CN117276901A - 低剖面超宽带宽扫描紧耦合天线单元、天线阵列及通信设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低剖面超宽带宽扫描紧耦合天线单元、天线阵列及通信设备，所述天线单元包括电偶极子、馈电巴伦、双层K形开口环、第一介质板、第二介质板、第三介质板和地板，所述第二介质板直立设置在第一介质板和第三介质板之间，所述地板设置在第三介质板的下表面，所述电偶极子和馈电巴伦设置在第二介质板上，且电偶极子通过馈电巴伦与地板连接，所述双层K形开口环为一对，一对双层K形开口环紧贴第一介质板的上、下表面，并与电偶极子连接；所述天线阵列包括多个上述的天线单元。本发明通过天线单元组成的天线阵列能够满足工作在多个通信频段的要求，能有效节约空间资源、利于集成、实现大角度扫描，减少天线单元的数量、降低成本。

Description

低剖面超宽带宽扫描紧耦合天线单元、天线阵列及通信设备

技术领域

本发明涉及一种低剖面超宽带宽扫描紧耦合天线单元、天线阵列及通信设备，属于通信技术领域。

背景技术

近年来，具有低剖面和超宽带的相控阵天线在雷达与通信等领域深受欢迎，尤其机载应用平台。对于超宽带相控阵天线，需要工作在2G、3G、4G、5G等多个工作频段。传统无线电子系统需要多个工作在不同频段的天线阵来实现复杂的功能，而一个超宽带天线阵即可达到这样的目的，可以成倍地减小系统的体积、重量和成本。因此，超宽带相控阵天线技术在军用和民用领域有着广泛的应用前景。

中国专利申请公开号为CN113078460A的发明专利申请提出了一种基于槽耦合结构的高隔离度双极化紧耦合相控阵天线单元，该天线波束扫描角度较大，但相对阻抗带宽较小，相对阻抗带宽只有66.7％；此外，该天线剖面较高和结构复杂；中国专利申请公开号为CN114883785A的发明专利申请提出了一种薄型双极化超宽带宽角扫描阵列天线，该天线的剖面较低，加大单元间距后，紧耦合天线的成本降低，但是波束扫描角度较小，扫描范围仅有±45°；此外，该天线的阻抗带宽较窄且剖面也较高。

因此，剖面低、宽带化和大角度扫描将是紧耦合天线阵未来发展的主要趋势之一。

发明内容

本发明的第一个目的是为了解决上述现有技术的问题，提供了一种低剖面超宽带宽扫描紧耦合天线单元，该天线单元具备低剖面、宽频带和宽扫描的特性。

本发明的第二个目的在于提供一种低剖面超宽带宽扫描紧耦合天线阵列，该天线阵列能够满足工作在多个通信频段的要求，能有效节约空间资源、利于集成、实现大角度扫描，减少天线单元的数量、降低成本。

本发明的第三个目的在于提供一种通信设备。

本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种低剖面超宽带宽扫描紧耦合天线单元，包括电偶极子、馈电巴伦、双层K形开口环、第一介质板、第二介质板、第三介质板和地板，所述第二介质板直立设置在第一介质板和第三介质板之间，所述地板设置在第三介质板的下表面，所述电偶极子和馈电巴伦设置在第二介质板上，且电偶极子通过馈电巴伦与地板连接，所述双层K形开口环为一对，一对双层K形开口环紧贴第一介质板的上、下表面，并与电偶极子连接。

进一步的，所述电偶极子包括第一极子臂和第二极子臂，所述第一极子臂和第二极子臂分别设置在第二介质板的两表面，且第一极子臂和第二极子臂的上部位于第二介质板的上边缘处。

进一步的，还包括阶梯短路线，所述阶梯短路线包括第一阶梯短路线和第二阶梯短路线，所述第一阶梯短路线和第二阶梯短路线分别设置在第二介质板的两表面，第一阶梯短路线的一端与第一极子臂连接，第二阶梯短路线的一端与第二极子臂连接，第一阶梯短路线、第二阶梯短路线的另一端与地板连接。

进一步的，所述馈电巴伦为微带渐变巴伦，包括第一微带平行线和第二微带平行线，所述第一微带平行线和第二微带平行线分别设置在第二介质板的两表面，第一微带平行线的一端与第一极子臂连接，第二微带平行线的一端与第二极子臂连接，第一微带平行线、第二微带平行线的另一端与地板连接。

进一步的，所述馈电巴伦在与电偶极子连接的一端设置有第一开槽。

进一步的，所述馈电巴伦在第一开槽与地板之间设置有第二开槽。

进一步的，一对双层K形开口环分别为第一双层K形开口环和第二双层K形开口环，所述第一双层K形开口环和第二双层K形开口环的两层K形开口环之间通过多个金属柱连接。

进一步的，所述馈电巴伦连接有射频SMA接头，所述射频SMA接头包括内导体和外导体，所述内导体紧贴在馈电巴伦的正上方，所述外导体紧贴在地板的正下方。

本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种低剖面超宽带宽扫描紧耦合天线阵列，包括多个上述的低剖面超宽带宽扫描紧耦合天线单元。

本发明的第三个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种通信设备，包括上述的低剖面超宽带宽扫描紧耦合天线单元，或上述的低剖面超宽带宽扫描紧耦合天线阵列。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明提出了一种具有共模抑制的低剖面超宽带宽扫描紧耦合天线阵列，通过在第一介质板加载一对双层K形开口环，天线阵列能够在保持良好阻抗匹配情况下实现宽角扫描和降低天线阵列的剖面高度，减轻天线阵列的重量和节约成本。

2、本发明提出了一种实现宽带化和抑制共模谐振信号的方法，通过在电偶极子和地板间添加阶梯短路线，它不仅使馈电巴伦不平衡馈电所引起的共模谐振得到抑制，而且使天线阵列的匹配特性更好。

3、本发明提出了另一种实现宽带化和改善带内匹配特性的方法，在馈电巴伦处设置第一开槽，第一开槽引入电容来抵消电偶极子输入端口到地板所等效的强电感效应；另外，第二开槽与第一开槽组合构成多级匹配网络再次来抵消低频2.3GHz左右的强电感效应，进一步使天线阵列在超宽带内实现良好的阻抗匹配。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1的低剖面超宽带宽扫描紧耦合天线单元结构示意图。

图2为本发明实施例1的低剖面超宽带宽扫描紧耦合天线单元正面结构示意图。

图3为本发明实施例1的低剖面超宽带宽扫描紧耦合天线单元反面结构示意图。

图4为本发明实施例1的低剖面超宽带宽扫描紧耦合天线阵列结构示意图。

图5为本发明实施例1的低剖面超宽带宽扫描紧耦合天线单元有无加载一对双层K形开口环的电压驻波比随频率变化曲线对比图。

图6为本发明实施例1的低剖面超宽带宽扫描紧耦合天线单元无加载短路线、加载一节短路线、加载两节短路线的电压驻波比随频率变化曲线对比图。

图7为本发明实施例1的低剖面超宽带宽扫描紧耦合天线单元无开槽、设置第一开槽、设置第一开槽及第二开槽的电压驻波比随频率变化曲线对比图。

图8为本发明实施例1的低剖面超宽带宽扫描紧耦合天线阵列在3.24GHz频率下不同扫描角度的垂直方向图。

图9为本发明实施例1的低剖面超宽带宽扫描紧耦合天线阵列在3.24GHz频率下不同扫描角度的水平方向图。

其中，1-电偶极子，101-第一极子臂，102-第二极子臂，2-馈电巴伦，201-第一微带平行线，202-第二微带平行线，3-射频SMA接头，301-内导体，302-外导体，4-阶梯短路线，401-第一阶梯短路线，401a-第一节阶梯短路线，401b-第二节阶梯短路线，402-第二阶梯短路线，402a-第三节阶梯短路线，402b-第四节阶梯短路线，5-双层K形开口环，6-第一介质板，7-第二介质板，8-第三介质板，9-地板，10-第一开槽，11-第二开槽。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语包括相关所列项目的任何及所有组合。

实施例1：

如图1～图3所示，本实施例提供了一种低剖面超宽带宽扫描紧耦合天线单元，该天线单元包括电偶极子1、馈电巴伦2、双层K形开口环5、第一介质板6、第二介质板7、第三介质板8和地板9，第二介质板8直立设置在第一介质板7和第三介质板9之间，地板9设置在第三介质板的下表面，所述电偶极子和馈电巴伦设置在第二介质板上，且电偶极子通过馈电巴伦与地板连接，所述双层K形开口环为一对，一对双层K形开口环5紧贴第一介质板6的上、下表面，并与电偶极子1连接。

进一步地，电偶极子1包括第一极子臂101和第二极子臂102，第一极子臂101和第二极子臂102通过印刷的方式分别设置在第二介质板7的两表面，且关于X轴对称，第一极子臂101和第二极子臂102的上部位于第二介质板7的上边缘处。

进一步地，一对双层K形开口环5分别为第一双层K形开口环501和第二双层K形开口环502，第一双层K形开口环501和第二双层K形开口环502关于X轴对称，第一双层K形开口环501和第二双层K形开口环502的两层K形开口环之间通过六个金属柱连接，其中上层K形开口紧贴第一介质板6的上表面，下层K形开口紧贴第一介质板6的下表面，第一双层K形开口环501和第二双层K形开口环502紧贴在第二介质板7的上边缘，并与电偶极子1的上边缘紧密连接；K形开口环本身等效为电感，两层K形开口环之间等效为耦合电容，而六个金属柱等效为电感，一对双层K形开口环则可看成新的匹配网络，这样不仅可以进一步抵消电偶极子1到地板9之间所等效的强电感效应，而且使电偶极子1到自由空间的宽角阻抗匹配，从而使天线阵列的带宽和扫描角度得到拓展。

进一步地，馈电巴伦2为微带渐变巴伦，包括第一微带平行线201和第二微带平行线202，第一微带平行线201和第二微带平行线202通过印刷的方式分别设置在第二介质板7的两表面，第一微带平行线201的一端与第一极子臂101连接，第二微带平行线202的一端与第二极子臂102连接，第一微带平行线201、第二微带平行线202的另一端与地板9连接，即第一微带平行线201和第二微带平行线202分别接在电偶极子1的两个臂与地板9之间，以实现不平衡端到平衡端的阻抗转换。

进一步地，馈电巴伦2在与电偶极子1连接的一端设置有第一开槽10，具体地，第二微带平行线202在与第二极子臂102连接的一端设置有第一开槽10，用于产生等效电容来抵消电偶极子1输入端口到地板9所等效的强电感效应；更进一步地，第二微带平行线202在第一开槽10与地板9之间设置有第二开槽11，第二开槽11与第一开槽10组合构成多级匹配网络来抵消低频2.3GHz左右的强电感效应，从而实现射频SMA接头3到电偶极子1输入端口的良好阻抗匹配。

进一步地，馈电巴伦2连接有射频SMA接头3，射频SMA接头3包括内导体301和外导体302，内导体301紧贴在馈电巴伦2的正上方，外导体302紧贴在地板9的正下方。

进一步地，本实施例的天线单元还包括阶梯短路线4，阶梯短路线4包括第一阶梯短路线401和第二阶梯短路线402，第一阶梯短路线401和第二阶梯短路线402通过印刷的方式分别设置在第二介质板7的两表面，第一阶梯短路线401的一端与第一极子臂101连接，第二阶梯短路线402的一端与第二极子臂102连接，第一阶梯短路线401、第二阶梯短路线402的另一端与地板9连接。

进一步地，第一阶梯短路线401包括相连接的第一节阶梯短路线401a和第二节阶梯短路线401b，第二阶梯短路线402包括相连接的第三节阶梯短路线402a和第四节阶梯短路线402b。

从上述描述可以看到，第一极子臂101、第一微带平行线201和第一阶梯短路线401都印刷在第二介质板7的上表面；第二极子臂102、第二微带平行线202和第二阶梯短路线402都印刷在第二介质板7的下表面。

如图4所示，本实施例提供了一种低剖面超宽带宽扫描紧耦合天线阵列，该天线阵列包括64个上述的低剖面超宽带宽扫描紧耦合天线单元，64个低剖面超宽带宽扫描紧耦合天线单元组成8×8规模的低剖面超宽带宽扫描紧耦合天线阵列，天线阵列最外围都是接50Ω负载，而中间部分6×6个天线单元都激励，并给予一定的相位差以实现阵列的波束扫描功能；通过将8×8个低剖面超宽带宽扫描紧耦合天线单元紧密排列在一起，低剖面超宽带宽扫描紧耦合天线单元间的耦合电容和电偶极子1中两个极子臂间等效的耦合电容形成强电容效应来抵消紧耦合天线单元到地板9所等效的强电感效应，从而使得低剖面超宽带宽扫描紧耦合天线阵列的带宽得到拓展；另外，第一介质板6、第二介质板7、第三介质板8和地板9都连接形成一体化，结构简单，方便进行加工制作。

根据上述低剖面超宽带宽扫描紧耦合天线单元及天线阵列的结构，设计了一款工作在1.28-5.32GHz(Active VSWR＜2)的低剖面超宽带宽扫描紧耦合天线阵列且其具有共模抑制功能，剖面高度为0.08λL，相对阻抗带宽为122.4％，具有良好的电路性能和辐射性能；另外，该天线阵列在保持良好阻抗匹配的情况下能进行大角度扫描，E面扫描角度为±60°，H面扫描角度为±60°；如图5～图9所示，通过加载一对双层K型开口环5，不仅降低天线阵列的剖面高度，而且改善天线阵列在大角度范围内的阻抗匹配。通过加载阶梯短路线4，不仅可以抑制该天线阵列所存在的共模信号，而且改善宽频带内阻抗匹配特性，从而拓展天线阵列的阻抗带宽；此外，在第二微带平行线202末端的第一开槽10等效为电容来抵消电偶极子1输入端口到地板9所等效的强电感效应；第二开槽11位于第二微带平行线202的首端，与第一开槽10组合构成多级匹配网络来抵消低频2.3GHz左右的强电感效应；通过采用以上的设计方法，该天线阵列在实现超宽带性能的同时具有较低的剖面高度和宽扫描特性，具有较轻的重量、损耗小等优点。

本实施例具有如下优点：

1)提出了加载一对双层K形开口环来实现超宽带宽扫描紧耦合天线阵的方法：在第一介质板6中印刷了一对双层K形开口环5；天线阵列工作时，一对双层K形开口环5不仅能为天线阵列引入新的匹配网络以实现超宽带宽扫描功能，而且能够降低天线阵列的剖面高度。

2)提出了一种抑制共模谐振的方法。阶梯短路线4连接在电偶极子1和地板9之间，天线阵工作时，阶梯短路线4不仅使馈电巴伦2的不平衡馈电所引起的共模谐振信号得到抑制，而且使天线阵列的阻抗带宽得到拓展。

3)设计了一种低剖面超宽带宽扫描紧耦合天线阵列，通过在第二微带平行线202处设置第一开槽10，第一开槽10引入电容来抵消电偶极子1输入端口到地板9所等效的强电感效应，使得天线阵列的阻抗带宽得到拓展；此外，通过在第二微带平行线202处设置第二开槽11，第二开槽11与第一开槽10组合构成多级匹配网络来抵消低频2.3GHz左右的强电感效应，使天线阵列的阻抗匹配进一步改善，从而保证天线阵列的超宽带特性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种低剖面超宽带宽扫描紧耦合天线单元，其特征在于，包括电偶极子、馈电巴伦、双层K形开口环、第一介质板、第二介质板、第三介质板和地板，所述第二介质板直立设置在第一介质板和第三介质板之间，所述地板设置在第三介质板的下表面，所述电偶极子和馈电巴伦设置在第二介质板上，且电偶极子通过馈电巴伦与地板连接，所述双层K形开口环为一对，一对双层K形开口环紧贴第一介质板的上、下表面，并与电偶极子连接。

2.根据权利要求1所述的低剖面超宽带宽扫描紧耦合天线单元，其特征在于，所述电偶极子包括第一极子臂和第二极子臂，所述第一极子臂和第二极子臂分别设置在第二介质板的两表面，且第一极子臂和第二极子臂的上部位于第二介质板的上边缘处。

3.根据权利要求2所述的低剖面超宽带宽扫描紧耦合天线单元，其特征在于，还包括阶梯短路线，所述阶梯短路线包括第一阶梯短路线和第二阶梯短路线，所述第一阶梯短路线和第二阶梯短路线分别设置在第二介质板的两表面，第一阶梯短路线的一端与第一极子臂连接，第二阶梯短路线的一端与第二极子臂连接，第一阶梯短路线、第二阶梯短路线的另一端与地板连接。

4.根据权利要求2所述的低剖面超宽带宽扫描紧耦合天线单元，其特征在于，所述馈电巴伦为微带渐变巴伦，包括第一微带平行线和第二微带平行线，所述第一微带平行线和第二微带平行线分别设置在第二介质板的两表面，第一微带平行线的一端与第一极子臂连接，第二微带平行线的一端与第二极子臂连接，第一微带平行线、第二微带平行线的另一端与地板连接。

5.根据权利要求1-4任一项所述的低剖面超宽带宽扫描紧耦合天线单元，其特征在于，所述馈电巴伦在与电偶极子连接的一端设置有第一开槽。

6.根据权利要求5所述的低剖面超宽带宽扫描紧耦合天线单元，其特征在于，所述馈电巴伦在第一开槽与地板之间设置有第二开槽。

7.根据权利要求1-4任一项所述的低剖面超宽带宽扫描紧耦合天线单元，其特征在于，一对双层K形开口环分别为第一双层K形开口环和第二双层K形开口环，所述第一双层K形开口环和第二双层K形开口环的两层K形开口环之间通过多个金属柱连接。

8.根据权利要求1-4任一项所述的低剖面超宽带宽扫描紧耦合天线单元，其特征在于，所述馈电巴伦连接有射频SMA接头，所述射频SMA接头包括内导体和外导体，所述内导体紧贴在馈电巴伦的正上方，所述外导体紧贴在地板的正下方。

9.一种低剖面超宽带宽扫描紧耦合天线阵列，其特征在于，包括多个权利要求1-8任一项所述的低剖面超宽带宽扫描紧耦合天线单元。

10.一种通信设备，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的低剖面超宽带宽扫描紧耦合天线单元，或包括权利要求9所述的低剖面超宽带宽扫描紧耦合天线阵列。