CN111585038A - 一种平面紧耦合超宽带反射阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种平面紧耦合超宽带反射阵列天线,包括:依次设置的第一介质基板、金属地板、第二介质基板、反射阵列;所述第二介质基板上设置有支架,所述支架上设置有喇叭天线;所述金属地板的中心线、所述反射阵列的中心线、所述喇叭天线的中心线共线,所述反射阵列包括若干个反射单元,所述反射单元包括:一对偶极子,分别与所述一对偶极子连接的一对槽线,相邻两个所述反射单元连接。由于相邻反射单元直接连接,单元间具有强烈的互耦,利用紧耦合的单元排布,同时获得了非常宽的天线阻抗和辐射方向图带宽。本申请打破了传统反射阵列天线的带宽限制,同时保持了传统反射阵列天线低剖面、易加工、低成本和高增益的优点。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域,尤其涉及的是一种平面紧耦合超宽带反射阵列天线。
背景技术
在现代无线通信、空间遥感、太空探索、雷达探测等领域中,对高增益天线的需求越来越高。其中,反射阵列天线由于其低剖面,重量轻,成本低,简化的馈电网络和高增益等优点,在最近几十年中受到了越来越多的关注。然而,尽管有这些优点,反射阵列天线最大的缺点是窄带宽。窄带宽的缺点主要是由于辐射单元固有的窄带特性和不同的单元空间相位延迟两个因素造成的。对于中小尺寸的反射阵列天线,辐射单元固有的窄带特性是影响其带宽的主要因素。为了克服辐射单元的带宽限制,近年来已经提出了各种用于提高反射阵列天线带宽的方法。例如,嵌入有倒L形槽的单层矩形贴片单元结构等,采用这两种单元,可以在一定程度上提升反射阵列天线的带宽。虽然通过使用上述单元可以提高反射阵列天线的带宽,但是其阵列带宽仍然限制在66%以内。为了进一步提高反射阵列天线的带宽性能,采用了紧耦合偶极子单元结构,此反射阵列天线带宽突破了100%。但是,该发明仍然存在较多的不足之处:阵列结构十分复杂,特别是采用了交错的基板布置,加工难度大,阵列剖面高,阵列结构稳定性较差。
因此,现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于,针对现有技术的上述缺陷,提供一种平面紧耦合超宽带反射阵列天线,旨在解决现有技术中窄带宽及结构复杂的问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下:
一种平面紧耦合超宽带反射阵列天线,其中,包括:依次设置的第一介质基板、金属地板、第二介质基板、反射阵列;所述第二介质基板上设置有支架,所述支架上设置有喇叭天线;所述金属地板的中心线、所述反射阵列的中心线、所述喇叭天线的中心线共线,所述反射阵列包括若干个反射单元,所述反射单元包括:一对偶极子,分别与所述一对偶极子连接的一对槽线,相邻两个所述反射单元连接。
所述的平面紧耦合超宽带反射阵列天线,其中,所述第一介质基板与所述金属地板连接,所述第二介质基板与所述反射阵列连接,所述金属地板与所述第二介质基板间隔设置。
所述的平面紧耦合超宽带反射阵列天线,其中,所述金属地板与所述第二介质基板之间的距离根据反射阵列的工作频率进行调节,所述金属地板与所述第二介质基板之间的距离为1-3mm。
所述的平面紧耦合超宽带反射阵列天线,其中,所述偶极子的排列方向平行于所述天线的极化方向,所述槽线垂直于所述天线的极化方向。
所述的平面紧耦合超宽带反射阵列天线,其中,所述偶极子呈半波椭圆形、矩形、三角形或者梯形。
所述的平面紧耦合超宽带反射阵列天线,其中,所述反射单元中,两个槽线位于两个偶极子之间。
所述的平面紧耦合超宽带反射阵列天线,其中,所述喇叭天线采用双脊喇叭天线,用于照射整个所述反射阵列。
所述的平面紧耦合超宽带反射阵列天线,其中,所述槽线的长度与所述反射单元的反射相位相关。
所述的平面紧耦合超宽带反射阵列天线,其中,所述第一介质基板和所述第二介质基板均采用绝缘介质基板,所述第一介质基板的介电常数为4-5,所述第二介质基板的介电常数为3-4。
所述的平面紧耦合超宽带反射阵列天线,其中,所述天线中不同位置的反射单元所需的归一化等效距离延迟为:
有益效果:由于相邻反射单元直接连接,单元间具有强烈的互耦,利用紧耦合的单元排布,同时获得了非常宽的天线阻抗和辐射方向图带宽。本申请打破了传统反射阵列天线的带宽限制,同时保持了传统反射阵列天线低剖面、易加工、低成本和高增益的优点。
附图说明
图1是本发明平面紧耦合超宽带反射阵列天线较佳实施例的立体结构示意图。
图2是本发明平面紧耦合超宽带反射阵列天线较佳实施例的立体结构爆炸示意图。
图3为本发明平面紧耦合超宽带反射阵列天线较佳实施例的反射阵列的结构示意图。
图4为本发明平面紧耦合超宽带反射阵列天线较佳实施例的金属地板的结构示意图。
图5A为本发明平面紧耦合超宽带反射阵列天线较佳实施例的反射单元的俯视图。
图5B为本发明平面紧耦合超宽带反射阵列天线较佳实施例的反射单元的侧视图。
图6为本发明平面紧耦合超宽带反射阵列天线较佳实施例的反射单元槽线的长度与归一化等效距离延迟在不同频率下的关系曲线图。
图7A为本发明平面紧耦合超宽带反射阵列天线分别在10GHz、15GHz、20GHz、25GHz、30GHz的E面主极化和交叉极化的归一化辐射方向图。
图7B为本发明平面紧耦合超宽带反射阵列天线分别在10GHz、15GHz、20GHz、25GHz、30GHz的H面主极化和交叉极化的归一化辐射方向图。
图8为本发明平面紧耦合超宽带反射阵列天线仿真的增益曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确,以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
为了解决现有技术中的反射阵列天线普遍存在窄带宽以及结构复杂等缺点的问题,如图1、图2以及图5A所示,本发明实施例提供了一种平面紧耦合超宽带反射阵列天线,所述天线包括:依次设置的第一介质基板1、金属地板15、第二介质基板2、反射阵列30;所述第二介质基板2上设置有支架35,所述支架35上设置有喇叭天线40;所述金属地板15的中心线、所述反射阵列30的中心线、所述喇叭天线40的中心线共线,所述反射阵列30包括若干个反射单元,所述反射单元包括:一对偶极子31,分别与所述一对偶极子31连接的一对槽线32,相邻两个所述反射单元连接。
本申请设计的反射阵列天线,相邻反射单元直接连接,单元间具有强烈的互耦,利用紧耦合的单元排布,同时获得了非常宽的天线阻抗和辐射方向图带宽。本申请打破了传统反射阵列天线的带宽限制,同时保持了传统反射阵列天线低剖面、易加工、低成本和高增益的优点。
在一个较佳的实施例中,如图3和图4所示,所述第一介质基板1与所述金属地板15连接,所述第二介质基板2与所述反射阵列30连接,所述金属地板15与所述第二介质基板2间隔设置。所述金属地板15印制在第一介质基板1上表面,所述反射阵列30印制在第二介质基板2上表面。两块介质基板之间通过塑料螺柱20实现间隔设置,两块介质基板间的塑料螺柱20用于构建反射阵列30与金属地板15间的空气层,其中所述第一介质基板1的上表面和塑料螺柱20的下表面接触,所述塑料螺柱20的上表面和第二介质基板2的下表面相接触。
进一步地,所述塑料螺柱20用于构建反射阵列与金属地板间的空气层,提升阵列的带宽。其高度需要根据反射阵列的工作频率进行调节,以获得最佳的阵列带宽,如图5B所示,本发明实施方案中塑料螺柱的高度h2为1-3mm,优选地,h2为2mm。
支架35可以采用塑料支架,支架35用于支撑喇叭天线40,使其能放置于反射阵列30正上方。所述金属地板15设置于反射阵列正下方,用于电磁波的反射;所述反射阵列30包括507个反射单元,反射阵列30呈圆形口径分布,所有反射单元等间隔周期排列在第二介质基板2上。每个反射单元均印制在第二介质基板2的上表面,包括一对偶极子31,一对槽线32直接与偶极子31相连接,通过调整槽线32的长度可以调节反射单元的反射相位;两块介质基板间的塑料螺柱20用于构建反射阵列30与金属地板15间的空气层,利于阵列带宽的提升;所述喇叭天线位于反射阵列的正上方,用于照射整个反射阵列。
具体地,如图5B所示,所述第一介质基板1是绝缘介质基板,上表面用于印制金属地板15,介质基板厚度h3为1.5mm,材质为FR4_epoxy,介电常数为4-5,优选地,介电常数为4.4,损耗正切角为0.02;所述第二介质基板2是绝缘介质基板,上表面用于印制反射阵列30,介质基板厚度h1为0.813mm,材质为Rogers RO4003C,介电常数为3-4,优选地,介电常数为3.55,损耗正切角为0.0027。
进一步地,如图5A所示,所述反射单元包括一对半波椭圆偶极子31和一对槽线32,偶极子31的排列方向平行于天线的极化方向,槽线32垂直于天线的极化方向。偶极子31形状为半波椭圆形、矩形、三角形或梯形,所述反射单元中,两个槽线32位于两个偶极子31之间。
下面以半波椭圆形偶极子为例进行说明,在偶极子31的形状为半波椭圆形时,半波椭圆形包括:两个相互垂直的直角边,连接两个直角边的曲线边,两个直角边分别为第一直角边和第二直角边,第一直角边平行于天线的极化方向,第二直角边垂直于天线的极化方向,槽线32连接在第一直角边与曲线边的连接点上,槽线32连接位置的长度为w1,去除长度w1,则为槽线32的长度l。半波椭圆偶极子的第一直角边r1为2.1mm,第二直角边r2为1.75mm,有利于所述天线带宽的提升;槽线32宽度w2为0.1mm,两个槽线32之间的缝隙宽度d为0.2mm,有利于实现与所述半波椭圆偶极子的阻抗匹配。
进一步地,通过调整槽线32的长度可以调节反射单元的反射相位。不同的反射单元,具有不同的反射相位,通过合理设计各个反射单元的反射相位,可以使反射阵列形成高增益的波束。本申请通过电磁仿真软件HFSS,利用Floquet端口和主从边界条件,设置全波仿真求解频率为20GHz,获取反射单元的反射相位随槽线32的长度l的变化关系。为了消除频率的影响,对反射阵列天线单元所需的反射相位除于自由空间的波数k0得到反射阵列天线单元所需的等效距离延迟。反射阵列天线不同位置的反射单元所需的归一化等效距离延迟由以下公式计算得到:
在一种实施方式中,进一步地,本申请实施例的平面紧耦合超宽带反射阵列天线的工作频率为10GHz-30GHz,对应的反射阵列天线相邻单元在极化方向上的最小长度dy是3.9mm,即0.13λ,其中λ为最低工作频率10GHz对应的自由空间波长;反射阵列天线相邻单元在垂直于极化方向上的长度dx为6.8mm,即0.23λ,其中λ为最低工作频率10GHz对应的自由空间波长。
进一步地,所述喇叭天线40位于反射阵列30的正上方,具体位置为:与反射阵列30的垂直距离为115mm,用于照射整个反射阵列。所述喇叭天线40采用双脊喇叭天线。
图6为本申请平面紧耦合超宽带反射阵列天线较佳实施例的反射单元槽线32的长度与归一化等效距离延迟在不同频率下的关系曲线图;虽然在不同频率下反射单元的归一化等效距离延迟没有完全重合,但偏差足够小,从而可实现宽带特性。
图7A为本申请平面紧耦合超宽带反射阵列天线分别在10GHz、15GHz、20GHz、25GHz、30GHz的E面主极化和交叉极化的归一化辐射方向图;图7B为本申请平面紧耦合超宽带反射阵列天线分别在10GHz、15GHz、20GHz、25GHz、30GHz的H面主极化和交叉极化的归一化辐射方向图;如图7A和图7B所示,辐射方向图在100%带宽内是稳定的,主波束在10~30GHz的频率范围内不失真。H面的最高旁瓣电平约为-8.2dB,E面的最高旁瓣电平约为-12.5dB。相对较高的旁瓣电平主要是由于溢出效应和边缘频率处的相位误差引起的。另外,在主波束区域,仿真的交叉极化电平在E平面和H平面分别低于-31dB和-24dB。
图8为本申请平面紧耦合超宽带反射阵列天线仿真的增益曲线图;可见,增益从10GHz时的17.3dB增加到26GHz时的27dB,展示了非常好的宽带特性。
结合仿真得到的图6、图7A、图7B以及图8,本申请平面紧耦合超宽带反射阵列天线的带宽(辐射方向图不失真)范围为10GHz至30GHz,相对带宽约100%,远远大于传统的反射阵列天线的带宽。同时,当频率在10GHz到30GHz时,增益保持在17.3dB到27dB之间,最高增益可达27dB,具有稳定的高增益特性。从图7A和图7B可以看出本实例的天线在较宽的工作频带内具有稳定的辐射方向图。
综上所述,本申请公开了一种平面紧耦合超宽带反射阵列天线。所述反射阵列天线包括:依次设置的第一介质基板、金属地板、第二介质基板、反射阵列;所述第二介质基板上设置有支架,所述支架上设置有喇叭天线;所述金属地板的中心线、所述反射阵列的中心线、所述喇叭天线的中心线共线,所述反射阵列包括若干个反射单元,所述反射单元包括:一对偶极子,分别与所述一对偶极子连接的一对槽线,相邻两个所述反射单元连接。本申请设计的反射阵列天线,相邻反射单元直接连接,单元间具有强烈的互耦,利用紧耦合的单元排布,同时获得了非常宽的天线阻抗和辐射方向图带宽。本申请打破了传统反射阵列天线的带宽限制,同时保持了传统反射阵列天线低剖面、易加工、低成本和高增益的优点。
应当理解的是,本发明的应用不限于上述的举例,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或变换,所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种平面紧耦合超宽带反射阵列天线,其特征在于,包括:依次设置的第一介质基板、金属地板、第二介质基板、反射阵列;所述第二介质基板上设置有支架,所述支架上设置有喇叭天线;所述金属地板的中心线、所述反射阵列的中心线、所述喇叭天线的中心线共线,所述反射阵列包括若干个反射单元,所述反射单元包括:一对偶极子,分别与所述一对偶极子连接的一对槽线,相邻两个所述反射单元连接。
2.根据权利要求1所述的平面紧耦合超宽带反射阵列天线,其特征在于,所述第一介质基板与所述金属地板连接,所述第二介质基板与所述反射阵列连接,所述金属地板与所述第二介质基板间隔设置。
3.根据权利要求2所述的平面紧耦合超宽带反射阵列天线,其特征在于,所述金属地板与所述第二介质基板之间的距离根据反射阵列的工作频率进行调节,所述金属地板与所述第二介质基板之间的距离为1-3mm。
4.根据权利要求1所述的平面紧耦合超宽带反射阵列天线,其特征在于,所述偶极子的排列方向平行于所述天线的极化方向,所述槽线垂直于所述天线的极化方向。
5.根据权利要求4所述的平面紧耦合超宽带反射阵列天线,其特征在于,所述偶极子呈半波椭圆形、矩形、三角形或者梯形。
6.根据权利要求4所述的平面紧耦合超宽带反射阵列天线,其特征在于,所述反射单元中,两个槽线位于两个偶极子之间。
7.根据权利要求1所述的平面紧耦合超宽带反射阵列天线,其特征在于,所述喇叭天线采用双脊喇叭天线,用于照射整个所述反射阵列。
8.根据权利要求1所述的平面紧耦合超宽带反射阵列天线,其特征在于,所述槽线的长度与所述反射单元的反射相位相关。
9.根据权利要求1所述的平面紧耦合超宽带反射阵列天线,其特征在于,所述第一介质基板和所述第二介质基板均采用绝缘介质基板,所述第一介质基板的介电常数为4-5,所述第二介质基板的介电常数为3-4。
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