CN111697331B - 一种超宽带紧耦合天线阵列及天线设备 - Google Patents
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Abstract
本发明属于超宽带相控阵天线技术领域，公开了一种超宽带紧耦合天线阵及天线设备，其中，超宽带紧耦合天线阵列，包括成阵列布置的天线阵元，每个天线阵元包括辐射单元以及馈电单元，所述辐射单元包括天线辐射片、加载片以及耦合开关；所述耦合开关在连通时，天线辐射片和加载片耦合使天线阵列工作于紧耦合模式；所述耦合开关在断开时，天线辐射片和加载片断开使天线阵列工作于偶极子阵列模式本发明设计的天线阵列通过频率可重构方式结合了紧耦合和印刷偶极子阵两种工作方式，可部分覆盖或全覆盖L/S/C/X/Ku频段，具有极宽的工作带宽，在保证优异的有源匹配性能同时超过现阶段绝大多数天线阵列方案的相对带宽。
Description
技术领域
本发明涉及超宽带相控阵天线技术领域，尤其涉及一种具有频率可重构的紧耦合天线阵列。
背景技术
根据不同的需求，往往需要工作在不同频段的天线设备，如工作于低频L/S频段的通信设备，其辐射距离远，但是精度不够准确，工作于高频段的探测设备如X/Ku频段，其探测精度高，但探测距离近。然而实现多种功能的电子设备需要安装不同形式和工作频段的天线，这样不仅增大了设备重量和尺寸空间，而且天线间的电磁干扰严重影响了天线的性能。因此研究覆盖L/S/C/X/Ku频段超宽带相控阵天线可以有效改善上述限制。
申请号为201810222246.1的专利，它采用的是电阻片加载方案，可以实现1.49GHz-15.65GHz的有源阻抗带宽。但是其提出的方案加载阻抗为377Ω/square的电阻片会引入很大的插入损耗，降低天线的辐射效率。
申请号为201810816834.8的专利，它采用的是加载频率选择表面代替介质匹配层，实现宽带和轻量化的特点。但是其提出的方案有源阻抗带宽为6GHz-18GHz，仅有三个倍频程的频率带宽，无法满足多功能一体化系统需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种低插损、超宽带紧耦合天线阵列，克服现有超宽带相控阵天线阵列有源驻波带宽问题。
本发明的另一目的在于提供可用于侦察、干扰、探测、通信的天线设备。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种超宽带紧耦合天线阵列，包括成阵列布置的天线阵元，每个天线阵元包括辐射单元以及馈电单元，其特征在于：
所述辐射单元包括天线辐射片、加载片以及耦合开关；所述耦合开关在连通时，天线辐射片和加载片耦合使天线阵列工作于紧耦合模式；所述耦合开关在断开时，天线辐射片和加载片断开使天线阵列工作于偶极子阵列模式；
所述馈电单元包括超宽带巴伦馈电线以及同轴馈线；所述超宽带巴伦馈电线一端与所述天线辐射片连接，超宽带巴伦馈电线另一端与所述同轴馈线连接。
所述辐射单元包括天线介质基板，天线辐射片、加载片以及耦合开关设置在所述天线介质基板的两侧。
在所述辐射单元上设置有一介质匹配层。
所述超宽带巴伦馈电线包括垂直段和水平段；垂直段顶端与天线辐射贴片连接在一起，垂直段底端与水平段连接在一起；水平段通过同轴馈线馈电。
超宽带巴伦馈电线的垂直段和水平段均为用于实现阻抗匹配的梯形渐变线结构，通过调节渐变线的斜率，使得超宽带巴伦馈电线可以覆盖L/S/C/X/Ku频段，其斜率k满足公式：
k＝0.5(W50Ω-Wup)/(lVbalun+lHbalun)其中，lVbalun表示超宽带馈电巴伦垂直段长度，lHbalun表示超宽带馈电巴伦水平段长度，W50Ω表示50Ω对应微带线宽，Wup表示天线输入阻抗对应的微带线宽度。
渐变巴伦地板宽度Wgnd为：
其中，d∈[0,h]，d表示与天线辐射贴片的距离，Wdown表示渐变巴伦地板底部宽度，h表示渐变巴伦地板总长度。渐变巴伦地板实现了从双线到微带线结构的变化，起到平衡馈电作用。
所述天线辐射片、超宽带巴伦馈电线的垂直段、渐变巴伦地板与加载片为附着在天线介质基板上的厚度为17μm的铜层；所述超宽带巴伦馈电线的水平段和反射地板为附着在反射地介质基板的厚度为17μm的铜层；所述天线介质基板和反射地基板均为厚度为0.254mm的Taconic TLT,介电常数为2.55；所述天线介质基板和反射地基板通过直插方式固定，双方呈垂直关系。
所述介质匹配层为厚度5.3mm的POM，介电常数为2.25。
天线阵元间距设定为10.48mm，天线辐射片两个臂总长8.98mm，天线辐射片距离反射板高度为14mm；在耦合开关闭合时，加载片与天线辐射臂通过耦合开关连为一个整体，天线阵列工作于紧耦合模式，可覆盖1.5GHz-10.1GHz频段；在耦合开关断开时，天线阵列工作于偶极子阵列模式，加载片与天线辐射臂断开，起加载作用，将偶极子输入阻抗调整为等于紧耦合模式的输入阻抗，使得天线工作于以16.5GHz左右为中心频点的13.6GHz-18.7GHz频段。
所述耦合开关为开关二极管。
本发明所提出的一种具有频率可重构能力的超宽带紧耦合天线阵包括天线辐射片、加载片、开关二极管、超宽带巴伦馈电线、渐变巴伦地板、介质匹配层、反射地板、同轴馈线、天线介质基板和反射地介质基板。所述介质匹配层位于天线辐射片上方。所述超宽带巴伦馈电线分为垂直段和水平段。所述天线辐射片、垂直段超宽带巴伦馈电线、渐变巴伦地板与加载片附着在天线介质基板上。所述水平段超宽带巴伦馈电线和反射地板附着在反射地介质基板上。所述天线介质基板和反射地基板通过直插方式固定，双方呈垂直关系，印制于天线介质基板的垂直段超宽带巴伦馈电线和渐变巴伦地板分别与印制于反射地基板两侧的水平段超宽带巴伦馈电线和反射地板焊接在一起。所述同轴馈线实现超宽带巴伦的馈电。
本发明具有以下创新：
本发明提出了一种拓宽紧耦合天线有源驻波带宽的方案。结合紧耦合天线及偶极子阵列的特点，通过开关二极管的通断，实现频率可重构，进而实现天线低插损、超宽带性能。设计了一款具有频率可重构能力的超宽带紧耦合天线阵列，仿真结果表明本发明所提出的频率可重构阵列可以工作于L/S/C/X/Ku频段。
附图说明
为了更清楚的说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图做简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来见，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明紧耦合天线阵全视图；
图2为本发明紧耦合天线单元全视图,a为正面视图，b为背面视图；
图3为本发明紧耦合天线阵局部俯视图；
图4为本发明紧耦合天线阵局部主视图；
图5为本发明紧耦合天线阵局部后视图；
图6为本发明紧耦合天线阵紧耦合模式下有源驻波；
图7为本发明紧耦合天线阵偶极子阵列模式下有源驻波；
附图标记：
1-介质匹配层；2-天线辐射贴片；3-超宽带巴伦；4-介质基板；5-同轴电缆；6-开关二极管；
21-第一天线辐射贴片；22-第二天线辐射贴片；23-第一加载片；24-第二加载片；
31-超宽带巴伦馈电线垂直段；32-超宽带巴伦馈电线水平段；33-渐变巴伦地板；
41-天线介质基板；42-反射地介质基板；
61-第一开关二极管；62-第二开关二极管。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“水平”、“垂直”、“上”、“下”、“正面”、“背面”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定；
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“直插”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1、图2、图3所示，本发明所提供的一种频率可重构紧耦合天线阵列，包括介质匹配层1和天线辐射贴片2，天线辐射贴片分别印制于天线介质板41两侧，分别为第一天线辐射贴片21和第二天线辐射贴片22，通过位于天线介质基板41两侧的第一开关二极管61和第二开关二极管62，分别与两侧的第一加载片23和第二加载片24连接在一起，超宽带巴伦馈电线分为垂直段31和水平段32，分别印制于天线介质基板和反射地介质基板上，反射地介质基板另一侧全部为厚度为17μm的铜层作为反射地。超宽带巴伦馈电线垂直段31顶端与第一天线辐射贴片21连接在一起，底端与水平段32连接在一起，水平段32通过同轴电缆5馈电。介质匹配层为厚度5.3mm的POM，介电常数为2.25。天线介质基板41与反射地介质基板42均为厚度0.245mm的Taconic TLT,介电常数为2.55，两者直插呈垂直关系。
图1为一款10X10频率可重构紧耦合天线阵列，天线阵元间距设定为10.48mm，约为16.5GHz的0.6个波长，约为10.5GHz的0.36个波长，天线辐射片两个臂总长8.98mm，约为16.5GHz的半个波长，天线辐射片距离反射板高度为14mm，约为10.5GHz的0.49个波长，约为16.5GHz的0.77个波长。
图2为频率可重构紧耦合天线单元，为了更为清楚描述具体结构，将天线单元顶部介质匹配层隐去。图2分别从正面和背面两个视角展示天线单元。渐变巴伦地板33与垂直段超宽带巴伦馈电线31分别印制于天线介质基板41两侧，并与印制于反射地介质地板底部覆铜层焊接。
如图3所示，当开关二极管61和62接通时，相当于第一天线辐射片21与第一加载片23、第二天线辐射片22与第二加载片24连接在一起，第一加载片23与第二加载片24相当于天线辐射贴片的作用，增强天线单元之间的互耦，此时天线阵列工作于紧耦合模式。当开关二极管61和62断开时，相当于第一天线辐射片21与第一加载片23、第二天线辐射片22与第二加载片24断开，第一加载片23与第二加载片24起加载作用，此时天线阵列工作于偶极子阵列模式。
如图4所示为紧耦合天线阵列的局部主视图，垂直段超宽带巴伦馈电线31和水平段超宽带巴伦馈电线32为梯形渐变线结构，其作用为将天线输入阻抗转换为50欧姆，通过控制两段超宽带巴伦馈电线长度控制渐变线宽度变化率，使得超宽带巴伦馈电线可覆盖天线紧耦合模式和偶极子阵列模式频段。
如图5所示为紧耦合天线阵列的局部后视图，渐变巴伦地板33宽度的函数表达式为其中d∈[0,h]，d表示与天线辐射贴片的距离，Wup表示天线输入阻抗对应的微带线宽度，Wdown表示渐变巴伦地板底部宽度，h表示渐变巴伦地板总长度。渐变巴伦地板实现了从双线到微带线结构的变化，起到平衡馈电作用。
如图2、图3、图4、图5所示，本发明本实施例中所提出的频率可重构紧耦合天线结构并不局限于图1所提出的10X10阵列，其适用于任意阵元个数的二维紧耦合阵列。本发明所提出的阵元间距与剖面高度都与波长有关，因此其并不限于本发明实施例中的L/S/C/X/Ku频段，将本发明中提出的结构尺寸等比例的增加或减小，可以实现不同频段的超宽带性能。本发明频率可重构设计思路是，结合紧耦合天线及偶极子阵列的特点，首先设计一款紧耦合天线，在上述波长比例下保证其紧耦合模式可以正常工作，然后通过在天线辐射片上添加开关二极管来控制天线辐射片长度，进而通过切断开关二极管截断天线辐射片上的电流使得天线阵列可工作于偶极子阵列模式。因此本发明并不限于L/S/C/X/Ku频段，经过验证可适用于任意频段。
如图6、图7所示，本发明实例在紧耦合工作模式下，1.5GHz-10.1GHz频段内有源驻波均小于2，在偶极子阵列工作模式下，在13.6GHz-18.7GHz频段内有源驻波均小于2。在两个工作模式中均具有优良的有源匹配特性，可以覆盖或部分覆盖L/S/C/X/Ku频段。
最后应当说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行同等替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案本质脱离本发明各实施例技术方案范畴。
Claims (7)
1.一种超宽带紧耦合天线阵列，包括成阵列布置的天线阵元，每个天线阵元包括辐射单元以及馈电单元，其特征在于：
所述辐射单元包括天线辐射片、加载片以及耦合开关；所述天线辐射片通过所述耦合开关与所述加载片连接，所述耦合开关在连通时，天线辐射片和加载片耦合使天线阵列工作于紧耦合模式；所述耦合开关在断开时，天线辐射片和加载片断开使天线阵列工作于偶极子阵列模式；
所述馈电单元包括超宽带巴伦馈电线以及同轴馈线；所述超宽带巴伦馈电线一端与所述天线辐射片连接，超宽带巴伦馈电线另一端与所述同轴馈线连接；
所述辐射单元包括天线介质基板，天线辐射片、加载片以及耦合开关设置在所述天线介质基板的两侧；
所述超宽带巴伦馈电线包括垂直段和水平段；垂直段顶端与天线辐射贴片连接在一起，垂直段底端与水平段连接在一起；水平段通过同轴馈线馈电；
超宽带巴伦馈电线的垂直段和水平段均为用于实现阻抗匹配的梯形渐变线结构，通过调节渐变线的斜率，使得超宽带巴伦馈电线可以覆盖L/S/C/X/Ku频段，其斜率k满足公式：
k＝0.5(W50Ω-Wup)/(lVbalun+lHbalun)
其中，lVbalun表示超宽带馈电巴伦垂直段长度，lHbalun表示超宽带馈电巴伦水平段长度，W50Ω表示50Ω对应微带线宽，Wup表示天线输入阻抗对应的微带线宽度。
2.根据权利要求1所述的超宽带紧耦合天线阵列，其特征在于：在所述辐射单元上设置有一介质匹配层。
3.根据权利要求2所述的超宽带紧耦合天线阵列，其特征在于：渐变巴伦地板宽度Wgnd为：
其中，d∈[0,h]，d表示与天线辐射贴片的距离，Wdown表示渐变巴伦地板底部宽度，h表示渐变巴伦地板总长度。
4.根据权利要求3所述的一种超宽带紧耦合天线阵列，其特征在于：所述天线辐射片、超宽带巴伦馈电线的垂直段、渐变巴伦地板与加载片为附着在天线介质基板上的厚度为17μm的铜层；所述超宽带巴伦馈电线的水平段和反射地板为附着在反射地介质基板的厚度为17μm的铜层；所述天线介质基板和反射地基板均为厚度为0.254mm的Taconic TLT,介电常数为2.55；所述天线介质基板和反射地基板通过直插方式固定，双方呈垂直关系；所述介质匹配层为厚度5.3mm的POM，介电常数为2.25。
5.根据权利要求4所述的一种超宽带紧耦合天线阵列，其特征在于：天线阵元间距设定为10.48mm，天线辐射片两个臂总长8.98mm，天线辐射片距离反射板高度为14mm；在耦合开关闭合时，加载片与天线辐射臂通过耦合开关连为一个整体，天线阵列工作于紧耦合模式，可覆盖1.5GHz-10.1GHz频段；在耦合开关断开时，天线阵列工作于偶极子阵列模式，加载片与天线辐射臂断开，起加载作用，将偶极子输入阻抗调整为等于紧耦合模式的输入阻抗，使得天线工作于以16.5GHz左右为中心频点的13.6GHz-18.7GHz频段。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种超宽带紧耦合天线阵列，其特征在于：所述耦合开关为开关二极管。
7.一种天线设备，其特征在于，采用权利要求1-6任一所述超宽带紧耦合天线阵列。
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