超宽带低剖面双极化紧耦合天线阵列

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种超宽带低剖面双极化紧耦合天线阵列的新型设计方法，双极化紧耦合天线阵列通过设计加载新型阻性层、新型金属频选表面及上方宽角匹配层实现50倍频的工作带宽，天线剖面高度约为1/20λ

背景技术

近些年，随着无线通信技术和新兴应用的飞速发展，无线系统拥有超大容量、多种功能和超宽工作带宽成为必然趋势，系统为了实现多功能就需要多个天线工作，但是当天线变多时，无线系统势必会出现电磁干扰、电磁兼容性变差、重量增加、尺寸变大等问题。因此，超宽带低剖面相控阵由于有超宽工作带宽、高效率、低剖面等特性及形式受到广泛关注。

传统的宽带相控阵通过去耦合措施实现天线阵列的超宽带宽角扫描及辐射性能，紧耦合天线阵与传统宽带相控阵天线原理不同，阵元之间距离的紧密性从而增强单元间互耦效应，通过这种方式实现超宽带、低剖面及宽角扫描特性，与连接阵相似，起源于1965年Wheeler提出的连续无限大电流片阵列的假设。从理论上讲，在无限大阵列环境中未加载地板的辐射单元，可实现无限大的阻抗匹配带宽，对于实际应用中背部加载地板的相控阵天线，阵元间距影响着栅瓣的谐振频率从而控制高频频率，且地板引入的电感分量限制低频值，故在引入地板之后无法获得无限大的工作带宽。在2003年美国俄亥俄州立大学B.A.Munk教授通过对频率选择表面研究分析，提出在天线阵元间适当的添加互耦电容，可以抵消地板引起的电感分量拓宽阻抗匹配带宽。

俄亥俄州立大学的J.L.Volakis团队在紧耦合天线研究方面做出突出的贡献，其中主要三项创新性和实用性技术，第一项是集成式馈电巴伦替代传统大尺寸复杂化的馈电巴伦形式，且能够调节集成式巴伦的感抗参数拓展阻抗带宽。Volakis团队在2013年加工的实现0.68-5GHz(7.35:1)的工作频带范围，获得±45°(Active VSWR＜2.56)波束扫描带宽的紧耦合相控阵天线。第二项是天线辐射单元与地板之间引入阻性频选表面技术，可以改变天线上方的覆盖层降低阻性频选表面引入带来的阻性损耗降低。该团队设计加工的实现0.3～4.47GHz(13.9:1)的工作频带范围，获得±45°(Active VSWR＜3)波束扫描带宽的单极化紧耦合相控阵天线，其工作频段内的辐射效率在70％以上。第三项是宽角匹配层(WAIM)的提出，将频选表面与偶极子刻蚀在同一介质面上，实现在低复杂化和成本化得到更宽的扫描角度。加载宽角匹配覆盖层之后，在0.5～3.1GHz带宽内(6.1:1)的工作频带范围内，天线阵列实现在E面75°、D面70°及H面60°(Active VSWR＜3.2)波束扫描带宽的单极化紧耦合相控阵天线。近期，该团队通过对阻性频选表面更加细致的调控实现地板干扰的降低，再结合渐变巴伦实现超宽带宽内的阻抗匹配，实现0.13～6GHz(46:1)的工作频带范围。值得注意的是由于阻性频选表面的加载，天线的剖面较高且辐射效率最低时将近30％。

目前所发表的关于超宽带相控阵设计方面仍存在很大的改善空间，并没有充分利用到紧耦合天线的特性，而实现超宽带低剖面天线在通信领域有着重大的意义，为了解决该技术难题，本发明提出了超宽带低剖面双极化紧耦合天线阵列，实现了0.34-17GHz的50倍频工作范围，天线剖面高度约为1/20λL且辐射效率和E/H面45°、60°扫描时的有源驻波等工作性能稳定。

发明内容

本发明的目的是针对上述所提到的超宽带相控阵现有技术局限性，提出一种超宽带低剖面双极化紧耦合天线阵列，通过设计加载第二新型阻性层、第三新型金属频选表面及上方宽角匹配层实现50倍频的工作带宽，天线剖面高度约为1/20λ

为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是：一种超宽带低剖面双极化紧耦合天线阵列，包括第一新型宽角匹配层1、双极化偶极子层2、第二新型阻性层3、超宽带馈电巴伦4、第三新型金属频选表面5、金属地板6，其特征在于：

所述第一新型宽角匹配层1包括介质层1.1、细小金属条状正交排布阵列1.2、所述双极化偶极子层2包括10×10阵列单元2.1、耦合贴片2.2、介质层2.3、巴伦固定穿孔2.4。

所述第二新型阻性层3包括介质层3.1、被裁去蜿蜒条形孔的阻性面(介质埋阻层)3.2、巴伦固定穿孔3.3。

所述超宽带馈电巴伦4包括介质层4.1、实现超宽带稳定性馈电的耦合锥形金属层4.2和4,6、金属化过孔4.3、馈电金属内芯4.4、介质层4.5。

所述第三新型金属频选表面5包括介质层5.1、两个不同尺寸和旋向的矩形环连接成金属表面5.2、巴伦固定穿孔5.3。

所述金属地板6包括用于焊接smp接头的大孔6,1、用于固定尼龙柱的小孔6.2。

所述介质层1.1、4.1材料为F4BM-2介质板。

所述介质层2.3、4.5材料为Rogers RO4350介质板，其中4.1介质层和4.5介质层通过RO4450F胶体粘接在一起。

所述介质层3.1材料为F4BDZ294介质板，将其内部埋阻层按照设计的新型形状加工。

所述介质层5.1材料为Rogers RT/duroid 5880介质板。

所述第一新型宽角匹配层1用厚度为3mm的绝缘双面粘胶粘连固定在双极化偶极子层2上方、第二新型阻性层3距离双极化偶极子层2下方6.5mm处、第三新型金属频选表面5固定在双极化偶极子层2下方30mm处、金属地板6固定在双极化偶极子层2下方40mm处、超宽带馈电巴伦4顶端与双极化偶极子层2中的巴伦固定穿孔2.4焊接固定且穿过第二新型阻性层3中的巴伦固定穿孔3.3及第三新型金属频选表面5中的巴伦固定穿孔5.3、超宽带馈电巴伦4最底端与金属地板6焊接固定。

综上所述，本发明的优点为：

本发明将双极化偶极子作为天线的辐射体，利用新型结构阻性层的加载去除天线与地板间的共模谐振实现50倍频超宽超宽工作频段；复杂的巴伦结构实现了平衡与非平衡馈电之间的转换，提供更稳定的天线性能。

本发明利用在金属地板上方加载新型频选表面的设计，可以解决天线辐射效率存在低于30％的情况，且极大程度保证了低剖面状态下的天线性能；第一新型宽角匹配层加载天线辐射单元上方可以有效的改善天线扫描时的性能。

超宽带相控阵的设计，以单一低剖面的双极化天线便可以实现50倍频的工作带宽，避免了多天线多设备的结合带来的繁复性和不可靠性；与传统超宽带紧耦合天线相比，天线的工作带宽得到极大拓宽，天线剖面高度得到降低，天线的辐射效率和扫描性能得到改善，天线的实用性增强。

对比现有的关于超宽带紧耦合天线阵列的文献与专利，该发明具有超宽频带工作、低剖面、稳定的辐射效率和扫描特性，结构创新等优点。

附图说明

图1是本发明一种超宽带低剖面双极化紧耦合天线阵列的实物立体结构示意图。该图所示天线工作在0.34-17GHz，高度为45mm，阵列天线为10×10单元。

图2是图1所示天线侧面三维结构视图。

图3是图1所示天线上层宽角匹配层视图。

图4是图1所示天线的辐射单元偶极子视图。

图5是图1所示天线的第二新型阻性层视图。

图6是图1所示天线的超宽带馈电巴伦具体结构视图。

图7是图1所示天线的第三新型金属频选表面视图。

图8是图1所示天线的金属地板视图。

图9是图1所示天线中心单元结构工作频段内的反射系数。

图中：1、宽角匹配层；2、双极化偶极子层；3、第二新型阻性层；4、超宽带馈电巴伦；5、第三新型金属频选表面；6、金属地板。

具体实施方式

下面将结合本发明实例中的附图，对本发明实例中的技术方案进行具体描述。

参照图1，参照图2，参照图3，参照图4，参照图5，参照图6，参照图7，参照图8。

一种超宽带低剖面双极化紧耦合天线阵列，是由宽角匹配层1、双极化偶极子层2、第二新型阻性层3、超宽带馈电巴伦4、第三新型金属频选表面5、金属地板6构成：

所述第一新型宽角匹配层1包括介质层1.1、细小金属条状1.2.1正交排布阵列1.2；宽角匹配层距离双极化偶极子层2上方3mm的高度，材料采用的是F4BM-2介质板厚度为0.254mm,介电常数为2.2，利用厚度为3mm的绝缘双面粘胶粘连固定。

所述双极化偶极子层2包括10×10阵列单元2.1、耦合贴片2.2、介质层2.3、巴伦固定穿孔2.4；采用的是Rogers RO4350介质板厚度为4mil，介电常数为3.66；两个极化单元分别置于介质板两面符合紧耦合天线原理的设计方法，排列密集位于介质板背面的一个极化无法直接焊接导通，便采用银浆涂抹的方法最后进行高温烘干。

所述第二新型阻性层3包括介质层3.1、矩形条状3.2.1被裁去蜿蜒条形孔3.2.2的阻性面(介质埋阻层)3.2、巴伦固定穿孔3.3；介质层的材料为F4BDZ294介质板厚度为0.5mm,介电常数为2.94，距离双极化偶极子层2下方6.5mm处；材料F4BDZ294内部含有埋阻层通过系列加工工序，刻蚀出符合设计结构尺寸的阻性面，利用材料方阻率与结构面积的关系便可得到设计需要的阻值。

所述超宽带馈电巴伦4包括介质层4.1、实现超宽带稳定性馈电的耦合锥形金属层4.2和4,6、金属化过孔4.3、馈电金属内芯4.4、介质层4.5；介质层4.1采用的材料为F4BM-2介质板厚度0.17mm,介电常数2.2，介质层4.5采用的材料为Rogers RO4350介质板厚度为0.168mm,介电常数为3.66；将介质层4.1和介质层4.5采用厚度为4mil的RO4450F胶体粘接在一起，超宽带馈电巴伦4先与地板上smp接头焊接再由双极化偶极子层2、第二新型阻性层3、第三新型金属频选表面5按阵列中的顺序自下而上分别安装。

所述第三新型金属频选表面5包括介质层5.1、两个不同尺寸和旋向的矩形环(5.2.1)(5.2.2)连接成金属表面5.2、巴伦固定穿孔5.3；材料采用的是Rogers RT/duroid5880介质板厚度为0.254mm,介电常数为2.2；根据材料物理特性可直接套在馈电巴伦且位置不会随意变动；第三新型金属频选表面5在设计的过程中，结合天线阵列的工作特点进行设计，由两个金属环状组合尺寸有区别。

所述金属地板6包括用于焊接smp接头的大孔6,1、用于固定尼龙柱的小孔6.2；地板厚度为2mm,需先将smp接头与金属地板6焊接固定，再进行超宽带馈电巴伦4的焊接固定，由于双极化紧耦合天线的排列紧密特性，在超宽带馈电巴伦4焊接的过程中存在遮挡单元，故采取银浆涂抹的方法实现电接触。

所述第一新型宽角匹配层1用厚度为3mm的绝缘双面粘胶粘连固定在双极化偶极子层2上方、第二新型阻性层3距离双极化偶极子层2下方6.5mm处、第三新型金属频选表面5固定在双极化偶极子层2下方30mm处、金属地板6固定在双极化偶极子层2下方40mm处、超宽带馈电巴伦4顶端与双极化偶极子层2中的巴伦固定穿孔2.4焊接固定且穿过第二新型阻性层3中的巴伦固定穿孔3.3及第三新型金属频选表面5中的巴伦固定穿孔5.3、超宽带馈电巴伦4最底端与金属地板6焊接固定。

以下结合附图对天线性能做进一步详细说明：

图9为上述实施方式其中一个极化中心单元的有源驻波结果，图中横轴为频率，纵轴为有源驻波。

以上描述和实施方式，仅为本发明的部分优选实例，不对本发明构成任何限制，对于本领域的专业人员来说，本申请可以有各种更改和变化，但是基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。