CN116826369A

CN116826369A - 一种基于气球的带宽拓展的高增益阵列天线

Info

Publication number: CN116826369A
Application number: CN202310930504.2A
Authority: CN
Inventors: 高翔; 丁传飞; 徐子昂; 唐文飞; 卜祥元; 安建平
Original assignee: Yangtze River Delta Research Institute Of Beijing University Of Technology Jiaxing; Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Yangtze River Delta Research Institute Of Beijing University Of Technology Jiaxing; Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2023-07-25
Filing date: 2023-07-25
Publication date: 2023-09-29

Abstract

本发明涉及气球天线阵列技术领域，特别涉及一种基于气球的带宽拓展的高增益阵列天线，具体方法为：根据设计需求，设计共形微带贴片天线单元；根据共形微带贴片天线单元，设计子阵列结构和馈电方法；根据子阵列结构和馈电方法，设计共形微带贴片天线阵列。在天线的主辐射贴片的辐射边缘旁添加了两个寄生贴片，通过这种添加寄生贴片的方式可以激发出新的谐振频率，然后将其调整到接近原始谐振频率处，从而实现带宽的拓展。将设计的天线单元组成阵列后，可以有效地提高增益，并可以通过控制各子阵列的相位关系进行波束扫描。本发明提出的气球阵列天线具有低剖面、高增益、带宽拓展、易于制造和结构简单等诸多优点，以满足山地密林环境下的高速通信以及远距离通信的需求。

Description

一种基于气球的带宽拓展的高增益阵列天线

技术领域

本发明涉及气球天线阵列技术领域，特别涉及一种基于气球的带宽拓展的高增益阵列天线。

背景技术

近年来，森林火灾、地震、泥石流等自然灾害频繁发生。应急通信在抗击这些灾害中发挥着至关重要的作用，在过去几十年中引起了人们的极大关注。然而，许多灾害发生在森林茂密、地形多变、路径损耗严重的山区，这对远程应急通信提出了重大挑战。使用配备高增益天线阵列的空中基站，如无人机或气球，是应对这一挑战的可行的解决方案。然而，无人机面临着更高的成本，并且由于续航能力有限，无法携带大型天线阵列。而气球具有低成本、续航时间久、易于制造和便于携带大型贴片天线阵列等诸多优点。

因此，有必要提供一种基于气球的带宽拓展的高增益阵列天线以解决上述技术问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于气球的带宽拓展的高增益阵列天线。

本发明提供的一种基于气球的带宽拓展的高增益阵列天线，包括：

具体方法为：

S1、根据设计需求，设计共形微带贴片天线单元；

具体步骤为：

S1.1、设计在某一中心频点下的矩形微带贴片天线单元的主辐射贴片的尺寸；

S1.2、在微带贴片的每个辐射边的旁边添加两个寄生贴片；

S1.3、在每个寄生贴片的外边缘上添加一系列小型、紧凑的接地金属通孔；

S1.4、对微带贴片天线单元进行共形处理。

S2、根据共形微带贴片天线单元，设计子阵列结构和馈电方法；

具体步骤为：

S2.1、根据S1中的共形贴片天线单元，设计天线子阵列，天线子阵列由四个S1.4中的贴片天线单元以一定距离沿着非辐射边方向排列组成；

S2.2、根据天线子阵列，设计天线子阵列的馈电结构，天线子阵列由T型一分四功分器并联馈电，每个功分器使用SMA接口连接外部激励进行馈电；

S2.3、设计天线辐射贴片与馈电网络之间的空间结构，将贴片和馈线所在的基板以共地的方式贴合在一起，中间夹层为地板，馈线通过探针连接到天线单元的主辐射贴片上为天线单元进行馈电；

S2.4、优化主辐射贴片与寄生贴片之间的间距D0。

S3、根据子阵列结构和馈电方法，设计共形微带贴片天线阵列；

具体步骤为：

S3.1、确定阵列单元数以及阵列结构。

与相关技术相比较，本发明提供的一种基于气球的带宽拓展的高增益阵列天线具有如下有益效果：

1、本发明在天线的主辐射贴片的辐射边缘旁添加了两个寄生贴片，通过这种添加寄生贴片的方式可以激发出新的谐振频率，然后将其调整到接近原始谐振频率处，从而实现带宽的拓展。同时，在寄生贴片的外边缘上添加了一系列小型、紧凑的金属通孔，以将其尺寸减小大约一半，降低了成本。另一方面，与传统微带贴片天线相比，所设计的天线在x-z和y-z平面中的辐射方向图不会随着寄生贴片的添加而劣化，增益不受影响，并且前后比(FBR)得到改善。此外，在将设计的微带贴片天线从平面结构转换为圆柱形共形微带贴片天线之后，在x-z平面或y-z平面中实现的增益几乎没有降低；

2、将设计的天线单元组成阵列后，可以有效地提高增益，并可以通过控制各子阵列的相位关系进行波束扫描；

3、因此，我们设计的共形气球阵列天线具有低剖面、高增益、带宽拓展、易于制造和结构简单等诸多优点，以满足山地密林环境下的高速通信以及远距离通信的需求。

附图说明

图1是微带贴片天线单元的结构图；

图2是应用场景示意图；

图3是传统微带贴片天线和所提出的共形微带贴片天线的仿真比较；

图4是所提出的微带贴片天线辐射方向图的仿真比较；

图5是设计的子阵列及馈电网络的结构；

图6是所提出的共形微带贴片天线单元和子阵列的仿真比较；

图7是所提出的共形子阵列的辐射方向图的仿真比较；

图8是对关键参数D0的研究；

图9是所设计的天线阵列的仿真模型和波束成形图；

图10是不同圆柱半径下共形天线阵列的仿真辐射方向图；

图11是子阵列之间的互耦仿真图；

图12是设计的共形微带贴片天线的参数；

图13是设计的子阵列的参数；

图14是不同半径下圆柱形共形微带贴片天线的仿真性能比较。

图示说明：

图1中(a)俯视图、(b)横截面图；

图3中(a)S参数、(b)增益和系统效率。

图4中(a)x-z平面、(b)y-z平面。

图5中(a)俯视图、(b)中间接地层的结构、(c)横截面图、(d)馈电网络的结构。

图6中(a)S参数、(b)增益和系统效率。

图7中(a)x-z平面、(b)y-z平面。

图9中(a)仿真模型、(b)波束成形图。

图10中(a)x-z平面、(b)y-z平面。

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，若出现术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合具体实施例对一种基于气球的带宽拓展的高增益阵列天线的具体实现进行详细描述。

本发明提供的一种基于气球的带宽拓展的高增益阵列天线，具体步骤如下：

S1、对共贴片天线单元进行设计，微带贴片天线单元的结构图如图1所示。具体参数如图12所示。

包括如下子步骤：

S1.1、设计中心频点为2.4GHz的矩形微带贴片天线单元的主辐射贴片的尺寸。

在仿真中，使用0.5mm超薄的Rogers5880作为设计的贴片天线的基板，其具有低介电损耗(tanδ＝0.00009)、低介电常数(εr＝2.2)和高稳定性的优点。

S1.2、在主辐射贴片的每个辐射边缘(x轴)旁边添加两个寄生贴片。

通过在主辐射贴片的每个辐射边的旁边添加两个寄生贴片，用以拓展带宽，并且对主辐射贴片与寄生贴片之间的间距进行了优化。通过这种添加寄生贴片的方式可以激发新的谐振频率并将其调整到接近原始谐振频率处，从而实现带宽拓展，以支持高速通信的需求。

仿真结果如附图中图3所示，表明当S11<-10dB时，所提出的共形微带贴片天线单元的阻抗带宽提高约3倍。

S1.3、在每个寄生贴片的外边缘上添加一系列小型、紧凑的接地金属通孔。

由于寄生贴片的添加，贴片天线单元的尺寸显著增加。通过在寄生贴片的外边缘上使用一系列接地的金属通孔代替短路壁，可以将寄生贴片的尺寸减小大约一半。

S1.4、对微带贴片天线单元进行共形处理。

考虑图2所示的场景，使用气球充当空中基站的载体。在山地密林环境下进行的应急救援行动中，气球天线将信号发送给相应用户，如搜救人员。波束方向和气球高度之间的角度用α表示，满足α＝arctan(r/h)，其中r和h分别是信号的最大传输半径和气球的高度。尽管这种模式有一个半径为r1的通信盲点(其中r1<<r)，但它并不影响远程通信。当需要远距离通信时，即r>>h，α大约等于90度，并且气球和用户可以被认为处于同一水平高度。此外，当气球足够大时，其侧面的一部分可以近似为圆柱体的侧面。因此，气球天线的共形形状可以建模为圆柱体。

经过分析，我们将共形的形状确定为半径500mm的圆柱体。分析过程在S3.3中给出。另一方面，如附图中图4所示，与传统微带贴片天线相比，所设计的贴片天线在x-z和y-z平面中的辐射方向图不会随着寄生贴片的添加而劣化。天线的增益不受影响，并且FBR得到了改善。此外，在将设计的微带贴片天线从平面结构转换为半径为500mm的圆柱形共形微带贴片天线之后，在x-z平面或y-z平面中实现的增益几乎没有降低。

S2、根据共形微带贴片天线单元，设计子阵列结构和馈电方法，包括如下步骤：

S2.1、根据S1中的共形微带贴片天线单元，设计天线子阵列，相关参数如图13所示。

附图中图5(a)展示了天线子阵列的结构，它由沿着非辐射边(y轴)的方向排列的四个微带贴片天线单元组成，单元间距为Dy。

S2.2、设计天线子阵列的馈电结构。

馈电网络是由与微带贴片天线共同接地的微带线组成的。同时必须在探针外围设置一系列隔离环，以避免短路，如图5(b)所示。

如图5(d)所示，天线子阵列由T型一分四功分器并联馈电，每个功分器使用SMA接口连接外部激励进行馈电。

图中的符号“Z50”和“Z70”表示相应微带线的阻抗值。使用四分之一波长阻抗转换器以实现良好的阻抗匹配。此外，四个焊盘用于连接探针和微带线。

S2.3、设计主辐射贴片与馈电网络之间的空间结构。

图5(c)在侧视图中清楚地展示了子阵列的结构，将贴片和馈线所在的基板以共地的方式贴合在一起，中间夹层为地板，馈线通过探针连接到天线单元的主辐射贴片上为天线单元进行馈电。

图6为所提出的贴片天线单元和子阵列的仿真结果的比较。

如图6(a)所示，共形前后子阵列的阻抗带宽几乎相同，而组成阵列后，由于铜探针的加长和馈线网络的加入，系统带宽增加，这导致系统损耗增加。

图6(b)证明了这一点，表明在2.4GHz的中心频率下，所设计的共形子阵列的辐射效率低于所设计的共形微带贴片天线的辐射效率。

所提出的天线子阵列的辐射方向图在图7中进行了比较。

在x-z平面中，所提出的共形的天线子阵列的波束宽度比平面子阵列的稍宽，这是因为天线子阵列在该方向(x轴)上进行了共形处理。

在y-z平面中，由于所设计的共形单元在y轴方向上并联连接形成天线子阵列，因此波束宽度较窄。

S2.4、优化主辐射贴片与寄生贴片之间的间距D0。

D0的主要功能是调节主辐射贴片和寄生贴片之间的互耦强度，从而调节两个频率之间的间隔。

如附图中图8所示，将D0设置为小于1.0mm会导致通带中具有更高回波损耗，为了在天线的后续制造中能够保证足够的容错率，D0的值取为1.2mm是最合适的。

S3、为进一步提高增益，我们设计了完整的共形微带贴片天线阵列，包括如下子步骤：

S3.1、确定阵列单元数以及阵列结构。

折中考虑天线的性能和复杂程度，并为了保持方向图的对称性，我们在辐射边缘方向(x轴)使用4个天线子阵列(包含16个贴片天线单元)来组成完整的贴片天线阵列。4个天线子阵列被单独馈电，通过控制各天线子阵列的相位可以进行波束扫描。

圆柱形共形天线阵列的仿真模型如附图中图9(a)所示。其中每个子阵列被放置在半径为R的圆柱体上，两个子阵列之间的间距为dx。

为了便于描述和研究，这些天线子阵列从左到右分别命名为C2、C1、C-1、C-2。

S3.2、研究各子阵列间的相位关系对辐射方向图的影响。

由于子阵列中的所有单元都使用单个馈电端口，因此在波束成形时，每个子阵列都可以被视为整个阵列的单元。

因此，图9(a)中所示的天线阵列可以被视为由四个单元组成的线性阵列。

图9(b)为圆柱形共形线性阵列的相位补偿关系，其中Cn(n＝2,1,-1,2)表示线性阵列中每个单元的序号。

假设z轴的正方向是辐射方向，那么在图9(b)中所示的情况下，C-1是离波阵面最近的阵列单元，作为参考单元。当偏离角为γ时，每个单元所需的相位补偿为Δφn(n＝2,1,-1,2)，如式(1-a)-式(1-d)所示：

Δφ_-1＝0#1-c

其中λ和γ分别表示自由空间的波长和波阵面相对于z轴正方向的偏离角。此外，β表示相邻阵列单元间的弧长对应的圆心角，如下式所示：

当波阵面垂直于z轴(即γ＝0)时，Δφ1＝Δφ-1＝0，Δφ2＝Δφ-2。

S3.3、研究不同的圆柱半径对共形微带贴片天线阵列的辐射方向图的影响。

图10给出了不同的圆柱半径的值对所提出的共形天线阵列的辐射方向图的影响。为了便于比较，辐射方向图的最大增益方向选择为与z轴正方向对齐。

基于式(1)和式(2)计算出不同半径所需的相位补偿。结果表明，在相位补偿后，随着共形天线阵列半径的减小，x-z和y-z平面中的最大增益将减小。如图10(a)所示，半径对天线阵列的影响在x-z平面中比在y-z平面中更明显，尤其体现在旁瓣相对电平(RSLL)。这是因为天线阵列是在x-z平面进行了共形处理，且在y-z平面保持相对不变。设计的天线阵列的FBR在所有情况下都能保持较好的水平。

图14给出了具有不同半径的天线阵列的仿真结果，包括x-z和y-z平面上的最大增益、半功率波束宽度(HPBW)和RSLL。结果表明，最大增益和最大RSLL都随着半径的增大而增大。由于设计的天线阵列旨在用于复杂环境，如多径严重的山地密林环境，因此应令最大RSLL更高。在y-z平面中，所有情况下的最大RSLL都保持了较好的性能和较小的变化。在x-z平面中，半径小于400mm会导致较高的旁瓣电平，而半径为600mm会导致第一副瓣电平高于第二副瓣电平，从而导致最大RSLL降低。此外，当半径增加到无穷大(即平面阵列)时，增益最高。然而，半径越大，成本就越高。因此，折中考虑天线阵列的性能和成本，500mm是此例中圆柱半径的最优选择。

S3.4、研究了各单元间的互耦情况。

图11展示了天线阵列中各子阵列之间的互耦情况。结果表明，由于输入端口之间的物理位置相似，不同子阵列之间的隔离度的变化类似，端口之间的距离越远，它们之间的互耦越弱。端口1和端口4之间的距离最远，因此它们之间的互耦最弱。总体而言，由于阵列单元之间的距离足够远，这种设计中的子阵列之间的互耦非常弱(小于-20dB)。

本发明中涉及的电路以及控制均为现有技术，在此不进行过多赘述。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种基于气球的带宽拓展的高增益阵列天线，其特征在于，具体方法为：

S1、根据设计需求，设计共形微带贴片天线单元；

S2、根据贴片天线单元，设计子阵列结构和馈电方法；

S3、根据子阵列结构和馈电方法，设计共形微带贴片天线阵列。

2.根据权利要求1所述的一种基于气球的带宽拓展的高增益阵列天线，其特征在于，S1中设计共形微带贴片天线单元的具体步骤为：

S1.2、在微带贴片的每个辐射边的旁边添加两个寄生贴片；

S1.4、对微带贴片天线单元进行共形处理。

3.根据权利要求1所述的一种基于气球的带宽拓展的高增益阵列天线，其特征在于，S2中根据贴片天线单元，设计子阵列结构和馈电方法的具体步骤为：

S2.1、根据S1中的共形微带贴片天线单元，设计天线子阵列；

S2.2、根据天线子阵列，设计天线子阵列的馈电结构；

S2.3、设计天线辐射贴片与馈电网络之间的空间结构；

S2.4、优化主辐射贴片与寄生贴片之间的间距D0。

4.根据权利要求3所述的一种基于气球的带宽拓展的高增益阵列天线，其特征在于，所述2.1中的天线子阵列由四个S1.4中的微带贴片天线单元以一定距离沿着非辐射边方向排列组成。

5.根据权利要求3所述的一种基于气球的带宽拓展的高增益阵列天线，其特征在于，所述2.2天线子阵列的馈电结构具体为，天线子阵列由T型一分四功分器并联馈电，每个功分器使用SMA接口连接外部激励进行馈电。

6.根据权利要求3所述的一种基于气球的带宽拓展的高增益阵列天线，其特征在于，S2.3中天线辐射贴片与馈电网络之间的空间结构具体为，将贴片和馈线所在的基板以共地的方式贴合在一起，中间夹层为地板，馈线通过探针连接到天线单元的主辐射贴片上为天线单元进行馈电。

7.根据权利要求1所述的一种基于气球的带宽拓展的高增益阵列天线，其特征在于，S3中根据子阵列结构和馈电方法，设计共形微带贴片天线阵列的具体步骤为：

S3.1、确定阵列单元数以及阵列结构。