带状线网络低剖面紧耦合超宽带阵列天线.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910198760.0 (22)申请日 2019.03.15 (71)申请人 上海交通大学 地址 200240 上海市闵行区东川路800号 申请人 中国电子科技集团公司第十研究所 (72)发明人 梁仙灵唐赢刘田周文涛 耿军平金荣洪朱卫仁 (74)专利代理机构 上海汉声知识产权代理有限 公司 31236 代理人 庄文莉 (51)Int.Cl. H01Q 1/38(2006.01) H01Q 1/48(2006.01) H01Q 1/50(2006.01) H01Q 21/00。

2、(2006.01) H01Q 23/00(2006.01) (54)发明名称 带状线网络低剖面紧耦合超宽带阵列天线 (57)摘要 本发明提供了一种带状线网络低剖面紧耦 合超宽带阵列天线, 其特征在于, 所述阵列天线 包括一个或多个阵列单元, 所述阵列单元包括第 一辐射振子(1)、 馈电网络(2)、 第二辐射振子 (3)、 高频介质板(6)、 支撑金属底座(9), 馈电网 络(2)设置在第一辐射振子(1)、 第二辐射振子 (3)之间并通过高频介质板(6)连接第一辐射振 子(1)、 第二辐射振子(3), 第一辐射振子(1)、 馈 电网络(2)、 第二辐射振子(3)的中部设置有支撑 金属底座(9),。

3、 每个阵列单元通过支撑金属底座 (9)依次连接。 本发明较现有紧耦合阵列而言, 在 有源驻波比小于2.2的条件下, 可实现大角度扫 描, 且结构简单、 易于制作。 权利要求书1页 说明书5页 附图7页 CN 110048221 A 2019.07.23 CN 110048221 A 1.一种带状线网络低剖面紧耦合超宽带阵列天线, 其特征在于, 所述阵列天线包括一 个或多个阵列单元, 所述阵列单元包括第一辐射振子(1)、 馈电网络(2)、 第二辐射振子(3)、 高频介质板(6)、 支撑金属底座(9), 馈电网络(2)设置在第一辐射振子(1)、 第二辐射振子 (3)之间并通过高频介质板(6)连接第。

4、一辐射振子(1)、 第二辐射振子(3), 第一辐射振子 (1)、 馈电网络(2)、 第二辐射振子(3)的中部设置有支撑金属底座(9), 每个阵列单元通过支 撑金属底座(9)依次连接。 2.根据权利要求1所述的带状线网络低剖面紧耦合超宽带阵列天线, 其特征在于, 所述 馈电网络(2)包括类带状线枝节(4)、 带状线功率分配器(5), 类带状线枝节(4)连接带状线 功率分配器(5)的上端, 带状线功率分配器(5)的下端与的同轴接头连接实现馈电。 3.根据权利要求2所述的带状线网络低剖面紧耦合超宽带阵列天线, 其特征在于, 所述 的带状线功率分配器(5)采用Wilkinson结构。 4.根据权利要求。

5、1所述的带状线网络低剖面紧耦合超宽带阵列天线, 其特征在于, 所述 第一辐射振子(1)、 第二辐射振子(3)均包括辐射振子单元, 所述辐射振子单元包括多个印 刷偶极子(7)、 类带状线金属地(8)、 带状线功率分配器金属地(10), 印刷偶极子(7)两端与 类带状线金属地(8)连接, 类带状线金属地(8)与带状线功率分配器金属地(10)连接。 5.根据权利要求4所述的带状线网络低剖面紧耦合超宽带阵列天线, 其特征在于, 所述 辐射振子单元包括两个串联的印刷偶极子(7), 印刷偶极子(7)与支撑金属底座(9)平行; 每 个阵列单元连接时, 相邻两个偶极子(7)臂相连形成梳子形结构。 6.根据权利。

6、要求4所述的带状线网络低剖面紧耦合超宽带阵列天线, 其特征在于, 所述 印刷偶极子(7)与馈电网络(2)的类带状线枝节(4)通过高频介质板(6)电容耦合形成平衡 馈电。 7.根据权利要求4所述的带状线网络低剖面紧耦合超宽带阵列天线, 其特征在于, 所述 印刷偶极子(7)、 类带状线金属地(8)与馈电网络(2)的类带状线枝节(4)均位于支撑金属底 座(9)上方, 馈电网络(2)的类带状线枝节(4)的一端部与印刷偶极子(7)相对于高频介质 (6)两侧位置关系对应, 馈电网络(2)的类带状线枝节(4)的另一端部与类带状线金属地(8) 相对于高频介质两侧(6)位置关系对应; 所述馈电网络(2)的带状线。

7、功率分配器(5)位于支撑金属底座(9)下方并通过高频介质 板(6)连接第一辐射振子(1)和第二辐射振子(3)的带状线功率分配器金属地(10)。 8.根据权利要求1所述的带状线网络低剖面紧耦合超宽带阵列天线, 其特征在于, 所述 第一辐射振子(1)、 第二辐射振子(3)对称设置在馈电网络(2)的两侧。 9.根据权利要求1所述的带状线网络低剖面紧耦合超宽带阵列天线, 其特征在于, 所述 支撑金属底座(9)中间设置有开槽, 馈电网络(2)的带状线功率分配器(5)、 高频介质板(6)、 第一辐射振子(1)和第二辐射振子(3)的带状线功率分配器金属地(10)穿过开槽延伸到支 撑金属底座(9)下方。 10。

8、.根据权利要求1所述的带状线网络低剖面紧耦合超宽带阵列天线, 其特征在于, 所 述阵列天线波束扫描范围超过60 , 相对阻抗带宽稳定达到4.5: 1, 且对应的有源驻波比 皆小于2.2。 权利要求书 1/1 页 2 CN 110048221 A 2 带状线网络低剖面紧耦合超宽带阵列天线 技术领域 0001 本发明涉及天线技术领域, 具体地涉及一种带状线网络低剖面紧耦合超宽带阵列 天线。 背景技术 0002 随着无线通信技术的飞速发展, 移动通信作为常用的通信情况变得越来越重要。 尤其是对阵列波束的扫描范围、 带宽、 等性能的要求越来越高。 所以, 对具有宽带宽与波束 大角度扫描等性能的天线阵列。

9、的要求更为严格, 为了抑制栅瓣的出现, 阵列阵元的尺寸需 要小于最高频率对应波长的一半。 传统的超宽带阵列技术一直在不断突破, 但依然存在剖 面高, 不易于集成化设计等缺点。 0003 申请号为201810742447.4的申请文件公开了一种低剖面CTS平板阵列天线, 包括 从上往下依次排列的辐射层、 模式转换层和馈电网络层, 所述的模式转换层包括第一金属 平板以及设置在所述的第一金属平板上表面的模式转换腔阵列, 所述的模式转换腔阵列包 括22n个模式转换腔, 22n个所述的模式转换腔按照2n行2n列的方式排布, n为大于等于1的 整数, 模式转换腔包括从左向右依次连接的第一矩形腔、 第二矩形。

10、腔、 第三矩形腔、 第四矩 形腔和第五矩形腔, 位于同一行的2n个所述的模式转换腔依次首尾连接。 虽然具有较宽频 带, 但是结构复杂、 不易制作。 0004 经查找文献, 紧耦合阵列能够较好地满足性能要求。 紧耦合思想最早可追溯到 1965年Wheeler教授在文献 “Simple relations derived for a phased-array antenna made of an infinite current sheet” 中提出的电流片阵列天线(Current Sheet Array, CSA), 但CSA当时仅仅是处于理论中的理想模型。 由于理想的CSA具有宽频带特性与大角。

11、度 扫描特性, Munk教授通过将物理模型描述为紧密排列的短偶极子阵, 并于2003年国际电波 传播与天线会议上发表了 “A low-profile broadband phased array antenna” , 通过提高 相邻阵元间的耦合电容, 可改善阵列的带宽性能。 上海交通大学白旭东在2014年国际电波 传播与天线会议上发表 “Improved coupled ultra-wideband dual-polarized antenna array with corrugated ground” , 该论文提出一种可以抑制表面波的沟槽状背板结构, 实 现了方向图与增益的改善。 0005。

12、 然而, 目前大部分研究的紧耦合阵列通过引入匹配层或FSS结构, 实现波束扫描角 度达到60 , 阻抗带宽达到4.5: 1, 存在结构复杂、 不易制作的缺陷。 发明内容 0006 针对现有技术中的缺陷, 本发明的目的是提供一种带状线网络低剖面紧耦合超宽 带阵列天线。 0007 根据本发明提供的一种带状线网络低剖面紧耦合超宽带阵列天线, 所述阵列天线 包括一个或多个阵列单元, 所述阵列单元包括第一辐射振子、 馈电网络、 第二辐射振子、 高 频介质板、 支撑金属底座, 馈电网络设置在第一辐射振子、 第二辐射振子之间并通过高频介 说明书 1/5 页 3 CN 110048221 A 3 质板连接第一。

13、辐射振子、 第二辐射振子, 第一辐射振子、 馈电网络、 第二辐射振子的中部设 置有支撑金属底座, 每个阵列单元通过支撑金属底座依次连接。 0008 优选地, 所述馈电网络包括类带状线枝节、 带状线功率分配器, 类带状线枝节连接 带状线功率分配器的上端, 带状线功率分配器的下端与的同轴接头连接实现馈电。 0009 优选地, 所述的带状线功率分配器采用Wilkinson结构。 0010 优选地, 所述第一辐射振子、 第二辐射振子均包括辐射振子单元, 所述辐射振子单 元包括多个印刷偶极子、 类带状线金属地、 带状线功率分配器金属地, 印刷偶极子两端与类 带状线金属地连接, 类带状线金属地与带状线功率。

14、分配器金属地连接。 0011 优选地, 所述辐射振子单元包括两个串联的印刷偶极子, 印刷偶极子与支撑金属 底座平行; 每个阵列单元连接时, 相邻两个偶极子臂相连形成梳子形结构。 0012 优选地, 所述印刷偶极子与馈电网络的类带状线枝节通过高频介质板电容耦合形 成平衡馈电。 0013 优选地, 所述印刷偶极子、 类带状线金属地与馈电网络的类带状线枝节均位于支 撑金属底座上方, 馈电网络的类带状线枝节的一端部与印刷偶极子相对于高频介质两侧位 置关系对应, 馈电网络的类带状线枝节的另一端部与类带状线金属地相对于高频介质两侧 位置关系对应; 0014 所述馈电网络的带状线功率分配器位于支撑金属底座下。

15、方并通过高频介质板连 接第一辐射振子和第二辐射振子的带状线功率分配器金属地。 0015 优选地, 所述第一辐射振子、 第二辐射振子对称设置在馈电网络的两侧。 0016 优选地, 所述支撑金属底座中间设置有开槽, 馈电网络的带状线功率分配器、 高频 介质板、 第一辐射振子和第二辐射振子的带状线功率分配器金属地穿过开槽延伸到支撑金 属底座下方。 0017 优选地, 所述阵列天线波束扫描范围超过60 , 相对阻抗带宽稳定达到4.5: 1, 且 对应的有源驻波比皆小于2.2。 0018 与现有技术相比, 本发明具有如下的有益效果: 0019 1、 本发明现有紧耦合阵列而言结构简单, 易于加工, 且具有。

16、低剖面、 超宽带、 大扫 描角度、 等特点, 有效地解决了现有紧耦合阵列天线制作复杂的缺陷。 0020 2、 本发明阵列无需加载FSS或者大角度匹配层即可实现在4.5: 1的阻抗带宽内, 有 源驻波比小于2.2, E面波束扫描角度达到60 。 0021 3、 本发明采用电容耦合激励, 避免了焊接, 提高了天线的带宽。 附图说明 0022 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述, 本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显: 0023 图1为本发明的结构示意图。 0024 图2为本发明阵列单元立体结构示意图。 0025 图3为本发明阵列单元正面结构示意图。 0026 图4为本发明阵。

17、列单元正面剖视结构示意图。 0027 图5为本发明阵列单元第一辐射振子、 馈电网络、 第二辐射振子结构示意图。 说明书 2/5 页 4 CN 110048221 A 4 0028 图6为本发明阵列单元侧视结构示意图。 0029 图7为本发明波束扫描示意图。 0030 图8为本发明在2.9GHz频点E面波束扫描到0 、 -33 、 -48 、 -60 时的增益方向图。 0031 图9为本发明E面扫描时的有源驻波比特性。 0032 图10为本发明不同扫描角度时的增益曲线, 扫描角度包括0 、 33 、 48 、 60 。 0033 图11为本发明不同频率时的辐射效率。 0034 图12为本发明法向。

18、主极化与交叉极化增益方向图。 0035 图13为本发明在-60 的主极化与交叉极化增益方向图。 0036 图中示出: 0037 具体实施方式 0038 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。 以下实施例将有助于本领域的技术 人员进一步理解本发明, 但不以任何形式限制本发明。 应当指出的是, 对本领域的普通技术 人员来说, 在不脱离本发明构思的前提下, 还可以做出若干变化和改进。 这些都属于本发明 的保护范围。 在本申请的描述中, 需要理解的是, 术语 “上” 、“下” 、“前” 、“后” 、“左” 、“右” 、 “竖直” 、“水平” 、“顶” 、“底” 、“内” 、“外” 等指示的方位或位置。

19、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申请和简化描述, 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申请的限制。 0039 本发明提供了一种带状线网络低剖面紧耦合超宽带阵列天线, 应用于通信技术领 域, 比如移动通信系统。 天线阵列单元由两层辐射振子和一层馈电网络2构成, 每层辐射振 子包含两个串联的印刷偶极子7, 馈电网络2由带状线功率分配器5和类带状线枝节4组成。 激励方式为类带状线枝节4通过电容耦合对印刷偶极子7馈电, 印刷偶极子7与类带状线金 属地8相连, 从而一定程度上减轻了共模信号的干扰。 本发明较现有紧耦。

20、合阵列而言, 在有 源驻波比小于2.2的条件下, 可实现大角度扫描, 且结构简单、 易于制作。 本发明具有低剖 面、 超宽带、 大扫描角度、 结构简单等特点。 本发明能够有效地处理现有紧耦合阵列天线制 作复杂的缺陷。 0040 根据本发明提供的一种带状线网络低剖面紧耦合超宽带阵列天线, 所述阵列天线 包括一个或多个阵列单元, 所述阵列单元包括第一辐射振子1、 馈电网络2、 第二辐射振子3、 高频介质板6、 支撑金属底座9, 馈电网络2设置在第一辐射振子1、 第二辐射振子3之间并通 过高频介质板6连接第一辐射振子1、 第二辐射振子3, 第一辐射振子1、 馈电网络2、 第二辐射 振子3的中部设置有。

21、支撑金属底座9, 每个阵列单元通过支撑金属底座9依次连接。 所述带状 说明书 3/5 页 5 CN 110048221 A 5 线网络低剖面紧耦合超宽带阵列天线为一维周期阵列天线结构, 通过阵列单元周期排列组 成, 阵列单元的尺寸为30mm30mm30mm。 0041 所述馈电网络2包括类带状线枝节4、 带状线功率分配器5, 类带状线枝节4连接带 状线功率分配器5的上端, 带状线功率分配器5的下端与的同轴接头连接实现馈电。 所述的 带状线功率分配器5采用Wilkinson结构, 将一路信号等分成两路同相信号, 且实现了阻抗 匹配功能。 0042 所述第一辐射振子1、 第二辐射振子3均包括辐射振。

22、子单元, 所述辐射振子单元包 括多个印刷偶极子7、 类带状线金属地8、 带状线功率分配器金属地10, 印刷偶极子7靠近两 端与类带状线金属地8连接, 或者说是印刷偶极子7靠近末端处与类带状线金属地8连接, 类 带状线金属地8与带状线功率分配器金属地10连接。 在靠近印刷偶极子7末端处(两端)与类 带状线金属地8相连, 降低共模效应对天线的影响, 减轻了共模信号的干扰。 所述辐射振子 单元包括两个串联的印刷偶极子7, 印刷偶极子7与支撑金属底座9平行; 每个阵列单元连接 时, 相邻两个偶极子7臂相连形成梳子形结构。 所述印刷偶极子7与馈电网络2的类带状线枝 节4通过高频介质板6电容耦合形成平衡馈。

23、电。 馈电采用类带状线电容耦合, 引入耦合电容, 提高天线阵列的带宽。 类带状线枝节4、 类带状线金属地8与印刷偶极子7相结合, 既实现阻 抗匹配, 又实现不平衡-平衡馈电。 所述印刷偶极子7、 类带状线金属地8与馈电网络2的类带 状线枝节4均位于支撑金属底座9上方, 馈电网络2的类带状线枝节4的一端部与印刷偶极子 7相对于高频介质6两侧位置关系对应, 馈电网络2的类带状线枝节4的另一端部与类带状线 金属地8相对于高频介质6两侧位置关系对应; 0043 所述馈电网络2的带状线功率分配器5位于支撑金属底座9下方并通过高频介质板 6连接第一辐射振子1和第二辐射振子3的带状线功率分配器金属地10。 。

24、所述第一辐射振子 1、 第二辐射振子3对称设置在馈电网络2的两侧。 所述支撑金属底座9中间设置有开槽, 馈电 网络2的带状线功率分配器5、 高频介质板6、 第一辐射振子1和第二辐射振子3的带状线功率 分配器金属地10穿过开槽延伸到支撑金属底座9下方。 0044 所述阵列天线波束扫描范围超过60 , 相对阻抗带宽稳定达到4.5: 1, 且对应的 有源驻波比皆小于2.2。 波束法向辐射时, 阵列单元尺寸为0.09 l0.0.09 l0.09 l, 其 中, l为最低工作频率对应自由空间的波长。 本发明剖面约为最低工作频率的0.09倍波长, 具有低剖面的特点。 本发明较现有紧耦合阵列而言, 结构简单。

25、, 实现了大角度扫描, 且不同 角度扫描时的带宽较稳定, 且有源驻波比均小于2.2。 0045 本发明的工作原理如下: 高频信号先通过带状线功率分配器5将信号等分为的两 路信号, 每路信号再通过类带状线继续向上传输, 到达类带状线枝节4即天线顶部后, 通过 电容耦合方式将能量耦合给印刷偶极子7, 由印刷偶极子7向外辐射能量, 由于采用带状线 传输, 损耗小, 天线效率高。 0046 优选地, 如图1、 图7所示, 带状线网络低剖面紧耦合超宽带阵列天线X方向为17个 阵列单元, Y方向设置为周期边界。 当各阵列单元等幅、 同相激励时, 得到法向波束A1; 当相 邻阵元按照一定相位差激励时, 波束。

26、实现扫描。 阵列的扫描方向图如图8所示, 图8是本发明 在2.9GHz频点E面波束扫描到0 、 -33 、 -48 、 -60 时仿真得到的增益方向图, 从图中可以看 出, 该阵列的E面波束扫描角度能够达到60 , 且旁瓣电平小于-10dB。 图9是本实施例仿真 得到的有源驻波比, 从图中可以看出, 不同扫描角对应的有源驻波比在0.954.3GHz频带 说明书 4/5 页 6 CN 110048221 A 6 内均小于2.2, 即在整个频带内的有源驻波比均小于2.2。 图10是本实施例仿真得到的不同 频点和不同扫描角度的增益值。 图11所示为本实施例法向波束的辐射效率图, 天线效率在 整个频段。

27、都维持在85以上。 图12、 图13是本实施例仿真得到的主极化与交叉极化远场辐 射方向图, 从图中可以看出, 交叉极化电平均小于-20dB。 0047 以上对本发明的具体实施例进行了描述。 需要理解的是, 本发明并不局限于上述 特定实施方式, 本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改, 这并不影 响本发明的实质内容。 在不冲突的情况下, 本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相 互组合。 说明书 5/5 页 7 CN 110048221 A 7 图1 图2 说明书附图 1/7 页 8 CN 110048221 A 8 图3 图4 说明书附图 2/7 页 9 CN 110048221 A 9 图5 图6 说明书附图 3/7 页 10 CN 110048221 A 10 图7 图8 说明书附图 4/7 页 11 CN 110048221 A 11 图9 图10 说明书附图 5/7 页 12 CN 110048221 A 12 图11 图12 说明书附图 6/7 页 13 CN 110048221 A 13 图13 说明书附图 7/7 页 14 CN 110048221 A 14 。

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