一种小型化宽带低剖面天线阵列的制作方法

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种小型化宽带低剖面天线阵列。

背景技术：

随着无线通信技术的飞速发展，新一代无线通信系统对带宽、系统容量和传输速率需求呈现爆发式的增长。为了满足不断增长的性能需求，较为有效的办法是为通信系统分配更多的工作带宽以及提高频谱利用率，围绕这两个方面的研究也就成为了近年来无线通信技术热点。一方面，新的无线通信制式标准不断提出和应用以及对现有制式的兼容考虑，无线通信系统通常需要工作在多个不同的频带，而配合使用宽带或多频带天线实现所有频段的覆盖是减少系统复杂度、降低使用成本的理想方式。另一方面，MIMO技术则较好地解决了频谱利用效率的问题，并已经获得了广泛的应用。而在MIMO技术未来演进的过程中，配合使用宽带大规模的阵列天线来突破现有的系统容量瓶颈将作为未来下一代(5G)高速大容量无线通信的关键技术。

但是就其天线本身设计而言，传统阵列天线设计方法存在的诸多局限性函待解决：(1)天线阵列口径面尺寸过大，在基站空间资源日益紧张的环境中进行架设尤其困难。(2)天线阵列的工作带宽不足，导致无法用一副天线口面覆盖整个系统工作频段。(3)天线阵列结构复杂，导致成本高昂。天线作为无线通信系统的重要部分，其性能和结构上的局限性很大程度上制约了整个系统的综合性能。因此，探索和提出一种小尺寸、宽频带和低成本的大规模天线阵列的设计方法具有重要的意义。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种小型化的宽带低剖面天线阵列，主要解决现有阵列天线尺寸大和阻抗带宽窄的技术问题。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种小型化宽带低剖面天线阵列，由天线单元按照平面矩形栅格排列方式构成天线阵列，阵列单元总个数为M*N，其中M表示沿X方向阵列单元个数，N表示沿Y方向阵列单元个数；

所述天线单元长度和宽度分别设置为L和W，取值范围为L<λ_h/2，W＝λ_h/2，其中λ_h是最高工作频率对应波长；天线单元沿X轴方向单元间隔Dx＝L，沿Y轴方向单元间隔Dy＝W；

所述天线单元结构包括依次叠加的上层阻抗匹配层、中间缝隙层和下层反射地板层；所述下层反射地板层为阵列的底板；中间缝隙层由一对对称的矩形金属片按照一定缝隙间隔布置构成，若干个中间缝隙层呈间隔平行分布在下层反射地板层上；上层阻抗匹配层沿中间缝隙层的缝隙呈间隔分布；在所述缝隙两侧的矩形金属片上对称设置有馈电正极连接点和馈电负极连接点。天线单元使用标准同轴馈线通过直接耦合方式馈电。

进一步，所述下层反射地板层采用全金属板的平板，按矩形栅格排列后，天线单元的反射地板层最终拼接接成一整块的阵列底板，对后向电磁波的起反射作用。

进一步，所述中间缝隙层距离下层反射地板层高度小于最低工作频率波长的十分之一，中间缝隙层与上层阻抗匹配层之间的距离小于最低工作频率波长的十分之一。

进一步，所述中间缝隙层包括一对矩形金属片，一对矩形金属片中间间隔有辐射缝隙，一对矩形金属片两端与相邻矩形金属片设有隔离缝隙，馈电正极连接点和馈电负极连接点分别紧靠辐射缝隙两侧设置。

再进一步，所述辐射缝隙长度与单元长度L相等，辐射缝隙宽度小于单元宽度W的十分之一。

再进一步，所述隔离缝隙布置于单元两侧边缘且与辐射缝隙保持平行，隔离缝隙长度与单元长度L相同，宽度设置为天线单元宽度的二十分之一。

进一步，所述上层阻抗匹配层由方形、矩形或圆形的单一金属片组成，金属片面积占天线单元面积L*W的20％-30％，且布置于辐射缝隙的上方区域。

进一步，上层阻抗匹配层的金属片的几何中心、辐射缝隙的中心与下层反射地板层的金属板几何中心共轴放置。

进一步，上层阻抗匹配层、中间缝隙层和下层反射地板层之间保持相互平行放置，三层间之间用绝缘螺钉进行固定。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)相比于采用独立分隔的半波长辐射缝隙的传统方法，本发明相邻辐射缝隙单元呈现非分隔式排列的方式，缝隙口径面等效磁流的幅度相位波动趋于稳定，阵列的阻抗带宽得以显著拓宽。

2)相比于传统阵列的稀疏排列方式，本发明采用亚波长天线单元并紧密排列，天线单元间距小于λ_h/2(λ_h是最高工作频率对应波长)，在相同天线单元数量的情况下，缩减了阵列天线口径和剖面尺寸。

3)本发明基于缝隙机构辐射机理，相比于采用对称振子天线单元，可以有效减小天线与地面之间的距离、降低整体天线剖面尺寸，剖面尺寸可小于λ_l/10(λ_l是最低工作频率波长)。

4)单元之间加入隔离缝隙结构以抑制谐振模式，减小了输入阻抗的大幅波动问题。

5)辐射缝隙与50Ω同轴电缆之间采用直接耦合馈电的方式，减少了馈电结构的复杂度。

附图说明

图1是阵列单元排列栅格形状示意图；

图2(a)是本发明阵列天线单元示意图；

图2(b)是图2(a)所述上层阻抗匹配层顶视图；

图2(c)是图2(a)所述中间层缝隙结构顶视图；

图2(d)是图2(a)所述下层反射地板顶视图；

图3(a)是2*2子阵列顶视图；

图3(b)是2*2子阵列侧视图；

图4是8*8实例阵列顶视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。

如图1所示，一种小型化宽带低剖面天线阵列，由天线单元按照平面矩形栅格排列方式构成天线阵列，阵列单元总个数为M*N，其中M表示沿X方向阵列单元个数，N表示沿Y方向阵列单元个数。天线单元长度和宽度设置为L和W，取值范围为L<λ_h/2，W＝λ_h/2，λ_h是最高工作频率对应波长；天线单元沿X轴方向单元间隔Dx＝L，沿Y轴方向单元间隔Dy＝W。

如图2(a)所示，天线单元为三层结构:包括依次叠加的上层阻抗匹配层104(如图2(b))、中间缝隙层103(如图2(c))和下层反射地板层101(如图2(d))。下层反射地板层101采用全金属结构的平板，按矩形栅格排列后，天线单元的反射地板层最终拼接接成一整块的阵列底板，参见图3(a)所示，对后向电磁波的起反射作用。中间缝隙层103由一对对称结构的矩形金属片按照一定缝隙呈间隔布置构成，上层阻抗匹配层104沿中间缝隙层103的缝隙呈间隔分布；在缝隙两侧的矩形金属片上分别连接有馈电正极连接点106和馈电负极连接点107。其中，一对矩形金属片中间间隔为辐射缝隙102、一对矩形金属片两端与相邻矩形金属片设有隔离缝隙105。辐射缝隙102位于单元中央位置，沿坐标轴X放置，缝隙长度与单元长度L相等，缝隙宽度小于单元宽度W的十分之一。隔离缝隙105布置于单元两侧边缘且与辐射缝隙102保持平行，隔离缝隙105长度与单元长度L相同，宽度设置为天线单元宽度W的二十分之一。矩形金属片位于辐射缝隙和隔离缝隙之间。上层阻抗匹配层104由方形、矩形、圆形或者其它形状的单一金属片组成，金属片面积占单元面积L*W的20％-30％，且布置于辐射缝隙102的上方区域。中间缝隙层103距离下层反射地板层101高度小于最低工作频率波长的十分之一，中间缝隙层103与上层阻抗匹配层104之间的距离小于最低工作频率波长的十分之一。反射地板层104、中间缝隙层103以及上层阻抗匹配层104既可由PCB印刷工艺，也可用金属板原料进行加工制作。其中介质板材料的介电常数范围1～12，介质厚度可以根据实际情况在0.5～3mm范围内选择。

图3(a)示出了本发明的一种小型化宽带阵列天线实例，天线单元个数为4个，单元呈2*2的正方形栅格周期排列。底层为下层反射地板层101，中间缝隙层103设有两对矩形金属片，在各对矩形金属片上沿辐射缝隙102长度方向分布有两个上层阻抗匹配层104。如图3(b)所示，馈电正极连接点106位于每个单元辐射缝隙中心点左侧与金属片接触，馈电负极连接点107位于辐射缝隙中心右侧与金属片接触，每个天线单元均采用50Ω同轴线310直接馈电，同轴内芯308连接馈电点正极连接点106，屏蔽层外皮导体309与馈电点负极连接点107保持良好的电接触。

本发明与传统结构相比的优势：

(1)基于电磁场镜像原理，辐射缝隙等效的磁流，在靠近理想金属地面表面，可以与镜像同相叠加产生较强的辐射效果。因此采用缝隙辐射机制取代对称振子天线，可有效减小剖面的同时不降低天线辐射效率。

(2)根据电流一致性口面理论，用电长度为几个波长的金属条带呈直线排列并施以周期馈电的方式，构建相邻辐射单元呈周期首尾相连形式的阵列天线，实现输入阻抗在较宽范围内保持稳定，从而拓展阵列天线的阻抗带宽。

(3)相邻单元缝隙之间采用直接耦合的方式，使端口输入电磁波能量能通过强耦合机制向阵列口径面边缘传播，从而有效减少了中央单元端口反射。

下面通过一个具体实施例来进一步说明本发明。

图4示出了本发明的一种小型化宽带阵列天线实例，天线单元个数为64个，单元呈8*8的正方形栅格周期排列。周期长度根据最高工作频率进行计算，具体步骤是：天线阵列预设工作带宽为2GHz～3.75GHz，计算最高工作频率对应波长为λ_h＝80mm，最低工作频率对应波长λ_l＝150mm，单元长度L和宽度H设置为该波长的二分之一，即L＝W＝80/2＝40mm。

下层阵列地板的总长度为M*L＝8*40＝320mm，宽度为M*L＝8*40＝320mm；中间层辐射缝隙宽度设置为W/10＝4mm，辐射缝隙总长度为M*L＝320m，边缘缝隙宽度设置为W/20＝2mm，边缘缝隙的总长度为M*L＝320mm，阵面口径尺寸为320mm*320mm。

本实施例的上层阻抗匹配层采用方形金属片，该方形金属片几何中心、辐射缝隙中心与单元反射金属板几何中心共轴放置，方形金属片片的长和宽均设置为W/2＝20mm，方形金属片面积占单元面积的25％。上层阻抗匹配层还可以采用矩形或圆形的金属片结构。

上层、中间层、下层结构之间保持相互平行放置，中间层与下层相距小于λ_l/10＝15mm，中间层与上层之间相距λ_l/10＝15mm，三层间之间可用绝缘螺钉进行固定。

上、中、下层材料均选用厚度为1mm，介电常数为2.65的聚四氟乙烯双面覆铜板，经印刷工艺制作而成。

每个单元馈电均采用50Ω同轴电缆直接馈电，同轴内芯与中间层馈电正极连接，同轴金属外皮与中间层馈电负极焊接。

最终实际模型可采用公知技术进行结构优化，例如采用全波分析仿真软件调用遗传算法，构造带宽适应度函数进行进一步优化，以获得最宽的阵列阻抗带宽。

下面通过实验数据对比来进一步说明本发明效果。

通过模型仿真对比与测试实验验证，在各端口等幅同相馈电的情况下，该阵列相对阻抗带宽(VSWR<3)可以达到60％以上，与传统波导缝隙阵列天线阻抗带宽相比，阻抗带宽显著提高。以中心频率计算，天线口面尺寸较传统阵列缩减了30％。天线剖面小于最低工作频率波长的十分之一。此外，天线在工作频带内具有稳定的辐射方向图，其辐射效率大于70％。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。