(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 108682953 A(43)申请公布日 2018.10.19
(21)申请号 201810222246.1(22)申请日 2018.03.19
(71)申请人 南京理工大学
地址 210094 江苏省南京市玄武区孝陵卫
200号(72)发明人 陈如山 许传栋 丁大志 樊振宏
李猛猛 (74)专利代理机构 南京理工大学专利中心
32203
代理人 陈鹏(51)Int.Cl.
H01Q 1/50(2006.01)H01Q 9/16(2006.01)H01Q 15/00(2006.01)H01Q 19/02(2006.01)
权利要求书1页 说明书3页 附图5页
H01Q 21/00(2006.01)H01Q 21/06(2006.01)H01Q 23/00(2006.01)
(54)发明名称
一种超宽带宽角紧耦合天线(57)摘要
本发明涉及一种超宽带紧耦合宽角天线，包括多个周期排布的阵列单元，每个阵列单元包括两个相同的偶极子天线、第一介质板、第二介质板、频率选择表面、两个Marchand巴伦、阻性表面、地板以及设置于地板下侧的功分器；偶极子天线上方覆盖频率选择表面，频率选择表面设置在两个介质板之间；偶极子天线的下方为Marchand巴伦，对天线进行平衡馈电。本发明可以实现超宽带宽角的特征，具有低剖面，结构简单，加工方便的优点，能够采用印刷电路技术进行批量生产。
CN 108682953 ACN 108682953 A
权 利 要 求 书
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1.一种超宽带紧耦合阵列天线，其特征在于，包括多个周期排布的阵列单元，每个阵列单元包括两个相同的偶极子天线(a,b)、第一介质板(d)、第二介质板(c)、频率选择表面(e)、两个Marchand巴伦(f)、阻性表面(h)、地板(i)以及设置于地板下侧的功分器(g)；
两个偶极子天线并排放置，每个偶极子天线包括设置在两个介质板前后两面的两部分；偶极子天线上方覆盖频率选择表面(e)，频率选择表面(e)设置在两个介质板之间；Marchand巴伦(f)包括带状线和微带线，带状线设置在两个介质板之间，微带线设置在第一介质板(d)表面；两条微带线由地板(i)下方的功分器(g)相连；偶极子天线与地板(i)之间设置一层阻性表面(h)，阻性表面(h)与地板平行，与两个介质板垂直。
2.根据权利要求1所述的超宽带紧耦合阵列天线，其特征在于，所述第一介质板(d)、第二介质板(c)为介电常数3.66的Rogers RO4350。
3.根据权利要求2所述的超宽带紧耦合阵列天线，其特征在于，所述第一介质板(d)、第二介质板(c)的厚度均为0.25mm。
4.根据权利要求1所述的超宽带紧耦合阵列天线，其特征在于，两个偶极子天线的臂长在两个介质板两侧有重叠部分，形成耦合电容。
5.根据权利要求1～4任意一项所述的超宽带紧耦合阵列天线，其特征在于，阻性表面(h)的面阻为370Ω/square。
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CN 108682953 A
说 明 书
一种超宽带宽角紧耦合天线
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技术领域
[0001]本发明涉及宽带相控阵领域，特别是一种超宽带宽角紧耦合天线。
背景技术
[0002]随着电子对抗与雷达领域迅猛发展，特别是宽频带干扰与反干扰、高分辨率和多维成像、目标识别等方面的发展，对阵列天线的工作频带有了更高的要求。另一方面，对于电子对抗与雷达系统平台，所用天线数目的降低能减少电子设备的复杂度和各个天线之间的互耦，所以该类系统平台对带宽和超宽带阵列天线有着迫切的需求。传统的超宽带阵列天线多采用Vivaldi天线作为阵元形式。近年来Ben A,Munk在强耦合技术基础上研制了紧密排布的强耦合超宽带相控阵天线，为超宽带阵列天线设计开辟了新的思路，在国防军事领域有着很大的研究意义。目前基于强耦合技术的研究主要集中在超宽带相控阵列天线的设计方向上，而在商用无线通信等领域，对该技术的研发与应用仍有很大潜力。[0003]综上所述，在民用无线通信、地球物理及生物工程等领域，宽带定向天线和超宽带增益天线都有很高的应用价值。超宽带强耦合阵天线以及基于强耦合技术的天线研究在军事国防和民用通信领域都有巨大的应用潜力和研究价值。
发明内容
[0004]本发明的目的在于提供一种结构简单、剖面低、加工方便、性能优良的超宽带宽角紧耦合天线，能够采用印刷电路技术进行批量生产。[0005]实现本发明目的的技术解决方案为：一种超宽带紧耦合阵列天线，包括多个周期排布的阵列单元，每个阵列单元包括两个相同的偶极子天线、第一介质板、第二介质板、频率选择表面、两个Marchand巴伦、阻性表面、地板以及设置于地板下侧的功分器；[0006]两个偶极子天线并排放置，每个偶极子天线包括设置在两个介质板前后两面的两部分；偶极子天线上方覆盖频率选择表面，频率选择表面设置在两个介质板之间；Marchand巴伦包括带状线和微带线，带状线设置在两个介质板之间，微带线设置在第一介质板表面；两条微带线由地板下方的功分器相连；偶极子天线与地板之间设置一层阻性表面，阻性表面与地板平行，与两个介质板垂直。[0007]本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明采用偶极子天线作为紧耦合天线，其结构简单，剖面更低，能够在很宽的频带内保证阻抗的匹配，实现宽频带内的低电压驻波比，容易共形；(2)本发明采用微带结构的Marchand巴伦，进一步是的天线更容易尺寸小和便于与天线的集成；(3)频率选择表面和微带功分器采用微带结构，进一步简化加工的难度，便于将天线整体加工在一块PCB板材上；(4)引入阻性表面层，进一步增加天线的带宽。
附图说明
[0008]图1是本发明超宽带紧耦合阵列天线单元结构图。
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说 明 书
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图2是本发明超宽带紧耦合阵列天线单元爆炸图。
[0010]图3(a)和图3(b)为单个紧耦合阵列单元的等效电路图。
[0011]图4是本发明超宽带大角度紧耦合天线的电压驻波比示意图。[0012]图5是8×8天线阵列的正视图。
[0013]图6是本发明超宽带大角度紧耦合天线阵列的最大轴向增益示意图。[0014]图7(a)、图7(b)、图7(c)、图7(d)是本发明超宽带大角度紧耦合天线阵列在2GHz，6GHz，10GHz，14GHz不同频点下的波束扫描方向图。具体实施方式
[0015]结合图1、图2，一种超宽带紧耦合阵列天线，包括多个周期排布的阵列单元，每个阵列单元包括两个相同的偶极子天线a,b、第一介质板d、第二介质板c、频率选择表面e、两个Marchand巴伦f、阻性表面h、地板i以及设置于地板下侧的功分器g；[0016]两个偶极子天线并排放置，每个偶极子天线包括两部分，分别设置在两个介质板的前后两面；天线上方覆盖频率选择表面，以实现宽角阻抗补偿，频率选择表面设置在两个介质板之间；Marchand巴伦包括带状线和微带线，带状线设置在两个介质板之间，微带线设置在第一介质板表面；两条微带线由地板i下方的功分器g相连；偶极子天线与地板i之间设置一层阻性表面h，用于进一步的增加带宽，阻性表面h与地板平行，与介质板垂直。[0017]所述第一介质板d、第二介质板c为介电常数3.66的Rogers RO4350。[0018]第一介质板d、第二介质板c的厚度均为0.25mm。
[0019]两个偶极子天线的臂长在两个介质板两侧有重叠部分，形成耦合电容。[0020]阻性表面h的面阻为370Ω/square。
[0021]采用频率选择表面能够使得天线更加方便的加工，重量更轻，成本更低；紧耦合形Marchand巴伦采用微带～带状线结构，尺寸更小，加工方便。[0022]下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述。[0023]实施例[0024]结合图1、图2，一种超宽带宽角紧耦合天线，包括两个相同的偶极子天线并排连接在介质板前后两侧，偶极子天线上方覆盖一排FSS，作为大角度扫描时的阻抗补偿；偶极子天线的下方为Marchand巴伦，对天线进行平衡馈电，其特点是尺寸小，能够与偶极子天线集成在介质板上；宽带一分二功分器对馈电巴伦进行馈电，从而使天线只需要一个馈电端口。[0025]印刷偶极子天线在介质板的两侧，印刷在介质板两侧Marchand馈电巴伦为微带线-带状线的形式，在指定的带宽内对天线进行平衡馈电。微带功分器为50Ω分为两路100Ω，接入到巴伦中。
[0026]介质层均为介电常数为3.66的Rogers RO4350，厚度为0.25mm。[0027]Marchand巴伦为微带-带状线结构，方便集成在介质板上。[0028]每个阵列单元由两个偶极子单元组成，能够将天线阻抗由200Ω，降低为100Ω。[0029]阻性表面的电阻值为370Ω/square，通过引入少量损耗的方法去实现带宽的拓展。
[0030]本发明超宽带紧耦合阵列天线的参数设计过程如下:[0031](一)优化紧耦合阵列天线单元，首先根据天线工作频段来确定天线的具体参数，
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说 明 书
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紧耦合天线的结构参数可采用ADS等效电路的方式进行初步优化。对于单个紧耦合阵列单元如图3(a)所示，偶极子天线印刷在垂直的电路板上，相应的，偶极子的电感对应偶极子臂宽hdipole，阵列单元之间的电容由重叠部分wcap所控制。天线与地板之间的高度为hsub，天线的介质覆盖层为hsup。采用近似等效电路的方法来优化紧耦合阵列的单元。对于介质覆盖层和介质基底，在Floquet模式下，均可由一定长度的理想传输线表示。[0032]如图3(b)所示，介质覆层和地板与天线之间的空气层的特性阻抗分别为Zsup和Zstub，介质覆层上方的空气特性阻抗为Z0。β代表每段传输线的传播常数，h为每段传输线的长度。
[0033]在线极化阵列中，当天线在H面进行波束扫描时，TE模被激励，当天线在E面进行波束扫描时，TM模被激励，相应的E面、H面的特性阻抗可由如下公式的:
[0034]
[0035][0036][0037]
传播常数为：
其中，η≈377Ω为自由空间的特性阻抗，dE为E面上的单元间距，dH为H面上的单元间距，k0表示理想空间的波数，με扫r是每层介质的相对磁导率，r为每层介质的相对电导率，描角度θ是与Z方向的夹角。[0039](二)通过ADS优化出天线的电容Ccoupling和电感Ldipole，由平板电容的计算公式可以计算出Wcap。Ldipole可通过变换偶极子的臂宽hdipole进行控制。
[0040]本实施例设计了一款频率范围为1.49GHz～15.65GHz的阵列天线，在天线扫描在±60°的范围内，该天线VSWR<3，组成8×8阵列，天线的增益在8GHz可达16.8dB。[0041]图4是本发明超宽带大角度紧耦合天线的电压驻波比。天线的频带范围1.49GHz～15.65GHz内，天线在±60°范围内进行波束扫描，驻波比VSWR<3，满足设计指标。[0042]图5是本发明的8×8天线阵列的正视图，通过延长边缘单元的偶极子辐射臂去补偿阵列边缘所带来的截断影响，实现阻抗匹配。
[0043]图6是本发明超宽带大角度紧耦合天线阵列的最大轴向增益，8×8阵列大小为80mm×80mm，在8GHz其轴向增益可达16.8dB。
[0044]图7(a)～图7(d)是本发明超宽带大角度紧耦合天线阵列在2GHz，6GHz，10GHz，14GHz不同频点下的波束扫描方向图。[0045]综上所述，本发明超宽带大角度紧耦合阵列天线，采用短偶极子结构，通过加在FSS的方式能够实现宽带宽角扫描。天线结构与馈电结构均采用印刷电路金属进行批量生产。
[0038]
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说 明 书 附 图
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图1
图2
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说 明 书 附 图
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图3(a)
图3(b)
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说 明 书 附 图
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图4
图5
图6
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说 明 书 附 图
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图7(a)
图7(b)
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说 明 书 附 图
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图7(c)
图7(d)
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