CN110739548A - 高增益低剖面透射阵列天线 - Google Patents

高增益低剖面透射阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高增益低剖面平面透射阵天线，包括角锥喇叭天线和透射阵列；角锥喇叭天线作为馈源，位于透射阵列的正上方，用于将球面电磁波发射给透射阵列；透射阵列包括若干个透射单元，用于将角锥喇叭天线发射的球面电磁波转换为平面电磁波辐射出去，实现天线高增益。透射单元包括介质层、金属层和金属化通孔；金属层位于介质层的上表面和下表面，金属化通孔贯穿介质层，同时位于上下两层金属层之间且连接上下金属层。本发明与带有空气层的多层透射阵列天线相比，仅有一层介质层和两层金属层，减少了空气层，能有效降低阵列的剖面高度，简化阵列安装过程，避免了由安装精度引入的误差，具有高效率、高增益、低交叉极化等优点。

Description

高增益低剖面透射阵列天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种高增益低剖面透射阵列天线。
背景技术
在现代社会中，随着雷达系统和卫星通信等通信技术的快速发展，对高增益天线的需求日益增加。透镜天线和微带阵列天线是传统的高增益天线。透镜天线由辐射器和曲面介质透镜构成，由于介质厚度较大，导致透镜天线体积大，无法满足现代通信应用中系统集成的要求。微带阵列天线虽然剖面低，体积小，易集成，但是其复杂的馈电网络导致损耗较高，从而影响了天线的增益与效率。
平面透射阵列天线是集合透镜天线和微带阵列天线的优点形成的一种新型高增益天线。透射阵列天线由于其体积小，质量轻，成本低的特点而被广泛应用。平面透射阵列天线由天线馈源和透射阵列组成，与微带阵列天线使用移相器使信号在通道中被调制不同，平面透射阵是一种无源的移相结构，信号在空间中以波的形式移相。平面透射阵列通过微调透射单元控制透射单元的辐射，完成目标方向上辐射场的叠加从而实现高增益。传统的透射阵列天线为了实现360°的相位补偿，使用多层介质板结构来增大相移量，但使用多层介质板会增高透射阵列的剖面，加大阵列加工难度，并且结构安装复杂，这会引起一定的误差，阵列天线实际性能会变差。随着通信技术的快速发展，对阵列天线的要求越来越高，而要同时实现低剖面，高增益和高效率这些要求是非常具有挑战性的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能实现高增益、高效率、低剖面等性能的透射阵列天线。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种高增益低剖面透射阵列天线，包括角锥喇叭天线和透射阵列；所述角锥喇叭天线作为馈源，位于透射阵列的正上方，用于将球面电磁波发射给透射阵列；所述透射阵列包括若干个透射单元，用于将角锥喇叭天线发射的球面电磁波转换为平面电磁波辐射出去，实现天线高增益。
进一步地，所述透射阵列为m×n的矩形阵列，包括m×n个透射单元。
进一步地，所述透射单元周期性分布。
进一步地，所述透射单元包括介质层、金属层和金属化通孔；所述金属层位于介质层的上表面和下表面，所述金属化通孔贯穿介质层，同时位于上下两层金属层之间且连接上下金属层。
进一步地，所述金属层具体采用加载交叉偶极子缝隙的正方形金属贴片，正方形金属贴片的边长D、交叉偶极子缝隙的宽度W2、金属化通孔的中心位置均可调。
进一步地，所述金属化通孔的中心位于交叉偶极子缝隙的中心。
进一步地，所述介质层采用单层介质结构。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)与带有空气层的多层透射阵列天线相比，该天线阵列仅有一层介质层和两层金属层，减少了空气层，有效降低阵列的剖面高度，简化阵列安装过程，避免了由安装精度引入的误差；2)本发明提出的阵列天线的剖面高度为3mm，仅有0.1个自由空间波长，实现了天线的低剖面设计，能有效减小高增益天线在系统中所占空间，有利于系统集成；3)为了减少介质层数降低剖面即弥补单层介质设计导致的相位补偿不足，透射单元在采用加载交叉偶极子缝隙的正方形金属贴片的基础上，加入金属化通孔结构，引入额外的谐振点增大相移范围，在保证天线阵列低剖面的情况下，实现340度的相位补偿，具有高效率、高增益、低交叉极化等优点，口径效率为48％，交叉极化为-28dB；4)采用单层介质基板，与带有空气层的多层介质板结构相比，结构简单，加工方便，避免了多层介质层加工时导致的安装误差；且成本和质量都较小，因而可以大规模生产。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明其中一个实施例中高增益低剖面透射阵列天线结构示意图。
图2为本发明其中一个实施例中透射单元结构示意图，其中图(a)为俯视图，图(b)为侧视图。
图3为本发明其中一个实施例中透射单元的透射系数和相移随正方形金属贴片边长D变化的曲线图。
图4为本发明其中一个实施例中透射阵列天线在10GHz处E面和H面的测量与仿真归一化辐射方向图，其中图(a)为E面的测量与仿真归一化辐射方向图，图(b)为H面的测量与仿真归一化辐射方向图。
图5为本发明其中一个实施例中透射阵列天线在9.6GHz，10GHz，10.5GHz处E面和H面的测量归一化辐射方向图，其中图(a)为透射阵列天线在9.6GHz，10GHz，10.5GHz处E面的测量归一化辐射方向图，图(b)为透射阵列天线在9.6GHz，10GHz，10.5GHz处H面的测量归一化辐射方向图。
图6为本发明其中一个实施例中透射阵列天线随频率变化的增益测量与仿真曲线图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，结合图1，本发明提供了一种高增益低剖面透射阵列天线，包括角锥喇叭天线1和透射阵列2；角锥喇叭天线1作为馈源，位于透射阵列2中心正上方，用于将球面电磁波发射给透射阵列2，由于入射波是球面波，所以达到不同透射单元的路径长度不同，导致不同入射波需要的相位补偿量不同；透射阵列2包括若干个透射单元，用于将角锥喇叭天线1发射的球面电磁波转换为平面电磁波辐射出去，实现天线高增益。
进一步地，在其中一个实施例中，上述透射阵列2为m×n的矩形阵列，包括m×n个透射单元。
进一步地，在其中一个实施例中，上述透射单元周期性分布。
进一步地，在其中一个实施例中，上述透射阵列2为15×15的矩形阵列，包括225个透射单元，透射单元周期性分布的间距为15mm，即0.5个自由空间波长。
进一步地，在其中一个实施例中，结合图2，上述透射单元包括介质层4、金属层3和金属化通孔6；金属层3位于介质层4的上表面和下表面，金属化通孔6贯穿介质层4，同时位于上下两层金属层之间且连接上下金属层3。
进一步地，在其中一个实施例中，结合图2，上述金属层3具体采用加载交叉偶极子缝隙5的正方形金属贴片，正方形金属贴片的边长D、交叉偶极子缝隙5的宽度W2、金属化通孔6的中心位置均可调，用于在保证透射系数大于-3dB情况下，调节透射单元的透射相位。
进一步地，在其中一个实施例中，上述金属化通孔6的中心位于交叉偶极子缝隙5的中心。
进一步地，在其中一个实施例中，上述正方形金属贴片的边长D设置为4mm～14mm，交叉偶极子缝隙5窄边与正方形金属贴片边长的间距W1设置为0.3mm，交叉偶极子缝隙窄边长W2设置为1mm～4.5mm；金属化通孔6的中心距离透射单元中心Xr，Yr的距离范围设置为1mm～2.25mm，半径R设置为0.225mm。
进一步地，在其中一个实施例中，上述介质层4采用单层介质结构。
进一步地，在其中一个实施例中，上述介质层4的厚度为3mm，仅为0.1个自由空间波长，介电常数为2.2。
进一步地，在其中一个实施例中，上述角锥喇叭天线1到透射阵列2的垂直距离为161mm。
示例性地，以入射波的频率为10GHz，透射单元为15mm*15mm的半波长结构，尺寸为225mm*225mm*3mm且包括15行15列共225个透射单元的透射阵列构成的透射阵天线为例对本发明进行分析：
透射单元在中心频率10GHz处透射幅度和相位随正方形贴片边长D变化的曲线如图3所示，由图可知将D从4mm变化至14mm，透射幅度始终大于-2dB，相位范围为340度，具有良好的单元性能。
由图4可知，该透射阵列天线在设计频率10GHz处E面和H面的仿真和测试结果相吻合，阵列天线的第一副瓣低于-29dB，交叉极化在-28dB以下。
该透射阵列天线在9.6GHz,10GHz,10.5GHz处E面和H面的测试结果如图5所示，由图可知在各个频率处，天线波束的指向和形状均较稳定，在不同频点处阵列天线副瓣始终低于-18dB，交叉极化始终在-28dB以下。
透射阵列天线随频率变化的增益以及口径效率的测量与仿真曲线图如图6所示，由图可知天线1-dB相对增益带宽为9％，在设计频率10GHz的口径效率为48％。
综上，本发明的透射单元采用单层介质，在低剖面情况下实现-2dB透射幅度内340度相移，简化了结构，降低了成本，同时避免了多层介质层组装时导致的安装误差，具有高效率、高增益、低交叉极化等优点。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种高增益低剖面透射阵列天线，其特征在于，包括角锥喇叭天线(1)和透射阵列(2)；所述角锥喇叭天线(1)作为馈源，位于透射阵列(2)的正上方，用于将球面电磁波发射给透射阵列(2)；所述透射阵列(2)包括若干个透射单元，用于将角锥喇叭天线(1)发射的球面电磁波转换为平面电磁波辐射出去，实现天线高增益。
2.根据权利要求1所述的高增益低剖面透射阵列天线，其特征在于，所述透射阵列(2)为m×n的矩形阵列，包括m×n个透射单元。
3.根据权利要求1或2所述的高增益低剖面透射阵列天线，其特征在于，所述透射单元周期性分布。
4.根据权利要求1所述的高增益低剖面透射阵列天线，其特征在于，所述透射单元包括介质层(4)、金属层(3)和金属化通孔(6)；所述金属层(3)位于介质层(4)的上表面和下表面，所述金属化通孔(6)贯穿介质层(4)，同时位于上下两层金属层之间且连接上下金属层(3)。
5.根据权利要求4所述的高增益低剖面透射阵列天线，其特征在于，所述金属层(3)具体采用加载交叉偶极子缝隙(5)的正方形金属贴片，正方形金属贴片的边长D、交叉偶极子缝隙(5)的宽度W2、金属化通孔(6)的中心位置均可调。
6.根据权利要求5所述的高增益低剖面透射阵列天线，其特征在于，所述金属化通孔(6)的中心位于交叉偶极子缝隙(5)的中心。
7.根据权利要求5或6所述的高增益低剖面透射阵列天线，其特征在于，所述正方形金属贴片的边长D设置为4mm～14mm，交叉偶极子缝隙(5)窄边与正方形金属贴片边长的间距W1设置为0.3mm，交叉偶极子缝隙窄边长W2设置为1mm～4.5mm；所述金属化通孔(6)的中心距离透射单元中心(Xr，Yr)的距离范围设置为1mm～2.25mm，半径R设置为0.225mm。
8.根据权利要求4所述的高增益低剖面透射阵列天线，其特征在于，所述介质层(4)采用单层介质结构。
9.根据权利要求8所述的高增益低剖面透射阵列天线，其特征在于，所述介质层(4)的厚度为3mm，仅为0.1个自由空间波长，介电常数为2.2。
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