一种设计简单的紧凑型超宽带天线阵列-半岛BOB·(中国)官方网站

1.本发明属于电磁场与微波领域，种设阵列涉及一种设计简单的计简紧凑紧凑型超宽带天线阵列。


背景技术：

2.超宽带天线是型超一种提供超宽带宽的天线。它的宽带特点是能够传输和接收具有极高带宽的信号，因此在无线通信、天线雷达系统、种设阵列军事应用和科学研究等多个领域中得到广泛应用。计简紧凑通过合理的型超天线设计和优化，超宽带天线能够在宽频带范围内工作，宽带实现信号的天线发送、传输、种设阵列辐射和接收，计简紧凑以满足各种应用需求。型超需要注意的宽带是，超宽带天线的天线设计是一个复杂而具有挑战性的任务，需要综合考虑多个因素，如频率范围、天线尺寸、材料特性、电磁波传播等。传统的超宽带天线有螺旋天线、对数周期天线、喇叭天线等，然而这类天线通常会面临馈电网络结构不紧凑，加工难度大等方面的挑战，因此，通过创新的设计策略和技术手段，实现结构紧凑、设计简化、方便制造和维护的超宽带天线具有较强的理论研究意义以及应用推广价值。
3.纵观国内外相关研究动态可知，天线阵列结构紧凑、宽带和设计简单是宽带天线发展主流。超宽带阵列天线的研究方向通常是如何降低最低截止频率。传统相控阵的设计中，通过使用自互补结构的宽带天线单元，如螺旋天线，来实现较低的截止频率。然而该类天线加工难度大，组阵后无法实现大角度扫描。另一种降低最低截止频率的思路是纵向延长单元尺寸，vivaldi天线阵就是这一设计方法的代表性成果。为实现超宽带性能，尽管vivaldi天线最大程度解除馈电巴伦对天线带宽的限制，但遗憾的是，该阵列结构不够紧凑，扫描性能也不够理想。除了像vivaldi天线那样通过纵向延长单元尺寸来降低最低截止频率外，还可以考虑“延长”单元的横向尺寸。当然，由于栅瓣的限制，这种“延长”不是直观意义上的延长，而是通过将相邻单元电连接来增加单元的有效长度。研究最多的两种连接阵分别是碎片口径阵列和长槽阵，但碎片口径阵列的设计主要依赖于优化器，需要大量计算资源，研究难度过大，长槽阵也因重量太重，辐射效率低等问题难以成为设计简单、结构紧凑超宽带天线的最优选择。
4.与纵向延长单元尺寸以拓展带宽相比，“横向”延长显然更利于天线阵列结构紧凑的实现。然而问题是，当连接阵置于金属反射地板上方时，其带宽会受到严重制约。针对这一问题，俄亥俄州立大学的munk教授提出电流片阵列(current sheet array,csa)，后来，为了与连接阵区分，此类阵列更多地被称之为紧耦合阵列(tightly coupled array,tca)。对于超宽带天线阵而言，除了天线本身之外，承接同轴馈线和天线之间的馈电网络的设计也十分重要。一般需要满足三点要求：(1)在超宽频带内完成由非平衡到平衡结构的变换，这是因为天线单元通常为平衡结构；(2)在超宽频带内完成由50ω(标准同轴馈线特性阻抗)到100～300ω(天线口径输入阻抗)的阻抗变换；(3)不引起谐振。除以上电性能相关要求外，紧耦合天线阵的馈电网络还需尽量紧凑，结构简单，易于加工。munk与美国harris公司合作设计的csa阵列的馈电网络由外置巴伦、双同轴线和接地屏蔽装置共同组成。该外置巴伦可产生100ω的差分输出信号，通过双同轴线馈给偶极子两臂。接地屏蔽装置的作用是
为了避免共模谐振的发生(见s.g.hay,j.d.o'sullivan.analysis of common-mode effects in a dual polarized planarconnected-array antenna[j].radio science,2008,43(6)：1-9)。虽然这套馈电结构基本满足前述的三点要求，但是存在着价格昂贵、体积和重量大的缺点，难以实际应用。为解决这一问题，vouvakis团队于2018年提出一类新型的紧耦合天线阵，称之为平面超宽带模块化天线阵(见j.t.logan,r.w.kindt,m.y.lee,m.n.vouvakis.a new class of planarultrawideband modular antenna arrays with improved bandwidth[j].ieeetransactions on antennas and propagation,2018,66(2)：692-701)。该阵未使用任何外置巴伦，馈电结构十分简单，偶极子仅由两根馈电线馈电，其中一根与同轴接头内导体相连，另一根直接接地。从结构上看，puma阵的“双线-探针”馈电方式十分简单，且体积小、结构紧凑，便于高频加工和组装，只是机械强度不够，不适合于低频应用，无法实现超宽带天线的频段范围。
[0005]
综上，超宽带天线阵领域尚未出现较为有效的结构紧凑化和设计简单的设计。


技术实现要素：

[0006]
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种设计简单的紧凑型超宽带天线阵列，在传统的紧耦合阵列或其他超宽带阵列实现结构复杂，馈电网络一般和天线主阵面垂直，而导致天线结构不紧凑的不利条件下，实现天线阵列结构紧凑、设计简单的性能。在传统的超宽带天线阵列的制造和维护繁琐的困境下，实现天线与馈电网络加工一体化的优良性能。
[0007]
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
[0008]
一种设计简单的紧凑型超宽带天线阵列，其特征在于：包括天线主阵面、天线反射地板、插入到天线主阵面和天线反射地板之间的密闭充气腔、射频馈电总线。
[0009]
进一步地，所述天线主阵面有两层介质衬底结构，分别是第一层介质衬底和第二层介质衬底。
[0010]
进一步地，所述的第一层介质衬底是超宽带天线阵面的支撑材料。
[0011]
进一步地，所述的第二层介质衬底正面是射频馈电网络地板，第二层介质衬底反面是射频馈电网络。
[0012]
进一步地，所述的馈电网络与天线阵面平行排列；射频馈电网络地板与馈电网络二者图形一致，但宽度与馈电网络的导带宽度成比例关系，比例系数一般大于2。
[0013]
进一步地，所述的第二层衬底的尺寸是第一层介质衬底的一半。
[0014]
进一步地，所述的射频馈电网络地板是一分为二的金属微带线结构。
[0015]
进一步地，所述的所述天线主阵面的两层衬底间通过垂直互连结构来固定连接。
[0016]
进一步地，所述的天线阵元在方位面上以紧耦合方式分布，射频馈电网络基于第二层介质衬底的俯仰面采用一分二的合路。
[0017]
进一步地，所述的每个俯仰子阵面得到一个特征阻抗为50ω的合路总线。
[0018]
本发明技术以紧耦合理论为本设计中紧凑型超宽带结构实现的理论基础，以比例宽度馈电地面和场路共面馈电网络为本设计中结构紧凑、设计简单实现的技术支撑，在继承传统紧耦合阵列的基础上，进行交叉、融合和再创新。
[0019]
传统的天线阵列设计中，馈电网络和天线主阵面往往是垂直排列的，这样的布局
方式不仅使得天线整体不够紧凑，而且更可能导致射频信号在馈电网络与天线之间发生驻波效应，降低系统的性能表现。为了满足天线阵列结构紧凑，性能良好的要求，本发明采用了一种特殊的布局方式，即馈电网络与天线阵面平行排列。共面布局有助于保持天线阵列的几何对称性和均匀性，从而提高天线阵列结构紧凑的性能。在此布局方式下，也可以有效减少射频信号在馈电网络与天线之间发生驻波的可能性，提供更顺畅的信号传输路径，减少驻波反射和干扰，从而提高系统的整体性能。此外，馈电网络与天线阵面平行排列，可以减少天线系统的复杂性和设计难度。信号传输路径更短，不需要进行复杂的连接和布线，简化了系统的结构和安装过程。这意味着共面布局使得天线阵列的制造和维护更加方便。馈电网络和天线可以在相同的平面上进行布局，易于安装、调试和维修。且共面布局还降低了系统的体积和重量，便于在实际应用中进行部署和操作。综上，共面布局确保了在追求轻量化和紧凑设计的同时，仍能保持天线阵列卓越的辐射特性、宽带宽和高增益。这意味着天线能够在通信、雷达、无线传感等应用中提供可靠的性能和出色的信号接收与发送能力。
[0020]
为了实现设计简单、结构紧凑的要求，本发明设计比例宽度地平面的微带线也是天线阵列结构紧凑化、简单化的主要方法之一。在基于比例宽度地平面的微带线中，传统微带结构中的完整地平面缩减为一个与导带图形一致，但宽度与导带宽度成比例关系的比例地平面结构。地平面的变化使微带结构不再需要一个完整金属平面作为地平面。当地平面宽度超过导带宽带2倍时，微带结构中的电场分布与具有完整地平面的传统微带结构(1：∞)基本一致，且特征阻抗和介电常数则在宽度比变化时保持稳定。而当地平面与导带宽度比为1：1时，微带结构中的电场分布发生显著变化，整个微带结构从镜像电容等效结构退化为平板电容结构，地平面难以将电场限制于导带结构中。以上的电磁场分析结果初步表明，具有比例宽度地平面结构的微带传输线能够实现与具有完整地平面结构的传统微带传输线类似的射频信号传输功能，且能实现较为稳定的射频传输性能。综上，设计比例宽度地平面的微带线在不影响射频传输性能的前提下，相较于传统微带结构中的完整地平面在重量上减轻了90％左右，结构也更为紧凑。本发明适用于各种需要结构紧凑，集成度高和轻量化的应用场景，为实现高性能的天线系统提供了一种可行的解决方案。
[0021]
本发明的优点和有益效果：
[0022]
(1)本发明采用比例宽度地面的微带线，其具有结构紧凑、大大降低天线的总重量，降低安装和支撑结构的要求等优良性能。
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(2)本发明采用馈电网络与天线阵面平行排列的布局方式，可以减少天线系统的复杂性和设计难度，也使得天线阵列的制造和维护更加方便。此外，共面布局还降低了系统的体积和重量，便于在实际应用中进行部署和操作。
[0024]
(3)本发明采用对天线性能无影响的共面馈电网络，减少馈电线路的长度，简化连接和降低布线的复杂度。它使得馈电线路更短，减少了信号传输的损耗和干扰，提高系统可靠性。
[0025]
本发明的目的、特征及优点将结合实施例，参照附图作如下进一步的说明。
附图说明
[0026]
图1是本发明提供的设计简单的紧凑型超宽带天线阵列结构三维示意图。
[0027]
图2是本发明提供的设计简单的紧凑型超宽带天线阵列结构的侧视示意图。
[0028]
图3是本发明提供的设计简单的紧凑型超宽带天线阵列的主阵面侧视示意图。
[0029]
图4是本发明提供的设计简单的紧凑型超宽带天线阵列的主阵面分层示意图。
[0030]
图5是本发明提供的一分二功分微带线结构示意图。
[0031]
图6是本发明提供的超宽带天线阵列的射频馈电网络对天线驻波影响仿真结果图。
具体实施方式
[0032]
如图1、图2、图3，图4，图5所示，一种设计简单的紧凑型超宽带天线阵列，包括天线主阵面1、天线反射地板2、插入到天线主阵面1和天线反射地板2之间的密闭充气腔3、射频馈电总线4；所述天线主阵面1有两层介质衬底结构，分别是第一层介质衬底32和第二层介质衬底34，第一层介质衬底32是超宽带天线阵面31的支撑材料，第二层介质衬底34正面是射频馈电网络地板33，第二层介质衬底34反面是射频馈电网络35。馈电网络35与天线阵面31平行排列，结构紧凑，减少馈电线路的长度，简化连接和降低系统复杂性，也减少了信号传输的损耗和干扰。射频馈电网络地板33与馈电网络35图形一致，但宽度与馈电网络35的导带宽度成比例关系，比例系数一般大于2，且第二层衬底34的尺寸是第一层介质衬底32的一半，减轻了天线阵列的重量，简化了安装和支撑结构的需求。
[0033]
射频馈电网络地板33即一分为n的金属导带结构，此导带结构有n/2个一分二的功分导带结构21。天线主阵面1的两层衬底间用垂直互连结构36来固定连接。天线阵元在方位面上以紧耦合方式分布，而射频馈电网络35基于第二层介质衬底34的俯仰面采用一分二的合路，最终每个俯仰子阵面得到一个特征阻抗为50ω的合路总线4。
[0034]
作为一个实例，一种设计简单的紧凑型超宽带四单元天线阵列被设计。四单元的超宽带天线阵列在方位面上紧耦合，形成一维紧耦合阵列，单元间隔2mm，工作于p波段。单元天线仿真设计中介质衬底均选用pdms材料，其介电常数为2.7，损耗角正切为0.04。其中介质衬底1，介质衬底2的尺寸分别为600mm*402mm，300mm*402mm，厚度分别为5mm,3mm。以衬底1为支撑材料的超宽带天线阵面尺寸为350mm*400mm*4，辐射阵面是厚度为18微米的金属铜。衬底2反面的射频馈电网络为一分四的50欧姆导带，导带宽带为2mm，材质是厚度为18微米的金属铜。衬底2正面的射频馈电网络地板33与反面的馈电网络35图形一致，但宽度由馈电网络35的导带宽度成比例放大得到，比例系数为4，即射频馈电网络地板33的导带宽度为8mm。密闭充气腔夹在天线主阵面和天线反射地板之间，充满气体后，密闭充气腔厚度为400mm。天线反射地板尺寸和天线主阵面一致。图6给出了本实例中超宽带天线阵列的射频馈电网络对天线驻波影响仿真结果图。从图6中可知共面馈电网络对天线性能的影响可忽略不计，也易知上述实例紧耦合天线阵的设计简化和结构紧凑化设计是有效的。
[0035]
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。