一種低剖面超寬帶天線陣列設(shè)置方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及天線【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及一種低剖面超寬帶天線陣列設(shè)置方法。本發(fā)明針對現(xiàn)有超寬帶低剖面陣列設(shè)計(jì)的不足，提出了一種低剖面超寬帶的設(shè)計(jì)方法，通過采用制造鏡像的方式消除采用槽線天線單元組陣時(shí)固有的諧振問題，再基于強(qiáng)互耦效應(yīng)對陣列單元進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后采用寄生單元對陣列的工作帶寬進(jìn)行調(diào)節(jié)。實(shí)現(xiàn)了天線低剖面超寬帶特性的同時(shí)，具有良好的制造性和可裝配性。本發(fā)明通過在BAVA天線介質(zhì)與BAVA天線地板之間設(shè)置金屬壁制造鏡像方式，并且同時(shí)通過方向圖乘積定理與電磁周期邊界理論去除陣列單元的互耦合達(dá)到展寬帶寬的目的。
【專利說明】一種低剖面超寬帶天線陣列設(shè)置方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及天線【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及一種低剖面超寬帶天線陣列設(shè)置方法。

【背景技術(shù)】
[0002]天線分為諧振天線(駐波天線、頻帶固定)和非諧振天線(行波天線、寬頻帶)。行波天線按形成原理分為四類:長天線和加載、諧振行波陣列、慢波、漏波。
[0003]ETSA漸變槽型天線分別成為Vivaldi天線、LTSA天線、CWSA天線或者BWSA天線。
[0004]Vivaldi天線就是TSA天線的一種，這是一種具有指數(shù)型漸變線的天線，另一種是LTSA天線，這兩種天線共同構(gòu)成TSA天線。TSA天線通常采用的微帶線饋電，而微帶線是非對稱的傳輸線，TSA天線的發(fā)射端-兩條張開的曲線是對稱的。為了使天線對稱輻射，1988年提出一種新型天線-對趾天線，也就是將兩條指數(shù)曲線包圍的覆銅區(qū)域個(gè)挖去一個(gè)半圓(或者半橢圓)后分別至于介質(zhì)板的上下兩面，稱之為AVA。1996年提出帶狀線饋電的BAVA，
TSA天線可以在介質(zhì)板敷金屬的一面或兩面加工，在微波頻率，采用微帶線或者帶狀線來饋電，因此微帶線/帶狀線-雙槽線的分析與設(shè)計(jì)就顯得很重要。BAVA方式饋電的TSA天線就是就是采用帶狀線饋電的TSA天線。
[0005]至今為止的陣列天線或難以實(shí)現(xiàn)低剖面(這里的低剖面是指剖面高度低于天線陣列工作時(shí)最高工作頻率的對應(yīng)波長。例如一個(gè)工作頻率最高為18GHz的天線陣列，其剖面高度須低于16.67_)，或難以實(shí)現(xiàn)工作頻帶覆蓋多倍的倍頻程(倍頻程為最高工作頻率與最低工作頻率之比，工作頻段6GHz-18GHz便是3倍倍頻程)。設(shè)計(jì)一種兼具超寬帶與低剖面特性的天線陣列成為目前陣列天線研究的核心難題之一?，F(xiàn)有的這類陣列設(shè)計(jì)方法分為兩類，采用MEMS技術(shù)的寬帶可重構(gòu)陣列設(shè)計(jì)方法和采用強(qiáng)互耦技術(shù)的強(qiáng)互耦陣列設(shè)計(jì)方法。
[0006]采用MEMS技術(shù)的寬帶可重構(gòu)陣列設(shè)計(jì)方法是采用MEMS結(jié)構(gòu)改變天線的形態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)天線性能的動態(tài)配置。這種設(shè)計(jì)方法的代表是喬治亞理工研究所(GTRI)的MEMS天線陣列，這種設(shè)計(jì)方法存在的限制是，陣列的瞬時(shí)工作帶寬依然是窄帶，并且為形成一個(gè)陣元，需要采用許多MEMS開關(guān)，控制電路如果位于天線孔徑面上，會對于天線的性能造成顯著的影響，如果位于天線孔徑面之下，則會增加天線加工的難度。
[0007]采用強(qiáng)互耦技術(shù)的陣列設(shè)計(jì)方法的典型代表是Munk提出的強(qiáng)互耦偶極子陣列，這種陣列需要復(fù)雜的饋電結(jié)構(gòu)和組裝工藝，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)依然難以滿足極低剖面的要求并且易在巴倫上產(chǎn)生諧振。Elsallal提出了一種無需采用平衡饋電的強(qiáng)互耦陣列，這種陣列的饋電方式較為簡單，但其同樣需要復(fù)雜的加工與組裝工藝。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:針對現(xiàn)有超寬帶低剖面陣列設(shè)計(jì)的不足，本發(fā)明提出一種低剖面超寬帶天線陣列設(shè)置方法，通過采用制造鏡像的方式消除采用槽線天線單元組陣時(shí)固有的諧振問題，再基于強(qiáng)互耦效應(yīng)對陣列單元進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后采用寄生單元對陣列的工作帶寬進(jìn)行調(diào)節(jié)。實(shí)現(xiàn)了天線低剖面超寬帶特性的同時(shí)，具有良好的制造性和可裝配性。
[0009]本發(fā)明技術(shù)方案:
一種低剖面超寬帶天線陣列設(shè)置方法包括:
步驟1:在BAVA天線介質(zhì)與BAVA天線地板之間設(shè)置金屬壁，所述BAVA天線地板、金屬壁與BAVA天線介質(zhì)分別相互垂直，所述BAVA天線地板位于水平面上；所述金屬壁底端位于BAVA天線地板兩個(gè)側(cè)面上，并且金屬壁垂直于BAVA天線地板的中軸線與BAVA天線介質(zhì)側(cè)面粘接；
步驟2:通過方向圖乘積定理與電磁周期邊界理論去除陣列單元的互耦合，實(shí)現(xiàn)陣列單元頻帶展寬；其中所述陣列單元包括BAVA天線與金屬壁；具體過程是:通過對天線陣元四周電磁場分布的處理模擬了陣元之間存在的強(qiáng)互耦效應(yīng)，并對這一效應(yīng)通過電磁周期邊界理論計(jì)算陣列之間的強(qiáng)互耦效應(yīng)帶來的容抗分量，依照方向圖乘積定理設(shè)計(jì)指數(shù)率變形的槽型金屬片，用以抵消原本制約陣列展寬的容抗分量，從而實(shí)現(xiàn)頻帶展寬。
[0010]進(jìn)一步的，所述BAVA天線寄生單元為η層金屬，所述η范圍是2-4，所述BAVA天線寄生單元相互疊加，BAVA天線寄生單元形狀為矩形。
[0011]進(jìn)一步的,所述金屬壁垂直于水平面的高度是BAVA天線介質(zhì)高度的1/2至1倍；金屬壁厚度是BAVA天線工作頻率的1/10-1/6。
[0012]進(jìn)一步的，所述BAVA天線采用微波基材覆銅板，并通過微波多層印制板層壓工藝加工。
[0013]本發(fā)明有益效果是:
1)傳統(tǒng)天線陣列的工作帶寬受制于相互耦效應(yīng)，通常工作在6倍倍頻程以內(nèi)，而本發(fā)明設(shè)計(jì)的陣列單元由于加入金屬壁，加入金屬壁等效于制造了輻射單元的鏡像，這種鏡像效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了諧振點(diǎn)的消除，解決了諧振點(diǎn)問題。
[0014]2)通過方向圖乘積定理與電磁周期邊界理論相結(jié)合，通過調(diào)節(jié)依照指數(shù)率變形的槽型金屬片，去除陣列單元的互耦合，消除了強(qiáng)互耦效應(yīng)，帶寬可達(dá)到9倍倍頻程。
[0015]3)傳統(tǒng)天線陣列剖面高度通常與工作頻段下限的波長相比擬，而本發(fā)明設(shè)計(jì)的陣列單元剖面高度與工作頻段上限的半波長相比擬對于6倍倍頻程天線陣列而言，其最低頻工作波長為最高頻工作波長6倍，傳統(tǒng)陣列剖面高度與最低頻工作波長相近，而本發(fā)明設(shè)計(jì)的陣列單元剖面高度為BAVA天線最高頻工作波長的一半，因此高度僅為傳統(tǒng)陣列高度的 1/12。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖la本專利結(jié)構(gòu)主視圖。
[0017]圖lb是本專利結(jié)構(gòu)俯視圖。
[0018]圖lc是本專利結(jié)構(gòu)左視圖。
[0019]圖2a是本專利設(shè)計(jì)方法為初始狀態(tài)Smith圓圖。
[0020]圖2b是本專利設(shè)計(jì)方法為引入鏡像后Smith圓圖。
[0021]圖2c是本專利設(shè)計(jì)方法為調(diào)節(jié)互稱后Smith圓圖。

【具體實(shí)施方式】
[0022]本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
[0023]本說明書(包括任何附加權(quán)利要求、摘要和附圖)中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個(gè)特征只是一系列等效或類似特征中的一個(gè)例子而已。
[0024]1、本發(fā)明相關(guān)說明:
BAVA天線指的是傳統(tǒng)的帶狀線饋電的BAVA天線。BAVA天線結(jié)構(gòu)介紹見《Analysis andDesign of the Antipodal Vivaldi Antenna Applied in UWB System》其中 2.3節(jié);作者:王昌駛；導(dǎo)師:竇文斌；作者基本信息:東南大學(xué)，電磁場與微波技術(shù)，2006,碩士。
[0025]BAVA天線介質(zhì)指的是帶狀線饋電BAVA天線的介質(zhì)。BAVA天線的介質(zhì)在BAVA天性中的作用是包裹了槽型金屬片，并使其與地板、寄生單元等分隔開來，起到結(jié)構(gòu)支撐及絕緣作用。
[0026]BAVA天線地板指的是帶狀線饋電BAVA天線的地板。BAVA天線的地板在BAVA天性中的作用位于天線單元最底端，起屏蔽雙向輻射作用。
[0027]BAVA天線寄生單元指的是BAVA天線的寄生單元。BAVA天線的寄生單元在BAVA天性中的作用是起到調(diào)節(jié)天線阻抗，展寬天線帶寬作用。寄生單元與槽型金屬片平行分布，
BAVA天線槽型金屬片指的是帶狀線饋電BAVA天線的槽型金屬片。BAVA天線的槽型金屬片在BAVA天性中位于介質(zhì)內(nèi)部，與地板垂直并與寄生單元平行，起到輻射電磁波的作用。
[0028]改進(jìn)點(diǎn)1::傳統(tǒng)BAVA天線單元的剖面高度通常在工作頻率下限的一倍波長左右，具備相較Vivaldi天線單元優(yōu)異的低剖面特性，但其剖面高度依然存在較高。直接采用槽線陣列進(jìn)行組陣時(shí)存在固有諧振點(diǎn)(在該頻點(diǎn)陣列無法正常工作)，會影響3:1以上陣列倍頻程帶寬的實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明在BAVA天線之間設(shè)計(jì)具備特定高度(BAVA天線介質(zhì)垂直于BAVA天線地板方向高度的1/2倍至1倍之間)與厚度(頻帶上限對應(yīng)波長的1/10左右)的金屬壁(見圖1)，加入金屬壁等效于制造了輻射單元的鏡像，這種鏡像效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了諧振點(diǎn)的消除。
[0029]改進(jìn)點(diǎn)2:經(jīng)典的天線陣?yán)碚摵雎粤岁嚵袉卧g的互耦，一個(gè)相控陣的輻射方向圖表示為陣因子和單元方向圖的乘積。但實(shí)際上由于互耦效應(yīng)，自由空間中的單元方向圖和處于陣列環(huán)境中的單元方向圖是不同的，對于有限尺寸相控陣，位于陣列中心區(qū)和邊緣區(qū)的單元所處的環(huán)境也是不同的?？梢娭苯右梅较驁D乘積定理在理論上是不嚴(yán)格的，經(jīng)典的天線陣?yán)碚摲治鱿嗫仃囂炀€的波束掃描特性是一種近似方法，僅當(dāng)陣元間互耦效應(yīng)很弱時(shí)有效。因此實(shí)際上在設(shè)計(jì)相控陣時(shí)，很多時(shí)候還需把互耦因素考慮進(jìn)來。本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法在以單個(gè)天線陣元為設(shè)計(jì)對象，大幅節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間與計(jì)算資源，同時(shí)又采用電磁周期邊界理論，通過對天線陣元四周電磁場分布的處理模擬了陣元之間存在的強(qiáng)互耦效應(yīng)，并對這一效應(yīng)通過電磁周期邊界理論計(jì)算陣列之間的強(qiáng)互耦效應(yīng)帶來的容抗分量，依照方向圖乘積定理設(shè)計(jì)指數(shù)率變形的槽型金屬片，用以抵消原本制約陣列展寬的容抗分量，從而實(shí)現(xiàn)頻帶展寬。
[0030]改進(jìn)點(diǎn)3:采用寄生單元調(diào)節(jié)陣列的帶寬指的是在設(shè)計(jì)時(shí)對單元之間的互耦進(jìn)行分析與利用，使得陣列具備了單個(gè)天線單元無法實(shí)現(xiàn)的寬帶輻射能力。為了增強(qiáng)單元之間的耦合，本發(fā)明還采用多層寄生單元對陣列進(jìn)行了調(diào)節(jié)，寄生單元可以為單層或多層金屬(見圖1)，在單元大小和間距都不改變的情況下，僅靠寄生單元的形狀來加強(qiáng)單元間的耦合度，即利用可調(diào)節(jié)的電容耦合分量加強(qiáng)了單元之間的耦合，從而實(shí)現(xiàn)了陣列在寬頻帶內(nèi)的阻抗匹配。BAVA天線使用微波基材覆銅板，采用微波多層印制板層壓工藝進(jìn)行制造，可以實(shí)現(xiàn)多層介質(zhì)與金屬層的緊密粘接，同時(shí)保證信號的低損耗、低延遲傳輸。
[0031]實(shí)施例一:
以某經(jīng)典BAVA陣列單元為例，在對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)前，初始帶寬并不寬，在8GHz處存在明顯的諧振。為了解決這一問題，設(shè)計(jì)時(shí)在單元之間加入金屬壁，在加入金屬壁后，由于輻射單元鏡像的存在，諧振點(diǎn)被消除，陣列帶寬得到了大幅拓寬。接下來采用強(qiáng)互耦陣列設(shè)計(jì)方法，通過調(diào)節(jié)陣列單元的容性阻抗，實(shí)現(xiàn)了 1.9GHz-18GHz頻帶內(nèi)的無諧振，同時(shí)整個(gè)陣列單元的剖面高度可以控制在15_以下。BAVA陣列帶寬隨著結(jié)構(gòu)改進(jìn)而展寬這一過程在Smith圓圖上更加明晰。圖2a為初始狀態(tài)、圖2b為引入鏡像后以及圖2c為調(diào)節(jié)互率禹后三種狀態(tài)陣列的Smith圓圖，可見本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法一方面通過調(diào)節(jié)強(qiáng)互耦效應(yīng)使得陣列的阻抗在所需頻帶內(nèi)不再強(qiáng)烈變化，另一方面通過加載容性阻抗使得陣列的阻抗曲線向Smith圓圖中心移動，從而體現(xiàn)出寬帶性能。
[0032]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種低剖面超寬帶天線陣列設(shè)置方法，其特征在于包括: 步驟1:在BAVA天線介質(zhì)與BAVA天線地板之間設(shè)置金屬壁,所述BAVA天線地板、金屬壁與BAVA天線介質(zhì)分別相互垂直，所述BAVA天線地板位于水平面上；所述金屬壁底端位于BAVA天線地板兩個(gè)側(cè)面上，并且金屬壁垂直于BAVA天線地板的中軸線與BAVA天線介質(zhì)側(cè)面粘接； 步驟2:通過方向圖乘積定理與電磁周期邊界理論去除陣列單元的互耦合，實(shí)現(xiàn)陣列單元頻帶展寬；其中所述陣列單元包括BAVA天線與金屬壁；具體過程是:通過對天線陣元四周電磁場分布的處理模擬了陣元之間存在的強(qiáng)互耦效應(yīng)，并對這一效應(yīng)通過電磁周期邊界理論計(jì)算陣列之間的強(qiáng)互耦效應(yīng)帶來的容抗分量，依照方向圖乘積定理設(shè)計(jì)指數(shù)率變形的槽型金屬片，用以抵消原本制約陣列展寬的容抗分量，從而實(shí)現(xiàn)頻帶展寬。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低剖面超寬帶天線陣列設(shè)置方法，其特征在于所述BAVA天線寄生單元為η層金屬，所述η范圍是2-4，所述BAVA天線寄生單元相互疊加，BAVA天線寄生單元形狀為矩形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低剖面超寬帶天線陣列設(shè)置方法，其特征在于所述金屬壁垂直于水平面的高度是BAVA天線介質(zhì)高度的1/2至I倍；金屬壁厚度是BAVA天線工作頻率的1/10-1/6。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的一種低剖面超寬帶天線陣列設(shè)置方法，其特征在于所述BAVA天線采用微波基材覆銅板，并通過微波多層印制板層壓工藝加工。
【文檔編號】H01Q21/00GK104319481SQ201410580486
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月27日
【發(fā)明者】張波 申請人:中國電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所