CN113675621B - 加载电流环的紧耦合阵列天线及天线单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种加载电流环的紧耦合阵列天线及天线单元。该阵列天线包括按照阵列排布的若干个天线单元，每相邻两个天线单元的E面之间形成紧耦合机制，确保两个相邻天线单元的电流幅度趋于恒定，相位趋于平滑渐变，相当于借用了邻近单元结构扩展了本单元的电长度，使阵列天线在低频段具有良好的匹配特性，实现以小尺寸辐射低频，同时每个天线单元的辐射主体部分与地板之间通过接地带和巴伦连接，从而构成电流环，电流环将未通过口面辐射出去的电流利用起来形成磁振子，与天线本身的电振子构成互补，不仅能消除谐振，而且能进一步增强辐射能力。

Description

加载电流环的紧耦合阵列天线及天线单元

技术领域

本发明涉及超宽谱脉冲辐射天线，具体涉及一种加载电流环的紧耦合阵列天线及天线单元。

背景技术

超宽谱电磁脉冲通常指脉冲前沿或者脉冲宽度在亚纳秒（10^-10s）量级、频谱范围在数十MHz至数GHz范围内的瞬态电磁脉冲，在目标探测、目标识别、电磁兼容、生物医学等许多领域得到了广泛应用。超宽带阵列天线是超宽谱电磁脉冲系统的核心部件，其作用是将脉冲源产生的超宽谱脉冲以一定波束宽度辐射到指定区域。

超宽带阵列天线的小型化是超宽谱电磁脉冲系统迈向实际应用所必须解决的问题。由于超宽谱脉冲具有丰富的频率成分，为了将脉冲低频分量有效辐射出去，目前采用的阵列天线尺寸较大，但是这一因素已成为限制超宽带天线小型化的主要瓶颈问题。

发明内容

为了解决现有超宽带阵列天线为了将脉冲低频分量有效辐射出去，使用的阵列天线尺寸较大的问题，本发明提出了一种加载电流环的紧耦合阵列天线，同时还提供了构成该阵列天线的天线单元。

本发明的具体技术方案是：

一种加载电流环的紧耦合阵列天线，包括按照阵列排布的若干个天线单元，每相邻两个天线单元的E面之间形成紧耦合机制，确保两个相邻天线单元的电流幅度趋于恒定，相位趋于平滑渐变；

每个天线单元的辐射主体部分与地板之间通过接地带和巴伦连接，从而构成电流环。

进一步地，上述紧耦合机制为两个相邻天线单元之间的E面具有间距，或者两个相邻天线单元的E面相互交指，或者两个相邻天线单元的E面相互重叠。

进一步地，上述辐射主体部分为Vivaldi天线形式或者偶极子天线形式。

同时，本发明还提供了两种用于构成上述阵列天线的天线单元；

第一种天线单元包括：导电金属制作的辐射主体部分、巴伦以及地板；辐射主体部分以及地板相互垂直；

辐射主体部分与地板之间设有接地带以及巴伦；辐射主体部分、地板、巴伦以及接地带构成电流环。

该天线单元中辐射主体部分采用Vivaldi天线形式或者偶极子天线形式。

第二种天线单元包括：导电金属制作的辐射主体部分、巴伦以及地板；辐射主体部分与地板相互平行；

辐射主体部分为偶极子天线形式；

辐射主体部分与地板之间垂直连接有接地带以及巴伦；辐射主体部分、地板、巴伦以及接地带构成电流环。

进一步地，上述两种天线单元中巴伦均采用渐变平行双线形式的结构。

进一步地，上述两种天线单元中导电金属采用金属铜。

本发明的有益效果是：

1、本发明的阵列天线，相邻天线单元采用紧耦合的形式紧密排列组阵，使阵列中相邻天线单元的电流幅度趋于恒定，相位趋于平滑渐变，相当于借用了邻近单元结构扩展了本单元的电长度，使阵列天线在低频段具有良好的匹配特性，实现以小尺寸辐射低频。

2、本发明中组成阵列天线的天线单元在其馈电臂边缘处加接地带，与“地”形成电流环，将未通过口面辐射出去的电流利用起来形成磁振子，与天线本身的电振子构成互补，不仅能消除谐振，而且能进一步增强辐射能力。

3、本发明中相邻两个天线单元通过紧耦合组阵方式，增强了低频辐射能力，同时结合加载电流环构成的磁振子，与辐射主体部分的电振子形成互补辐射，进一步增强了辐射能力。

附图说明

图1为现有非紧耦合天线阵列的示意图。

图2（a）天线单元长度L对驻波比的影响。

图2（b）天线单元在H面方向的组阵间距Harray对驻波比的影响。

图2（C）天线单元宽度W对驻波比的影响。

图3（a）是紧耦合方式为近间距时的示意图。

图3（b）是紧耦合方式为交指时的示意图。

图3（c）是紧耦合方式为重叠时 示意图。

图4为紧耦合阵列天线中电流分布示意图。

图5是第一种天线单元结构示意图，其中（a）为正面视图，（b）为背面视图。

图6是第二种天线单元结构示意图，其中（a）为正面视图，（b）为背面视图。

图7是第三种天线单元结构示意图，其中（a）为正面视图，（b）为背面视图。

图8是不同天线结构的驻波比对比图。

附图标记如下：

1-印制电路板、2-地板、3-辐射主体部分、4-巴伦、5-接地带。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有的阵列天线结构如图1所示，其驻波比存在谐振点，经模拟分析，如图2（a、）2（b）、2（c）所示，谐振点频率与天线单元长度L相关性较小，而与天线单元在H面方向的组阵间距Harray和天线宽度W相关性较大，即电流到天线单元边缘处，一部分继续沿H面方向传播，经该方向上相邻天线单元反射造成谐振点。

为了解决现有阵列天线存在的上述问题，本发明提供了一种加载电流环的紧耦合阵列天线，该阵列天线的结构为：

包括按照阵列排布的若干个天线单元，每相邻两个天线单元的E面之间形成紧耦合机制，（所谓紧耦合机制分为近间距、交指、部分重叠等方式），三种形式分别参见图3（a）、图3（b）和图3（c），从而使阵列天线中相邻天线单元的电流幅度趋于恒定，相位趋于平滑渐变，如图4所示，从而扩大了天线单元的电长度，使天线在低频段也有良好的匹配特性，可以实现小尺寸辐射低频。

其中，近间距实际为两个相邻天线单元的E面具有间距，使相邻天线单元之间构成耦合电容；

交指实际为两个相邻天线单元的E面相互交指；

重叠实际为两个相邻天线单元的E面具有相互重叠的部分。

同时，在每个天线单元的辐射主体部分与地板之间通过接地带和巴伦连接，从而构成电流环，该电流环将未通过口面辐射出去的电流利用起来形成磁振子，与辐射主体部分形成的电振子构成互补，通过优化设计电流环，调整电、磁流的相移，使电偶极矩与的磁偶极矩达到平衡条件，产生的低频辐射在天线辐射的主波束方向合成，而在主波束的后向相抵消，增强了天线的低频辐射能力。同时，对于单独的电振子或磁振子，其近区电场能量和磁场能量不等，二者的差值不能参与能量交换形成辐射波，将电振子和磁振子结合起来，使二者的能量差随频率等相位变化，从而增大天线的辐射能流密度，实现电磁振子互补辐射，进一步扩展辐射带宽，增强辐射能力。

为了更加清晰描述该阵列天线的结构，现结合附图对三种不同形式的天线单元进行介绍：

第一种结构形式

如图5所示，该天线单元包括印制电路板1和与印制电路板1垂直固连的地板2，其中，地板2为导电性能良好的金属材质，印制电路板1为高频电磁波衰减较小的介质板，介质板上的正面和背面均镀覆有为辐射主体部分3和巴伦4，辐射主体部分3采用Vivaldi天线形式，巴伦4采用渐变平行双线形式的结构；正面的辐射主体部分3与地板2之间设有接地带5；辐射主体部分3、地板2、巴伦4以及接地带5构成电流环，该电流环将未通过口面辐射出去的电流利用起来形成磁振子，与辐射主体部分3形成的电振子构成互补，进一步扩展辐射带宽，增强辐射能力。电流环的大小可通过调整接地带的宽度实现。

第二种结构形式

如图6所示，该天线单元包括印制电路板1和与印制电路板1垂直固连的地板2，其中，地板2为导电性能良好的金属材质，印制电路板1为高频电磁波衰减较小的介质板，介质板上的正面和背面均镀覆有为辐射主体部分，辐射主体部分3采用偶极子天线形式，巴伦4采用渐变平行双线形式的结构；正面的辐射主体部分3与地板2之间设有接地带5；辐射主体部分3、地板2、巴伦4以及接地带5构成电流环，该电流环将未通过口面辐射出去的电流利用起来形成磁振子，与辐射主体部分形成的电振子构成互补，进一步扩展辐射带宽，增强辐射能力。电流环的大小可通过调整接地带的宽度实现。

第三种结构形式

如图7所示，该天线单元包括印制电路板1和与印制电路板1平行设置的地板2；其中，地板2为导电性能良好的金属材质，印制电路板1为高频电磁波衰减较小的介质板，介质板上的上表面和下表面均镀覆有为辐射主体部分，辐射主体部分3采用偶极子天线形式；下表面的辐射主体部分3与地板2之间垂直连接有接地带5以及巴伦4；巴伦4采用渐变平行双线形式的结构；辐射主体部分3、地板2、巴伦4以及接地带5构成电流环，该电流环将未通过口面辐射出去的电流利用起来形成磁振子，与辐射主体部分形成的电振子构成互补，进一步扩展辐射带宽，增强辐射能力。电流环的大小可通过调整接地带的直径实现。

为了进一步验证本发明阵列天线的效果，以下提供了四种不同阵列天线的驻波比对比仿真试验；

四种不同阵列天线分别是：

A：紧耦合结合电流环的天线结构

B：紧耦合无电流环的天线结构

C：非紧耦合结合电流环的天线结构

D：非紧耦合无电流环的天线结构

如图8所示，A结构的天线工作时，由于单元天线紧密耦合，阵列中相邻单元的电流幅度趋于恒定，相位趋于平滑渐变，从而扩大了单元天线的电长度，天线在低频段具有良好的匹配特性，并且由于电流环的存在超宽谱电磁脉冲的一部分经过辐射主体部分，另一部分经过电流环，相当于一磁振子，与辐射主体部分的电振子构成互补，不仅能消除谐振，而且能进一步增强辐射能力。

B结构的天线工作时，未通过口面辐射出去的电流到天线单元边缘处，大部分电流耦合到相邻天线单元，少部分电流沿H面方向传播，经该方向上相邻天线单元反射造成谐振点，谐振点频率与H面方向的组阵间距相关。

C结构的天线工作时，未通过口面辐射出去的电流到天线单元边缘处，由于各单元之间是相互独立的，这部分电流全部反射回来，经接地带流入地板，形成电流环。但由于缺少单元天线间的紧耦合，辐射主体电振子自身的低频辐射能力有限，无法与电流环磁振子形成有效的互补辐射，即无法改善天线的低频辐射性能。

D结构的天线工作时，未通过口面辐射出去的电流到天线单元边缘处，由于各单元之间是相互独立的，这部分电流全部反射回来，导致电磁波尤其是低频电磁波无法辐射。

因此通过上述对比仿真试验可知，相比B、C、D结构，A结构中由于天线单元加载了电流环并且相邻天线单元之间为紧耦合布局，能够有效拓展低频辐射带宽，提升辐射能力，该天线结构性能最优。

Claims (7)

1.一种加载电流环的紧耦合阵列天线，包括按照阵列排布的若干个天线单元，其特征在于：

每相邻两个天线单元的E面之间形成紧耦合机制，确保两个相邻天线单元的电流幅度趋于恒定，相位趋于平滑渐变；

每个天线单元的辐射主体部分与地板之间通过接地带和巴伦连接，从而构成电流环；所述紧耦合机制为两个相邻天线单元之间的E面具有间距，或者两个相邻天线单元的E面相互交指，或者两个相邻天线单元的E面相互重叠；所述辐射主体部分为Vivaldi天线形式或者偶极子天线形式。

2.一种天线单元，其特征在于，用于构成如权利要求1所述阵列天线，该天线单元包括：导电金属制作的辐射主体部分、巴伦以及地板；辐射主体部分以及地板相互垂直；

辐射主体部分与地板之间设有接地带以及巴伦；辐射主体部分、地板、巴伦以及接地带构成电流环。

3.根据权利要求2所述的天线单元，其特征在于：所述巴伦采用渐变平行双线形式的结构。

4.根据权利要求3所述的天线单元，其特征在于：导电金属采用金属铜。

5.一种天线单元，其特征在于，用于构成如权利要求1所述阵列天线，该天线单元包括：导电金属制作的辐射主体部分、巴伦以及地板；辐射主体部分与地板相互平行；

辐射主体部分为偶极子天线形式；

辐射主体部分与地板之间垂直连接有接地带以及巴伦；辐射主体部分、地板、巴伦以及接地带构成电流环。

6.根据权利要求5所述的天线单元，其特征在于：所述巴伦采用渐变平行双线形式的结构。

7.根据权利要求5所述的天线单元，其特征在于：导电金属采用金属铜。