CN115296017A - 基于频率选择表面的高效率共口径强耦合超宽带阵列天线 - Google Patents

基于频率选择表面的高效率共口径强耦合超宽带阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于频率选择表面的高效率共口径强耦合超宽带阵列天线，包括上层天线阵面，馈电结构，下层天线阵面，金属地板，同轴连接器。两层天线阵面工作于不同频段，通过对某一层天线阵面进行频率选择功能设计，实现两层天线可同时工作且互不受遮挡。上层天线阵面平行于地板放置，下层天线阵面垂直于地板放置。共口径强耦合阵列可实现0.24‑5.1GHz内21.25倍频，全频段平均效率高于85.4％。本发明可以应用于超宽带，高效率，低剖面阵列天线设计中，克服了电阻片强耦合阵列效率低下的问题。

Description

基于频率选择表面的高效率共口径强耦合超宽带阵列天线
技术领域
本发明属于天线工程技术领域，涉及一种基于频率选择表面的高效率共口径强耦合超宽带阵列天线，满足工程中对天线阵列高效率辐射，超宽工作带宽的技术需求。
背景技术
近年来，基于强耦合效应的天线阵列因其具有小型化、低剖面、超宽带、大扫描角等特点而备受研究人员关注。利用单元末端的耦合电容与天线臂的电感构成串联谐振电路，使电流能够近似的在阵列中连续流动，阻抗随频率变化较为缓慢，从而具有宽带的特点。通过金属地板与阵列上方的宽角匹配层的加载，对输入阻抗做进一步补偿后可以实现天线阵列的超宽带宽。为了实现单元末端的强耦合电容，单元之间的间距很小，因此强耦合阵列天线的尺寸往往可以做到小型化。
相对于传统的宽带相控阵天线，强耦合阵列在实现波束扫描的同时兼具超宽带性能。天线作为整个系统的收发信号端，宽带器件的研制是保证高质量、高速率、大信道容量通信的基础，因此强耦合阵列进一步推动了无线通信系统的发展，满足了现代电子战、卫星通信、导航制导等关键技术的迫切需求。然而近些年来，为了进一步的拓展阵列带宽，人们提出在天线阵面与金属地板之间加一层电阻型频率选择表面。在文献“Superstrate-Enhanced Ultrawideband Tightly Coupled Array With Resistive FSS”中，作者采用方形电阻环来消除3GHz处的共模谐振点，从而扩展带宽至21倍频，但是电阻环的引入会对偶极子天线辐射的电磁波进行吸收，在共模谐振点处尤为明显，因此天线阵列的效率和实际增益在3GHz处会出现陡降，十分不利于大功率输入能量的高效利用。
在文献“Phased Array With Low-Angle Scanning and 46:1 Bandwidth”中，作者同样采用了在天线阵面和地板间插入一层电阻片型频率选择表面的设计，通过这样的手段达到到了46倍频的超宽带宽，然而电阻片型频率选择表面对辐射电磁波的吸收作用同样明显，使得加载电阻型频率选择表面的强耦合阵列具有效率较差，整个阵列的增益较低的缺点。
天线无论是作为发射端还是接收端，辐射效率和增益一直是阵列天线的重要指标，加载电阻型频率选择表面的强耦合阵列天线的效率和增益一直都不高，一方面是因为受限制于带宽-效率的规则，带宽与效率常常呈反比关系，另一方面是由于电阻型频率选择表面的吸波效应导致能量损失。为了解决超宽带天线效率与增益低下问题，本发明提出的共口径强耦合阵列天线具有非常重要的实际应用价值。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种采用共口径布局的强耦合阵列，通过对某一层的阵列天线进行频率选择功能设计，实现高低频段共口径强耦合阵列能够同时工作，并在各自的工作频段能够高增益、高效率辐射，解决现阶段超宽带强耦合阵列辐射效率及增益较低的问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下解决方案：
作为一种优选的实施方式，提供一种基于频率选择表面的高效率共口径强耦合超宽带阵列天线，高频天线阵面位于低频天线阵面下方，天线结构自上而下包括低频天线阵面，低频渐变巴伦，高频天线阵面，金属地板，同轴连接器。所述低频天线阵面包括的低频偶极子单元和圆形金属贴片平行印刷于一层第一介质基板的两面，低频偶极子单元采用领结型偶极子单元，单元末端与圆形金属贴片形成上下重合部分。所述低频渐变巴伦是由第二介质基板与印刷在其两面的渐变金属层构成。所述高频天线阵面包括宽角匹配层，高频偶极子单元，Marchand巴伦和威尔金森功分器，分别印刷于第三介质基板的两面，宽角匹配层是由周期性的矩形金属贴片组成。所述金属地板上开有供第二介质基板和第三介质基板插入的缝隙，并且相应地开有供同轴连接器插入的过孔。
进一步地，所述低频偶极子单元为领结型单元，在天线单元两臂上等间距蚀刻出8条缝隙，形成带有缺口领结型单元。
进一步地，所述第一介质基板材质为Rogers duriod 6002，介电常数为2.94，单层结构，中心开方孔,低频渐变巴伦顶端从方孔穿出，穿出部分的金属层与天线单元连接。
进一步地，所述第二介质基板材质为Rogers duriod 5880，介电常数为2.2，单层结构，印刷于两面的金属结构为渐变金属层，背面的指数渐变型金属贴片中心开矩形方槽。
进一步地，所述宽角匹配层由八个周期性的金属矩形贴片组成。
进一步地，所述第三介质基板材质为Rogers duriod 6002，介电常数为2.94，单层结构，在相邻两个偶极子天线单元末端重合部分处有两个金属化过孔。
进一步地，所述金属地板上开有四条沿宽度方向的缝隙和一条沿长度方向的缝隙，在沿长度方向的缝隙中心有一圆形通孔，每一条沿宽度方向的槽上又开有四个半圆形过孔。
作为另一种优选的实施方式，提供一种基于频率选择表面的高效率共口径强耦合超宽带阵列天线，高频天线阵面位于低频天线阵面上方，天线结构自上而下包括高频天线阵面，低频天线阵面和金属地板。所述高频天线阵面平行于地板放置，包括高频偶极子单元，金属耦合贴片和高频介质基板，高频偶极子单元和金属耦合贴片分别印刷于高频介质基板两面，且金属耦合贴片位于相邻偶极子两臂末端上方，形成上下重合部分；所述低频天线阵面垂直于地板放置，包括低频偶极子单元，耦合金属贴片和低频介质基板，低频偶极子单元和金属耦合贴片分别印刷于低频介质基板两面，且金属耦合贴片位于相邻偶极子两臂末端上方，形成上下重合部分。
综上所述，本发明具有以下优点：
1、相对于传统强耦合超宽带阵列天线，本发明能实现覆盖0.24-5.1GHz超过20倍频的超宽带宽，进一步的拓展了阵列天线带宽。
2、由于高低阵列各自覆盖的频段只有5个倍频左右，且没有采用电阻型频率选择表面，因此共口径强耦合阵列天线在覆盖的频段内具有很高的效率与增益，平均辐射效率可达85.4％以上。
3、阵列剖面高度仅为低频波长的0.08倍，属于低剖面阵列天线。
附图说明
图1是本发明实施例1的单元结构示意图。
图2是本发明实施例2的单元结构示意图。
图3是图1所示天线结构中低频天线单元主视图。
图4是图3所示天线结构的侧视图。
图5是图1所示天线结构的一个高频天线单元主视图。
图6是图4所示天线结构的前视图。
图7是图1所示天线结构的金属地板俯视图
图8是图1所示天线结构中低频天线的传输系数。
图9是图1所示天线结构的整体有源驻波比。
图10是图1所示天线结构的辐射效率图。
图11是图1所示天线结构的实际增益曲线与理论最大增益曲线图。
图12是图1所示天线结构的不同频率下的E面和H面辐射方向图。
其中：1、低频天线阵面；2、低频渐变巴伦；3、高频天线阵面；4、金属地板；5、同轴连接器；。
具体实施方式
下面将结合本发明实例中的附图，对本发明实例中的技术方案进行详细描述。
实施例1
如图1所示，本发明提供的基于频率选择表面的高效率共口径强耦合超宽带天线阵列天线周期单元，包括低频天线阵面1，低频渐变巴伦2，高频天线阵面3，金属地板4，同轴连接器5。高频天线阵面位于低频天线阵面下方，低频天线阵面平行于金属地板放置，高频阵面和低频渐变巴伦两者互相垂直放置，且均垂直于金属地板。为便于理解，图中只画出一个共口径阵列单元，实际制备过程中，阵列可按图中所示天线结构沿长度和宽度两个方向扩展。
所述低频天线阵面1是领结型单元作为主体结构，在天线两臂上蚀刻出8条等间距排列的矩形缝隙，形成8条矩形缺口，通过这样的方式可以增加高频电流的路径长度，从而偏移低频天线作为频率选择表面时的谐振频率，调谐后可以达到在1-5GHz内的透波性能，不会对处于下层的高频天线产生遮挡效应，同时高频天线对于低频天线属于电小结构，因此也不会对低频天线产生的来波产生严重影响。低频偶极子单元1.2和圆形金属贴片1.3通过PCB工艺正反印刷于单层第一介质基板1.1的两面，圆形金属贴片应位于天线臂末端的正下方，以增强末端耦合电容，进一步拓宽频带。
所述低频渐变巴伦2通过PCB工艺正反印刷于单层第二介质基板2.1的两面，如图3以及图4所示。一面为指数渐变型金属贴片2.2，在该金属贴片中心位置蚀刻出矩形缝隙，以改善低频阻抗匹配效果；另一面为梯形渐变金属贴片2.3，顶端宽度略窄于底部宽度，起到输入阻抗变换的作用。将低频渐变巴伦2插入到金属地板4上预留的缝隙4.2中，用导电银浆将指数渐变型金属贴片2.2与金属地板4连接，并将同轴连接器5的内芯与梯形渐变金属片2.3连接，可实现50欧姆输入阻抗到100欧姆天线输入阻抗的转换匹配。
所述高频天线阵面3包括宽角匹配层3.1，高频偶极子单元3.2，Marchand巴伦馈线3.3，矩形金属贴片3.4，第三介质基板3.5，金属化过孔3.6，200欧姆隔离电阻3.7，威尔金森公分器3.8，如图4以及图5所示。将高频天线阵面插入到金属地板4预留的缝隙4.1中。宽角匹配层3.1由8个周期性等间距排列的矩形金属贴片组成，为天线输入阻抗提供良好的阻抗匹配补偿作用。高频天线阵面3通过PCB工艺印刷于单层第三介质基板3.5两面，在相邻高频偶极子单元3.2和矩形金属贴片3.4重合部分开两个金属化过孔3.6。将两个200欧姆的隔离电阻3.7焊接至威尔金森功分器3.8两通路的中间，起到两路隔离信号的作用。同轴连接器5与威尔金森功分器3.8连接，将50欧姆的输入阻抗转换成100欧姆的天线输入阻抗，并同时减少端口数目，节约成本。
所述金属地板4上开有四条沿宽度方向的缝隙4.1和一条沿长度方向的缝隙4.2，在沿长度方向的缝隙中心有一圆形通孔4.4，供同轴连接器5从地板下伸出与低频渐变巴伦2连接，每一条沿宽度方向的槽上又开有四个半圆形过孔4.3，以防止馈线和地板接触而导致短路。
图1所示的天线结构中，所述第一介质基板1.1以及第三介质基板3.5材质均为Rogers duriod 6002，介电常数为2.94；所述第二介质基板2.1材质为Rogers duriod5880，介电常数为2.2；所述介质基板均采用单层结构。
实施例2
如图2所示，高频天线阵面3位于低频天线阵面1上方，高频天线阵面3包括宽角匹配层，高频偶极子单元，矩形金属耦合贴片和高频介质基板；所述宽角匹配层材质为Rogersduriod 5880，介电常数为2.2，位于高频偶极子单元上方；所述高频介质基板材质为Rogersduriod 6002，介电常数为2.94，单层结构；高频偶极子单元和矩形金属耦合贴片分别印刷于高频介质基板两面，矩形金属耦合贴片应位于相邻高频偶极子末端上方，形成上下重合部分，以增强末端耦合电容，进一步拓展带宽；低频阵面1包括低频偶极子单元，矩形金属贴片和低频介质基板，需要注意的是，低频阵面的制备过程及整体结构与高频天线阵面类似，但低频偶极子单元经过频率选择功能设计后，具有在1-5GHz频段内反射高频电磁波的能力，充当高频天线阵面的反射地板，而高频天线对于低频天线属于电小结构，因此不会对低频天线产生遮挡效应。
图8给出了低频天线层的传输系数，从图中可以看出在1-5GHz频段内，传输系数均低于-2dB，大部分都低于-1dB。说明大部分的高频电磁波都能穿透该表面而损耗不大。
图9给出了图1所示天线结构的有源驻波比，从图中可以看出在0.24-5.1GHz内有源驻波比小于3，频带宽度达到了21.25倍频。
图10给出了图1所示天线结构的辐射效率图，从图中可以看出平均辐射效率为85.4％，在0.87-1.05GHz内效率出现了明显下降，最低达到了50％，这是由于在1GHz附近高低频阵列天线均能正常辐射和接收电磁波，因此有一半的能量将被吸收，效率下降至50％，但受到这一效应影响的带宽仅占全部带宽的3.7％，辐射效率大于70％的部分占全部带宽的96.3％。
图11给出了图1所示天线结构的增益曲线与理论最大增益曲线对比结果，从图中可以看出该天线的增益很高，接近理论极限，仅在1GHz附近有所下降，这是受到上述吸收效应的影响。
图12给出了图1所示天线结构的不同频点下的E面和H面的方向图，从图中可以看出上层低频天线的加入并没有对方向图产生特别的影响，既没有出现主瓣分裂，也没有出现主瓣偏移，进一步说明共口径强耦合阵列天线的可行性。
以上描述和实施方式，仅为本发明的部分优选具体实施方式，不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。对于本领域的专业人员来说，本申请可以有各种更改和变化，但是基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于频率选择表面的高效率共口径强耦合超宽带阵列天线，包括上层天线阵面，馈电结构，下层天线阵面，金属地板，同轴连接器，其特征在于：所述上层天线阵面包括介质基板，偶极子单元和金属耦合贴片，偶极子单元和金属耦合贴片分别印刷于介质基板两面，且金属耦合贴片位于相邻偶极子两臂末端下方或上方，形成上下重合部分，上层天线阵面平行于金属地板放置；所述馈电结构包括巴伦或者集总端口，巴伦顶端或集总端口直接与偶极子两臂连接；所述下层天线阵面包括介质基板，偶极子单元和金属耦合贴片，偶极子单元和金属耦合贴片分别印刷于介质基板两面，且金属耦合贴片位于相邻偶极子两臂末端下方或上方，形成上下重合部分，下层天线阵面垂直于地板放置。
2.根据权利要求1所述的基于频率选择表面的高效率共口径强耦合超宽带阵列天线，其特征在于：低频天线阵面位于高频天线阵面上方，包括低频天线阵面，低频渐变巴伦，高频天线阵面，金属地板，同轴连接器；所述低频天线阵面包括第一介质基板，低频偶极子单元和圆形金属耦合贴片，低频天线阵面平行于金属地板放置；所述低频渐变巴伦包括第二介质基板，指数渐变型金属贴片和梯形渐变金属贴片，低频渐变巴伦垂直插入金属地板上预留的缝隙中；所述高频天线阵面包括宽角匹配层，高频偶极子单元，Marchand巴伦馈线，矩形金属耦合贴片，第三介质基板，金属化过孔，200欧姆隔离电阻，威尔金森公分器，高频天线阵面垂直插入金属地板上预留的缝隙中，且与低频渐变巴伦保持垂直状态；所述同轴连接器外壳与金属地板或高频偶极子单元连接，内芯与威尔金森功分器或梯形渐变金属贴片连接。
3.根据权利要求1所述的基于频率选择表面的高效率共口径强耦合超宽带阵列天线，其特征在于：低频偶极子单元和圆形金属耦合贴片分别印刷于第一介质基板的两面，圆形金属耦合贴片位于相邻低频偶极子单元两臂末端下方，形成上下重合部分；指数渐变型金属贴片和梯形渐变金属贴片分别印刷于第二介质基板的两面，指数渐变型金属贴片中心开矩形缝隙；第一介质基板中心开矩形方孔供第二介质基板顶端穿过，穿过的指数渐变型金属贴片和梯形渐变金属贴片顶端分别与低频偶极子单元两臂连接；高频天线阵面通过PCB工艺正反印刷于第三介质基板两面，宽角匹配层和高频偶极子单元印刷在同一面，矩形金属耦合贴片，Marchand巴伦馈线和威尔金森功分器印刷在同一面，200欧姆隔离电阻焊接在威尔金森功分器两通路的预置焊台上。
4.根据权利要求2所述的基于频率选择表面的高效率共口径强耦合超宽带阵列天线，其特征在于：所述第一介质基板以及第三介质基板材质为Rogers duriod 6002，介电常数为2.94；所述第二介质基板材质为Rogers duriod 5880，介电常数为2.2；所述介质基板均采用单层结构。
5.根据权利要求1所述的基于频率选择表面的高效率共口径强耦合超宽带阵列天线，其特征在于：高频天线阵面位于低频天线阵面上方，包括高频天线阵面，低频天线阵面和金属地板；所述高频天线阵面包括宽角匹配层，高频偶极子单元，金属耦合贴片和高频介质基板，宽角匹配层位于高频偶极子单元上方，高频偶极子单元和金属耦合贴片分别印刷于高频介质基板两面，且金属耦合贴片位于相邻偶极子两臂末端上方，形成上下重合部分；低频天线阵面包括低频偶极子单元，金属耦合贴片和低频介质基板，低频偶极子单元和金属耦合贴片分别印刷于低频介质基板两面，且金属耦合贴片位于相邻偶极子两臂末端下方，形成上下重合部分。
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