超寬帶陣列天線的制作方法

本發明屬于天線技術領域，具體涉及一種超寬帶緊耦合陣列天線的結構設計，可用于現代通信的fopen雷達和穿墻成像雷達系統中。

技術背景

寬帶陣列天線在雷達與通信中都有廣泛的應用，現代相控陣天線是利用電子系統控制天線陣列中各個單元的饋電幅度、相位，利用陣列主瓣波束進行掃描。當陣列天線具有寬帶特性，同時可以進行寬角域掃描時，就構成了寬帶相控陣天線。

相控陣技術最早出現在20世紀30年代，主要用于軍事雷達領域。傳統的寬帶相控陣天線設計都需要先獨立地設計出一個寬帶的天線單元，然后將其置于陣列中并設法使其正常工作。這種傳統的設計方法寄希望于天線單元間的互耦效應對陣列的功能不會產生太強的不利影響，但結果往往不盡人意。按照傳統的設計思路想要獲得具有幾個倍頻的寬帶相控陣天線的難度仍然非常大，在天線設計上仍存在一些困難無法克服，如陣元橫向尺寸較大、結構復雜以及頻帶寬度受陣元帶寬和陣元間互耦的限制難以進一步拓展。

電子科技大學2013年的的碩士論文“雙阻帶陷的小型化超寬帶天線陣列設計與研究”中，趙飛飛提出了一款具有雙阻帶陷特性的超寬帶天線陣列，陣列中的天線單元是具有雙阻帶特性的超寬帶微帶天線，天線的輻射單元為一微帶饋電的帶有弧形縫隙及倒u型縫隙的半圓形貼片，在地板上開有由兩個u型結構合成的縫隙，單元的匹配帶寬為3.1ghz-12ghz，組成1×2的線陣后天線陣的匹配帶寬為3.0ghz-11ghz，其陣列的帶寬小于天線單元的帶寬。

深圳市天鼎微波技術有限公司在其申請的專利《一種應用于5g通信系統的緊耦合陣列天線》(申請號：201610327943.4，公開號：cn106099359a)中，提出了一種應用于5g通信系統的緊耦合陣列天線，通過交指型偶極子天線陣列板、柵格形阻性頻率選擇表面板以及接地板的多層結構和緊耦合陣列設計，相對帶寬可達到149.1％，雖然滿足了在2.8ghz～19.2ghz頻段有源駐波比activevswr<3應用范圍，但是該專利存在缺少饋電網絡且帶寬應用范圍受限的問題。

技術實現要素：

本發明的目的在于針對上述現有技術的缺陷，提出一種超寬帶陣列天線，利用單元間的耦合效應，使陣列天線的帶寬不再受天線單元帶寬的限制，從而有效的拓寬了陣列天線的帶寬。

為實現上述目的，本發明包括天線陣列板、電阻型頻率選擇表面板、接地板和饋電巴倫，天線陣列板位于電阻型頻率選擇表面板的正上方，且平行于電阻型頻率選擇表面板，所述天線陣列板包括多個偶極子輻射周期單元，每個偶極子輻射周期單元包括兩個偶極子臂、金屬過孔和介質板，所述電阻型頻率選擇表面板包括多個電阻型頻率選擇表面單元，每個電阻型頻率選擇表面單元由電阻貼片和介質板組成，其特征在于：

所述每個偶極子臂包括第一金屬貼片和第二金屬貼片，該第一金屬貼片由矩形和以矩形長邊為弦切開的圓相接組成，該第二金屬貼片由第一金屬貼片和頂點與介質板中心重合且第三邊與矩形長邊重合的三角形相嵌組成；

所述電阻貼片，由方環貼片、圓環貼片和菱形貼片嵌套組成，三者中心重合。

作為優選，所述兩個偶極子臂位于介質板的中心，且在介質板的上下表面相互交叉排列。

作為優選，第一金屬貼片是由兩部分形狀拼接而成的四邊形，該四邊形的三條邊為直線，一條邊為圓弧，其中相對的兩條直線邊平行相等，這兩條直線的一端與第三條直線邊相接，另一端與圓弧線相連，構成一個封閉空間。

作為優選，第二金屬貼片是由第一金屬貼片和等腰三角形組合而成的多邊形，其中第一金屬貼片中的三條直線邊保持不變，第一金屬貼片中的圓弧邊被三角形的兩腰切割。

作為優選，方環貼片位于介質板的邊緣，圓環貼片嵌套于方環貼片內部，菱形貼片位于圓環貼片內部，三者中心重合，且菱形貼片中心有正方形開口。

作為優選，所述金屬過孔沿介質板長邊對稱分布。

本發明與現有技術相比具有如下優點：

1、本發明中的偶極子臂在介質板的上下表面交叉排列，重合部分的區域是兩個第一金屬貼片的面積，通過增加重合部分的面積，進一步增強陣列間的耦合效應，從而解決了現有技術中天線陣列帶寬受單元帶寬限制的技術問題，拓展了天線陣列帶寬。

2、本發明采用電阻型頻率選擇表面結構，其中電阻貼片由方環貼片、圓環貼片和菱形貼片嵌套組成，使得電阻型頻率選擇表面的吸波效果更好，從而有效的消除短路點進一步拓展天線陣列的帶寬。

附圖說明

圖1是本發明超寬帶陣列天線的結構示意圖；

圖2是本發明中的兩個周期單元結構示意圖；

圖3是本發明中的饋電巴倫結構示意圖；

圖4中的是本發明兩個金屬貼片的結構示意圖；

圖5是本發明中偶極子輻射周期單元與饋電巴倫的等效電路示意圖；

圖6是本發明的實施例陣列天線在0.63ghz-4.6ghz的反射系數關系波形圖。

具體實施方式

以下結合附圖和具體實施例，對本發明作進一步詳細描述：

參照圖1，本發明超寬帶陣列天線，包括天線陣列板1、電阻型頻率選擇表面板2、接地板3和饋電巴倫4，其中：天線陣列板1包括多個偶極子輻射周期單元11，每個偶極子輻射周期單元11位于電阻型頻率選擇表面板2的正上方，平行于電阻型頻率選擇表面板2且兩者距離為13mm；電阻型頻率選擇表面板2包括多個電阻型頻率選擇表面單元21，每個電阻型頻率選擇表面單元21位于接地板3的正上方，平行于接地板3且兩者距離為17mm；饋電巴倫4的上端與偶極子輻射周期單元11的中心相連接，且下端穿過接地板3。

參照圖2，每個偶極子輻射周期單元11包括偶極子臂111、金屬過孔112和天線介質板113，偶極子臂111包括第一金屬貼片1111和第二金屬貼片1112，該第一金屬貼片1111由矩形和以矩形長邊為弦切開的圓相接組成，該第二金屬貼片1112由第一金屬貼片1111和頂點與天線介質板113中心重合且第三邊與矩形長邊重合的三角形相嵌組成。所有偶極子臂111在天線介質板113的上下表面相互交叉排列，重合部分面積與兩個第一金屬貼片1111的面積相等，該第一金屬貼片1111和第二金屬貼片1112均是在傳統偶極子形式的基礎上進一步改進得到的，即在傳統偶極子結構上增加了相鄰偶極子之間的重疊面積，從而增強了陣列中的耦合效應，對于拓展陣列帶寬具有重要作用；金屬過孔112沿天線介質板113長邊對稱分布，金屬過孔112的數量為偶數，本實例取10但不限于10個，其中四個金屬過孔兩兩一組位于天線介質板113長邊的兩側且距長邊距離為2mm，另外六個金屬過孔三個一組位于天線介質板113長邊的兩側且距長邊距離為1mm，金屬過孔的半徑范圍為0.1mm至0.35mm，本實施例取0.2mm；天線介質板113的長為32mm，寬為15.8mm。

電阻型頻率選擇表面單元21包括電阻貼片211和頻率選擇表面介質板212，該電阻貼片211的方阻為50ω，其由方環貼片2111、圓環貼片2112和菱形貼片2113組成，方環貼片2111位于頻率選擇表面介質板212的邊緣，圓環貼片2112嵌套于方環貼片2111內部，菱形貼片2113位于圓環貼片2112內部，三者中心重合，且菱形貼片2113中心有正方形開口，其中方環貼片2111距圓環貼片2112的最小距離范圍在3mm至5mm，本實施例取4mm，菱形貼片2113邊長為6.5mm，其中心的開口正方形邊長為1.5mm至4mm，本實施例取2mm，頻率選擇表面介質板212是厚度為20mil，介電常數為7導電玻璃；頻率選擇表面介質板212邊長為15.8mm。

參照圖3，本發明饋電巴倫4由印刷在巴倫介質板43表面的金屬貼片41，金屬通孔42及三層巴倫介質板43組成。金屬貼片41包括三個部分，其中第一部分的長l1＝12.15mm，寬2.3mm，且印刷在巴倫介質板43的第一層的上表面；第二部分由長l4＝32mm，寬0.25mm和長l2＝9.55mm，寬1.3mm的金屬貼片組成且印刷在所述巴倫介質板43第一層的下表面；第三部分由長l3＝33.15mm，臂寬2.3mm的u形結構構成且印刷在所述巴倫介質板43的第三層的下表面；金屬貼片41用于阻抗匹配。金屬通孔42包含兩個通孔，半徑分別為0.125mm和0.5mm；巴倫介質板43的第一層為厚度4.4mil，介電常數3.48的f4b板；巴倫介質板43的第二層為厚度6.6mil，介電常數4.2的粘合材料，巴倫介質板43的第三層為厚度10mil，介電常數3.48的f4b板。

參照圖4，本發明中兩個金屬貼片中第一金屬貼片1111是由兩部分形狀拼接而成的四邊形，該四邊形的三條邊為直線，一條邊為圓弧，其中相對的兩條直線邊平行相等，這兩條直線的一端與第三條直線邊相接，另一端與圓弧線相連，構成一個封閉空間，其中第三條直線邊的邊長為20mm；第二金屬貼片1112是由第一金屬貼片1111和等腰三角形組合而成的多邊形，其中第一金屬貼片中的三條直線邊保持不變，第一金屬貼片1111中的圓弧邊被三角形的兩腰切割。

參照圖5，本發明中偶極子輻射周期單元11與饋電巴倫4的等效電路圖中zfeed表示饋電巴倫4的輸入阻抗，zoc表示饋電巴倫4中的匹配單支節，zsc表示饋電巴倫4的匹配雙枝節，zbal為饋電巴倫4的等效阻抗，ldipole表示偶極子輻射周期單元11的等效電感，cdipole表示偶極子輻射周期單元11的等效電容，z0表示自由空間的特性阻抗，zsub表示天線陣列板1到接地板3之間的等效阻抗，ztcda表示偶極子輻射周期單元11的等效阻抗，其中巴倫饋電處的輸入阻抗zfeed＝100ω，巴倫部分相當于開路枝節與短路枝節的雙枝節匹配，當滿足共軛匹配，即zbal＝z^*tcda時，在低頻處達到完美匹配實現最大功率輸出。

本發明的效果，可以通過以下仿真進一步說明

利用cst軟件對本發明的實施例4×8陣列天線進行仿真，結果如圖6，圖6中縱坐標表示天線陣列的反射系數s11，單位為db，橫坐標表示頻率，單位為ghz，由圖6可知天線陣列在工作頻段內反射系數均小于-6db，最低點出現在4.2ghz處，最終天線的工作頻帶覆蓋0.63ghz至4.6ghz的頻率范圍，可達7.3個倍頻。