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CN115313026B - 一种适用于宽带大功率发射阵列的双斜极化天线单元 - Google Patents

一种适用于宽带大功率发射阵列的双斜极化天线单元 Download PDF

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CN115313026B CN202210972477.0A CN202210972477A CN115313026B CN 115313026 B CN115313026 B CN 115313026B CN 202210972477 A CN202210972477 A CN 202210972477A CN 115313026 B CN115313026 B CN 115313026B
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Abstract

本发明公开了一种适用于宽带大功率发射阵列的双斜极化天线单元，属于宽带阵列天线技术领域。其包括从上至下依次设置宽角匹配层、金属寄生层、辐射部分、馈电部分和金属反射腔；辐射部分主要由两个偶极子组成；偶极子均包括两个相对的偶极子臂；馈电部分包括分别连接对应偶极子的筒状支撑结构；筒状支撑结构均为筒状结构且四个筒状支撑结构分别连接在偶极子臂内侧角处的正下方；同一偶极子相对的两个偶极子臂的内侧角处均设有通孔；通孔的直径与筒状支撑结构的内径相同，两个偶极子分别对应的其中一筒状支撑结构中均设有同轴馈线；同轴馈线的顶端通过同轴探针与同一偶极子的另一偶极子臂连接。本发明结构简单紧凑，易于加工，适于大规模组阵。

Description

一种适用于宽带大功率发射阵列的双斜极化天线单元
技术领域
本发明涉及宽带阵列天线技术领域，特别涉及一种适用于宽带大功率发射阵列的双斜极化天线单元。
背景技术
在移动通信系统中，由于终端设备使用的状态变化会导致极化存在不确定性，所以基站设备通常采用双斜极化收发天线来提高收发链路的稳定性。散射通信系统中，采用极化分集可以提高通信的可靠性、保密性。电子对抗领域，目标信号的极化特性是未知的，双极化探测则可以探明未知信号的极化特征，双极化干扰则可以实现干扰极化样式的灵活可变，提升干扰效果。气象目标探测的雷达中，采用双极化雷达系统更容易判断出目标的细微特征，从而提髙气象预报的准确性。因此，双极化天线在频率复用，收发一体，极化捷变、分集等领域有着广泛的应用前景。同时，为了满足越来越高的信息传输速率需求，设计更大工作带宽的相控阵天线显得尤为迫切。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种适用于宽带大功率发射阵列的双斜极化天线单元。该单元结构简单紧凑，易于加工，适于大规模组阵。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种适用于宽带大功率发射阵列的双斜极化天线单元，包括从上至下依次设置宽角匹配层、金属寄生层、辐射部分、馈电部分和金属反射腔；
所述辐射部分主要由正交的两个偶极子组成；每个偶极子均包括两个相对的偶极子臂；两个偶极子臂均为方环型结构；
所述馈电部分采用同轴巴伦进行馈电，且同轴巴伦同时还作为辐射部分的支撑结构以及四分之一波长阻抗变换器用以调节工作带宽。
进一步的，四个偶极子臂外侧角的正下方设有与其垂直连接的延伸枝节。
进一步的，所述馈电部分包括分别连接对应偶极子臂的筒状支撑结构；所述筒状支撑结构共设有四个，且四个筒状支撑结构分别连接在偶极子臂内侧角处的正下方；同一偶极子相对的两个偶极子臂的内侧角处均设有通孔；所述通孔的内径与筒状支撑结构的内径相同，且通孔的中轴线和其正下方的筒状支撑结构的中轴线重合；两个偶极子分别对应的其中一筒状支撑结构中均设有同轴馈线；所述同轴馈线的顶端通过同轴探针与同一偶极子的另一偶极子臂连接；两个偶极子分别对应的同轴探针不接触；
内部具有同轴馈线的筒状支撑结构的底端贯穿金属反射腔的底部。
进一步的，所述金属反射腔为多边形结构，其对称分别于辐射单元的正下方，用于改变组阵后相邻单元间的边界条件，从而改善高频的阻抗匹配特性。
进一步的，所述金属反射腔底面为天线金属底板，金属反射腔外围轮廓与底板相同，并留有4个金属安装孔。
进一步的，所述金属寄生层和辐射部分之间具有间距，金属寄生层和宽角匹配层之间具有间距。
进一步的，四个筒状支撑结构为一体式结构，四个筒状支撑结构之间通过具有深度的十字槽隔开。
进一步的，所述宽角匹配层的材质为FR4介质基板。
本发明采取上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明通过调整偶极子臂末端的延伸枝节，可以改善低频的阻抗匹配特性，拓展低频的工作带宽。调整金属反射腔的高度及壁厚可以改变阵元组阵的边界条件，优化阵元间的相互耦合，将高频谐振点移出工作频带，改善高频的阻抗匹配特性。另外，本发明天线辐射体和金属腔体可以采用金属铣削工艺一体加工成型，易于制作，适用于组成大规模的发射阵列。
最终设计表明，该天线单元用作阵中单元具有良好的宽带特性，在2个倍频甚至更宽带宽内驻波比小于3，辐射性能良好，增益较高。
附图说明
图1为本发明实施例的结构爆炸图；
图2为本发明实施例的结构的侧视图；
图3为本发明实施例的局部结构示意图；
图4为本发明实施例的筒状支撑结构示意图；
图5为本发明实施例的阵中驻波曲线；
图6为本发明实施例的0.96GHz下的阵中方向图。
图7为本发明实施例的1.5GHz下的阵中方向图。
图8为本发明实施例的2GHz下的阵中方向图。
图9为本发明天线组阵的阵列结构图。
图中：1、宽角匹配层，2、金属寄生层，3、辐射部分，4、馈电部分，5、金属反射腔，31、偶极子臂，32、通孔，33、同轴探针，41、同轴馈线，42、筒状支撑结构，43、十字槽。
具体实施方式
下面，结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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。
一种适用于宽带大功率发射阵列的双斜极化天线单元，包括从上至下依次设置宽角匹配层、金属寄生层、辐射部分、馈电部分和金属反射腔；
所述辐射部分主要由正交的两个偶极子组成；每个偶极子均包括两个相对的偶极子臂；两个偶极子臂均为方环型结构；
所述馈电部分包括分别连接对应偶极子的筒状支撑结构；所述筒状支撑结构共设有四个，均为筒状结构且四个筒状支撑结构分别连接在偶极子臂内侧角处的正下方；同一偶极子相对的两个偶极子臂的内侧角处均设有通孔；所述通孔的直径与筒状支撑结构的直径相同，且通孔的中轴线和其正下方的筒状支撑结构的中轴线重合；
两个偶极子分别对应的其中一筒状支撑结构中均设有同轴馈线；所述同轴馈线的顶端通过同轴探针与同一偶极子的另一偶极子臂连接；两个偶极子分别对应同轴探针不接触；
内部具有同轴馈线的筒状支撑结构的底端贯穿金属反射腔的底部。
进一步的，四个偶极子臂外侧角的正下方设有与其垂直连接的延伸枝节。
进一步的，所述馈电部分采用同轴巴伦进行馈电，且同轴巴伦同时还作为辐射部分的支撑结构以及及四分之一波长阻抗变换器用以调节工作带宽。
进一步的，所述金属反射腔为多边形结构，其对称分别于辐射单元的正下方，用于改变组阵后相邻单元间的边界条件，从而改善高频的阻抗匹配特性。
进一步的，所述金属反射腔底面为天线金属底板，金属反射腔外围轮廓与底板相同，并留有4个金属安装孔。
进一步的，所述金属寄生层和辐射部分之间具有间距，金属寄生层和宽角匹配层之间具有间距。
进一步的，所述宽角匹配层的材质为FR4介质基板。
下面为一更具体的实施例：
本实施例包括天线单元的辐射部分、馈电部分、金属寄生层、宽角匹配层和金属反射腔等结构，所述宽角匹配层、金属寄生层、辐射部分、馈电部分、金属反射腔从上到下依次设置。
宽角匹配层，选用的为两侧附铜全部清洗掉的FR4介质基板，用以改善阵列天线大角度扫描时的有源驻波。
金属寄生层，选用的为正方形的金属平板，用以改善阵列天线法线辐射时的有源驻波。
辐射部分，由呈菱形交叉对称排列的两个偶极子构成，每个偶极子臂呈近似于方环的形状。通过调整偶极子臂的横向尺寸、厚度、镂空大小等参数优化阻抗匹配，拓展阵列天线的工作带宽，实现电磁波的良好辐射。
馈电部分，选用的是同轴巴伦馈电，同轴馈线内外导体分别连接交叉偶极子的两个筒状支撑结构，同时作为四分之一波长阻抗变换器用以调节工作带宽以及天线单元辐射部分的支撑结构。
金属反射腔，为规则的多边形，包围馈电区，对称分布于辐射单元下方，四周边缘开有金属过孔，用以实现天线阵元的安装、固定。通过引入金属反射腔，可以改变组阵后相邻单元间的边界条件，从而改善工作频带内高频部分的阻抗匹配特性。
辐射部分的偶极子臂的末端纵向添加了延伸枝节，用以改善工作频带内低频部分的阻抗匹配特性。四个筒状支撑结构为一体式结构，四个筒状支撑结构之间通过具有深度的十字槽隔开，通过添加十字槽结构可以优化阻抗变换匹配过程，改善工作频带内的匹配特性。
参见图1、图2、图3和图4，整个天线单元包括宽角匹配层1、金属寄生层2、天线单元辐射部分3、馈电部分4、金属反射腔5。天线工作带宽0.96GHz-2GHz，尺寸为105mm×105mm×90mm，阵元间距为0.7λhigh。宽角匹配层1为厚度2mm的FR4介质基板，金属寄生层2为厚度1mm的金属平板，天线辐射单元部分3距离金属反射腔底部46.3mm，金属反射腔5高度为37mm。
本发明性能如下：
图5为本发明实施例的实测阵中驻波曲线。
图8、图6和图7为本发明实施例的阵中方向图。
图9为本发明实施例中天线组阵的阵列结构图。
从图5可以看出天线在0.96GHz～2GHz频段内有源驻波比＜2.5，具有良好的阻抗匹配特性。从图8、图6和图7可以看出天线在工作频段内具有良好的阵中辐射特性，适于用作大规模阵列的阵元，大规模单元阵列参照图9。
以上所述仅是本发明的一个实施例。应当指出，在不脱离本发明原理和构思的前提下，所做的修改、变化等，均应落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种适用于宽带大功率发射阵列的双斜极化天线单元，其特征在于，包括从上至下依次设置宽角匹配层、金属寄生层、辐射部分、馈电部分和金属反射腔；
所述辐射部分主要由正交的两个偶极子组成；每个偶极子均包括两个相对的偶极子臂；两个偶极子臂均为方环型结构；
所述馈电部分采用同轴巴伦进行馈电，且同轴巴伦同时还作为辐射部分的支撑结构以及四分之一波长阻抗变换器用以调节工作带宽；四个偶极子臂外侧角的正下方设有与其垂直连接的延伸枝节；所述馈电部分包括分别连接对应偶极子臂的筒状支撑结构；所述筒状支撑结构共设有四个，且四个筒状支撑结构分别连接在偶极子臂内侧角处的正下方；同一偶极子相对的两个偶极子臂的内侧角处均设有通孔；所述通孔的内径与筒状支撑结构的内径相同，且通孔的中轴线和其正下方的筒状支撑结构的中轴线重合；两个偶极子分别对应的其中一筒状支撑结构中均设有同轴馈线；所述同轴馈线的顶端通过同轴探针与同一偶极子的另一偶极子臂连接；两个偶极子分别对应的同轴探针不接触；
内部具有同轴馈线的筒状支撑结构的底端贯穿金属反射腔的底部。
2.根据权利要求1所述的一种适用于宽带大功率发射阵列的双斜极化天线单元，其特征在于，所述金属反射腔为多边形结构，其对称分别于辐射单元的正下方，用于改变组阵后相邻单元间的边界条件，从而改善高频的阻抗匹配特性。
3.根据权利要求2所述的一种适用于宽带大功率发射阵列的双斜极化天线单元，其特征在于，所述金属反射腔底面为天线金属底板，金属反射腔外围轮廓与底板相同，并留有4个金属安装孔。
4.根据权利要求1所述的适用于宽带大功率发射阵列的双斜极化天线单元，其特征在于，所述金属寄生层和辐射部分之间具有间距，金属寄生层和宽角匹配层之间具有间距。
5.根据权利要求1所述的一种适用于宽带大功率发射阵列的双斜极化天线单元，其特征在于，所述宽角匹配层的材质为FR4介质基板。
6.根据权利要求2所述的一种适用于宽带大功率发射阵列的双斜极化天线单元，其特征在于，四个筒状支撑结构为一体式结构，四个筒状支撑结构之间通过具有深度的十字槽隔开。
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