CN113328241B - 低剖面宽带宽角扫描紧耦合天线单元及阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低剖面宽带宽角扫描紧耦合天线单元及阵列，天线单元包括:V型开口环，由两个子单元围合构成，两子单元间隔形成开口；介质匹配层，位于所述开口环的下方用于设置所述开口环；天线辐射贴片，包括第一辐射臂和第二辐射臂，第一辐射臂和第二辐射臂的上端与两个子单元电连接；超宽带巴伦，包括信号输入端和超宽带巴伦耦合端；超宽带巴伦耦合端与第一辐射臂和第二辐射臂的下端电性连接；反射地板，设置在介质基板的下方。本发明设计的紧耦合天线通过加载V型开口环和介质匹配层结构，可在6‑18GHz频带内实现E面±60°的波束扫描，同时剖面高度仅为0.069λ_l。

Description

低剖面宽带宽角扫描紧耦合天线单元及阵列

技术领域

本发明涉及超宽带天线技术领域，尤其涉及一种低剖面宽带宽角扫描紧耦合天线单元及阵列。

背景技术

传统的超宽带天线阵列设计主要是从宽带天线单元的设计开始，当考虑天线单元组阵时需要尽量减小天线单元间的互耦效应，以确保天线的阻抗匹配不被恶化。尽管传统的阵列天线设计趋于成熟，然而受天线单元电性能及阵列耦合效应的制约，极大的限制了阵列天线的阻抗带宽和相扫角度的扩展。基于wheeler利用无限大连续电流元构造相控阵的激发下，Ben A.Munk等人提出了强耦合超宽带相控阵列天线。该阵列天线中相邻单元间引入了容性互耦效应，并利用该容性互耦抵消由反射板引起的感性效应，实现了阵列天线阻抗带宽的拓展和低剖面设计。

发明内容

本发明的目的是提供一种低剖面、超宽带和宽扫角的天线阵元及紧耦合天线阵列，克服现有相控阵天线阵列有源驻波带宽及剖面高度问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案为：

一种低剖面宽带宽角扫描紧耦合天线单元，其特征在于，包括:

开口环，由两个子单元围合构成，两子单元间隔形成开口；

介质匹配层，位于所述开口环的下方用于设置所述开口环；

天线辐射贴片，由第一辐射臂和第二辐射臂构成，所述第一辐射臂的上端与两个所述子单元中的一个电连接，所述第二辐射臂的上端与两个所述子单元中的另一个电连接；

介质基板，位于所述介质匹配层的下方，用于设置所述天线辐射贴片；

超宽带巴伦，设置在所述介质基板上，包括信号输入端和超宽带巴伦耦合端；所述超宽带巴伦耦合端与所述第一辐射臂和第二辐射臂的下端电性连接，实现超宽带巴伦对天线辐射贴片的激励；

反射地板，设置在介质基板的下方。

一种宽带低剖面紧耦合天线阵列，包括阵列布置的上述所述的天线阵元。

本发明具有以下创新：

本发明提出了一种增大紧耦合天线阵扫角范围并实现超低剖面的方案。结合紧耦合天线等效电路模型，介质匹配层的加载会对天线输入阻抗产生容抗，从而抵消一部分反射地板产生的感抗效应。为了降低天线剖面，需要降低介质匹配层厚度，这会削弱介质匹配层对反射地板产生感抗的抵消效应。为了补偿损失的容抗，在原来结构基础上进行容性加载，加载的寄生单元为V型开口环。天线单元之间的V型开口环结构连接紧密，产生电容效应，实现电容补偿加载；同时V型开口环与天线辐射贴片末端电连接，为辐射电流提供新的流动路径，可以提高天线辐射贴片与自由空间的匹配效果，且V型开口环、线辐射贴片组合产生额外的谐振频率，可以进一步提高天线单元的匹配性能以达到超宽带效果。

附图说明

为了更清楚的说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图做简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来见，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为本发明紧耦合天线阵全视图。

图2为本发明紧耦合天线阵结构图，其中a为俯视图，b为主视图，c为后视图。

图3为本发明紧耦合天线单元全视图。

图4为本发明紧耦合天线单元结构图，其中a为俯视图，b为主视图，c为后视图。

图5为本发明紧耦合天线单元介质基板两侧印刷电路结构图，其中a为主视图，b为后视图。

图6为本发明紧耦合天线阵未加载V型开口环时，在法向角度及E面30°、60°扫描角度下有源驻波。

图7为本发明紧耦合天线阵在法向角度及E面30°、60°扫描角度下有源驻波。

附图标记：

1-V型开口环；11-第一V型加载片；12-第二V型加载片；2-介质匹配层；21-第一介质匹配层；22-第二介质匹配层；3-天线辐射贴片；31-第一辐射臂；32-第二辐射臂；4-超宽带巴伦；41-超宽带巴伦信号线；42-超宽带巴伦信号线匹配段；43-超宽带巴伦耦合端；5-短路探针；51-第一短路探针；52-第二短路探针；6-反射地板；7-介质基板。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“水平”、“垂直”、“上”、“下”、“正面”、“背面”、“X轴”、“Y轴”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，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，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定；

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“直插”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。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。

如图1所示，本发明所提供的一种加载V型开口环结构的紧耦合天线阵列。天线阵元间距设定为3.75mm，天线顶部与反射地板间距3.45mm，约为最低工作频率6GHz的0.069个自由空间波长。天线阵列排布为20*20矩形排列，实际给予激励参与能量辐射的天线单元为中心部分16*16天线阵列，其余外围天线单元为哑元，以减小天线阵列边界反射效应。

介质匹配层2为厚度0.508mm的Rogers RT/duroid 5880(tm)，介电常数为2.2。介质基板7为厚度0.1mm的Rogers TMM 10i,介电常数为9.8；反射地板6为厚度0.508mm的Rogers RO4350(tm)，在反射地板上表面吸附17μm的铜层，在反射地板上开有槽孔，超宽带巴伦信号线41可通过槽孔与射频组件连接。以上介质板材厚度均为PCB加工厂商常用规格。

图2为紧耦合天线阵列的俯视图2a、主视图2b和后视图2c。需要注意的是，为了实现系统的组合便利，现将馈电口通过地板上的槽孔向下延长1mm，以适配射频组件，在实际设计中，可根据实际需求适当削减延长线且并不影响天线性能。

图3为紧耦合天线单元全视图。

图4为紧耦合天线单元的俯视图4a、主视图4b和背视图4c。

紧耦合天线单元包括V型开口环1、介质匹配层2、天线辐射贴片3、超宽带巴伦4、短路探针5、反射地板6以及介质基板7。

V型开口环1包括第一V型加载片11和第二V型加载片12；第一V型加载片11和第二V型加载片12相对设置，且开口方向均位于内侧。

介质匹配层2包括第一介质匹配层21和第二介质匹配层22。第一介质匹配层21和第二介质匹配层22彼此不接触，中间由介质基板7隔断，且第一介质匹配层21、第二介质匹配层22和介质基板7上表面处于同一水平高度，三者紧密连接在一起。而V型开口环1设置在第一介质匹配层21、第二介质匹配层22和介质基板7共同组成的介质平面上。

天线辐射贴片3包括第一辐射臂31和第二辐射臂32。天线辐射贴片3印刷在介质基板7的背面，处于第二介质匹配层22和介质基板7之间。辐射臂一端下侧与超宽带巴伦耦合端43连接，实现超宽带巴伦4对天线辐射贴片3的激励；另一端上侧与V型开口环1电接触，实现V型开口环的调谐作用，达到理想的匹配效果。

超宽带巴伦4包括超宽带巴伦信号线41、超宽带巴伦信号线匹配段42以及超宽带巴伦耦合端43。超宽带巴伦信号线41和超宽带巴伦信号线匹配段42印刷在介质基板7的正面，超宽带巴伦耦合端43印刷在介质基板7的背面。超宽带巴伦信号线41和超宽带巴伦信号线匹配段42连接，通过超宽带巴伦信号线匹配段42的四分之一波长效应，使大部分能量从连接处通过缝隙耦合到超宽带巴伦耦合端43，在实现能量的传输。

短路探针5包括第一短路探针51和第二短路探针52。第一短路探针51和第二短路探针52均印刷在介质基板7正面，且顶端与V型开口环接触，底部与反射地板7短接，以引入新的等效电感，可实现较好的调谐作用。

图5为紧耦合天线单元介质基板7正面与背面印刷电路的主视图5a和背视图5b，以及天线辐射贴片3的形状说明图5c。为进一步说明单元结构，给出介质基板两侧印刷结构图。偶极子天线辐射臂31和32为矩形贴片削去一角的结构，通过削去天线辐射臂与超宽带巴伦耦合端43连接处上方的一角，实现天线辐射贴片3中端馈电要边缘辐射的一个阻抗渐变过渡段，达到良好的阻抗匹配效果。

偶极子天线辐射臂31和32与超宽带巴伦耦合端43上端连接，两端与短路探针耦合，且偶极子天线辐射臂31和32的两端上侧与V型开口环1电接触。需要注意的是，在地板开槽处，电磁环境改变，为实现阻抗匹配，需要对部分超宽带巴伦信号线(图5(a)中的A处)改变阻抗，即加大线宽的处理。

短路探针由第一短路探针51和第二短路探针52组成，由于靠近V型开口环1处的部分短路探针处于第一介质匹配层21和介质基板7之间，而下方靠近反射地板6的部分短路探针一侧为自由空间，一侧为介质基板7，上下两部分短路探针所处电磁环境的等效介电常数不同，为实现相同的传输阻抗，需要对线宽进行处理，从而得到上窄下宽的短路探针设计。

如图6所示，为紧耦合天线阵列未加载V型开口环时，在法向、E面30°、60°相扫角度下有源驻波对比，可以看到在三个扫描角度下有源驻波较差，只在低频6-9GHz实现有源驻波小于2的理想辐射性能。

如图7所示，本发明设计的紧耦合天线通过加载V型开口环和介质匹配层结构，可在6-18GHz频带内实现E面±60°的波束扫描(Active VSWR<2.0)，同时剖面高度仅为0.069λ_l，λ_l为低频6GHz处自由空间中波长，天线单元尺寸为3.75*3.75*3.45mm³。本发明紧耦合天线阵列加载V型开口环后，在法向、E面30°、60°相扫角度下有源驻波对比，可以看到在三个扫描角度下本发明天线具有3：1的倍频程带宽，有源驻波小于2，具备优良的有源匹配特性及相扫特性。最后应当说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行同等替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案本质脱离本发明各实施例技术方案范畴。

Claims (6)

1.一种低剖面宽带宽角扫描紧耦合天线单元，其特征在于，包括:

V型开口环，由两个子单元围合构成，两子单元间隔形成开口；

介质匹配层，位于所述开口环的下方用于设置所述开口环；

天线辐射贴片，包括第一辐射臂和第二辐射臂，所述第一辐射臂的上端与两个所述子单元中的一个电连接，所述第二辐射臂的上端与两个所述子单元中的另一个电连接；

介质基板，位于所述介质匹配层的下方，用于设置所述天线辐射贴片；

超宽带巴伦，设置在所述介质基板上，包括信号输入端和超宽带巴伦耦合端；所述超宽带巴伦耦合端与所述第一辐射臂和第二辐射臂的下端电性连接，实现超宽带巴伦对天线辐射贴片的激励；

反射地板，设置在介质基板的下方；

所述V型开口环由V型子单元贴片构成；

所述介质匹配层由相同的两块长方体介质组成，对称贴合在所述介质基板两侧且互不接触；所述开口环位于介质匹配层和介质基板形成的平面上，两个V型子单元的两个角共线于介质基板的上端面；

所述第一辐射臂和第二辐射臂为矩形贴片削去辐射臂与超宽带巴伦耦合端连接处上方一角的结构,实现天线辐射贴片终端馈电要边缘辐射的一个阻抗渐变过渡段；

在所述超宽带巴伦的信号输入端位于超宽带巴伦信号线的下端；在宽带巴伦信号线的上端连接有宽带巴伦信号线匹配段，该宽带巴伦信号线匹配段具有四分之一波长效应，使能量耦合到超宽带巴伦耦合端。

2.根据权利要求1所述的低剖面宽带宽角扫描紧耦合天线单元，其特征在于，在所述反射地板与开口环之间还设置有接地探针。

3.根据权利要求2所述的低剖面宽带宽角扫描紧耦合天线单元，其特征在于：所述天线辐射贴片位于所述介质基板背面，所述接地探针位于介质基板正面。

4.根据权利要求1所述的低剖面宽带宽角扫描紧耦合天线单元，其特征在于：所述信号线印刷于介质基板正面，超宽带巴伦耦合端印刷于介质基板背面。

5.根据权利要求2所述的低剖面宽带宽角扫描紧耦合天线单元，其特征在于：所述接地探针由上下宽度不同的两段金属贴片组成。

6.一种超宽带紧耦合天线阵列，其特征在于：包括阵列布置的如权利要求1-5任一所述的低剖面宽带宽角扫描紧耦合天线单元。