一种宽带双极化紧耦合天线单元及阵列

1.本发明属于宽带阵列天线技术领域，特别涉及一种宽带双极化紧耦合天线单元及阵列。


背景技术：

2.随着无线通信技术的发展，信息数据传输速率的要求越来越高，根据无线数据传输的香农定理，通信系统的信道容量正比于系统带宽，这意味着通信系统的带宽要求会越来越宽。同时，考虑到双极化天线能够辐射或者接收具有特定极化方向上的多对电磁波，可以实现全双工工作和频率复用功能，且正交极化方式有利于获得更高的交叉极化电平，缓解多径衰减问题，增强了通信质量。目前，宽带双极化天线的已广泛应用于民事、军事等各项领域。
3.传统的宽带天线主要有：(1)频率无关天线；(2)vivaldi天线；(3) 宽带印刷缝隙天线等。而这些天线往往存在体积较大，造价高昂，制作复杂等问题。2003年，munk教授提出了一种新型宽带天线结构，紧耦合天线阵列(tightlycoupled dipole array,tcda)，其核心思想是充分利用阵元间的耦合来展宽带宽，该方法可以在缩小天线体积的同时有效提高带宽特性，且不用担心组阵后阵元间的互耦问题。
4.而在设计紧耦合天线时，为了使馈电平衡，往往需要在馈电端口与偶极子间引入一段宽带巴伦结构，这导致馈线结构复杂，天线剖面较高，加工复杂。且现有可查文献中，针对紧耦合振子组阵后边缘振子由于截断效应导致的端口失配的问题，未得到充分研究讨论。
5.例如2020年，崔学武等人在其发表的一篇名为《一种低剖面宽带宽角紧耦合天线单元及阵列》的专利(申请号:cn202010520723.4)中，采用微带线口径耦合的馈电结构，实现了4-8ghz频段满足有源驻波比《2。该结构避免采用复杂的宽带巴伦结构，结构简单，实现了低剖面。但该天线结构带宽不是很宽，难以覆盖多个频段。
6.例如2019年，臧永东等人在其发表的一篇名为《一种vhf波段紧耦合平面偶极子阵列天线》的专利(申请号:cn201910861174.x)中，实现天线在 100～350mhz频段满足有源驻波小于3，天线剖面高度0.1低频波长。特别的，为了改善边缘截断效应，延长了边缘单元位于边沿一侧的振子臂，并在振子臂延长部分串联电阻，实现了组阵后边缘振子在100-350mhz频段的有源驻波比《2.3。该天线结构简单，剖面较低，但在处理边缘截断问题时采用了有源器件，这极大限制了带宽，且该方法仅适用于偶极子相位中心一致的情况。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提出了一种宽带双极化紧耦合天线单元，阻抗匹配良好，结构简单，易于加工。
8.实现本发明目的的技术方案为：一种宽带双极化紧耦合天线单元，依次包括第一介质层、第二介质层、第三介质层、第四介质层、第五介质层、第六介质层、金属地板以及不
平衡馈电结构，所述第三介质层靠近第二介质层的一面设置有第一电路层，所述第一电路层包括双极化振子单元；所述第四介质层靠近第三介质层的一面设置有第二电路层，所述第二电路层包括金属耦合圆片和用于馈电优化的第一金属贴片结构；所述第五介质层靠近第四介质层的一面设置有第三电路层；所述第六介质层靠近第五介质层的一面设置有第四电路层；所述第三电路层和第四电路层结构相同，均包括用于馈电优化的第二金属贴片结构；所述不平衡馈电结构包括同轴连接器和两对接地金属通孔，所述同轴连接器贯穿第三至第六介质层以及金属地板，所述两对接地金属通孔贯穿第三至第六介质层。
9.优选地，所述双极化振子单元为相互垂直的两对振子臂，每个振子臂分别在末端两侧沿45
°
延拓一段枝节以优化低频匹配，且每个振子臂的两段枝节延伸长度不同。
10.优选地，包括所述金属耦合圆片位于相互垂直的两对振子臂的垂足下方。
11.优选地，所述第一介质层、第二介质层、第三介质层以及金属地板截面形状相同，均为矩形；所述第四介质层、第五介质层和第六介质层截面形状相同，均为十字形。
12.优选地，所述第一金属贴片结构为两个六边形。
13.优选地，所述第二金属贴片结构结构包括两个六边形，以及与两个六边形对应的矩形。
14.优选地，所述同轴连接器从水平偶极子的左振子臂或/和垂直偶极子的上振子臂，贯穿第三至第六介质层以及金属地板，振子臂、第二金属贴片结构的矩形均与同轴连接器内导体相连。
15.优选地，两对接地金属通孔分别从两对振子臂外围的阵子臂，贯穿第三至第六介质层，振子臂、第一金属贴片结构以及第二金属贴片结构的六边形均与同轴连接器内导体相连。
16.本发明还提出了一种宽带双极化紧耦合天线阵列，包括以m
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n矩阵式排列的宽带双极化紧耦合天线单元，m、n均为自然数，阵列四周添加无馈电结构的冗余振子以使阵列形成完整栅格结构，对边缘工作振子末端增加金属通孔，连接振子臂和金属耦合圆片，并在边缘中心位置冗余振子末端添加金属短路柱连接冗余振子和金属地板。
17.本发明与现有技术相比，其优点为：
18.1.馈电结构简单，且实现宽频带良好匹配性能；
19.2.天线整体结构采用pcb工艺生产，易于加工，稳定可靠，应用场景广泛； 3.所述缓解边缘截断效应的方法简单有效，具有普适性。
附图说明
20.图1是宽带双极化紧耦合天线单元全视图。
21.图2是天线单元电路层的分层示意图。
22.图3是天线单元两对正交分布的偶极子示意图。
23.图4是天线单元第四～第六介质层单元及组阵后截面形状示意图。
24.图5是天线单元馈电结构示意图。
25.图6是天线单元优化馈电金属贴片示意图。
26.图7是宽带双极化紧耦合天线无限大周期模型在法向角度及45
°
扫描角度下的驻波比。
27.图8是宽带双极化紧耦合天线无限大周期模型，去掉馈电优化金属贴片后，在法向角度及45
°
扫描角度下的驻波比。
28.图9是4
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4宽带双极化紧耦合天线阵列全视图。
29.图10是4
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4宽带双极化紧耦合天线阵列偶极子排布示意图，其中黑色振子为有馈电结构的工作振子，灰色振子为无馈电结构的冗余振子。
30.图11是4
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4宽带双极化紧耦合天线阵列缓解边缘效应的金属通孔示意图。
31.图12是4
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4宽带双极化紧耦合天线阵列激励全部垂直方向16对振子时各端口的有源驻波比。
32.图13是4
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4宽带双极化紧耦合天线阵列在4ghz、8ghz和12ghz的方向图。
具体实施方式
33.下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明：
34.首先需要申明的是，在本技术的描述中，术语“水平”、“垂直”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置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，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发明的限制。
35.此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。
36.实施例1
37.结合图1～2所示，一种宽带双极化紧耦合天线单元，由上到下依次为第一介质层(11)、第二介质层(12)、第一电路层(21)、第三介质层(13)、第二电路层(22)、第四介质层(14)、第三电路层(23)、第五介质层(15)、第四电路层(24)、第六介质层(16)、金属地板(17)以及不平衡馈电结构(3)。
38.所述第一电路层(21)包括双极化振子单元，具体地，所述双极化振子单元为相互垂直的两对振子臂(211)，每个振子臂分别在末端两侧沿45
°
延拓一段枝节以优化低频匹配，且两段枝节延伸长度不一，分别调节长度以平衡天线的端口隔离性能和极化隔离度；方向正交，以实现双极化性能。
39.所述第二电路层(22)包括金属耦合圆片(221)和用以馈电优化的第一金属贴片结构(222)。金属耦合圆片(221)位于振子末端的下方，以增加相邻振子间的耦合。
40.所述第三电路层(23)和第四电路层(24)结构相同，均包括以馈电优化的第二金属贴片结构(231)，该结构帮助均匀馈电，稳定电磁环境；
41.所述不平衡馈电结构(3)包括同轴连接器(311)和两对接地金属通孔(312)。所述同轴连接器，位于水平偶极子的左振子臂/垂直偶极子的上振子臂，贯穿第三至第六介质层以及金属地板。所述两对接地金属通孔(312)，位于水平偶极子的右振子臂/垂直偶极子的下振子臂，贯穿第三至第六微波介质层。
42.进一步地，所述第一介质层(11)，高度为0.813mm，介电常数为3.55；
43.进一步地，所述第二介质层(12)，高度为4mm，介电常数为2.2；
44.进一步地，所述第三介质层(13)，高度为0.254mm，介电常数为2.2；
45.进一步地，所述第四介质层(14)，高度为2mm，介电常数为2.55；
46.进一步地，所述第五介质层(15)，高度为0.813mm，介电常数为3.55；
47.进一步地，所述第六介质层(16)，高度为2mm，介电常数为2.2；
48.如图3所示，所述振子臂(211)总长l3＝10.5mm，振子臂末端延伸枝节的长度l1＝4.1mm，l2＝4.53mm。根据pcb工艺蚀刻精度为0.1mm，振子末端切去小角以满足加工要求。
49.如图4所示，为第四介质层(14)、第五介质层(15)和第六介质层(16) 单元和组阵后截面示意图，三层介质层均被挖去部分介质。单元结构中， l6＝3.9mm，l7＝10.7mm；组阵后整体呈镂空状。
50.如图5所示，所述同轴连接器(311)位于水平偶极子的左振子臂/垂直偶极子的上振子臂，贯穿第三至第六介质层以及金属地板，振子臂与同轴连接器内导体相连。所述接地金属通孔(312，32)，包括两对金属化通孔，位于水平偶极子的右振子臂/垂直偶极子的下振子臂，贯穿第三至第六微波介质层，并与金属地板连接。两个金属化通孔都与振子臂相连，处于同一水平线/垂直线。该偶极子天线单元的馈电需要差分馈电(又称平衡馈电)，而同轴传输线是非平衡的，这可能会在工作频带内引起共模谐振，影响天线性能。通过引入接地金属通孔则可以将共模谐振移到工作频带以外。该结构相比于常用的渐变巴伦，结构简单，易于加工，稳定可靠。
51.如图7所示，引入图6中馈电优化金属贴片结构(222，231)，所述宽带双极化紧耦合天线无限大周期模型在法向角度驻波比小于1.4，45
°
扫描角度下e 面驻波比小于2，h面驻波比小于2.5，全频带、大角度匹配良好。与图8去掉馈电优化金属贴片(222，231)后，天线无限大周期模型在法向角度及45
°
扫描角度下的驻波比相比，该馈电优化金属贴片(222，231)在中高频优化效果明显。所述馈电结构与优化馈电的金属贴片结构，在保证结构简单的同时，利用接地金属通孔移除工作频带内由共模谐振带来的谐振点，金属贴片结构帮助均匀馈电，实现全工作频带匹配特性良好。
52.实施例2
53.一种宽带双极化紧耦合天线阵列，由4
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4个天线单元组成，如图9所示。结合图10～11，阵列四周添加无馈电结构的冗余振子以使阵列形成完整栅格结构。同时，对边缘工作振子末端增加金属通孔(41)，连接振子臂(211)和金属耦合圆片(221)，并在边缘中心位置冗余振子末端添加金属短路柱(42)连接冗余振子和金属地板(17)，以缓解由边缘截断效应导致的边缘工作振子端口失配问题。
54.如图12所示，在采取上述措施后，激励4
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4宽带双极化紧耦合天线阵列全部垂直方向16对振子。观察全16个端口的有源驻波比，可以发现除14端口和 15端口在低频部分驻波比上浮至2.5以外，其余振子在工作带宽内有源驻波比均小于2，基本实现所有端口全频段匹配良好。如图13所示，此时天线阵列辐射性能良好，4ghz时极化隔离度大于15db，8ghz和12ghz时极化隔离度均在 20db以上，满足指标要求。
55.综上所述，本发明通过优化振子形状及馈电结构，在4-12ghz频段内满足正入射时驻波比小于1.4，并满足e面/h面扫描至
±
45
°
时驻波比小于2/2.5，组阵后正入射时全部端口驻波比低于2.5，全频带匹配良好。