CN111969312A - 一种天线阵列 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种天线阵列，包括：介质板；地板；至少两个天线单元，所述天线单元设置在所述介质板上，通过所述地板互相连接；在相邻两个所述天线单元之间的所述地板上开设的多条地缝；梳状件，所述梳状件与所述地缝形成互补结构。通过设置地缝和梳状件，能有效地阻碍地板上的电流流动，以提高相邻的两个天线单元间的隔离度，起到对天线阵列解耦的效果并提高天线阵列的定向辐射增益。

Description

一种天线阵列
技术领域
本申请涉及天线技术领域，具体而言，涉及一种天线阵列。
背景技术
天线宽带解耦技术要求在宽带范围内设计符合阻抗匹配、隔离度、增益等性能的解耦结构。在设置解耦结构之前，多个天线单元近距离排布会对天线阵列的性能造成影响，可能会引起阻抗失配、方向图畸变、副瓣电平增大、扫描盲点等问题，从而降低天线阵列的定向增益。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种天线阵列，用以在兼顾有效解耦的同时，保证天线阵列的定向增益。
第一方面，本发明实施例提供一种天线阵列，包括：介质板；地板；至少两个天线单元，所述天线单元设置在所述介质板上，通过所述地板互相连接；在相邻两个所述天线单元之间的所述地板上开设有多条地缝；梳状件，所述梳状件与所述地缝形成互补结构。
通过设置地缝和梳状件，能有效地阻碍地板上的电流流动，以提高相邻的两个天线单元间的隔离度，起到对天线阵列解耦的效果并提高天线阵列的定向辐射增益。
在可选的实施方式中，所述天线单元包括：无源振子和驱动振子，设置在所述介质板上；微带槽线转换结构，位于所述地板上。
在可选的实施方式中，所述天线阵列还包括：隔离器；所述隔离器设置在两个相邻的所述天线单元的驱动振子之间。
在可选的实施方式中，所述隔离器为准I型隔离器。
在可选的实施方式中，所述准I型隔离器由一个水平设置的短截线和一个倒T型微带线组成，所述倒T型微带线包括横向延伸部和纵向延伸部，所述横向延伸部与所述短截线以及所述无源振子平行，所述纵向延伸部设置在两个相邻的所述天线单元的驱动振子之间。
通过设置隔离器可以有效地抵消相邻两个天线单元中的谐振。
在可选的实施方式中，所述微带槽线转换结构包括设置在天线阵列正面的微带槽线和槽线匹配孔，以及设置在天线阵列背面的微带线和开路枝节。
在可选的实施方式中，所述微带槽线的形状为阶梯形或指数渐变形。
通过设置合适形状的馈电巴伦，使得天线阵列具有合适的阻抗匹配。
在可选的实施方式中，所述介质板为环氧玻璃布板或聚酰亚胺双面覆铜板。
在可选的实施方式中，所述介质板的相对介电常数为4.2-4.7。
在可选的实施方式中，所述介质板的损耗角正切值为0.001-0.02。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，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相关的附图。
图1为本申请实施例提供的一种天线阵列的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种微带槽线转换结构的示意图；
图3为本申请实施例提供的一种地缝与梳状件的结构示意图；
图4为本申请实施例提供的另一种天线阵列的示意图；
图5为本申请实施例提供的四种天线阵列的结构示意图；
图6为本申请实施例提供的天线阵列1及地缝、梳状件和隔离器的带标尺示意图；
图7为本申请实施例提供的四种天线阵列的性能指标曲线图；
图8为本申请实施例提供的天线阵列在5GHz、7.5GHz和10GHz三个频点处的归一化方向图。
图标：10-天线阵列；101-介质板；102-地板；103-天线单元；104-地缝；105-梳状件；106-隔离器；1031-无源振子；1032-驱动振子；1033-微带槽线转换结构；201-微带槽线；202-槽线匹配孔；203-开路枝节；204-微带线。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。
现有的宽带解耦技术主要有：极化正交排布、地缝枝节结构、电流中和线、内置解耦网络、人工电磁材料。上述宽带解耦技术主要存在以下缺点：(1)极化正交排布，单一方法无法获得高隔离度，且不适用于平行极化的情形；(2)地缝枝节结构，破坏了地板的完整性，易造成大的后向辐射；(3)电流中和线，对于其插入天线阵列的位置需要精确选择，且当有多条中和线时设计难度大；(4)内置解耦网络，需要对单个天线重新设计匹配网络实现端口的阻抗匹配，设计过程复杂；(5)人工电磁材料，需要结构周期化保证阻带特性，无法适用于小间距阵列。
天线宽带解耦技术要求在宽带范围内设计符合阻抗匹配、隔离度、增益等性能的解耦结构。在设置解耦结构之前，多个天线单元近距离排布会对天线阵列的性能造成影响，可能会引起阻抗失配、方向图畸变、副瓣电平增大、扫描盲点等问题，从而降低天线阵列的定向增益。
基于此，本申请的发明人提供一种天线阵列，在兼顾有效解耦的同时，保证天线阵列的定向增益，以避免上述问题。
请参阅图1，图1为本申请实施例提供的一种天线阵列的结构示意图。在本实施例中，天线阵列10可以包括：介质板101、地板102、至少两个天线单元103和梳状件105。
介质板101采用绝缘材料制成。作为一种可选的实施方式，介质板101可以为环氧玻璃布板或聚酰亚胺基板。作为一种可选的实施方式，介质板101的相对介电常数为4.2-4.7。作为一种可选的实施方式，介质板101的损耗角正切值为0.001-0.02。
地板102，天线单元103及梳状件105均采用导电材料制成，且均设置在介质板101上。
在本实施例中，天线单元103均与地板102连接，并通过地板102相互连接。其中，天线单元103可以包括无源振子1031、驱动振子1032和微带槽线转换结构1033。
无源振子1031和驱动振子1032设置在介质板101上。本实施例中，无源振子1031，驱动振子1032，地板102及梳状件105位于介质板101的同一表面。图1所示实施例中，无源振子1031及驱动振子1032位于地板102的同一侧。无源振子1031相较于驱动振子1032远离地板102。驱动振子1032位于无源振子1031与地板102之间。驱动振子1032靠近无源振子1031的一侧，与无源振子1031之间留有空隙；驱动振子1032远离无源振子1031的一侧，与地板102连接。
请参阅图2，图2为本申请实施例提供的一种微带槽线转换结构的示意图。微带槽线转换结构1033包括设置在天线阵列正面的微带槽线201和槽线匹配孔202和设置在天线阵列背面的开路枝节203和微带线204。本实施例中，天线阵列正面是指地板102，梳状件105，无源振子1031及驱动振子1032所在的介质板101的表面。相应地，天线阵列背面是指介质板101与天线阵列正面相背的表面。微带槽线201和槽线匹配孔202均位于地板102上，处于驱动振子1032远离无源振子1031的一侧。微带槽线201开设在地板102上，一端延伸至地板102的边缘，另一端与槽线匹配孔202连通。在介质板101的背面对应位置，设置有开路枝节203和微带线204，开路枝节203与微带线204连接。
作为一种可选的实施方式，微带槽线201的形状为阶梯形或指数渐变形。相应的，微带线204的形状也为阶梯形或指数渐变形。需要说明的是，微带槽线201的形状可以根据天线阵列的实际工作参数设置，本申请不以此为限。
在本实施例中，地板102位于相邻两个天线单元103之间的位置设置有多条地缝104(缝隙)。通过在相邻的两个天线单元103之间的地板上设置多条缝隙，根据缝隙的带阻和慢波特性，阻碍地板102上的电流流动，以提高相邻的两个天线单元103间的隔离度，起到对天线阵列解耦的效果。
可选的，地缝104可以包括5条缝隙，每条缝隙竖直开设在相邻两个天线单元103之间的地板102上，缝隙两两互相平行。需要说明的是，本申请对缝隙的数量不做限定。本实施例中，地缝104关于相邻两天线单元103的中线轴对称。
在本实施例中，梳状件105与地缝104形成互补结构。请参阅图3，图3为本申请实施例提供的一种地缝与梳状件的结构示意图。如图3所示，在地板102上竖直开设了5条缝隙，作为地缝104。梳状件105对应地缝104中的5条缝隙，设置有5条竖直的金属条，再有一水平金属条将该5条竖直的金属条连接，形成以梳状结构。梳状件105的5条竖直的金属条对应插入地缝104的5条缝隙之间。通过设置梳状件105，并将梳状件105互补地设置在地缝104中，可以有效地提高天线阵列10的定向辐射增益。
在本实施例中，天线阵列10还可以包括隔离器106。隔离器106设置在两个相邻的天线单元103的驱动振子1032之间。隔离器106可以有效地抵消相邻两个天线单元103中的谐振。
作为一种可选的实施方式，隔离器106可以为准I型隔离器。请参阅图4，图4为本实施例提供的一种准I型隔离器的示意图。准I型隔离器由一个水平设置的短截线和一个倒T型微带线组成。倒T型微带线包括横向延伸部和纵向延伸部，横向延伸部与短截线以及无源振子1031平行，纵向延伸部设置在两个相邻的天线单元103的驱动振子1032之间。短截线与倒T型微带线之间留有空隙。
以下，结合具体示例，对本申请提供的天线阵列进行详细介绍。
第一种天线阵列，如图1所示，包括：介质板101、地板102、两个天线单元103和梳状件105。其中，天线单元103设置在介质板101上，通过地板102互相连接；在相邻两个天线单元103之间的地板102上开设有多条地缝104；梳状件105与地缝104形成互补结构。为方便后续说明，将该天线阵列称为天线阵列3。
第二种天线阵列，如图4所示，包括：介质板101、地板102、两个天线单元103、梳状件105和隔离器106。其中，天线单元103设置在介质板101上，通过地板102互相连接；在相邻两个天线单元103之间的地板102上开设有多条地缝104；梳状件105与地缝104形成互补结构；隔离器106为准I型隔离器，准I型隔离器由一个水平设置的短截线和一个倒T型微带线组成。为方便后续说明，将该天线阵列称为天线阵列4。
下面对比说明本申请中的天线阵列与现有技术中的天线阵列的性能指标。
请参照图5，图5示出了现有技术中存在的两种天线阵列(图5中的天线阵列1以及天线阵列2)以及本申请实施例提供的两种天线阵列(图5中的天线阵列3以及天线阵列4)的结构示意图。
可以看出，天线阵列3与天线阵列4已经介绍过，在此不再赘述。天线阵列1与天线阵列4相比，区别在于没有设置地缝104、梳状件105以及隔离器106。天线阵列2与天线阵列4相比，区别在于只设置地缝104，没有设置梳状件105以及隔离器106。
请参阅图6，图6为天线阵列1及地缝104、梳状件105和隔离器106的带标尺示意图。
天线阵列1及地缝104、梳状件105以及隔离器106的相关尺寸表如下：
Figure BDA0002633230320000081
表1天线阵列的相关尺寸(单位：mm)
在天线阵列环境下，由于阻抗失配和互耦的存在，天线单元的增益函数可以表示为：
Figure BDA0002633230320000082
其中θ0为主辐射方向，Ae是天线单元的有效口径，Γ是有源反射系数。
天线单元的有源反射系数可以表示为：
Figure BDA0002633230320000083
其中n表示天线单元数目，Si,n表示从单元i到单元n的耦合系数，Sn,n表示反射系数，ai和ψi(θ0)分别表示单元i的激励幅度和相位。根据上述公式可知，有源反射系数与耦合系数紧密相关，当耦合系数越大时，有源反射系数也越大，进而导致天线单元的增益减小。因此，在设计解耦结构时，需要权衡耦合和增益之间的关系。当天线单元为2时，S1,1表示天线单元1的反射系数，S2,1表示天线单元1与天线单元2的耦合系数。
请参阅图7，图7为本申请实施例提供的四种天线阵列的性能指标曲线图。需要说明的是，图7中的Ant.1代表天线阵列1，Ant.2代表天线阵列2，Ant.3代表天线阵列3，Ant.4代表天线阵列4。
天线阵列阻抗带宽的判断依据为：表示天线单元1的反射系数S1,1小于-10dB。由图7可知，天线阵列1的阻抗带宽为4.7-10.6GHz，相对带宽为77.1％，天线单元1与天线单元2最大耦合值出现在6.7GHz处，达到了-14.1dB。同时，天线在整个工作带宽的增益大于3.5dBi。天线阵列1在阻抗带宽内，耦合系数均高于-20dB，因此，天线单元1与天线单元2之间的耦合系数较大，需要设计解耦结构以降低天线单元1与天线单元2之间的耦合系数。
针对天线阵列2，天线阵列2在天线阵列1的基础上设置地缝104。由图7可知，天线阵列2的阻抗带宽为4.5-10.6GHz，即天线阵元的工作频段向低频处拓宽至4.5GHz。同时，在整个工作频段内耦合系数下降至-20dB以下，可见通过设置地缝104可以明显抑制天线单元1与天线单元2之间的耦合。但是，与天线阵列1相比，天线阵列2的定向增益明显降低，在各个工作频段上普遍低于6dBi。
针对天线阵列3，天线阵列3在天线阵列2的基础上还设置了梳状件105。由图7可知，天线阵列3的定向增益相比于天线阵列2有了较大的改善，在各个工作频段上普遍高于6dBi。但是在7.5GHz处产生一个明显的谐振，使得阵元间的耦合在该频率附近又相对地增大了，达到了-15dB。
基于上述问题，天线阵列4在天线单元1与天线单元2的驱动振子间加入了准I型隔离器来抵消这一谐振。由图6可知，天线阵元的工作频带进一步向低频拓宽至4.3GHz，使得整个阻抗匹配带宽达到4.3-10.6GHz，相对带宽达到84.6％，且天线单元1与天线单元2之间的耦合系数均低于-20dB。同时，天线阵列4的正向增益和天线阵列3的相近，与天线阵列1相比，在高频处略有提高。
请参阅图8，图8为本申请实施例提供的天线阵列1与天线阵列4在5GHz、7.5GHz和10GHz三个频点处的归一化方向图。需要说明的是，图7中的Ant.1代表天线阵列1，Ant.4代表天线阵列4。
如图8所示，图8给出了天线阵列1与天线阵列4在5GHz、7.5GHz和10GHz三个频点处的归一化方向图，根据方向图可知，天线阵列4与天线阵列1相比，具有较好的解耦能力。
综上所述，通过设置地缝和梳状件，使得天线阵列在兼顾有效解耦的同时，保证天线阵列的定向增益。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种天线阵列，其特征在于，包括：
介质板；
地板；
至少两个天线单元，所述天线单元设置在所述介质板上，通过所述地板互相连接；
在相邻两个所述天线单元之间的所述地板上开设有多条地缝；
梳状件，所述梳状件与所述地缝形成互补结构。
2.根据权利要求1所述的天线阵列，其特征在于，所述天线单元包括：
无源振子和驱动振子，设置在所述介质板上；
微带槽线转换结构，位于所述地板上。
3.根据权利要求2所述的天线阵列，其特征在于，所述天线阵列还包括：隔离器；
所述隔离器设置在两个相邻的所述天线单元的驱动振子之间。
4.根据权利要求3所述的天线阵列，其特征在于，所述隔离器为准I型隔离器。
5.根据权利要求4所述的天线阵列，其特征在于，所述准I型隔离器由一个水平设置的短截线和一个倒T型微带线组成，所述倒T型微带线包括横向延伸部和纵向延伸部，所述横向延伸部与所述短截线以及所述无源振子平行，所述纵向延伸部设置在两个相邻的所述天线单元的驱动振子之间。
6.根据权利要求2-5任一项所述的天线阵列，其特征在于，所述微带槽线转换结构包括设置在天线阵列正面的微带槽线和槽线匹配孔，以及设置在天线阵列背面的微带线和开路枝节。
7.根据权利要求6所述的天线阵列，其特征在于，所述微带槽线的形状为阶梯形或指数渐变形。
8.根据权利要求1-5任一项所述的天线阵列，其特征在于，所述介质板为环氧玻璃布板或聚酰亚胺双面覆铜板。
9.根据权利要求1-5任一项所述的天线阵列，其特征在于，所述介质板的相对介电常数为4.2-4.7。
10.根据权利要求1-5任一项所述的天线阵列，其特征在于，所述介质板的损耗角正切值为0.001-0.02。
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