CN110635250A - 一种vhf波段紧耦合平面偶极子阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种VHF波段紧耦合平面偶极子阵列天线其基本结构包括：上下两层，具有金属层的反射板1以及位于反射板上方的双极化偶极子天线阵列。双极化偶极子天线阵列2由多个双极化偶极子单元组成，双极化偶极子单元由两个十字交叉排列的偶极子组成，分为三种结构，分别为：中间单元，由4个天线臂和金属片组成；边缘单元，由3个边缘天线臂、1个长边缘天线臂和边缘金属片组成；拐角单元，由2个拐角天线臂、2个长拐角天线臂和拐角金属片组成。本发明天线带宽3.5：1，在100~350MHz频段满足有源驻波小于3，天线剖面高度0.1低频波长。本发明解决为了解决VHF波段超宽带相控阵天线在平台对载荷的尺寸、重量严格限制的情况下的应用问题。

Description

一种VHF波段紧耦合平面偶极子阵列天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种VHF波段紧耦合平面偶极子阵列天线。
背景技术
VHF波段，由于波长较长，阵列天线的物理尺寸大，现有技术中，VHF波段阵列天线多用于地面设备，通常为大型固定式或车载型阵列。机载、星载平台对载荷的尺寸、重量有严格的限制，VHF波段超宽带阵列天线设计，不仅需要满足带宽要求，还需要满足系统平台对天线剖面高度和横向尺寸的限制。现有技术中，应用于机载、星载平台的VHF波段超宽带阵列天线很少，主要原因是对数周期天线等作为单元组成的超宽带阵列剖面高度在一倍低频波长以上。Vivaldi阵列天线的剖面高度在0.5低频波长以上。
发明内容
为了解决VHF波段超宽带相控阵天线在平台对载荷的尺寸、重量严格限制的情况下的应用问题，本发明提供一种VHF波段低剖面超宽带紧耦合偶极子阵列天线。
一种VHF波段紧耦合平面偶极子阵列天线包括反射板1和双极化偶极子天线阵列2，双极化偶极子天线阵列2固定设于反射板1上，反射板1 为金属板；
所述双极化偶极子天线阵列2包括一个以上的中间单元21、四个以上的边缘单元22和四个拐角单元23，中间单元21、边缘单元22和拐角单元23均印制在介质板的一侧面上；
所述介质板为矩形板；一个以上的中间单元21均布在介质板中部，四个以上的边缘单元22均布在一个以上的中间单元21的四周，四个拐角单元23分别设于介质板的四角上；
所述中间单元21包括四条中间天线臂211和四块金属片212；四条中间天线臂211呈十字排列形成二对中间偶极子；四块金属片212设于介质板的另一侧面上，分别与四条中间天线臂211的尾端对应，且与尾端部分重合；
所述边缘单元22包括三条边缘天线臂221、一条长边缘天线臂223和三块边缘金属片222；三条边缘天线臂221和长边缘天线臂223呈十字排列形成二对边缘偶极子；三块边缘金属片222设于介质板的另一侧面上，分别与三条边缘天线臂221的尾端对应，且与尾端部分重合；长边缘天线臂223的尾端电连接着反射板1；
所述拐角单元23包括二条拐角天线臂231、二条长拐角天线臂233和二块拐角金属片232；二条拐角天线臂231和二条长拐角天线臂233呈十字排列形成二对拐角偶极子；二块拐角金属片232设于介质板的另一侧面上，分别与二条拐角天线臂231的尾端对应，且与尾端部分重合；二条长拐角天线臂223的尾端分别电连接着反射板1；
相邻中间单元21的相邻金属片212直接电连接；相邻中间单元21的中间天线臂211的尾端之间形成间隙，通过金属片212形成相邻单元间的电容耦合；
中间单元21的金属片212与相邻的边缘单元22的边缘金属片222直接电连接；中间单元21的中间天线臂211的尾端与相邻的边缘单元22的边缘天线臂221的尾端之间形成间隙，通过边缘金属片222形成相邻单元间的电容耦合；
边缘单元22的边缘金属片222与相邻的拐角单元23的拐角金属片232直接电连接；边缘单元22的边缘天线臂221与相邻的拐角单元23的拐角天线臂231的尾端之间形成间隙，通过拐角金属片232形成相邻单元间的电容耦合；
所述VHF波段紧耦合平面偶极子阵列天线的工作带宽为3.5：1，在100～350MHz频段满足有源驻波小于3，天线剖面高度0.1低频波长。
进一步限定的技术方案如下：
所述中间单元21的四条中间天线臂211呈十字形均布在介质板的一侧面上，且两对中间天线臂211分别在偶极子单元中心形成馈电间隙；与四条中间天线臂211对应四块金属片212均布在介质板的另一侧面上，四块金属片212分别位于四条中间天线臂211的尾端，与尾端部分重合。
所述边缘单元22的三条边缘天线臂221和长边缘天线臂223呈十字形均布在介质板的一侧面上，且二条边缘天线臂221在偶极子单元中心形成馈电间隙，一条边缘天线臂221和长边缘天线臂223在偶极子单元中心形成馈电间隙；与三条边缘天线臂221对应三块边缘金属片222均布在介质板的另一侧面上，三块边缘金属片222分别位于三条边缘天线臂221的尾端，与尾端部分重合；长边缘天线臂223为L形天线臂，长边缘天线臂223的尾端沿着介质板的边缘向下延伸电连接着反射板1。
所述拐角单元23的二条拐角天线臂231和二条长拐角天线臂233呈十字形均布在介质板的一侧面上，且拐角天线臂231和长拐角天线臂233在偶极子单元中心形成馈电间隙；二块拐角金属片232均布在介质板的另一侧面上，二块拐角金属片232分别位于二条拐角天线臂231的尾端，与尾端部分重合；二条长拐角天线臂233为L形天线臂，二条长拐角天线臂233的尾端分别沿着介质板的边缘向下延伸电连接着反射板1。
所述长边缘天线臂223的长臂和短臂之间串联边缘电阻224。
所述长拐角天线臂233的长臂和短臂之间串联拐角电阻234。
所述边缘电阻224或拐角电阻234的电阻值为100～200欧姆。
本发明与现有技术相比，具有的有益技术效果体现在以下方面：
1、与传统超宽带单元，如对数周期天线组阵相比，本发明的阵列天线剖面高度低，仅0.1低频波长，满足了VHF波段阵列天线在机载、星载等平台使用的空间尺寸限制要求。
2、由于机载平台的空间限制，以及天线单元间的强互耦，有限电尺寸紧耦合阵列天线的截断效应很强。本发明采用将阵列天线的边缘单元的长边缘天线臂延长、折弯后直接连接反射板和拐角单元的长拐角天线臂延长、折弯后直接连接反射板的结构形式改善阵列天线的截断效应。
3、本发明在阵列天线的在边缘单元的长边缘天线臂上串接电阻、拐角单元的长拐角天线臂上串接电阻，进一步改善阵列天线的截断效应。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为中间单元21的结构示意图；
图3为边缘单元22的结构示意图；
图4为拐角单元23的结构示意图；
图5为中间单元21的主视图；
图6为天线臂223展开的边缘单元22的主视图；
图7为天线臂233展开的拐角单元23的主视图；
图8为天线臂223串接电阻224的边缘单元22的结构示意图；
图9为天线臂233串接电阻234的拐角单元23的结构示意图；
图10为3x3个单元组成的阵列的阵中单元有源驻波曲线；
图11为8x8个单元组成的阵列的结构示意图；
图12为8x8个单元组成的阵列的阵中单元有源驻波曲线和增益曲线图；
图13为边缘单元和拐角单元串接电阻的8x8个单元组成的阵列的结构示意图；
图14为边缘单元和拐角单元串接电阻的8x8个单元组成的阵列的阵中单元有源驻波曲线和增益曲线图。
上图中序号：反射板1、双极化偶极子天线阵列2、中间单元21、边缘单元22、拐角单元23、中间天线臂211、金属片212、边缘天线臂221、边缘金属片222、长边缘天线臂223、拐角天线臂231、拐角金属片232、长拐角天线臂233、边缘电阻224、拐角电阻234。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。
实施例1
本实施例中所述VHF波段紧耦合平面偶极子阵列天线，下边频为100MHz，上边频为350MHz。参见图1， VHF波段紧耦合平面偶极子阵列天线包括反射板1和双极化偶极子天线阵列2，双极化偶极子天线阵列2固定设于反射板1上，反射板1 为金属板。介质板为矩形板；一个中间单元21在介质板中部，四个边缘单元22均布在一个中间单元21的四周，四个拐角单元23分别设于介质板的四角上。
参见图2，中间单元21包括四条中间天线臂211和四块金属片212。参见图5，四条中间天线臂211呈十字形均布在介质板的一侧面上，且两对中间天线臂211分别在偶极子单元中心形成馈电间隙；与四条中间天线臂211对应四块金属片212均布在介质板的另一侧面上，四块金属片212分别位于四条中间天线臂211的尾端，与尾端部分重合。
参见图6，边缘单元22包括三条边缘天线臂221、一条长边缘天线臂223和三块边缘金属片222。三条边缘天线臂221和长边缘天线臂223呈十字形均布在介质板的一侧面上，且二条边缘天线臂221在偶极子单元中心形成馈电间隙，一条边缘天线臂221和长边缘天线臂223在偶极子单元中心形成馈电间隙；与三条边缘天线臂221对应三块边缘金属片222均布在介质板的另一侧面上，三块边缘金属片222分别位于三条边缘天线臂221的尾端，与尾端部分重合。参见图3，长边缘天线臂223为L形天线臂，长边缘天线臂223的尾端沿着介质板的边缘向下延伸电连接着反射板1。
参见图7，拐角单元23包括二条拐角天线臂231、二条长拐角天线臂233和二块拐角金属片232。二条拐角天线臂231和二条长拐角天线臂233呈十字形均布在介质板的一侧面上，且拐角天线臂231和长拐角天线臂233在偶极子单元中心形成馈电间隙；二块拐角金属片232均布在介质板的另一侧面上，二块拐角金属片232分别位于二条拐角天线臂231的尾端，与尾端部分重合；参见图4，二条长拐角天线臂233为L形天线臂，二条长拐角天线臂233的尾端分别沿着介质板的边缘向下延伸电连接着反射板1。
中间天线臂211、边缘天线臂221、拐角天线臂231为结构相同的多边形。长边缘天线臂223、和长拐角天线臂233为结构相同的多边形。
中间单元21的金属片212与相邻的边缘单元22的边缘金属片222直接电连接；中间单元21的中间天线臂211的尾端与相邻的边缘单元22的边缘天线臂221的尾端之间形成间隙，通过边缘金属片222形成相邻单元间的电容耦合；
边缘单元22的边缘金属片222与相邻的拐角单元23的拐角金属片232直接电连接；边缘单元22的边缘天线臂221与相邻的拐角单元23的拐角天线臂231的尾端之间形成间隙，通过拐角金属片232形成相邻单元间的电容耦合。
参见图2，介质板选择双层敷铜板（FR-4），介电常数ɛr=4.4，厚度t=1.6mm，双极化偶极子天线阵列2与反射板1的距离h=300mm。
参见图5，中间天线臂211的结构参数：wa=108mm、wc=22.5mm、La=121.5mm、Lc=55.9mm，单元间距d=294mm；参见图6和图3，长边缘天线臂223的长度Lb=568.5mm，Lb=Lb1+h，其中Lb1=268.5mm，其它结构参数同中间天线臂211。
参见图10，本实施例阵中单元有源驻波随频率变化曲线。由于阵列规模只有3×3，在100~350MHz频率范围内水平/垂直双极化有源驻波小于3.5。
实施例2
参见图11，本实施例在实施例1的基础上进行规模扩展，由8×8双极化偶极子单元组成。中间单元21的数量由实施例1的一个扩展为三十六个，排列成6×6，相应的边缘单元22扩展为二十四个，拐角单元23数量不变，为四个。下边频为100MHz，上边频为350MHz，满足有源驻波小于3，天线剖面高度0.1低频波长。介质板的参数、中间单元21、边缘单元22、拐角单元23的结构参数同实施例1。
参见图12，本实施例阵中单元有源驻波随频率变化曲线。在100~350MHz频率范围内水平/垂直双极化一维±45°扫描的有源驻波小于2.8。与实施例1相比，说明阵列规模大，阵中单元驻波性能好。
实施例3
本实施例演示进一步的边缘截断技术方案。参见图13，阵列的规模、结构与实施例2相同。区别在于：（1）参见图8和图9，天线臂223断开成两部分，断开之处串接电阻224；（2）参见图9，天线臂233断开成两部分，断开之处串接电阻234。电阻224、电阻234的阻值为100Ω。参见图14，本实施例阵中单元的有源驻波随频率变化曲线，在100~350MHz频率范围内水平/垂直双极化一维±45°扫描的有源驻波小于2.5。与实施例2相比，说明边缘截断能够进一步改善阵中单元驻波性能。

Claims (7)

1.一种VHF波段紧耦合平面偶极子阵列天线，其特征在于：包括反射板（1）和双极化偶极子天线阵列（2），双极化偶极子天线阵列（2）固定设于反射板（1）上，反射板（1） 为金属板；
所述双极化偶极子天线阵列（2）包括一个以上的中间单元（21）、四个以上的边缘单元（22）和四个拐角单元（23），中间单元（21）、边缘单元（22）和拐角单元（23）均印制在介质板的一侧面上；
所述介质板为矩形板；一个以上的中间单元（21）均布在介质板中部，四个以上的边缘单元（22）均布在一个以上的中间单元（21）的四周，四个拐角单元（23）分别设于介质板的四角上；
所述中间单元（21）包括四条中间天线臂（211）和四块金属片（212）；四条中间天线臂（211）呈十字排列形成二对中间偶极子；四块金属片（212）设于介质板的另一侧面上，分别与四条中间天线臂（211）的尾端对应，且与尾端部分重合；
所述边缘单元（22）包括三条边缘天线臂（221）、一条长边缘天线臂（223）和三块边缘金属片（222）；三条边缘天线臂（221）和长边缘天线臂（223）呈十字排列形成二对边缘偶极子；三块边缘金属片（222）设于介质板的另一侧面上，分别与三条边缘天线臂（221）的尾端对应，且与尾端部分重合；长边缘天线臂（223）的尾端电连接着反射板（1）；
所述拐角单元（23）包括二条拐角天线臂（231）、二条长拐角天线臂（233）和二块拐角金属片（232）；二条拐角天线臂（231）和二条长拐角天线臂（233）呈十字排列形成二对拐角偶极子；二块拐角金属片（232）设于介质板的另一侧面上，分别与二条拐角天线臂（231）的尾端对应，且与尾端部分重合；二条长拐角天线臂（223）的尾端分别电连接着反射板（1）；
相邻中间单元（21）的相邻金属片（212）直接电连接；相邻中间单元（21）的中间天线臂（211）的尾端之间形成间隙，通过金属片（212）形成相邻单元间的电容耦合；
中间单元（21）的金属片（212）与相邻的边缘单元（22）的边缘金属片（222）直接电连接；中间单元（21）的中间天线臂（211）的尾端与相邻的边缘单元（22）的边缘天线臂（221）的尾端之间形成间隙，通过边缘金属片（222）形成相邻单元间的电容耦合；
边缘单元（22）的边缘金属片（222）与相邻的拐角单元（23）的拐角金属片（232）直接电连接；边缘单元（22）的边缘天线臂（221）与相邻的拐角单元（23）的拐角天线臂（231）的尾端之间形成间隙，通过拐角金属片（232）形成相邻单元间的电容耦合；
所述VHF波段紧耦合平面偶极子阵列天线的工作带宽为3.5：1，在100～350MHz频段满足有源驻波小于3，天线剖面高度0.1低频波长。
2.根据权利要求1所述的一种VHF波段紧耦合平面偶极子阵列天线，其特征在于：所述中间单元（21）的四条中间天线臂（211）呈十字形均布在介质板的一侧面上，且两对中间天线臂（211）分别在偶极子单元中心形成馈电间隙；与四条中间天线臂（211）对应四块金属片（212）均布在介质板的另一侧面上，四块金属片（212）分别位于四条中间天线臂（211）的尾端，与尾端部分重合。
3.根据权利要求1所述的一种VHF波段紧耦合平面偶极子阵列天线，其特征在于：所述边缘单元（22）的三条边缘天线臂（221）和长边缘天线臂（223）呈十字形均布在介质板的一侧面上，且二条边缘天线臂（221）在偶极子单元中心形成馈电间隙，一条边缘天线臂(221)和长边缘天线臂（223）在偶极子单元中心形成馈电间隙；与三条边缘天线臂（221）对应三块边缘金属片（222）均布在介质板的另一侧面上，三块边缘金属片（222）分别位于三条边缘天线臂（221）的尾端，与尾端部分重合；长边缘天线臂（223）为L形天线臂，长边缘天线臂（223）的尾端沿着介质板的边缘向下延伸电连接着反射板（1）。
4.根据权利要求1所述的一种VHF波段紧耦合平面偶极子阵列天线，其特征在于：所述拐角单元（23）的二条拐角天线臂（231）和二条长拐角天线臂（233）呈十字形均布在介质板的一侧面上，且拐角天线臂（231）和长拐角天线臂（233）在偶极子单元中心形成馈电间隙；二块拐角金属片（232）均布在介质板的另一侧面上，二块拐角金属片（232）分别位于二条拐角天线臂（231）的尾端，与尾端部分重合；二条长拐角天线臂（233）为L形天线臂，二条长拐角天线臂（233）的尾端分别沿着介质板的边缘向下延伸电连接着反射板（1）。
5.根据权利要求1所述的一种VHF波段紧耦合平面偶极子阵列天线，其特征在于：所述长边缘天线臂（223）的长臂和短臂之间串联边缘电阻（224）。
6.根据权利要求1所述的一种VHF波段紧耦合平面偶极子阵列天线，其特征在于：所述长拐角天线臂（233）的长臂和短臂之间串联拐角电阻（234）。
7.根据权利要求5或6所述的一种VHF波段紧耦合平面偶极子阵列天线，其特征在于：所述边缘电阻（224）或拐角电阻（234）的电阻值为100～200欧姆。
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