CN109346837A - 一种基于磁电偶极子天线的超宽带大角度扫描相控阵 - Google Patents

一种基于磁电偶极子天线的超宽带大角度扫描相控阵 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于磁电偶极子天线的超宽带大角度扫描相控阵，属于微波天线技术领域。本发明所述阵列以磁电偶极子天线为单元成M×N二维排布，单元天线由下至上依次包括SMA馈电接头、第一层板、第二层板、空气层和第三介质基片。本发明利用介质集成基片形成磁偶极子，从而使磁电偶极子易于加工，同时实现了仅为0.196λ的剖面高度；本发明所述的超宽带紧耦合相控阵能实现超宽带大角度扫描性能，为紧耦合相控阵的发展提供新的思路和参考，极具价值。

Description

一种基于磁电偶极子天线的超宽带大角度扫描相控阵
技术领域
本发明属于微波天线技术领域，具体涉及一种基于磁电偶极子天线的超宽带大角度扫描相控阵。
背景技术
紧耦合相控阵(Tightly Coupled Phased Array-TCPA)理论是在2003年由Munk通过对频率选择表面的研究而提出的。与传统相控阵理论中要尽量减小单元之间的互耦不同，Munk的理论是利用单元之间的互耦，模拟无限大电流面，实现宽带、大角度扫描的效果。
磁电偶极子天线(magneto-electric(ME)dipole antennas)是由Luk K.-M.等人在2006年“A new wideband unidirectional antenna element”中首次提出的，通过二分之一波长的水平电偶极子和四分之一波长的垂直金属板与地板相连接，从而形成磁电偶极子天线。电偶极子与等效的磁偶极子的相互作用能够实现超宽带的性能。与一般的超宽带天线相比，磁电偶极子天线具有高增益、低交叉极化和稳定的辐射特性等优点，但是传统的磁电偶极子天线加工困难且剖面高。为了降低磁电偶极子天线的剖面，Wong等人在文章“Substrate Integrated Magneto-Electric Dipole Antenna for 5G Wi-Fi”中将介质集成基片技术应用于磁电偶极子天线，从而显著降低了剖面。
文章“Wideband Planar with Integrated feed and Matching Network forWide-Angle Scanning”公开了一种应用于超宽带大角度扫描的紧耦合阵列，通过设计一种宽带巴伦结构和非对称的杯球耦合型电偶极子，从而实现一个1.6:1的超宽带的大角度扫描特性，在电压驻波比(VSWR)小于等于2的工作频带范围内，其E面扫描角度为70°，H面扫描角度为60°。但由于该天线结构需要设计宽带的馈电巴伦结构，从而使得天线阵列的整体结构变得复杂，且剖面高度较高，为0.326λ(λ为8GHz对应的自由空间工作波长)。
文章“Ultra-wideband Array With 70°Scanning Using FSS Superstrate”公开了一种基于集成巴伦馈电结构的超宽带紧耦合相控阵，通过加载具有周期结构的频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)实现一个6.1:1的超宽带大角度扫描性能，在电压驻波比小于等于3.2的工作范围内，其E面扫描角度为75°，H面扫描角度为60°。但该天线阵列的馈电结构复杂，需要设计折合的馈电巴伦结构，同时该天线阵列由多层复杂的结构组成，使得加工困难，剖面高，其为1.2λ(λ为0.5GHz对应的自由空间工作波长)。
文章“2-D Scanning Magneto-Electric Dipole Antenna Array Fed by RGWButler Matrix”公开了利用巴特勒矩阵的馈电结构，基于磁电偶极子设计的一种应用于二维角度扫描的阵列天线。通过设计馈电结构的各个馈电点的相位差，能够实现阵列天线在E面和H面35°的角度扫描，但该天线阵列的单元间距超过了半个波长，不利于实现低旁瓣的扫描特性。同时，该阵列天线只能实现较小的角度扫描性能。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺陷，降低天线阵列的剖面高度，增大阵列的扫描角度，提供一种基于磁电偶极子天线的超宽带大角度扫描相控阵。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：
一种基于磁电偶极子天线的超宽带大角度扫描相控阵，以磁电偶极子天线为单元天线，呈M×N二维排布，M和N为正整数；
磁电偶极子天线，由下至上依次包括SMA馈电接头47、第一层板、第二层板、空气层50和第三介质基片51；
第一层板包括第一介质基片48、三个矩形金属条带42、43、44和金属地板46；三个矩形金属条带42、43、44位于第一介质基片48的上表面，金属地板46位于第一介质基片48的下表面；第一矩形金属条带42位于第二矩形金属条带43与第三矩形金属条带44的两侧；
第二层板包括第二介质基片49、两个弧形辐射贴片4、5、两个T型枝节6、7、四个L型枝节和馈电结构1；两个弧形辐射贴片4、5、两个T型枝节6、7、四个L型枝节和馈电结构1位于第二介质基片49的上表面，馈电结构1位于第一弧形辐射贴片4和第二弧形辐射贴片5的两侧；两个T型枝节分别与两个弧形辐射贴片的外侧边缘连接；四个L型枝节位于第二介质基片49上表面的四角；
五个等间距排列的金属短路柱32、33、34、35、36穿过第一介质基片48、第二矩形金属条带43、第二介质基片49，分别与第一弧形辐射贴片4和金属地板46连接；五个等间距排列的金属短路柱37、38、39、40、41穿过第一介质基片48、第三矩形金属条带44、第二介质基片49，分别与第二弧形辐射贴片5和金属地板46连接；每个L型枝节上有五个金属孔12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31，金属孔穿过第一介质基片48、第二介质基片49与金属地板46连接；第一矩形金属条带42通过金属柱3与馈电结构1连接；
SMA馈电接头47的外导体与金属地板46连接，内导体穿过第一介质基片48和第二介质基片49的孔2与馈电结构1连接，金属地板46的孔2四周有一圆环槽45。
一般而言，对于大角度扫描相控阵，当其角度扫描到大角度时，阵列单元间的耦合效应会严重影响天线单元的匹配性能，从而产生扫描忙点。而对于紧耦合的宽带大角度扫描相控阵，当角度扫描到大角度时，阵列间的表面波增强，耦合效应也会使得阵列的工作带宽变窄，同时使得阵列出现扫描盲点，因此，为了解决紧耦合相控阵在角度扫描过程中阻抗不匹配的难题，本发明通过加载宽角匹配层(第三介质基片51)，使得阵列角度扫描到±75°时，仍然能保持良好的匹配性能。
通过在弧形辐射贴片上开不同形状的槽，进而增大电流路径，可以减小天线的尺寸或者改变天线的工作频率。
通过改变磁电偶极子天线的辐射贴片形状，或者改变金属孔的数量、大小和位置，阵列也能实现宽带大角度扫描性能。
通过改变介质基板的厚度和馈电结构，可以调节天线的工作频率和辐射性能，从而能改变阵列结构的剖面，同时也可以实现阵列结构的宽带大角度扫描特性。
本发明的有益效果是：
相较于现有技术的超宽带紧耦合相控阵，本发明创造性的提出一种磁电偶极子天线及超宽带紧耦合相控阵。本发明巧妙地利用介质集成基片形成磁偶极子，从而使磁电偶极子易于加工，同时实现一个仅为0.196λ的剖面高度(λ为2.5GHz对应的自由空间工作波长)。本发明所述的超宽带紧耦合相控阵在E面能实现1.45:1的超宽带大角度扫描性能，当扫描角度为±75°时，驻波比小于等于2，当角度扫描到±80°时，驻波比小于等于2.5；在H面能够实现1.42:1的超宽带大角度扫描性能，当角度扫描到±80°时，驻波比小于等于2.5。本发明为紧耦合相控阵的发展提供新的思路和参考，极具价值。
附图说明
图1为本发明所述天线的第二层板的结构示意图，(a)俯视图；(b)背视图，(c)侧视图；
图2为本发明所述天线的第一层板的结构示意图，(a)俯视图；(b)背视图，(c)侧视图；
图3为本发明所述天线的第三介质基片的结构示意图，(a)俯视图；(b)侧视图；
图4为本发明所述磁电偶极子天线的整体的侧视示意图；
图5为本发明所述相控阵的俯视示意图；
图6为本发明所述相控阵的E面扫描角度变化的反射系数；
图7为本发明所述相控阵的E面角度变化的驻波比；
图8为本发明所述相控阵的Frequency＝3.5GHz的E面的负半平面的波束扫描；
图9为本发明所述相控阵的Frequency＝3.5GHz的H面的负半平面的波束扫描；
图10为本发明所述相控阵的Frequency＝3.0GHz的E面的负半平面的波束扫描；
图11为本发明所述相控阵的Frequency＝3.0GHz的H面的负半平面的波束扫描；
图12为本发明所述相控阵的Frequency＝2.7GHz的E面的负半平面的波束扫描；
图13为本发明所述相控阵的Frequency＝2.7GHz的H面的负半平面的波束扫描。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
本实施例提供一种基于磁电偶极子天线的超宽带大角度扫描相控阵，其俯视图如图5所示，以磁电偶极子天线为单元天线，呈M×N二维排布，M＝N＝7；
磁电偶极子天线，其整体的侧视示意图如图4所示，由下至上依次包括SMA馈电接头47、第一层板、第二层板、空气层50和第三介质基片51，第三介质基片的结构示意图如图3所示；
第一层板的结构示意图如图2所示，包括第一介质基片48、三个矩形金属条带42、43、44和金属地板46；三个矩形金属条带42、43、44位于第一介质基片48的上表面，金属地板46位于第一介质基片48的下表面；第一矩形金属条带42位于第二矩形金属条带43与第三矩形金属条带44的两侧；
第二层板的结构示意图如图1所示，包括第二介质基片49、两个弧形辐射贴片4、5、两个T型枝节6、7、四个L型枝节和馈电结构1；两个弧形辐射贴片4、5、两个T型枝节6、7、四个L型枝节和馈电结构1位于第二介质基片49的上表面，馈电结构1位于第一弧形辐射贴片4和第二弧形辐射贴片5的两侧；两个T型枝节分别与两个弧形辐射贴片的外侧边缘连接；四个L型枝节位于第二介质基片49上表面的四角；
五个等间距排列的金属短路柱32、33、34、35、36穿过第一介质基片48、第二矩形金属条带43、第二介质基片49，分别与第一弧形辐射贴片4和金属地板46连接；五个等间距排列的金属短路柱37、38、39、40、41穿过第一介质基片48、第三矩形金属条带44、第二介质基片49，分别与第二弧形辐射贴片5和金属地板46连接；每个L型枝节上有五个金属孔12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31，金属孔穿过第一介质基片48、第二介质基片49与金属地板46连接；第一矩形金属条带42通过金属柱3与馈电结构1连接；
SMA馈电接头47的外导体与金属地板46连接，内导体穿过第一介质基片48和第二介质基片49的孔2与馈电结构1连接，金属地板46的孔2四周有一圆环槽45。
第一层介质板48与第二层介质板49为聚四氟乙烯(F4BM)，相对介电常数为5，损耗正切角为0.001；第一层介质板48的厚度为5.5mm；第二层介质板49的厚度为4mm；覆盖层51为Rogers 5880，相对介电常数为2.2，损耗正切角为0.0009，厚度为10mm；覆盖层51与第二层介质板49之间间隔厚度为4mm的空气层50。
将本实施例提供的磁电偶极子天线应用于紧耦合的阵列单元，用电磁仿真软件CST对阵列天线进行仿真分析。为了模拟无限大的天线阵，利用周期边界条件对天线单元进行仿真得到无限大阵列的反射系数和电压驻波比，如图6、图7所示，当阵列在E面进行角度扫描时，其角度扫描到75°仍能在1.42:1的宽带范围内满足反射系数S11≤-10dB，扫描到80°时，电压驻波比VSWR≤2.5。
为了验证阵列的扫描性能，利用仿真软件CST仿真了一个如图5所示的7×7的阵列结构，在Frequency＝3.5GHz的频点，该天线阵的E面和H面扫描结果分别如图8和图9所示。图8选取了XOZ面的负半平面，图9选取了YOZ面的负半平面，在XOZ平面，阵列的扫描角度达到-80°，增益波动小于等于3.68dB；在YOZ平面，阵列的扫描角度达到-80°时，增益波动小于等于3.98dB。在Frequency＝3.0GHz的频点，该天线阵的E面和H面的扫描结果分别如图10和图11所示，图10选取了XOZ的负半平面，图11选取了YOZ的负半平面，在XOZ平面，阵列的扫描角度达到-80°时，增益波动小于等于3.09dB；在YOZ平面，阵列的扫描角度达到-80°时，增益波动小于等于3.92dB。在Frequency＝2.7GHz的频点，该天线阵的E面和H面的扫描结果分别如图12和图13所示，图12选取了XOZ的负半平面，图13选取了YOZ的负半平面，在XOZ平面，阵列的扫描角度达到-80°时，增益波动小于等于4.09dB；在YOZ平面，阵列的扫描角度达到-80°时，增益波动小于等于2.8dB。
由于阵列单元的结构呈镜像对称，因此在E面和H面的正半平面也能实现与负半平面相同的大角度扫描性能。利用磁电偶极子作为紧耦合相控阵的阵列单元，不论是E面还是H面，阵列在扫描过程中均能保持良好的性能。
上述实施过程仅说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所解释的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种基于磁电偶极子天线的超宽带大角度扫描相控阵，其特征在于，以磁电偶极子天线为单元天线，呈M×N二维排布，其中，M和N为正整数；
磁电偶极子天线，由下至上依次包括SMA馈电接头(47)、第一层板、第二层板、空气层(50)和第三介质基片(51)；
第一层板包括第一介质基片(48)、三个矩形金属条带(42、43、44)和金属地板(46)；三个矩形金属条带(42、43、44)位于第一介质基片(48)的上表面，金属地板(46)位于第一介质基片(48)的下表面；第一矩形金属条带(42)位于第二矩形金属条带(43)与第三矩形金属条带(44)的两侧；
第二层板包括第二介质基片(49)、两个弧形辐射贴片(4、5)、两个T型枝节(6、7)、四个L型枝节和馈电结构(1)；两个弧形辐射贴片(4、5)、两个T型枝节(6、7)、四个L型枝节和馈电结构(1)位于第二介质基片(49)的上表面，馈电结构(1)位于第一弧形辐射贴片(4)和第二弧形辐射贴片(5)的两侧；两个T型枝节分别与两个弧形辐射贴片的外侧边缘连接；四个L型枝节位于第二介质基片(49)上表面的四角；
五个等间距排列的金属短路柱(32、33、34、35、36)穿过第一介质基片(48)、第二矩形金属条带(43)、第二介质基片(49)，分别与第一弧形辐射贴片(4)和金属地板(46)连接；五个等间距排列的金属短路柱(37、38、39、40、41)穿过第一介质基片(48)、第三矩形金属条带(44)、第二介质基片(49)，分别与第二弧形辐射贴片(5)和金属地板(46)连接；每个L型枝节上有五个金属孔，金属孔穿过第一介质基片(48)、第二介质基片(49)与金属地板(46)连接；第一矩形金属条带(42)通过金属柱(3)与馈电结构(1)连接；
SMA馈电接头(47)的外导体与金属地板(46)连接，内导体穿过第一介质基片(48)和第二介质基片(49)的孔(2)与馈电结构(1)连接，金属地板(46)的孔(2)四周有一圆环槽(45)。
2.根据权利要求1所述的基于磁电偶极子天线的超宽带大角度扫描相控阵，其特征在于，第一层介质板(48)与第二层介质板(49)为聚四氟乙烯，相对介电常数为5，损耗正切角为0.001。
3.根据权利要求1所述的基于磁电偶极子天线的超宽带大角度扫描相控阵，其特征在于，第一层介质板(48)的厚度为5.5mm。
4.根据权利要求1所述的基于磁电偶极子天线的超宽带大角度扫描相控阵，其特征在于，第二层介质板(49)的厚度为4mm。
5.根据权利要求1所述的基于磁电偶极子天线的超宽带大角度扫描相控阵，其特征在于，第三介质基片(51)为Rogers 5880，相对介电常数为2.2，损耗正切角为0.0009，厚度为10mm。
6.根据权利要求1所述的基于磁电偶极子天线的超宽带大角度扫描相控阵，其特征在于，空气层(50)的厚度为4mm。
7.根据权利要求2所述的基于磁电偶极子天线的超宽带大角度扫描相控阵，其特征在于，M＝N＝7。
8.根据权利要求1所述的基于磁电偶极子天线的超宽带大角度扫描相控阵，其特征在于，通过改变电偶极子的辐射贴片形状，或者改变金属孔的数量、大小和位置，实现宽带大角度扫描性能。
9.根据权利要求1所述的基于磁电偶极子天线的超宽带大角度扫描相控阵，其特征在于，通过改变介质基板的厚度和馈电结构形状、位置，可以调节天线的工作频率和辐射性能，从而能改变阵列结构的剖面，同时实现阵列结构的宽带大宽角的扫描特性。
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