CN116093611B - 一种基于共口径结构设计的双频段宽带强耦合阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明属于天线技术领域，涉及一种基于共口径结构设计的双频段宽带强耦合阵列天线。本发明采用共口径设计思路，将两组不同工作频段的强耦合偶极子阵列集成在同一口径下，通过对低频单元结构进行高频透波处理，使其在低频段正常工作的同时不阻碍高频电磁波通过。利用该方式天线实现了更高的口径利用率以及更宽的工作频段。相较于传统的引入阻性材料拓宽天线带宽的方式，本发明天线在工作频段内具有更高的平均辐射效率。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种基于共口径结构设计的双频段宽带强耦合偶极子阵列天线，利用基站天线中电磁透明天线单元设计原理对强耦合偶极子单元进行滤波设计，实现双频宽带共口径阵列天线设计。
背景技术
近些年，随着无线通信技术的迅猛发展,作为无线系统中关键的组成部分,天线也需要满足宽频带、多功能、多系统融合的发展趋势。强耦合偶极子阵列通过在阵元间引入耦合结构，实现口径面上近乎稳恒的连续电流分布，并利用阵元间电容耦合一定程度上消除地面的电感效应从而实现较宽的天线带宽。共口径阵列天线可以将不同频段、不同极化、不同功能的天线放置在同一个辐射口径面内,通过合理的空间布局，减少工作系统中的天线数量,提高系统的口径利用率,从而成为了天线领域的热门研究方向。
与传统宽带vivaldi天线相比，强耦合偶极子阵列天线在结合宽频带和低剖面性能方面有着天然优势，使其在空间利用、雷达散射截面等方面等方面的性能更加出色。同时由于其较低的剖面特性，使得天线在低频端受地板电感效应的影响越发明显，最终难以进一步向低频拓展带宽。为解决这一问题，通常以加载阻性材料吸收低频背向辐射能量的形式消减地板影响，然而这种方式在有效拓宽带宽的同时最多会导致50％以上效率损失。
强耦合阵列天线凭借其超宽的工作带宽及较低的剖面性能一经提出便吸引了国内外学者的关注。2013年，Jonathan P.Doane等人在IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS ANDPROPAGATION上发表的“A Wideband,Wide Scanning Tightly Coupled Dipole ArrayWith Integrated Bulun(TCDA-IB)”中提出一款工作带宽超过7倍频，剖面高度小于十分之低频波长的强耦合阵列天线；为进一步克服地板电感效应的影响，拓宽天线带宽，2020年，Seongjung Kim等人发表的“Characteristics of TCDA with Polarization ConvertingGround Plane”一文中提出用极化旋转表面覆盖阵列地板，使得低频电磁波以交叉极化的形式反射向上，以此消减地面反射波对阻抗匹配的影响，最终实现20倍频的阻抗带宽；2016年，Dimitrios K.Papantonis等人在IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATION LETTERS发表的“Dual-Polarized Tightly Coupled ArrayWith Substrate Loading”提出在天线与地板间插入阻性频选表面，实现13个倍频带宽的强耦合阵列。2020年，AlexanderD.Johnson等人发表的“Phased Array With Low-Angle Scanning and 46:1Bandwidth”通过合理的设计多层阻性层吸收特定波段的电磁波，消减低频端地板反射波的影响，最终实现46倍频的阻抗匹配带宽。以上方法皆通过牺牲天线整体效率的方式提供天线工作带宽，但在部分频段上天线效率损失严重(超过50％)，影响天线正常实现功能。
目前发表的关于超宽带强耦合阵列天线的论文或专利都存在牺牲效率换带宽的问题，即以阻性层或超材料表面消除低频端地板对天线端口阻抗匹配的影响，同时导致天线整体效率下降。为了解决该技术难题，本发明提出了一种基于共口径结构设计的双频段宽带强耦合阵列天线，在较高的天线效率前提下天线实现了在0.6～2.4GHz、3.4～12GHz频段的正常工作。
发明内容
本发明针对上述所提到的现有技术的不足，提出一种共口径强耦合阵列天线，通过将共口径天线中电磁透明天线单元的结构设计应用于强耦合阵列单元的结构设计之中，使其在不影响低频天线正常功能的前提下减小高低频单元间耦合，最终实现高低频阵列在同一口径下正常运作，工作频段为0.6GHz～2.4GHz和3.4～12GHz。解决了现有拓宽强耦合阵列工作频段的方法会造成的严重效率损失问题。
为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是：一种基于共口径结构设计的双频段宽带强耦合阵列天线，包括上层地板、下层地板、馈电接头、低频阵列PCB、高频阵列PCB、高频馈电结构、高频阻抗匹配层、集成电阻：
所述上层地板包括尼龙柱通孔、高频阵列插槽、低频阵列插槽；所述下层地板包括尼龙柱通孔、接头通孔；所述上层地板与下层地板之间由尼龙柱固定相对位置与高度；所述低频阵列PCB穿过低频阵列插槽插入地板之间；所述高频馈电结构穿过高频阵列插槽插入地板之间。
所述馈电接头内芯与高频馈电结构、低频阵列PCB电连接；所述馈电接头外壳通过铜箔与下层地板电连接。
所述低频阵列PCB包括低频偶极子、蜿蜒型结构、短路线、低频馈电结构、低频介质基板、低频功分器；所述低频偶极子通过短路线与地电连通；所述蜿蜒型结构保证低频电流流通的同时降低低高频端口间耦合；所述低频馈电结构为微带渐变线，实现阻抗变换及平衡馈电；所述低频介质基板为罗杰斯RT5880介质板材；所述功分器连接馈电接头与低频馈电结构并实现50Ω到100Ω阻抗变换。
所述高频阵列PCB包括高频偶极子介质基板和高频偶极子；所述高频偶极子介质基板为罗杰斯RT5880介质板材，其上印刷高频偶极子。
所述高频馈电结构包括marchand巴伦和高频功分器；所述marchand巴伦包括介质基板、粘结层、金属通孔、巴伦接地层、巴伦内芯；所述介质基板为罗杰斯RT5880介质板材；所述粘结层为prepreg材料；所述巴伦接地层通过金属通孔相互电连接；所述巴伦接地层通过导电银浆与上层地板电连接。
所述高频阻抗匹配层为罗杰斯RT5880介质板材。
所述集成电阻阻值为200Ω。
综上所述，本发明的优点为：
本发明合理利用空间结构，在同一口径条件下集成两组不同工作频段的强耦合偶极子阵列，其中低频阵列在口径上方，并对其进行透波处理，使得位于口径面下方的高频阵列能够正常工作。通过这种方式提高天线口径利用率，拓展天线工作频段。
相比于传统超宽带强耦合阵列天线，本发明在拓展天线工作频带的同时避免引入阻性材料，使得天线在较宽的工作频带中保持85％以上的平均辐射效率。
附图说明
图1是本发明一种基于共口径结构设计的双频段宽带强耦合阵列天线的三维结构示意图。该图所示天线可实现同一口径下两组强耦合阵列天线独立工作。
图2是图1所示阵列天线俯、仰视图，其口径面积为432mm×432mm，高67mm。
图3是图1所示阵列天线单元结构示意图。
图4是图3所示低频阵列天线单元结构示意图及其分解示意图。
图5是图3所示高频阵列天线单元结构示意图及其分解示意图。
图6是图5所示高频天线单元馈电结构分解示意图。
图7是图1所示阵列天线低频有源驻波结果图。
图8是图1所示阵列天线高频有源驻波结果图
图中：1、上层地板；2、下层地板；3、馈电接头；4、低频阵列PCB；5、高频阵列PCB；6、高频馈电结构；7、高频阻抗匹配层；8、集成电阻。
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具体描述。本发明包括但不限于以下所列举天线具体工作状态。
参照图1，参照图2，参照图3，参照图4，参照图5，参照图6。
一种基于共口径结构设计的双频段宽带强耦合阵列天线，包括上层地板1、下层地板2、馈电接头3、低频阵列PCB4、高频阵列PCB5、高频馈电结构6、高频阻抗匹配层7、集成电阻8，其特征在于：
所述上层地板1包括尼龙柱通孔1.1、高频阵列插槽1.2、低频阵列插槽1.3；所述下层地板2包括尼龙柱通孔2.1、接头通孔2.2；所述上层地板1与下层地板2之间由尼龙柱固定相对位置与高度；所述低频阵列PCB4穿过低频阵列插槽1.3插入地板之间；所述高频馈电结构6穿过高频阵列插槽1.2插入地板之间。
所述馈电接头3内芯与高频馈电结构6、低频阵列PCB4电连接；所述馈电接头3外壳穿过接头通孔2.2通过铜箔与下层地板2电连接。
所述低频阵列PCB4包括低频偶极子4.1、蜿蜒型结构4.1.1、短路线4.2、低频馈电结构4.3、低频介质基板4.4、低频功分器4.5；所述低频偶极子4.1通过短路线4.2与地电连通；所述蜿蜒型结构4.1.1保证低频电流流通的同时降低低高频端口间耦合；所述低频馈电结构4.3为微带渐变线，实现阻抗变换及平衡馈电；所述低频介质基板4.4为罗杰斯RT5880介质板材，其厚度为0.787mm；所述功分器4.5连接馈电接头3与低频馈电结构4.3并实现50Ω到100Ω阻抗变换。
所述高频阵列PCB5包括高频偶极子介质基板5.1和高频偶极子5.2；所述高频偶极子介质基板5.1为罗杰斯RT5880介质板材，其厚度为0.254mm，其上印刷高频偶极子5.2。
所述高频馈电结构6包括marchand巴伦6.1和高频功分器6.2；所述marchand巴伦6.1包括介质基板6.1.1、粘结层6.1.2、金属通孔6.1.3、巴伦接地层6.1.4、巴伦内芯6.1.5；所述介质基板6.1.1为罗杰斯RT5880介质板材，其厚度为0.254mm；所述粘结层6.1.2为prepreg材料，其厚度为0.116mm；所述巴伦接地层6.1.4通过金属通孔6.1.3相互电连接；所述巴伦接地层6.1.4通过导电银浆及铜箔与上层地板1电连接。
所述高频阻抗匹配层7为罗杰斯RT5880介质板材，其厚度为1.524mm。
所述集成电阻8阻值为200Ω，其大小为1.6mm×0.8mm。
图7为通过对阵列馈电端口施加一定幅相微扰后低频单元侧射及E/H面30°扫描时的有源驻波。
图8为通过对阵列馈电端口施加一定幅相微扰后高频单元侧射及E/H面30°扫描时的有源驻波。
以上描述和实施方式，仅为本发明的部分优选实例，不对本发明构成任何限制，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 (3)
1.一种基于共口径结构设计的双频段宽带强耦合偶极子阵列天线，包括上层地板(1)、下层地板(2)、馈电接头(3)、低频阵列PCB(4)、高频阵列PCB(5)、高频馈电结构(6)、高频阻抗匹配层(7)、集成电阻(8)，其特征在于：所述上层地板(1)包括第一尼龙柱通孔(1.1)、高频阵列插槽(1.2)、低频阵列插槽(1.3)；所述下层地板(2)包括第二尼龙柱通孔(2.1)、接头通孔(2.2)；所述上层地板(1)与下层地板(2)之间由尼龙柱固定相对位置与高度；所述馈电接头(3)内芯与高频馈电结构(6)、低频阵列PCB(4)通过焊接电连接；所述馈电接头(3)外壳穿过接头通孔(2.2)通过铜箔与下层地板(2)电连接；所述低频阵列PCB(4)穿过低频阵列插槽(1.3)插入地板之间；所述低频阵列PCB(4)包括低频偶极子(4.1)、蜿蜒型结构(4.1.1)、短路线(4.2)、低频馈电结构(4.3)、低频介质基板(4.4)、低频功分器(4.5)；所述低频偶极子(4.1)通过短路线(4.2)与地电连通；所述蜿蜒型结构(4.1.1)保证低频电流流通的同时降低低高频端口间耦合；所述低频馈电结构(4.3)为微带渐变线，实现阻抗变换及平衡馈电；所述低频介质基板(4.4)为罗杰斯RT5880介质板材，其厚度为0.787mm；所述功分器(4.5)连接馈电接头(3)与低频馈电结构(4.3)并实现50Ω到100Ω阻抗变换；所述高频馈电结构(6)穿过高频阵列插槽(1.2)插入地板之间；所述高频阵列PCB(5)通过焊接与高频馈电结构(6)电连接；所述高频阻抗匹配层(7)为罗杰斯RT5880介质板材，厚度为1.524mm，其覆盖于高频阵列PCB(5)之上，并通过尼龙柱固定；所述集成电阻(8)作为功分器隔离电阻分别焊接于低频阵列PCB(4)和高频馈电结构(6)之上；所述集成电阻(8)阻值为200Ω，其大小为1.6mm×0.8mm。
2.根据权利要求1所述的基于共口径结构设计的双频段宽带强耦合偶极子阵列天线，其特征在于：所述高频阵列PCB(5)包括高频偶极子介质基板(5.1)和高频偶极子(5.2)；所述高频偶极子介质基板(5.1)为罗杰斯RT5880介质板材，其厚度为0.254mm，其上印刷高频偶极子(5.2)。
3.根据权利要求1所述的基于共口径结构设计的双频段宽带强耦合偶极子阵列天线，其特征在于：所述高频馈电结构(6)包括marchand巴伦(6.1)和高频功分器(6.2)；所述marchand巴伦(6.1)包括介质基板(6.1.1)、粘结层(6.1.2)、金属通孔(6.1.3)、巴伦接地层(6.1.4)、巴伦内芯(6.1.5)；所述介质基板(6.1.1)为罗杰斯RT5880介质板材，其厚度为0.254mm；所述粘结层(6.1.2)为prepreg材料，其厚度为0.116mm；所述巴伦接地层(6.1.4)通过金属通孔(6.1.3)相互电连接；所述巴伦接地层(6.1.4)通过导电银浆及铜箔与上层地板(1)电连接。
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Legal Events
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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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