CN111262021A - 一种紧耦合低剖面超宽带双极化相控阵阵列天线 - Google Patents

一种紧耦合低剖面超宽带双极化相控阵阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种紧耦合低剖面超宽带双极化相控阵阵列天线，四层宽角匹配层可以选择不同介电常数的材料进行匹配，可以有效增加阻抗带宽和扫描角度；通过在偶极子正下方添加圆环型金属贴片，可以增加耦合电容，抵消由于地板短路而造成的电感，进而有效拓宽低频带宽；通过在偶极子末端开缝并添加金属圆盘，可以调节偶极子间的耦合电容和偶极子与下层圆环形金属贴片之间的耦合电容；通过使用两个对称的金属化短路过孔，将圆环形金属贴片和铝基板相连接，可以将共模谐振移到有效带宽之外，达到拓宽带宽的目的；通过在偶极子长臂和短臂的馈电端使用不同大小的馈电端口，可以有效降低高频段有源驻波比。

Description

一种紧耦合低剖面超宽带双极化相控阵阵列天线
技术领域
本发明属于技术领域，具体涉及一种紧耦合低剖面超宽带双极化相控阵阵列天线。
背景技术
随着无线通信和电子工艺的快速发展，相控阵天线阵列也朝着低剖面，超宽带，多功能化的方向发展。低剖面、小尺寸意味着在某些狭小的空间内，如卫星，战机机翼等，可以安装高性能雷达天线；超宽带技术具有传输速率高、容量大、成本低、抗干扰能力强等优势，这使得超宽带技术成为最具竞争力和发展前景的技术之一；双极化天线因其能在同一频段内接收不同极化方式的电磁波，如垂直极化和水平极化；或者左旋圆极化和右旋圆极化，实现了频分复用，极大的扩展了通信系统的容量；紧耦合技术在近几年也因其能极大扩展阻抗带宽和扫描角度而被各大研究机构投入研究。因此，研究和设计基于紧耦合技术的低剖面超宽带双极化相控阵天线阵列有着非常广阔的前景和实用价值。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种紧耦合低剖面超宽带双极化相控阵阵列天线，易于加工。
一种双极化相控阵天线，包括9层，从上到下依次为：L1～L9层；
L1、L2、L3、L4层为采用不同厚度和介电常数组合形成的宽角匹配层；
L5层为介质板，上表面设置有两组互相垂直的偶极子，由此构成领结型双偶极子天线；
L6层、L7层和L8层为介质层；
L9层为铝基板，其中，双偶极子天线的馈电过孔与铝基板连接。
较佳的，L1层是介电常数为10.2的Arlon AD1000介质层；L2层是介电常数为1.25的Rohacell 200WF介质层；L3层是介电常数为6.15的Rogers RO6006介质层；L4层是介电常数为3.2的Taconic TLC介质层。
较佳的，L5层为介质板的下表面设置圆环形金属贴片，其圆心与双极化偶极子末端的中心重合。
较佳的，两组偶极子末端围成的区域中，设有一个金属圆盘。
较佳的，每组偶极子长臂的馈电端口的直径大于短臂的馈电端口直径。
较佳的，L7层是介电常数为1.96的RT5880LZ介质层，在L7层的上下表面的边缘处设置“凹”型金属贴片，且该“凹”型金属贴片嵌在金属化的馈电过孔上。
较佳的，L8层对应于每对偶极子的馈电过孔位置开有圆环形开缝，圆环形开缝中间形成一个隔离的圆盘。
较佳的，L1层、L2层和L3层均在中部开有圆孔，该圆孔的圆心对准两组偶极子末端的中心。
较佳的，L1层、L2层和L3层的每一层的四角各开一个缺口，当天线单元阵列布置时，相邻4个角上的缺口围成一个圆柱形缺口。
本发明具有如下有益效果：
本发明的紧耦合低剖面超宽带双极化相控阵天线单元，四层宽角匹配层可以选择不同介电常数的材料进行匹配，可以有效增加阻抗带宽和扫描角度；通过在偶极子正下方添加圆环型金属贴片，可以增加耦合电容，抵消由于地板短路而造成的电感，进而有效拓宽低频带宽；通过在偶极子末端开缝并添加金属圆盘，可以调节偶极子间的耦合电容和偶极子与下层圆环形金属贴片之间的耦合电容；通过使用两个对称的金属化短路过孔，将圆环形金属贴片和铝基板相连接，可以将共模谐振移到有效带宽之外，达到拓宽带宽的目的；通过在偶极子长臂和短臂的馈电端使用不同大小的馈电端口，可以有效降低高频段有源驻波比。最终使得该天线具有良好的工作性能，工作频带为2-18GHz，可使用50Ω同轴线直接馈电，无需额外的巴伦，并且天线阵列单元具有小尺寸，低剖面，超宽带，大扫描角，结构简单，易加工的特点。
附图说明
图1(a)为阵列天线单元的3D结构图，图1(b)为阵列天线单元的侧视图；
图2为宽角匹配层L1层、L2层、L3层的俯视图；
图3为宽角匹配层L4层的俯视图；
图4为L5层上表面天线单元偶极子金属贴片；
图5为L5层下表面金属圆环；
图6为L7层的上下表面的“凹”型金属贴片；
图7为L8层的下表面侵蚀圆环后的金属贴片；
图8为天线阵列E面的有源驻波比；
图9为天线阵列D面的有源驻波比；
图10为天线阵列H面的有源驻波比。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如图1(a)和1(b)所示，本发明的天线阵列单元共有9层，从上到下依次为：四层宽角匹配层(L1、L2、L3、L4)；位于同一介质板(L5)上表面的非对称结构互相垂直的领结型双偶极子天线贴片和位于该介质板下表面的圆环形金属贴片；三层介质板(L6、L7、L8层)和铝基板(L9)，其中，偶极子馈电端和圆环形金属贴片均通过金属化短路过孔与铝基板连接。
如图2和3所示，四层宽角匹配层(L1、L2、L3、L4)共同组成了用于拓宽天线阵列阻抗带宽和扫描角度的宽角匹配层。由于介质层的介电常数都是固定的，因此将多层不同厚度和介电常数的介质层叠加，并进行边缘开孔和中心开孔的操作，可将宽角匹配层的厚度和平均介电常数达到所需的最优解。本实施例中，L1层是介电常数为10.2的Arlon AD1000介质层；L2层是介电常数为1.25的Rohacell 200WF介质层；L3层是介电常数为6.15的Rogers RO6006介质层；L4层是介电常数为3.2的Taconic TLC介质层。
如图4所示，L5层是介电常数为3.2的Taconic TLC介质层，其上表面为两组相互垂直且非对称的偶极子，构成领结型的双极化偶极子，用来实现双极化功能。
如图5所示，L5层下表面为金属铜圆环，其圆心与双极化偶极子末端的中心重合；偶极子末端的中心为两组偶极子各自平分线的交点。金属铜圆环和上层的偶极子之间形成耦合电容，进而扩展带宽。金属铜圆环的半径及与偶极子之间的距离由仿真优化确定。
两组偶极子末端围成的区域中，设有一个金属圆盘，通过改变该圆盘的尺寸，可以调节偶极子间的耦合电容和偶极子与下表面的圆环形金属贴片之间的耦合电容，进而达到对阻抗带宽进行拓展的效果。此外，当偶极子长臂的馈电端口的直径大于偶极子短臂的馈电端口直径时，明显提高高频特性。该偶极子臂的宽度、长度以及馈电端口的直径由仿真优化确定。
L6层是介电常数为1.96的RT5880LZ介质层；如图6所示，L7层是介电常数为1.96的RT5880LZ介质层，在L7层的上下表面的边缘处设置“凹”型金属贴片，且该“凹”型金属贴片嵌在金属化的馈电过孔上。通过添加该“凹”型金属贴片可以通过改变电流通路，可提高谐振频率，改善高频特性。
如图7所示，L8层是介电常数为1.96的RT5880LZ介质层，在L8层的下表面，对应于每对偶极子的馈电过孔位置开有圆环形开缝，该圆环形开缝使L8层下表面的覆铜层和中间的圆盘形成隔离，这是为了防止同轴馈电被短路；三层RT5880LZ介质层的厚度、“凹”型金属贴片的长度和宽度、侵蚀圆环的大小均由仿真优化确定。
图1(a)和(b)为阵列天线单元的结构图和侧视图。天线阵列单元共有9层组成(包含铝基板)，天线单元整体尺寸为7mm×7mm×7.2mm。
图2为宽角匹配层L1层、L2层、L3层的俯视图。通过采用多层介质板叠加的宽角匹配层并在其上纵向开圆柱孔，可以得到所需最优介电常数的覆盖层，同时可以减小覆盖层的高度和重量。其中，三层宽角匹配层的厚度分别为H1，H2，H3；L1层、L2层、L3层中部所开圆孔直径设为D1；圆心对准两对偶极子末端中心。四角各开一个缺口，当天线单元阵列布置时，相邻4个天线的缺口围成一个圆柱形缺口，设直径为D2。
图3为宽角匹配层L4层的俯视图。L4层的结构和L1～L3的区别在于只在四周进行了开直径为D2的圆柱孔的操作，而未在中间进行开圆柱孔操作。厚度为H4。
图4为L5层上表面的天线单元偶极子金属贴片。每对偶极子的一边设置接地短路过孔，直径为DL；另一个边设置馈电过孔，直径为DR，L5层介质板的四角各开一个缺口，当天线单元阵列布置时，相邻4个天线的缺口围成一个圆柱形缺口，设直径为D3；L5层介质层厚度为H5。
图5为L5层下表面金属圆盘。该金属圆盘的直径为DD，中间挖去直径为DU的圆盘，其上的接地短路过孔直径为DH。
图6为L7层的上下表面的“凹”型金属贴片。宽度为WG，长度分别为LG1和LG2。L7层介质层厚度为H7。其上方为L6层介质层，厚度为H6。
图7为L8层的下表面侵蚀圆环后的金属贴片。侵蚀圆环的内径为DR，与馈电过孔的直径相同；外径为DF，与厚度为H9的铝基板内填充的Teflon直径相同。L8层介质层厚度为H8。
图8为天线阵列E面的有源驻波比。由图8仿真结果可知，在有源驻波比小于3时，E面的最大扫描角度为±60°。
图9为天线阵列D面的有源驻波比。由图9仿真结果可知，在有源驻波比小于3时，H面的最大扫描角度为±75°。
图10为天线阵列H面的有源驻波比。由图10仿真结果可知，在有源驻波比小于3时，H面的最大扫描角度为±45°；在有源驻波比小于3.9时，H面的最大扫描角度为±60°；
表1列出了阵列天线单元各部分具体尺寸。
表1阵列天线单元各部分具体尺寸表
参数 数值(mm) 参数 数值(mm) 参数 数值(mm)
A 7 DU 0.84 L1 2
D1 2.8 H1 1.4 L2 0.9
D2 4.4 H2 0.8 LG1 0.7
D3 5.2 H3 0.1 LG2 0.3
DC 1.4 H4 0.13 W1 2.9
DD 4.5 H5 0.13 W2 1.4
DF 1.4 H6 2.54 W3 2.2
DH 0.1 H7 0.762 WD 0.1
DL 0.3 H8 1.27 WG 1.7
DR 0.8 H9 1.5
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双极化相控阵天线，其特征在于，包括9层，从上到下依次为：L1～L9层；
L1、L2、L3、L4层为采用不同厚度和介电常数组合形成的宽角匹配层；
L5层为介质板，上表面设置有两组互相垂直的偶极子，由此构成领结型双偶极子天线；
L6层、L7层和L8层为介质层；
L9层为铝基板，其中，双偶极子天线的馈电过孔与铝基板连接。
2.如权利要求1所述的一种双极化相控阵天线，其特征在于，L1层是介电常数为10.2的Arlon AD1000介质层；L2层是介电常数为1.25的Rohacell 200WF介质层；L3层是介电常数为6.15的Rogers RO6006介质层；L4层是介电常数为3.2的Taconic TLC介质层。
3.如权利要求1所述的一种双极化相控阵天线，其特征在于，L5层为介质板的下表面设置圆环形金属贴片，其圆心与双极化偶极子末端的中心重合。
4.如权利要求1所述的一种双极化相控阵天线，其特征在于，两组偶极子末端围成的区域中，设有一个金属圆盘。
5.如权利要求1所述的一种双极化相控阵天线，其特征在于，每组偶极子长臂的馈电端口的直径大于短臂的馈电端口直径。
6.如权利要求1所述的一种双极化相控阵天线，其特征在于，L7层是介电常数为1.96的RT5880LZ介质层，在L7层的上下表面的边缘处设置“凹”型金属贴片，且该“凹”型金属贴片嵌在金属化的馈电过孔上。
7.如权利要求6所述的一种双极化相控阵天线，其特征在于，L8层对应于每对偶极子的馈电过孔位置开有圆环形开缝，圆环形开缝中间形成一个隔离的圆盘。
8.如权利要求1所述的一种双极化相控阵天线，其特征在于，L1层、L2层和L3层均在中部开有圆孔，该圆孔的圆心对准两组偶极子末端的中心。
9.如权利要求1所述的一种双极化相控阵天线，其特征在于，L1层、L2层和L3层的每一层的四角各开一个缺口，当天线单元阵列布置时，相邻4个角上的缺口围成一个圆柱形缺口。
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