CN107611597B - 具有赋形波束且可作为阵元的低剖强耦合子阵及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于赋形波束天线技术领域，公开了一种具有赋形波束且可作为阵元的低剖强耦合子阵的设计方法、实现方法及一种具体结构。所述具有赋形波束且可作为阵元的低剖强耦合子阵由若干个微小单元及馈电结构组成，仅有一个馈电点，子阵的方向图形状由馈电结构控制，子阵的尺寸在半个中心工作频率对应的波长左右。本发明提出的子阵，可作为单个天线独立使用，以常规天线的尺寸实现赋形波束；可作为阵列天线的阵元使用，且阵元间距满足避免栅瓣出现的要求，由该子阵作为相控阵天线的阵元，解决了目前相控阵天线设计中的宽角扫描增益明显下降的问题。

Description

具有赋形波束且可作为阵元的低剖强耦合子阵及设计方法

技术领域

本发明属于赋形波束天线技术领域，尤其涉及具有赋形波束且可作为阵元的低剖强耦合子阵的设计方案、实现方法及一种具体结构。

背景技术

在卫星通信中，为满足一定的地面服务区的有效全向辐射功率要求，迫使通信天线必须采用赋形波束天线。采用赋形波束天线能减小覆盖区域以外的地面站对卫星系统所产生的干扰，提高系统的频谱利用率和信道的容量，提高有效全向辐射功率和接收系统品质因数值，并能使卫星地面站终端设备得到简化和降低成本。目前在卫星通信中使用的赋形波束天线以多馈源赋形或者反射面赋形天线为主，设计难度大，加工精度要求高，而且天线的剖面较高。

在移动通信中，目前许多大型场馆在举办某些重要赛事或特殊活动时话务量需求较高，而可使用的频率资源又有限，因此需采用大量的频率复用达到最佳容量。由于赋形波束天线的天线波瓣在横截面方向上趋向于矩形，因此覆盖波形与场馆坐席的几何形状可以基本吻合；另外赋形波束天线无论在水平方向还是垂直方向，在半功率角外波瓣都能够迅速收缩，可以较好抑制同频小区间的干扰。以上特点使赋形波束天线可以有效消除相邻复用蜂窝区的覆盖重叠或盲区，使小区边界尽量清晰，最大程度地提高频率复用效率和场馆室内分布系统容量。目前应用于场馆的赋形波束天线通常需要几副天线共同使用才能满足覆盖要求，或者使用大口径的传统阵列天线来实现赋形波束覆盖。

在阵列天线的设计中，根据天线理论，天线阵的增益等于阵因子增益与阵元的增益之和。在实际应用中，当阵因子增益确定后，影响天线阵增益的主要因素就是阵元的增益。传统阵元的最大辐射方向一般在天线阵平面的法线方向，在偏离最大辐射方向较大的角度上，阵元的增益明显下降，从而导致天线阵的增益显著降低。此外，传统阵元的方向图形状往往是固定的，不能根据阵列天线的方向图指标要求进行调整。因此，采用传统阵元组成的低剖面相控阵天线，不可避免地存在大角度扫描时增益明显下降的问题，制约了低剖面相控阵天线的宽角扫描性能。如果阵元能够具有中心凹陷的赋形波束，则可从根本上解决宽角扫描相控阵天线的大角度扫描增益下降问题。

综上所述，现有技术存在的问题是：现有的反射面赋形波束天线存在设计难度大、加工精度要求高、剖面高的问题；赋形波束阵列天线存在口径尺寸大的问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种具有赋形波束且可作为阵元的低剖强耦合子阵的设计方案、实现方法及具体结构。

本发明是这样实现的，一种具有赋形波束且可作为阵元的低剖强耦合子阵的设计方案，所述子阵由若干个微小单元及馈电结构组成，仅有一个馈电点，子阵的方向图形状由馈电结构控制，子阵的尺寸与传统阵元的尺寸相当，控制在半个中心工作频率对应的波长左右。构成子阵的若干个微小单元紧密排布，子阵属于强耦合阵列。

进一步，本发明的另一目的在于提供一种所述具有赋形波束且可作为阵元的低剖强耦合子阵的实现方法，具体包括：

(1)根据子阵方向图的形状要求，选择构成子阵的微小单元的类型，或者几种类型的微小单元组合；结合微小单元的方向图特点及子阵的目标方向图形状，确定子阵内部微小单元的排布方式；

(2)在子阵的波束赋形过程中考虑各个微小单元之间的耦合效应及子阵边缘的截断效应；采用基于时间反演法的波束合成技术来实现子阵的波束赋形；

(3)在确定子阵内部各微小单元的馈电幅度和相位分布后，采用具备低损耗特性的馈电结构实现该幅度和相位分布。

本发明的另一目的在于提供一种具有赋形波束且可作为阵元的低剖强耦合子阵的具体结构，所述低剖强耦合子阵包括：子阵最上部的介质板、子阵的馈电结构部分的介质板、金属反射板、子阵的微单元、平行双导线、微带串馈线、子阵的馈电点、子阵的馈电结构部分的金属地板；

微单元为五元印刷偶极子，印刷于第一介质板的下表面，与金属反射板平行放置，所有偶极子互相平行且与金属反射板之间的距离相等。每个印刷偶极子的两臂均等长，两臂分别与位于第二介质板上的平行双导线相连，平行双导线通过渐变结构与微带串馈线相连，在子阵结构的最底部是金属反射板。

进一步，通过位于第二介质板上的平行双导线、微带串馈线及金属地板组成的子阵的馈电结构实现五元印刷偶极子的幅度和相位分布；利用子阵结构最底部的金属反射板辅助控制波束方向及形状。

本发明的优点及积极效果为：本发明实施例的子阵尺寸为0.60λ×0.42λ，子阵方向图在偏离法线方向47°的方向对称分布着最大辐射方向，在阵列平面的法线方向，即方向图的中心处的增益低于最大增益2.5dBi，而且3dB波束宽度达到154°，具备“中心凹陷”的宽波束特征。

本发明以常规天线的尺寸实现具有赋形波束的低剖面强耦合子阵，该子阵可以作为单个天线独立使用，也可作为阵列天线的阵元使用，且在宽扫描角范围内不会出现栅瓣。以该子阵作为相控阵天线的阵元，解决了目前相控阵天线设计中的宽角扫描增益明显下降的问题。

附图说明

图1是本发明实施例提供的具有赋形波束且可作为阵元的低剖强耦合子阵的波束合成示意图；

图2是本发明实施例提供的基于时间反演法的波束合成技术流程图；

图3是本发明实施例提供的子阵结构示意图；

图4是本发明实施例提供的子阵的馈电结构的A面结构示意图；

图5是本发明实施例提供的子阵的馈电结构的B面结构示意图；

图6是本发明实施例提供的子阵方向图。

图中：1、波束控制系统；2、子阵最上部的介质板；3、子阵的馈电结构部分的介质板；4、金属反射板；5、子阵的微单元；6、平行双导线；7、微带串馈线；8、子阵的馈电点；9、子阵的馈电结构部分的金属地板。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

本发明提出采用由若干个微小单元及馈电结构来组成可作为阵元的子阵，并且使该子阵具有赋形波束。子阵的尺寸与传统阵元的尺寸相当，控制在半个中心工作频率对应的波长左右。构成子阵的若干个微小单元必须紧密排布，子阵属于强耦合阵列，在子阵的设计过程中需要考虑各个微小单元之间的耦合效应及子阵边缘的截断效应。

本发明实施例提供的强耦合子阵的实现方法，主要包含三部分。

(1)构成子阵的微小单元选型与子阵的布局设计。

根据子阵方向图的形状要求，合理选择构成子阵的微小单元的类型，或者几种类型的微小单元组合。如图1所示，可以考虑采用具有差方向图的微小单元与具有和方向图的微小单元的混合单元类型，使用尽量少的微小单元数目来合成理想的子阵方向图形状。然后结合所选用微小单元类型方向图的特点及子阵的目标方向图形状，来确定子阵内部微小单元的排布方式。

(2)子阵的波束赋形

子阵属于强耦合阵列，在子阵的波束赋形过程中需要考虑各个微小单元之间的耦合效应及子阵边缘的截断效应。基于时间反演法的方向图综合方法不受阵元类型、排布方式及阵列结构的限制，能自动将平台影响、阵元互耦等因素考虑进去。本发明提出采用基于时间反演法的波束合成技术来实现子阵的波束赋形，其处理方法如图2所示。

(3)子阵的馈电结构设计

在确定子阵内部各微小单元的馈电幅度和相位分布后，可以采用传统的馈电网络设计方法进行子阵的馈电结构设计。在设计中，不仅要保证幅度和相位分布的准确性，而且要尽量减小馈电结构带来的损耗。

如图3所示，本发明实施例提供的强耦合子阵包括：子阵最上部的介质板2、子阵的馈电结构部分的介质板3、金属反射板4、子阵的微单元5、平行双导线6、微带串馈线7、子阵的馈电点8、子阵的馈电结构部分的金属地板9。

本发明实施例所采用的构成子阵的微单元5为五元印刷偶极子，通过位于第二介质板3上的平行双导线6、微带串馈线7及金属地板9组成的子阵的馈电结构实现五元印刷偶极子的幅度和相位分布。五元偶极子印刷于第一介质板2的下表面，印刷偶极子的两臂分别与位于第二介质板3上的平行双导线6相连接，利用平行双导线6实现平衡馈电，从而保证E面的方向图对称并减小纵向极化分量。平行双导线6通过渐变结构与微带串馈线7相连，利用微带串馈线7控制每个印刷偶极子馈电的幅度和相位分布，使子阵具有特定的方向图形状。在子阵结构的最底部是金属反射板4，起到辅助控制方向图波束方向及形状的作用。

五元偶极子与金属反射板4平行放置，所有偶极子与金属反射板4之间的距离相等，所有偶极子互相平行，每个偶极子的两臂均等长。正中间的偶极子最长，对两侧偶极子的辐射起到一定的反射作用；最外侧的偶极子最短，对同侧较长偶极子的辐射起到一定的引向作用。子阵的尺寸控制在半个中心工作频率对应的波长左右，子阵属于强耦合阵列。

图4和图5分别是位于第二介质板3上的子阵的馈电结构的A面和B面结构示意图。A面上印刷着微带串馈线7以及平行双导线6的其中一条导线，该导线的一端与偶极子的一臂相连接，另一端与微带串馈线7相连接。在微带串馈线上8所示的位置是该子阵的馈电点。B面上印刷着子阵的馈电结构部分的金属地板9以及平行双导线6的另外一条导线，该导线的一端与偶极子的另一臂相连接，另一端通过一小段过渡结构与金属地板9相连接。

采用图2所示的基于时间反演的波束合成技术，对图3所示的子阵进行波束赋形。当组成子阵的五元偶极子的幅度和相位分布按照表1所示取值时，得到图6所示的在H面内具备“中心凹陷”特征的子阵方向图。该子阵方向图在偏离法线方向47°的方向对称分布着最大辐射方向，在阵列平面的法线方向，即方向图的中心处的增益低于最大增益2.5dBi，而且3dB波束宽度达到154°，具备“中心凹陷”的宽波束特征，很适合作为宽角扫描相控阵天线的单元使用。

表1组成子阵的五元偶极子的幅度和相位分布

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种具有赋形波束且可作为阵元的低剖强耦合子阵的设计方法，其特征在于，所述具有赋形波束且可作为阵元的低剖强耦合子阵的设计方法包括：

（1）根据子阵方向图的形状要求，选择构成子阵的微小单元的类型，或者几种类型的微小单元组合；结合所选用的微小单元的方向图特点及子阵的目标方向图形状，确定子阵内部微小单元的排布方式；

（2）在子阵的波束赋形过程中需要考虑各个微小单元之间的耦合效应及子阵边缘的截断效应；采用基于时间反演法的波束合成技术来实现子阵的波束赋形；

（3）在确定子阵内部各微小单元的馈电幅度和相位分布后，采用具备低损耗特性的馈电结构实现该幅度和相位分布；

所述低剖强耦合子阵包括：子阵最上部的第一介质板、子阵的馈电结构部分的第二介质板、金属反射板、子阵的微小单元、五组平行双导线、微带串馈线、子阵的馈电点、子阵的馈电结构部分的金属地板；

微小单元为五元印刷偶极子，印刷于第一介质板的下表面，与金属反射板平行放置，所有偶极子互相平行且与金属反射板之间的距离相等；每个印刷偶极子的两臂均等长，两臂分别与位于第二介质板上的一组平行双导线相连，每组平行双导线通过渐变结构与微带串馈线相连，在子阵结构的最底部是金属反射板；

通过位于第二介质板上的五组平行双导线、微带串馈线及金属地板组成的子阵的馈电结构实现五元印刷偶极子的幅度和相位分布；利用子阵结构最底部的金属反射板辅助控制波束方向及形状；

第二介质板上包括相对的A面和B面；A面上印刷着微带串馈线以及每组平行双导线的其中一条导线，该导线的一端与偶极子的一臂相连接，另一端与微带串馈线相连接； B面上印刷着子阵的馈电结构部分的金属地板以及每组平行双导线的另外一条导线，该导线的一端与偶极子的另一臂相连接，另一端通过一段过渡结构与金属地板相连接。

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