分别为18Ghz到6Ghz，虚线为交叉极化的方向图。
图中标号：1为四层介质板的第一层，2为第二层，3为第三层，4为第四层，5为支撑板，6为馈电接头，7为威尔金森功率分配器，8为反射板，9为馈电巴伦，10为导电通孔，11为辐射电流片，12为频率选择表面，13支撑板上的支撑柱，14为固定介质板的螺丝，15为支撑板的框架，16为固定支撑板的螺丝，17为固定反射板的螺丝，18为天线整体的安装螺丝。
具体实施方式
如图1所示为紧耦合天线阵的单元示意图，天线主要由两部分组成，即天线线路和支撑件，两者分开加工，天线线路由传统的PCB工艺加工，而支撑件则由数控机床进行机加工。
天线线路为四层结构，即上层介质板上表面的线路结构层1、上层介质板下表面的线路结构层2、下层介质板上表面的线路结构层3和下层介质板下表面的线路结构层4，由两块介质覆铜板压合而成，在压合前先通过传统的光刻工艺将所需的线路刻蚀到上层介质板和下层介质板上，压合之后再用钻孔机钻出所需的导电通孔，接着通过电镀的方式在导电通孔中镀铜，最后是镀金等后处理。
支撑件的主体由支撑板框架，支撑板和反射板三部分组成，图1中8为反射板，5为支撑板，6为同轴接头，同轴接头6通过螺纹连接的方式固定到支撑板上，然后再通过焊接的方式与威尔金森功率分配器7的输入端相连。
如图2所示为一维线阵的结构示意图，天线线路是以子阵列为单位加工的，图中的子阵列由16个天线单元组成，子阵列加工好后通过螺丝14固定到支撑板上的支撑架13上，然后再通过焊接的方式与下端的同轴接头连接到一块。
图3中15为支撑板框架，图2中所示的一维线阵通过螺丝16固定到框架上，反射板8同样通过螺丝17固定到框架上，18则为框架的安装孔。
图4为周期边界条件下H面的驻波图，由图可知天线在H面45°扫描范围内驻波均低于2.5，除了低频段在高角度扫描时，天线在整个工作频段内的驻波均低于2.0。
图5为周期边界条件下E面的驻波图，由图可知天线在E面整个工作频率45°扫描范围内驻波均低于2.0。
图6和图7分别为16×16阵列中心单元H面和E面不同频率下的单元方向图，由图可知H面和E面主极化的方向图均较宽，也比较平坦，宽角扫描的性能较好，整体来说H面要比E面的单元方向图更宽，另外单元的交叉极化电平也较低，说明紧耦合阵列具有较好的交叉极化性能。
Claims (7)
1.一种宽带宽角低剖面的紧耦合天线阵，其特征在于，阵列分为两大部分：支撑件与天线线路；所述支撑件由支撑板、支撑板框架、反射板与馈电接头组成；所述天线线路由威尔金森功率分配器、馈电巴伦、辐射电流片和频率选择表面组成；天线线路的主体结构由两块介质覆铜板压合而成，分为四层：第一层为上层介质板上表面的线路结构层，第二层为上层介质板下表面的线路结构层，第三层为下层介质板上表面的线路结构层，第四层为下层介质板下表面的线路结构层；第一层和第四层上为对称的辐射结构，第二层为空板，第三层上为功率分配器和巴伦；其中：
所述支撑板为天线线路提供支撑，通过螺丝将天线线路固定到支撑板的框架上，做成一个子阵模块，多个这样的子阵列模块并列放置，即组成一个两维的天线大阵；
所述反射板为金属地板，用于反射电磁波，反射板通过螺丝与支撑板框架固定在一起；
所述馈电接头为同轴馈电端口，馈电接头直接固定在支撑板上，同轴接头与固定在支撑板上的天线线路连接在一起；
所述功率分配器为一阶威尔金森功率分配器，与同轴接头和功率分配器的输入端相连，功率分配器的输出端与巴伦的输入端相连；
所述馈电巴伦一端直接与威尔金森功率分配器相连，另一端通过耦合的方式给辐射电流片馈电；
所述功率分配器和馈电巴伦均为带状线结构，其两侧的地板用导电通孔电连接，形成封闭的腔体结构；
所述辐射电流片本质为一偶极子天线，其与相邻的偶极子之间通过强耦合的方式引入一等效电容，用于抵消由反射板引入的电感，工作在很宽的带宽上；
所述频率选择表面为一排置于电流片上方的长方形金属条，该金属条等效为一阻抗变换器，作用与传统的匹配介质板相同，另外频率选择表面与天线线路加工成一体。
2.根据权利要求1所述的宽带宽角低剖面的紧耦合天线阵，其特征在于，所述馈电接头通过焊接的方式与通过切除上层介质板而裸露出来的带状线相连，此时带状线就是微带线。
3.根据权利要求1所述的宽带宽角低剖面的紧耦合天线阵，其特征在于，所述功率分配器为一阶的威尔金森功率分配器，加在两个输出端口之间的隔离电阻的焊盘通过电镀通孔的方式引到第一层，即由功率分配器线路所在的下层介质板上表面的线路结构层（3）引到上层介质板上表面的线路结构层（1）上。
4.根据权利要求1所述的宽带宽角低剖面的紧耦合天线阵，其特征在于，所述反射板与支撑板分开加工，最后通过螺丝一块固定到支撑框架上。
5.根据权利要求1所述的宽带宽角低剖面的紧耦合天线阵，其特征在于，所述辐射电流片采用对称的结构，即第一层与第四层上的电流片结构完全一样，在与巴伦的耦合端口形成一并联的结构，位于第一层和第四层的对称电流片之间通过导电通孔电连接，同样相邻的电流片之间采用直接连接的方式增加耦合。
6.根据权利要求1所述的宽带宽角低剖面的紧耦合天线阵，其特征在于，第一层和第四层的铜箔通过导电通孔连接在一块，为功率分配器和巴伦提供一个封闭的环境。
7.根据权利要求1所述的宽带宽角低剖面的紧耦合天线阵，其特征在于，辐射单元与自由空间的阻抗变换器采用频率选择表面的结构，频率选择表面的尺寸比最高频的四分之一波长略小。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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