CN114512827A - 一种超宽带斜45度极化紧耦合阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超宽带斜45度极化紧耦合阵列天线,主要解决现有技术天线频带较窄的问题。其包括多个周期性排布的天线阵元,每个天线阵元由正交放置的水平极化和垂直极化偶极子天线组成,偶极子天线包括辐射单元及馈电单元,辐射单元包括介质板(1)、频率选择表面(2)、偶极子辐射片(3)、短路枝节(4),偶极子辐射片位于介质板两侧,短路枝节位于偶极子辐射片与地板中间;馈电单元包括馈电巴伦(6)、功分器(7)和地板(8),该馈电巴伦采用指数渐变巴伦,其包括微带馈线和指数渐变接地板,微带馈线采用固定特性阻抗,且上端与偶极子辐射片连接,下端与一分二的T型功分器连接。本发明结构简单、频带宽,可用于通信系统发射前端。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域,尤其涉及一种超宽带斜45度极化紧耦合阵列天线,可用于通信系统发射前端。
背景技术
现代无线通信技术正在飞快发展,天线作为无线系统的收发设备,是通信系统中不可缺少的一部分。随着MIMO、5G和6G技术的进步和成熟,对天线也提出了更高的要求,即宽频带、低剖面、小型化。传统阵列天线很难实现这些更高的要求,因而超宽带天线逐渐成为天线领域的研究热点。最初由Wheeler教授在1965年首次提出的紧耦合天线是利用天线单元之间的互耦来实现超宽带,其具有频带宽、易小型化、易共型、易集成的优点被广泛应用。此外,紧耦合天线还可以结合多极化技术、电磁超材料和宽带巴伦技术组成超宽带天线阵列。
将天线单元按设定的排列方式进行组阵,可以得到更高的增益、更强的方向性、更宽的扫描角度以及更小的副瓣。传统的弱耦合天线在组阵时必须要考虑天线阵元的栅瓣和互耦等问题。为了避免天线阵列出现较大的栅瓣,通常要减小天线阵元之间的距离,然而当天线阵元之间的距离过小时,天线阵元之间的互耦就会加强,通常采用在天线阵子之间加隔板或其他方法来减小天线之间的互耦,但这样会使天线阵列的结构变复杂,增加设计难度和加工成本、不易于阵列天线的集成。紧耦合天线利用天线之间的互耦,通过在两个阵子之间的耦合形成耦合电容,抵消偶极子在低频部分形成的电抗,拓展天线工作的频率,实现超宽带。由紧耦合天线组阵形成的天线阵列可以从根本上避免互耦的问题。研究紧耦合天线以及紧耦合阵列,对于促进超宽带天线和超宽带阵列的发展具有重要意义。
申请号为202010576714.2的专利文献公开了一种超宽带紧耦合天线阵列及天线设备,该天线阵列由多个天线阵元排列组合形成,每个天线阵元由辐射单元和馈电单元组成如图1所示,其辐射单元由辐射片、耦合开关和反射地板构成。耦合开关为开关二极管,当耦合开关联通时,天线阵列工作于紧耦合天线阵列模式,当耦合开关断开时,天线阵列工作于印刷偶极子阵列模式。馈电单元包括巴伦馈电线和同轴馈线,巴伦馈电线采用梯形渐变线结构,对其上端连接的天线辐射片和下端连接的同轴馈线进行馈电。由于梯形渐变线结构巴伦在馈电时需要进行阻抗变换,会影响巴伦的工作带宽,进而影响天线的工作带宽,使得该紧耦合天线阵列的工作带宽较窄,即在紧耦合阵列工作方式下工作带宽为1.5-10.1GHz,在印刷偶极子阵列工作方式下带宽为13.6-18.7GHz。
申请号为202110584756.5的专利文献提出低剖面宽带宽角扫描紧耦合天线单元及阵列,如图2所示。其采用加载V型开口环和介质匹配层结构,实现低剖面和宽角度扫描。天线单元包括V型开口环、介质匹配层、天线辐射片、超宽带巴伦和反射地板。反射地板会对天线的输入阻抗产生感抗,引入介质匹配层产生的容抗可以抵消反射地板产生的感抗。该天线阵列通过减小介质匹配层的厚度实现低剖面,但减小介质匹配层的厚度削弱了对反射地板产生感抗的抵消作用,为了加强反射地板产生感抗的抵消作用,又引入会产生容抗的V型开口环进行电容补偿加载。结构复杂,且由于V型开口环、介质匹配层、天线辐射片、超宽带巴伦之间无法形成很好的匹配,使得天线的工作带宽仅三个倍频程,即为6-18GHz,不能满足多功能通信系统需求。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足,提供一种超宽带斜45度极化紧耦合阵列天线,以展宽天线频带,提高天线稳定性、并简化天线结构,便于加工。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种超宽带斜45度极化紧耦合阵列天线,包括多个周期性排布的斜45度极化天线阵元,每个斜45度极化天线阵元由正交放置的水平极化天线和垂直极化偶极子天线等幅同相馈电合成斜45度极化,每个偶极子天线包括辐射单元以及馈电单元,每个辐射单元包括介质板1、频率选择表面2、偶极子辐射片3、短路枝节4、电阻5;每个馈电单元包括馈电巴伦6和地板8,其特征在于:
所述馈电巴伦6采用指数渐变巴伦,其包括微带馈线61和指数渐变接地板62,该微带馈线61采用100Ω固定特性阻抗,且上端与偶极子辐射片3连接,下端连接有功分器7;
所述功分器7为一分二的T型功分器,用于将正交放置的水平极化和垂直极化偶极子单元合二为一,该功分器的第一端口P1为输入端口,其采用50Ω的微带传输线,第二端口P2和第三端口P3为输出端口,其采用100Ω的微带传输线,且第二端口P2接水平极化偶极子单元的巴伦微带馈线下端,第三端口P3接垂直极化偶极子单元的巴伦微带馈线下端,以避免微带线的阻抗变换,自然形成覆盖多倍频程的馈电结构。
进一步,所述偶极子辐射片3位于介质板1的两侧,且末端形成紧耦合结构。
进一步,所述频率选择表面2为周期性排布的矩形贴片,平行放置于辐射片3上方。
进一步,所述短路枝节4位于地板8和偶极子辐射片3之间,所述电阻5,采用50Ω贴片电阻,其位于短路枝节4的中间,以减小短路线上的电流并加强对带内谐振的抑制效果。
进一步,所述指数渐变接地板62的高度y按如下公式渐变:
其中,h0表示偶极子辐射片3的高度,w1、w2分别为指数渐变线顶部和底部的长度,a表示指数渐变曲线的曲率。
本发明与现有技术相比具有如下优点:
1.本发明馈电单元的馈电巴伦微带馈线采用100Ω固定特性阻抗对偶极子辐射片进行馈电,由于该微带馈线的阻抗与偶极子辐射片的阻抗相近,因此避免了微带馈线自身的阻抗变换和微带馈线与偶极子辐射片之间的阻抗变换。
2.本发明由于馈电单元采用一分二的T型功分器,输入端口采用50Ω的微带传输线,输出端口采用100Ω的微带传输线,自然形成覆盖多倍频程的馈电结构,避免了功分器自身的阻抗变换,实现了天线的10倍频工作带宽,即天线的带宽为2-20GHz。
3.本发明由于将功分器与馈电巴伦配合使用,因而不需要额外增加吸波层和匹配层,简化了天线结构、便于加工,同时不需要考虑吸波层和匹配层的固定问题,提高了天线稳定性。
附图说明
图1为现有申请号为202010576714.2的专利文献公开的天线模型;
图2为现有申请号为202110584756.5的专利文献公开的天线模型;
图3为本发明的整体结构示意图;
图4为图3的侧视图;
图5为本发明中的天线阵子单元结构示意图;
图6为本发明中的馈电巴伦结构示意图;
图7为本发明中的功分器结构示意图;
图8为本发明的阵列阵元在2-20GHz频带范围内的驻波曲线图;
图9为本发明的阵列阵元在频率为2GHz时,E面和H面方向图;
图10为本发明的阵列阵元在频率为10GHz时,E面和H面方向图;
图11为本发明的阵列阵元在频率为20GHz时,E面和H面方向图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例和效果进行详细描述:
参照图3和图4,本实例的斜45度天线阵由N个天线阵元组成N≥3,本实例取3但不限于N=3。天线阵元间距设为最高频率20GHz的半个自由空间波长,即8.5mm。
参照图5,每个斜45度极化天线阵元包括正交放置的水平极化天线和垂直极化偶极子天线,该正交放置的水平极化天线与垂直极化偶极子天线通过等幅同相馈电,合成斜45度极化阵元,每个天线包括辐射单元以及馈电单元。
所述每个辐射单元包括介质板1、频率选择表面2、偶极子辐射片3、短路枝节4、电阻5;其中,介质板1采用介电常数为3.45、厚度为0.508mm的罗杰斯RO4350B板,偶极子辐射片3位于介质板1的两侧,偶极子辐射片3的长度根据天线工作最高频率的设定,约为天线工作最高频率的四分之一波长,两个偶极子辐射片形成紧耦合结构。频率选择表面2为5个矩形贴片,按0.2mm的周期性排布,平行放置于偶极子辐射片3的上方。短路枝节4位于地板8和偶极子辐射片3之间,其上端接偶极子辐射片3,下端连接地板8。电阻5采用50Ω贴片电阻,位于短路枝节4的中间,以减小短路枝节4的电流并加强对带内谐振的抑制效果,偶极子辐射片3下端连接馈电单元。
所述每个馈电单元包括馈电巴伦6、功分器7和地板8,其中馈电巴伦6与功分器7均位于地板8上方。馈电巴伦6包括微带馈线61和接地板62,微带馈线61上端连接偶极子辐射片3,下端与功分器7相连;接地板62上端连接偶极子辐射片3,下端与地板8相连。
参照图6,所述馈电巴伦6中的微带馈线61采用100Ω固定特性阻抗,接地板62采用指数渐变接地板,该指数渐变接地板62的高度y按如下公式渐变:
其中,h0表示偶极子辐射片3的高度,w1、w2分别为指数渐变线顶部和底部的长度,a表示指数渐变曲线的曲率。
参照图7,所述功分器7采用为一分二T型功分器,该一分二T型功分器7的输入端口P1采用50Ω的微带传输线,两个输出端口P2端口和P3端口采用100Ω的传输线。这种结构避免了功分器自身的阻抗变换,可以自然形成覆盖多倍频程的馈电结构。
本发明的效果可以通过以下仿真实验进一步说明:
一.仿真软件:采用高频结构仿真HFSS
二.仿真内容
仿真1,利用仿真软件对本发明的紧耦合阵列天线阵元,仿真其在2-20GHz频带范围内的驻波曲线,结果如图8,由图8可见,天线阵元在2-20GHz频带驻波小于2.5。
仿真2,利用仿真软件对本发明的阵列阵元在频率为2GHz时的E面和H面方向图进行仿真,结果如图9。
仿真3,利用仿真软件对本发明的阵列阵元在频率为10GHz时的E面和H面方向图进行仿真,结果如图10。
仿真4,利用仿真软件对本发明的阵列阵元在频率为20GHz时的E面和H面方向图进行仿真,结果如图11。
由图9、图10、图11可以看出本发明天线具有很强的方向性,且随着频率升高,天线的增益也逐渐变大。
Claims (5)
1.一种超宽带斜45度极化紧耦合阵列天线,包括多个周期性排布的斜45度极化天线阵元,每个斜45度极化天线阵元由正交放置的水平极化天线和垂直极化偶极子天线等幅同相馈电合成斜45度极化,每个偶极子天线包括辐射单元以及馈电单元,每个辐射单元包括介质板(1)、频率选择表面(2)、偶极子辐射片(3)、短路枝节(4)、电阻(5);每个馈电单元包括馈电巴伦(6)和地板(8),其特征在于:
所述馈电巴伦(6)采用指数渐变巴伦,其包括微带馈线(61)和指数渐变接地板(62),该微带馈线(61)采用100Ω固定特性阻抗,且上端与偶极子辐射片(3)连接,下端连接有功分器(7);
所述功分器(7)为一分二的T型功分器,用于将正交放置的水平极化和垂直极化偶极子单元合二为一,该功分器的第一端口P1为输入端口,其采用50Ω的微带传输线,第二端口P2和第三端口P3为输出端口,其采用100Ω的微带传输线,且第二端口P2接水平极化偶极子单元的巴伦微带馈线下端,第三端口P3接垂直极化偶极子单元的巴伦微带馈线下端,以避免功分器的阻抗变换,自然形成覆盖多倍频程的馈电结构。
2.根据权利要求1所述的天线,其特征在于:所述偶极子辐射片(3)位于介质板(1)的两侧,且末端形成紧耦合结构。
3.根据权利要求1所述的天线,其特征在于:所述频率选择表面(2)为周期性排布的矩形贴片,平行放置于辐射片(3)上方。
4.根据权利要求1所述的天线,其特征在于:
所述短路枝节(4)位于地板(8)和偶极子辐射片(3)之间,
所述电阻(5),采用50Ω贴片电阻,其位于短路枝节(4)的中间,以减小短路线上的电流并加强对带内谐振的抑制效果。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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