CN109687122A - 一种宽带低副瓣阵列天线 - Google Patents

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陶晶
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Abstract

本发明公开了一种宽带低副瓣阵列天线，其包括四分之一波长阻抗变换线，以及与四分之一波长阻抗变换线相连接的若干线阵排列的宽带微带天线，每个宽带微带天线均包括从下至上依次设置的接地板、第一介质基板、下层馈电贴片、第二介质基板和上层馈电贴片，下层馈电贴片为带状线馈电贴片或场耦合馈电贴片；上层馈电贴片为寄生感应馈电贴片。本发明采用了多贴片谐振方法展宽微带贴片天线的频带，利用多贴片耦合的方式，使每层馈电贴片的谐振中心频率各不相同、而各谐振带宽又相互交叉，使整个天线的总体带宽展宽。主馈线可以采用Dolph‑Chebyshev等算法进行分布设计，降低了主馈线的辐射泄漏，并提升了阵列的可维护性及可拓展性。

Description

一种宽带低副瓣阵列天线
技术领域
本发明涉及天线领域，具体涉及一种宽带低副瓣阵列天线。
背景技术
微带天线具有低剖面、重量轻、易共形等优点，且易与有源器件、电路集成，适合规模化生产，可以有效地降低系统成本。因此，在雷达、电子对抗、卫星通信等领域，微带天线得到了广泛地应用。然而，普通微带天线主要缺点是工作频带较窄，这在一定程度上又限制了其应用。
现有的低副瓣微带阵列天线采用口径幅度加权设计过程中，在保证阵列天线增益的基础上，通过设计微带不等幅馈电网路来满足阵面幅度分布以实现阵列低副瓣特性。为了实现低副瓣特性，通常采用矩形阵列形式进行面阵综合。即矩形阵列天线的方向图综合可视为沿方位与俯仰两个方向的线阵方向图综合，其电流分布可以通过Taylor或Dolph-Chebyshev线源的离散化得到。这种矩形面阵方向图综合，相较线阵方向图综合，缺失了规模上的灵活性，当阵列设计完成后，无法在任意一个维度上进行拓展，这无疑制约了面阵综合的应用。
现有的线阵综合阵列天线，通常采用射频网络与天线共面的设计方法，射频连接器安装在印制板的侧面，这种设计方法的好处是简化了设计过程，但它的缺点是增加了组阵间距、恶化了网络之间的互耦以及射频连接器的放置使得线阵拓展为面阵变为不可能。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种宽带低副瓣阵列天线解决了现有低副瓣阵列天线在可扩展性低的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种宽带低副瓣阵列天线，其包括四分之一波长阻抗变换线，以及与四分之一波长阻抗变换线相连接的若干线阵排列的宽带微带天线，每个宽带微带天线均包括从下至上依次设置的接地板、第一介质基板、下层馈电贴片、第二介质基板和上层馈电贴片，下层馈电贴片为带状线馈电贴片或场耦合馈电贴片；上层馈电贴片为寄生感应馈电贴片。
进一步地，还包括与四分之一波长阻抗变换线相连接的主馈线，主馈线的馈电点位于其中点位置，主馈线的两侧均设置有并联结构，每个末级并联结构与下层馈电贴片进行连接或通过槽缝与下层馈电贴片进行场耦合。
进一步地，上层馈电贴片和下层馈电贴片均设置为圆形。
进一步地，上层馈电贴片和下层馈电贴片均设置为方形，上层馈电贴片和下层馈电贴片的棱角处设置有切角。
本发明的有益效果为：
1、本发明采用了多贴片谐振方法展宽微带贴片天线的频带，利用多贴片耦合的方式，使每层馈电贴片的谐振中心频率各不相同、而各谐振带宽又相互交叉，使整个天线的总体带宽展宽。
2、下层馈电贴片采用带状线或场耦合的馈电方式，上层采用寄生感应馈电的馈电方式。通过调节耦合贴片与馈电贴片的各尺寸和之间的耦合间距可以达到扩宽带宽的效果。
3、本发明采用非共面馈电网络，使辐射阵面与馈电网络在不同的介质层上，消除了不希望的馈电网络辐射并且使得线阵拓展为面阵成为了可能，降低了主馈线的辐射泄漏，并提升了阵列的可维护性及可拓展性。主馈线采用 Dolph-Chebyshev等算法进行分布设计，降低了阵列的副瓣电平。
4、主馈线可以采用不等比功率分配器与四分之一波长阻抗变换器相结合的方式从而实现天线各阵元间的不等幅馈电。
5、切角或圆形可以实现非线极化辐射。
附图说明
图1为本发明带宽微带天线的层叠示意图；
图2为四分之一波长阻抗变换线示意图；
图3为主馈线的馈电网络示意图。
其中：1、接地板；2、第一介质基板；3、下层馈电贴片；4、第二介质基板；5、上层馈电贴片。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1和图2所示，该宽带低副瓣阵列天线包括四分之一波长阻抗变换线，以及与四分之一波长阻抗变换线相连接的若干线阵排列的宽带微带天线，每个宽带微带天线均包括从下至上依次设置的接地板1、第一介质基板2、下层馈电贴片3、第二介质基板4和上层馈电贴片5，下层馈电贴片3为带状线馈电贴片或场耦合馈电贴片；上层馈电贴片5为寄生感应馈电贴片。
还包括与四分之一波长阻抗变换线相连接的主馈线，如图3所示，主馈线的馈电点位于其中点位置，主馈线的两侧均设置有并联结构，每个末级并联结构与下层馈电贴片进行连接或通过槽缝与下层馈电贴片进行场耦合。
上层馈电贴片5和下层馈电贴片3均设置为圆形。
上层馈电贴片5和下层馈电贴片3均设置为方形，上层馈电贴片5和下层馈电贴片3的棱角处设置有切角。
在本发明的一个实施例中，为了使天线具备更好的可拓展与可维护性，采用了线阵而非面阵作为天线阵列的设计对象。通常线阵的馈电网络与辐射单元共面，这样做的好处是结构简单，但由于馈电网络在不连续处也要辐射一些能量，通常会给方向图(特别是低副瓣)造成不利的影响，并且这样增大了线阵之间的阵元距离，使阵列的方向图会出现栅瓣等问题。
阵列天线的主馈线(馈电网络)中需要将功率输送到各个天线阵元去，这就要使用多级功率分配器及阻抗变换器。馈电网络采用与功率分配器与四分之一波长阻抗变换器相结合的方式从而实现天线各阵元间的不等幅馈电。
功率分配器简称功分器，在用于功率分配时，一路输入信号被分成两路或者多路较小的功率输出信号，且需要满足以下两个条件：
(1)输出功率按照一定的比例分配到各个输出端；
(2)输入输出端口阻抗匹配，且各个输出端口相互隔离。
阻抗变换器最基本的形式就是基于四分之一波长传输线的输入阻抗变化特点来实现的(见图2)。传输线上的任一点的输入阻抗为：
其中，Z0、Z1、Z2分别为三段传输线的特性阻抗Zin，为输入阻抗；β为相移系数，它代表传输线单位长度上波的相位变化量；l为Z1部分传输线的长度，j 为虚数符号。当阵元数充分大时，天线的副瓣电平一般维持在-13dB左右。为了实现较低的副瓣，有必要采用低副瓣天线幅度加权技术。可以采用的加权方式为：二项式分布、Taylor、Dolph-Chebyshev分布。以Dolph-Chebyshev分布为例，这种分布将阵因子写成Dolph-Chebyshev级数的形式，将线阵根据阵元间距与半波长相比分为两类情况进行研究。利用Dolph-Chebyshev系数来对阵列方向图进行赋形，通过Fourier变换推导得出线阵单元的激励强度。这种方法综合考虑的天线副瓣电平和半功率波束宽度，得出了最优的分布方法，同时天线的副瓣水平为一个固定值，这也是Chebyshev分布的重要特点。
综上所述，本发明采用了宽带天线单元，利用采用了多贴片谐振方法拓宽了天线单元的工作带宽，从而提升了阵列天线在传输速率、信道容量、制造成本、发射功耗等方面的表现。采用了非共面的非等幅馈电网络进行线阵设计，馈电网络采用Dolph-Chebyshev等算法进行分布设计，降低了馈电网络的辐射泄漏，并提升了阵列的可维护性及可拓展性。

Claims (4)

1.一种宽带低副瓣阵列天线，其特征在于：包括四分之一波长阻抗变换线，以及与所述四分之一波长阻抗变换线相连接的若干线阵排列的宽带微带天线，每个所述宽带微带天线均包括从下至上依次设置的接地板、第一介质基板、下层馈电贴片、第二介质基板和上层馈电贴片，所述下层馈电贴片为带状线馈电贴片或场耦合馈电贴片；所述上层馈电贴片为寄生感应馈电贴片。
2.根据权利要求1所述的宽带低副瓣阵列天线，其特征在于：还包括与所述四分之一波长阻抗变换线相连接的主馈线，所述主馈线的馈电点位于其中点位置，所述主馈线的两侧均设置有并联结构，每个末级并联结构与下层馈电贴片进行连接或通过槽缝与下层馈电贴片进行场耦合。
3.根据权利要求1所述的宽带低副瓣阵列天线，其特征在于：所述上层馈电贴片和下层馈电贴片均设置为圆形。
4.根据权利要求1所述的宽带低副瓣阵列天线，其特征在于：所述上层馈电贴片和下层馈电贴片均设置为方形，所述上层馈电贴片和下层馈电贴片的棱角处设置有切角。
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