CN116598764A - 一种加载半电阻型频率选择表面的双极化紧耦合偶极子超宽带天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种加载半电阻型频率选择表面的双极化紧耦合偶极子超宽带天线，该天线包括介质匹配层、偶极子、耦合电容、金属通孔、带扇形开路端的微带多支节阻抗变换器、半电阻型FSS、金属地板，可以实现紧耦合天线的双极化、低剖面、宽频带设计。本发明可以提供的频率覆盖2.4～18GHz，双极化单元两个端口的有源驻波比均在3以下，两个端口之间的隔离度小于‑15dB；天线单元的口径效率均大于45％，平均口径效率达到80.3％，具有良好的辐射特性；该款天线具有工作频带宽，波束扫描范围广，剖面高度低的优点，便于加工且可以共形在曲面载体上，在电子侦察与电子对抗等实际工程应用中具有重要的意义。
Description
技术领域
本发明属于超宽带天线技术领域，具体涉及一种加载半电阻型频率选择表面的双极化紧耦合偶极子超宽带天线。
背景技术
近年来，随着电子通信技术飞速发展以及对通信容量需求的爆炸式增长，相控阵天线着力于朝着超宽带的方向发展，虽然传统的超宽带天线阵列如Vivaldi天线阵可以实现超宽的工作带宽，但其较高的剖面与较重的质量往往阻碍了电子信息系统的集成化、一体化设计。
近年来，为克服传统相控阵设计的局限性，不少学者提出了一种新的设计理念，称之为紧耦合阵列(Tightly Coupled Array，TCA)天线。由于采用阵元紧密排列的组阵方式，且无需采用一些复杂去耦技术，该种天线解决了阵元间互耦效应对天线性能的不良影响，使得整个阵列天线的尺寸降低，结构简化，易于共形。紧耦合阵列的相邻单元振子间能够产生容性耦合，可以抵消天线与地板间的感性耦合，所以紧耦合阵列在超宽带与低剖面应用方面有着天然的技术优势，然而紧耦合相控阵天线阵列还有许多关键技术有待攻克。于此同时，由于偶极子天线具有剖面低、良好极化特性、宽频带、易于组阵等特点，常被用作紧耦合天线阵元。
发明内容
本发明的目的在于提供一种加载半电阻型FSS的双极化紧耦合偶极子超宽带天线，其能够采用印刷电路技术进行批量生产，而且具有体积小、性能稳定、制作成本低的优点。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种加载半电阻型FSS的双极化紧耦合偶极子超宽带天线，天线单元包括介质匹配层、偶极子、耦合电容、金属通孔、微带多支节阻抗变换器、半电阻型FSS和金属地板；偶极子对称放置并印刷在第一介质基板的正面；耦合电容贴片印刷在第一介质基板的两面；微带多支节阻抗变换器作为天线的馈电结构印刷在第一介质基板的反面；金属通孔嵌在第一介质基板内部；介质匹配层放置于天线顶部；整个双极化天线通过开槽缝，垂直插进半电阻型FSS；金属地板置于天线底部，且与介质匹配层和半电阻型FSS平行。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)利用偶极子引入新的电抗分量，从而代替介质加载实现超宽带阻抗的匹配，同时获得了稳定的增益；(2)天线单元馈电采用微带多支节阻抗变换器，提高了馈电效率，降低了模型设计复杂度，避免了功分器元件损耗；(3)加载电容耦合、介质匹配层和T型槽改善了单极化天线在整个工作频段内的部分谐振频点，从而改善了单极化天线在高频处的阻抗匹配；(4)在偶极子天线与金属地板之间添加了一层半阻性FSS，以吸收双极化天线短路谐振带宽内地面的反射波，从而拓宽了双极化天线的工作带宽；(5)采用印刷电路技术生产，结构简单，剖面高度低，约为相同频带工作天线高度的四分之一，易于共形在曲面载体上，应用场景广泛。
附图说明
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。
图1是本发明加载半电阻型频率选择表面的双极化紧耦合偶极子天线的整体结构示意图。
图2是本发明加载半电阻型频率选择表面的双极化紧耦合偶极子天线的两个极化单元的正面结构示意图。
图3是本发明加载半电阻型频率选择表面的双极化紧耦合偶极子天线的半阻性FSS的俯视图。
图4是本发明加载半电阻型频率选择表面的双极化紧耦合偶极子天线的有源驻波比。
图5是本发明加载半电阻型频率选择表面的双极化紧耦合偶极子天线的两端口隔离度。
图6是本发明加载半电阻型频率选择表面的双极化紧耦合偶极子天线的单极化增益和双极化增益对比图。
图7是本发明加载半电阻型频率选择表面的双极化紧耦合偶极子天线的口径效率。
图8本发明加载半电阻型频率选择表面的双极化紧耦合偶极子天线工作在2.4GHz、6GHz、12GHz、18GHz时方向图结果。
具体实施方式
一种加载半电阻型FSS的双极化紧耦合偶极子超宽带天线，该天线单元包括介质匹配层1、偶极子2、耦合电容3、金属通孔4、微带多支节阻抗变换器5、半电阻型FSS6和金属地板7；天线偶极子2对称放置并印刷在第一介质基板的正面；耦合电容贴片3印刷在第一介质基板的两面；微带多支节阻抗变换器5作为天线的馈电结构印刷在第一介质基板的反面；金属通孔4嵌在第一介质基板内部；介质匹配层1放置于天线顶部；整个双极化天线通过开槽缝，垂直插进半阻性FSS6；金属地板7与介质匹配层1和半阻性FSS6平行置于天线底部；本发明可以实现紧耦合天线的双极化、低剖面、宽频带设计。
进一步的，所述介质匹配层1的材料为FR4。
进一步的，所述偶极子2、耦合电容3和微带多支节阻抗变换器5材料为金属铝。
进一步的，所述偶极子2、耦合电容3和微带多支节阻抗变换器5印刷在在RogersRT/duroid 5880微波基片上。
进一步的，所述半电阻型FSS6主要由第二介质基板9以及印刷在第二介质基板9上方的方形环带8组成。
进一步的，所述半阻性FSS6的第二介质基板9材料为FR4，方形环带8材料为高阻碳浆。
进一步的，所述金属通孔4、金属地板7材料为金属铝。
第一介质基板为0.508mm厚的Rogers RT/duroid 5880(εr＝2.2)。介质基板的正面为偶极子和一片耦合电容贴片，反面为微带多支节阻抗变换器与另一片耦合电容贴片。此处引入的微带多支节阻抗变换器是为了实现阻抗为50Ω同轴线到阻抗为100Ω至200Ω的偶极子之间的转换。该天线单元的电压驻波比在低频段内恶化，尤其是2GHz处的阻抗严重失配。通过在偶极子辐射臂上打金属通孔，将部分偶极子辐射臂引入介质基板背面，并在介质基板正面加载金属贴片。介质基板正面的金属贴片与介质基板背面的金属贴片形成电容耦合，有效地延伸了偶极子辐射臂的长度，从而改善了低频段的电压驻波比。在天线上方加载厚度为0.4mm的FR4(εr＝4.4)基板作为介质匹配层，介质匹配层与天线预留厚度0.375mm的空气间隙以抑制表面波模式的激励与传输，改善了天线工作频段内的阻抗匹配。但是在个别频点电压驻波比依然较高，故在天线的两个辐射臂上引入T形槽，改善天线在整个工作频段内的部分谐振频点。为了解决双极化天线单元在高频段(13GHz～18GHz)严重失配的问题，在偶极子天线与金属地板之间添加了一层材料为FR4(εr＝4.4)的半阻性频率选择表面，尺寸为12mm×12mm×0.6mm，第二介质基板上方印刷宽度为0.4mm的方环带高阻碳浆(225Ω/Sq)，以吸收在天线短路谐振带宽内地面的反射波，从而拓宽天线工作带宽。
该天线可以提供的频率覆盖2.4～18GHz，双极化单元两个端口的有源驻波比均在2.5以下，两个端口之间的隔离度小于-15dB。天线单元的口径效率均大于45％，平均口径效率达到80.3％，具有良好的辐射特性。
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
本发明提出了一种加载半电阻型频率选择表面(FSS)的双极化紧耦合偶极子天线。通过在偶极子以及耦合贴片下方加载一个半电阻型频率选择表面，在13GHz～18GH频段引入谐振结构，利用多谐振频点拓展了工作带宽。通过微带多支节阻抗变换器馈电，实现了7.5:1(2.4-18GHz)的工作带宽。
实施例
结合图1～3，一种2.4GHz～18GHz的超宽带低剖面双极化天线，由介质匹配层1、偶极子2、耦合电容3、金属通孔4、微带多支节阻抗变换器5、半电阻型FSS6、金属地板7组成。天线单元尺寸为12mm×12mm(0.096λL×0.096λL)，天线剖面高度为15mm(0.12λL，λL为2.4GHz对应空气波长)。半阻性FSS的FR4介质基板尺寸是12mm×12mm，厚度为0.6mm，放置于距地面2.5mm处，介质基板上方印刷了边长为9mm，宽度为0.4mm的正方形环带高阻碳浆。
如图4、5所示，该天线单元在2.4～18GHz频段内有源驻波比小于2.5，该单元在2.4～18GHz频段内两端口之间的隔离度小于-15dB。
如图6所示，为加载半电阻型频率选择表面的双极化紧耦合偶极子天线单线极化增益、圆极化增益与口径最大增益对比图。
如图7所示，为加载半电阻型频率选择表面的双极化紧耦合偶极子天线单元的口径效率。
如图8所示，分别为天线单元在2.4GHz、6GHz、12GHz、18GHz的E面和H面有源方向图。
综上所述，本发明是基于紧耦合原理设计了一款超宽带低剖面双极化偶极子天线，创新性的加载了半阻性频率选择表面。该天线可以提供的频率覆盖2.4～18GHz，结果表明双极化单元两个端口的有源驻波比均在2.5以下，两个端口之间的隔离度小于-15dB。天线单元的口径效率均大于45％，平均口径效率达到80.3％，具有良好的辐射特性，且剖面高度仅有15mm(0.12λL)。该款天线具有工作频带宽，波束扫描范围广，剖面高度低的优点，便于加工且可以共形在曲面载体上，在电子侦察与电子对抗等实际工程应用中具有重要的意义。
以上论述仅仅是本发明的一个实施例，任何在本发明的基础上所作的等效变换，均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种加载半电阻型FSS的双极化紧耦合偶极子超宽带天线，其特征在于，包括介质匹配层(1)、偶极子(2)、耦合电容(3)、金属通孔(4)、微带多支节阻抗变换器(5)、半电阻型FSS(6)和金属地板(7)；偶极子(2)对称放置并印刷在第一介质基板的正面；耦合电容(3)印刷在第一介质基板的两面；微带多支节阻抗变换器(5)作为天线的馈电结构印刷在第一介质基板的反面；金属通孔(4)嵌在第一介质基板内部；介质匹配层(1)放置于天线顶部；整个双极化天线通过开槽缝，垂直插进半电阻型FSS(6)；金属地板(7)置于天线底部，且与介质匹配层(1)和半电阻型FSS(6)平行。
2.根据权利要求1所述的加载半电阻型FSS的双极化紧耦合偶极子天线，其特征在于，所述介质匹配层(1)的材料为FR4。
3.根据权利要求1所述的加载半电阻型FSS的双极化紧耦合偶极子天线，其特征在于，所述偶极子(2)、耦合电容(3)和微带多支节阻抗变换器(5)材料为金属铝。
4.根据权利要求1或3所述的加载半电阻型FSS的双极化紧耦合偶极子天线，其特征在于，所述偶极子(2)、耦合电容(3)和微带多支节阻抗变换器(5)印刷在Rogers RT/duroid5880微波基片上。
5.根据权利要求1所述的加载半电阻型FSS的双极化紧耦合偶极子天线，其特征在于，所述半电阻型FSS(6)主要由第二介质基板(9)以及印刷在第二介质基板(9)上方的方形环带(8)组成。
6.根据权利要求5所述的加载半电阻型FSS的双极化紧耦合偶极子天线，其特征在于，所述半电阻型FSS(6)中第二介质基板(9)材料为FR4。
7.根据权利要求1所述的加载半电阻型FSS的双极化紧耦合偶极子天线，其特征在于，所述金属通孔(4)、金属地板(7)材料为金属铝。
8.根据权利要求1所述的加载半电阻型FSS的双极化紧耦合偶极子天线，其特征在于，介质匹配层(1)与天线预留厚度0.375mm的空气间隙。
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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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