CN112886227A - 一种天线阵元及超宽带紧耦合天线阵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种天线阵元及超宽带紧耦合天线阵，其中天线阵元包括辐射单元、馈电单元以及反射地板，还包括一电感性加载结构，该电感性加载结构设置在所述辐射单元与反射地板之间，产生以抵消反射地板产生的短路效应的等效电感。本发明设计的紧耦合天线通过电感性加载结构在不引入损耗基础上使得阻抗带宽翻倍，且具有较高的辐射效率，阻抗带宽超过10个倍频程，辐射效率大于90%，在保证较高辐射频率的同时超过现阶段绝大多数天线阵列的相对带宽。

Description

一种天线阵元及超宽带紧耦合天线阵
技术领域
本发明涉及超宽带相控阵天线技术领域，尤其涉及一种加载电感性结构的紧耦合天线阵列。
背景技术
随着物联网及通信技术发展，在商业通信及探测领域，超宽带相控阵天线已受到广泛关注。未来电子设备，不仅需要感知周边环境信息，还需要对周边变化进行适应性改变，并将外界环境传达至不同终端，这就需要电子设备的天线需要工作于不同频段，以满足不同功能要求，且具有较高的辐射效率以感知更加完善的周边信息和更远的通信距离。如果将不同工作频率的天线集成至同一口径上，可以增加空间利用率，实现电子设备的小型化、轻量化，因此，需要具有一款满足功能需求的高辐射效率超宽带相控阵天线。
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，它采用的是两个电阻型频率选择表面及缺陷地结构实现超宽带特性，但是由于引入电阻型结构及缺陷地结构，会显著降低天线辐射效率且产生较大后瓣。
发明内容
本发明的目的是提供一种高辐射效率、超宽带的天线阵元及紧耦合天线阵列，克服现有超宽带相控阵天线阵列有源驻波带宽及辐射效率矛盾问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案为：
一种天线阵元，包括辐射单元、馈电单元以及反射地板，其特征在于：还包括一电感性加载结构，该电感性加载结构设置在所述辐射单元与反射地板之间，产生以抵消反射地板产生的短路效应的等效电感。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案为：一种超宽带紧耦合天线阵列，包括阵列布置的上述所述的天线阵元。
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并实现高辐射效率的方案。结合紧耦合天线等效电路模型，未加载电感性结构时，从天线输入端口处看向反射地板的输入阻抗为Zin＝jZ0tan(βh),其中Z0为空气的等效特性阻抗，β为电磁波波数，h为天线辐射面距离反射地板高度，当对应频率波长的一半等于天线距离反射地板高度时，Zin＝0，即反射地板对于天线馈电端口相当于短路，这会导致天线失配，因此传统紧耦合天线高频点取决于天线剖面高度。加载电感性结构时，从天线输入端口处看向反射地板的输入阻抗变为：
Figure BDA0002895485060000021
其中，ZL为加载结构结构等效阻抗，n为自然数，可以看到引入电感性结构时，带内(βh<2π)Zin≠0，即会破坏短路效应，将短路点移出带外，因而实现带宽加倍。经仿真验证，本发明天线有源驻波带宽为10：1，辐射效率高于90％，在保证较高辐射频率的同时超过现阶段绝大多数天线阵列的相对带宽。
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辐射层，其中a为俯视图，b为背视图。
图3为本发明紧耦合天线电感性加载层。
图4为本发明紧耦合天线单元的结构图，其中a为全视图，b为主视图。
图5为本发明紧耦合天线法向角度及E面30°、60°扫描角度下有源驻波。
图6为本发明紧耦合天线辐射效率。
附图标记：
1-介质匹配层；2-天线辐射层；3-超宽带巴伦层；4-电感性加载结构层；5-反射地板；
21-天线介质基板；22-第一机械孔；23-加载片；24-第一辐射臂；25-第二辐射臂；
31-超宽带巴伦地板；32-威尔金森功分器；33-隔离电阻；34-馈电端口；35-超宽带巴伦介质基板；41-第一电感性金属条；42-第二电感性金属条；43-第三电感性金属条；44-第四电感性金属条；45-短路金属条；46-加载结构介质基板；47-第二机械孔；48-第三机械孔。
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”、“X轴”、“Y轴”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所示，本发明所提供的一种加载电感性结构的紧耦合天线阵列，包括介质匹配层1、天线辐射贴片层2、超宽带巴伦层3、电感性加载结构层4和反射地板5，介质匹配层1位于天线辐射贴片层2上方，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。天线阵元间距设定为25mm，天线辐射片层与反射地板间距42mm，约为3.6GHz的半个波长。
介质匹配层为厚度16mm的PTFE，介电常数为2.2。天线介质基板为厚度0.254mm的Rogers 4350,介电常数为3.66；超宽带巴伦介质基板为两片厚度0.508mm的Rogers 4350，介电常数为3.66；加载结构介质基板与反射地介质基板为厚度0.508mm的Rogers 4350，介电常数为3.66。
图2为紧耦合天线辐射片层，包括俯视图2a及背视图2b。加载片23与第一辐射臂24、第二辐射臂25为附着在天线介质基板上的厚度为17μm厚度的覆铜层，分别印制于天线介质基板21两侧。第一机械孔22为天线介质基板上的机械通孔，用于固定连接于加载结构介质基板46上的第二机械孔47的塑料螺钉。
超宽带巴伦信号线、威尔金森功分器信号线与超宽带巴伦地板为附着在超宽带巴伦介质基板上的厚度为17μm的铜层；电感性加载结构为附着在加载结构介质基板上的厚度为17μm的铜层；反射地板为附着在反射地介质基板上的厚度为17μm的铜层。
图3为紧耦合天线电感性加载结构层，包括并联设置的至少两个电感性金属条和两个短路金属条。在一个实施例中，电感性金属条为四个，第一电感性金属条41、第二电感性金属条42、第三电感性金属条43与第四电感性金属条44沿Y轴延伸，两根短路金属条45位于四根电感性金属条两端，沿X轴延伸，组成“目”字结构。电感性金属条与短路金属条45印制于加载结构介质基板46上侧，超宽带巴伦地板31穿过位于加载结构介质基板46上的第三机械孔48。四个电感性金属条中长度最长等于天线阵元辐射片方向阵元距离，在保证等效电感值的条件下，电感性金属条长度可以不一致。
值得注意的是，实施例中，电感性结构(目字形)中四根电感性金属条是为了产生四个并联电感，以产生较小的总电感，此目字形结构也可以由其他低电感性结构代替，如电感性金属条线宽较宽条件下的口字形(两个电感性金属条)、日字形(三个电感性金属条)或者存在四个以上并联电感性金属条的结构。
如图4所示为紧耦合天线单元全视图4a及主视图4b，电感性加载结构层4通过超宽带巴伦介质基板35上的限位槽及第一机械孔22、第二机械孔47放置于天线辐射片层1与反射地板距离一半位置，超宽带巴伦地板31焊接于第一辐射臂24及第二辐射臂25，超宽带巴伦信号线另一端通过金属化过孔焊接于1分2威尔金森功分器32，威尔金森功分器32焊接三个200Ω隔离电阻33，馈电端口34焊接50Ω同轴电缆。隔离电阻为200Ω的贴片电阻。
如图5所示，为本发明紧耦合天线阵列在法向、E面30°、60°相扫角度下及未加载任何结构的传统紧耦合天线有源驻波对比，可以看到在三个扫描角度下本发明天线具有10：1的倍频程带宽，有源驻波小于3.5，而传统紧耦合天线收到反射地板的影响，在带内3.6GHz附近产生很大的谐振点，因此本发明紧耦合天线带宽几乎是传统紧耦合天线的两倍，具备优良的有源匹配特性及相扫特性。
如图6所示，为现有紧耦合天线与本发明加载电感性结构方案的紧耦合天线辐射效率对比，可以看到在整个带宽中，本发明天线辐射效率高于90％，且在大部分带宽中辐射效率高于95％，而现有方案的紧耦合天线辐射效率约70％-85％，整个带宽内本发明紧耦合天线比加载电阻性结构方案高10％以上，具备较高的辐射效率。
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 (9)

1.一种天线阵元，包括辐射单元、馈电单元以及反射地板，其特征在于：还包括一电感性加载结构，该电感性加载结构设置在所述辐射单元与反射地板之间，产生以抵消反射地板产生的短路效应的等效电感。
2.根据权利要求1所述的天线阵元，其特征在于：所述辐射单元包括天线辐射片，所示电感性加载结构位于所述天线辐射片与反射地板之间。
3.根据权利要求1所述的天线阵元，其特征在于：所述电感性加载结构印制于加载结构介质基板上侧，所述电感性加载结构包括至少两条并联的电感性金属条以及位于电感性金属条两端的短路金属条，相互并联的电感性金属条单元具有相同的等效电感值。
4.根据权利要求1所述的天线阵元，其特征在于：所述辐射单元包括天线辐射片及加载片；所述馈电单元包括超宽带馈电巴伦与功分器，所述超宽带馈电巴伦一端焊接天线辐射片，所述超宽带馈电巴伦另一端连接功分器。
5.根据权利要求1所述的天线阵元，其特征在于：所述功分器为威尔金森功分器，所述威尔金森功分器将两个天线阵元合二为一。
6.一种超宽带紧耦合天线阵列，其特征在于：包括阵列布置的如权利要求1-5任一所述的天线阵元。
7.根据权利要求6所述的超宽带紧耦合天线阵列，其特征在于：所述辐射单元包括天线介质基板、天线辐射片及加载片，所述天线辐射片及加载片印制于所述天线介质基板的两侧，所述天线辐射片包括第一辐射臂及第二辐射臂。
8.根据权利要求7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。
9.根据权利要求7所述的超宽带紧耦合天线阵列，其特征在于：所述馈电单元的超宽带馈电巴伦为带状线结构，所述馈电单元的的功分器为微带线结构，所述超宽带馈电巴伦信号线与所述功分器信号线通过金属化过孔短路，所述超宽带馈电巴伦两侧地板与第一辐射臂和第二辐射臂焊接，所述超宽带馈电巴伦与所述辐射单元互相垂直。
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