CN109216940B - 超宽带紧耦合阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种新型超宽带紧耦合阵列，包括第一匹配层、第二匹配层、天线阵列板、频率选择表面板和馈电巴伦阵列，天线阵列板位于频率选择表面板的正上方；所述天线阵列板包括多个偶极子辐射周期单元，每个偶极子辐射周期单元包括偶极子臂、耦合金属贴片和天线介质板；所述频率选择表面板包括多个频率选择表面单元，所述偶极子臂由两个第一金属贴片组成，所述耦合金属贴片包括两个第二金属贴片，所述每个频率选择表面单元由两个四折圆环贴片、六角星缝隙贴片和两层频率选择表面介质板组成。本发明采用频率选择表面消除短路点，在1.14GHz～11.2GHz频段满足驻波比小于3，阵列带宽可提升到9.8个倍频，可用于通信和卫星追踪雷达系统。

Description

超宽带紧耦合阵列天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种超宽带紧耦合阵列天线，可用于通信和卫星追踪雷达系统。
背景技术
随着现代化无线通信系统的日益发展，图像、音频，视频等大量信息的传输使通讯信息量日益增大，现代社会全面进入了信息时代。这对天线的带宽，增益，定向性等各个方面的性能提出了进一步的要求，从而单独采用单个独立的天线无法满足高增益等方面的需求。天线阵列因为具有高增益、相位扫描、方向图赋形等优势，因此得到广泛的应用。
近年来，为了满足阵列天线带宽的需求，超宽带天线阵得到了长足的发展，并提出并设计了各式各样特点不同的超宽带天线阵。但随着研究的不断深入，阵列间的耦合给阵列天线的辐射性能带来不好的影响。由于天线阵列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辐射性能。传统的超宽带天线阵为了保持阵列的辐射性能，往往采用一些方法抑制单元间的耦合，例如在单元间加入金属隔板，或者加入吸波材料等等。除了物理上的隔离外，也有选择补偿的方式来抑制耦合，即在馈电前将信号乘以一个逆耦合因子，以消除互耦的影响。但是这些方法往往会带来一定负面影响，例如增益下降，方向图畸变，增加设计难度等等。
除了耦合问题外，超宽带天线阵的体积问题存在缺陷，传统Vivaldi天线阵、脊型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；而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。
例如2016年，江方兵，王小阳等人在其发表的一篇名称为《一种应用于5G通信系统的紧耦合阵列天线》的专利(申请号：CN201610327943.4，公开号：CN106099359A)，该专利包括交指型偶极子天线阵列板、栅格形阻性频率选择表面板以及接地板，提出了一个相对带宽可达到149.1％，在2.8～19.2GHz频段满足有源驻波比Active VSWR<3的天线，可广泛应用于5G天线设计领域。通过栅格形阻性频率选择表面对辐射零点电磁波的吸收，解决了天线带宽不够宽的问题，但是天线结构较为复杂，不利于加工。
例如2017年，张帅，刘爽等人发表了一篇名为《超宽带阵列天线》的专利(申请号：CN201710483872.1，公开号：CN107275775A)，该专利包括偶极子天线阵列板、电阻型频率选择表面板、接地板和馈电巴伦，天线阵列板由多个偶极子辐射周期单元组成，并利用单元间的紧耦合，在0.63GHz～4.6GHz频段满足反射系数小于等于6dB，阵列带宽可提升到7.3个倍频，适用于OPEN雷达和穿墙成像雷达。但是该阵列天线带宽不是很宽，并且结构比较复杂。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术上的不足，提出一种超宽带紧耦合阵列天线，利用频率选择表面代替金属地板，克服带宽内的辐射零点，有效拓展了阵列天线的带宽。
为了实现上述目的，一种超宽带紧耦合阵列天线，包括第一匹配层、第二匹配层、天线阵列板、频率选择表面板和馈电巴伦阵列，所述第一匹配层、第二匹配层和天线阵列板均位于频率选择表面板的正上方；所述天线阵列板包括多个偶极子辐射周期单元，每个偶极子辐射周期单元包括偶极子臂、耦合金属贴片和天线介质板；所述频率选择表面板包括多个频率选择表面单元，所述偶极子臂由两个第一金属贴片组成，所述耦合金属贴片包括两个第二金属贴片，其特征在于：
所述每个频率选择表面单元由两个四折圆环贴片、六角星缝隙贴片和两层频率选择表面介质板组成；
所述四折圆环贴片、六角星缝隙贴片和频率选择表面介质板，三者的中心相互重合；
所述偶极子臂和耦合金属贴片，关于天线介质板的中心对称分布；
所述第一金属贴片是由等腰三角形和三条直线边拼接而成的多边形，该等腰三角形的两腰长度相等，其中，与三角形两腰相对的两条直线边平行相等，该两条直线边的两端分别与第三条直线边相接，另一端与三角形两腰相连，且构成一个封闭空间；
所述第二金属贴片为矩形金属贴片，该第二金属贴片的长边与第一金属贴片的第三条直线边等长；
所述两个四折圆环贴片各印制在上层频率选择表面介质板的上表面和下层频率选择表面介质板的下表面，所述六角星缝隙贴片印制在上层频率选择表面介质板413的下表面，其中，四折圆环贴片由两个包含四个均匀分布的近似扇形缺口的同心圆相切组合而成；
所述六角星缝隙贴片是由正方形切取六角星环带而得到，其中，六角星环带是由两个带有六个均匀分布的扇形缺口的同心圆相切组成；
所述四折圆环贴片的内外同心圆半径分别为Rs1和Rs2，Rs1＝4.5mm，Rs2＝6mm，所述四折圆环贴片的中心与内外同心圆的近似扇形缺口两条直线边的交点的距离分别为ls1和ls2，ls1＝3mm，ls2＝4.5mm，近似扇形缺口的圆心角为alpha，alpha＝50°；
所述六角星缝隙贴片的中心与六角星环带的内外侧顶点的距离分别为Rx1和Rx2，其中，Rx1＝4.5mm，Rx2＝5mm，所述六角星缝隙贴片的中心与六角星环带内外侧相邻两顶点之间凹角顶点的距离分别为lx1和lx2，其中，lx1＝2mm，lx2＝3.5mm，所述六角星缝隙贴片的中心与六角星环带相邻两顶点连线的夹角为beta，beta＝60°；
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1.本发明由于采用的每个频率选择表面单元是由两个四折圆环贴片、六角星缝隙贴片和两层频率选择表面介质板组成，该两个圆环贴片和六角星缝隙贴片组合成三层结构，拓展了频率选择表面单元的工作带宽，在偶极子辐射周期单元辐射零点处消除了短路点，克服了现有技术中带宽不足的技术问题，拓展了天线阵列的带宽。
2.本发明由于采用天线阵列板和频率选择表面板的技术方案，该频率选择表面板包括多个频率选择表面单元，代替了现有技术中的电阻型频率选择表面板和接地板，克服了现有技术中结构复杂的技术问题，使得天线阵列结构简单。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是本发明阵列单元结构示意图；
图3是本发明偶极子臂和耦合贴片的结构示意图；
图4是本发明四折圆环贴片的结构示意图；
图5是本发明六角星缝隙贴片的结构示意图；
图6是本发明馈电巴伦结构示意图；
图7是本发明阵列天线在1.14GHz～11.2GHz的驻波比曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述：
参照附图1、图2、图3、图4和图5
一种超宽带紧耦合阵列天线，包括第一匹配层1、第二匹配层2、天线阵列板3、频率选择表面板4和馈电巴伦阵列5，所述第一匹配层1、第二匹配层2和天线阵列板3均位于频率选择表面板4的正上方；所述天线阵列板3包括多个偶极子辐射周期单元31，每个偶极子辐射周期单元31包括偶极子臂311、耦合金属贴片312和天线介质板313；所述频率选择表面板4包括多个频率选择表面单元41，所述偶极子臂311由两个第一金属贴片3111组成，所述耦合金属贴片312包括两个第二金属贴片3121；
所述每个频率选择表面单元41由两个四折圆环贴片411、六角星缝隙贴片412和两层频率选择表面介质板413组成；
所述四折圆环贴片411、六角星缝隙贴片412和频率选择表面介质板413，三者的中心相互重合；
该两个四折圆环贴片411、六角星缝隙贴片412和两层频率选择表面介质板413，组合成三层结构，使频率选择表面单元41在偶极子辐射周期单元31辐射零点左右频带内实现透波特性，有效地消除了由金属地板反射造成的增益下陷，消除了短路点，有效展宽天线带宽；
所述偶极子臂311和耦合金属贴片312，关于天线介质板313的中心对称分布；
所述第一金属贴片3111是由等腰三角形和三条直线边拼接而成的多边形，该等腰三角形的两腰长度相等，其中，与三角形两腰相对的两条直线边平行相等，该两条直线边的两端分别与第三条直线边相接，另一端与三角形两腰相连，且构成一个封闭空间。该等腰三角形腰长为
Figure BDA0001769375760000041
两条直角边长度均为0.5mm，第三条直线边边长为14mm；
所述第二金属贴片3121为矩形金属贴片，该第二金属贴片3121的长边与第一金属贴片3111的第三条直线边等长；
所述两个四折圆环贴片411各印制在上层频率选择表面介质板413的上表面和下层频率选择表面介质板413的下表面，所述六角星缝隙贴片412印制在上层频率选择表面介质板413的下表面，其中，四折圆环贴片411由两个包含四个均匀分布的近似扇形缺口的同心圆相切组合而成；
所述六角星缝隙贴片412是由正方形切取六角星环带而得到，其中，六角星环带是由两个带有六个均匀分布的扇形缺口的同心圆相切组成；
所述四折圆环贴片411的内外同心圆半径分别为Rs1和Rs2，其中，3mm≤Rs1≤5mm，5mm≤Rs2≤7mm，本实施例中取Rs1＝4.5mm，Rs2＝6mm，所述四折圆环贴片411的中心与内外同心圆的近似扇形缺口两条直线边的交点的距离分别为ls1和ls2，其中，2mm≤ls1≤4mm，3mm≤ls2≤5mm，本实施例中取ls1＝3mm，ls2＝4.5mm，近似扇形缺口的圆心角为alpha，其中，30°≤alpha≤70°，本实施例中取alpha＝50°；
所述六角星缝隙贴片412的中心与六角星环带的内外侧顶点的距离分别为Rx1和Rx2，其中，3mm≤Rx1≤4mm，4mm≤Rx2≤6mm，本实施例中取Rx1＝3.5mm，Rx2＝5mm，所述六角星缝隙贴片412的中心与六角星环带内外侧相邻两顶点之间凹角顶点的距离分别为lx1和lx2，其中，1.5mm≤lx1≤2.5mm，3mm≤ls2≤4mm，本实施例中取lx1＝2mm，lx2＝3.5mm，所述六角星缝隙贴片412的中心与六角星环带相邻两顶点连线的夹角为beta，其中，50°≤beta≤80°，本实施例中取beta＝60°；
参照图7以下结合附图对本发明作进一步描述：
仿真条件
利用商业仿真软件HFSS_15.0对本发明阵列天线的驻波比在1.14GHz至11.2GHz范围内进行仿真计算；
仿真结果分析：
利用HFSS软件对本发明实施例阵列天线进行仿真，图7中纵坐标表示天线阵列的驻波比VSWR，横坐标表示频率，单位为GHz，由图7可知天线阵列在工作频段内驻波比均小于3，最低点出现在3.6GHz和10.4GHz处，最终天线的工作频带覆盖1.14GHz至11.2GHz的频率范围，可达9.8个倍频。

Claims (7)

1.一种超宽带紧耦合阵列天线，包括第一匹配层(1)、第二匹配层(2)、天线阵列板(3)、频率选择表面板(4)和馈电巴伦阵列(5)，所述第一匹配层(1)、第二匹配层(2)和天线阵列板(3)均位于频率选择表面板(4)的正上方；所述天线阵列板(3)包括多个偶极子辐射周期单元(31)，每个偶极子辐射周期单元(31)包括偶极子臂(311)、耦合金属贴片(312)和天线介质板(313)；所述频率选择表面板(4)包括多个频率选择表面单元(41)，所述偶极子臂(311)由两个第一金属贴片(3111)组成，所述耦合金属贴片(312)包括两个第二金属贴片(3121)，其特征在于：
所述每个频率选择表面单元(41)由两个四折圆环贴片(411)、六角星缝隙贴片(412)和两层频率选择表面介质板(413)组成；
所述四折圆环贴片(411)、六角星缝隙贴片(412)和频率选择表面介质板(413)，三者的中心相互重合；
所述两个四折圆环贴片(411)各印制在上层频率选择表面介质板(413)的上表面和下层频率选择表面介质板(413)的下表面，所述六角星缝隙贴片(412)印制在上层频率选择表面介质板(413)的下表面，其中，四折圆环贴片(411)由两个包含四个均匀分布的近似扇形缺口的同心圆相切组合而成。
2.根据权利要求1所述的超宽带紧耦合阵列天线，其特征在于，所述偶极子臂(311)和耦合金属贴片(312)，关于天线介质板(313)的中心对称分布。
3.根据权利要求1所述的超宽带紧耦合阵列天线，其特征在于，所述第一金属贴片(3111)是由等腰三角形和三条直线边拼接而成的多边形，该等腰三角形的两腰长度相等，其中，与三角形两腰相对的两条直线边平行相等，该两条直线边的两端分别与第三条直线边相接，另一端与三角形两腰相连，且构成一个封闭空间。
4.根据权利要求1所述的超宽带紧耦合阵列天线，其特征在于，所述第二金属贴片(3121)为矩形金属贴片，该第二金属贴片(3121)的长边与第一金属贴片(3111)的第三条直线边等长。
5.根据权利要求1所述的超宽带紧耦合阵列天线，其特征在于，所述六角星缝隙贴片(412)是由正方形切取六角星环带而得到，其中，六角星环带是由两个带有六个均匀分布的扇形缺口的同心圆相切组成。
6.根据权利要求1所述的超宽带紧耦合阵列天线，其特征在于，所述四折圆环贴片(411)的内外同心圆半径分别为Rs1和Rs2，Rs1＝4.5mm，Rs2＝6mm，所述四折圆环贴片(411)的中心与内外同心圆的近似扇形缺口两条直线边的交点的距离分别为ls1和ls2，ls1＝3mm，ls2＝4.5mm，近似扇形缺口的圆心角为alpha，alpha＝50°。
7.根据权利要求1所述的超宽带紧耦合阵列天线，其特征在于，所述六角星缝隙贴片(412)的中心与六角星环带的内外侧顶点的距离分别为Rx1和Rx2，其中，Rx1＝4.5mm，Rx2＝5mm，所述六角星缝隙贴片(412)的中心与六角星环带内外侧相邻两顶点之间凹角顶点的距离分别为lx1和lx2，其中，lx1＝2mm，lx2＝3.5mm，所述六角星缝隙贴片(412)的中心与六角星环带相邻两顶点连线的夹角为beta，beta＝60°。
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