CN115275589B - 全耦合谐振环天线单元及二维切比雪夫网络馈电阵列天线 - Google Patents
全耦合谐振环天线单元及二维切比雪夫网络馈电阵列天线 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了全耦合谐振环天线单元及二维切比雪夫网络馈电阵列天线，天线单元包括长方形结构的天线单元介质基板和设置在天线单元介质基板表面的辐射结构；辐射结构为轴对称结构，对称轴穿过天线单元介质基板表面下边界中心与下边界垂直；辐射结构包括设置在天线单元介质基板下部的第一谐振环；第一谐振环外侧两边分别设置有关于对称轴对称的第一单极子和第二单极子；第一谐振环上方设置有第二谐振环，第二谐振环上方设置有与其结构相同且相对设置的第三谐振环；还包括I型谐振结构；本发明的天线单元通过使用弧形单极子对谐振环耦合的方式，使得该天线输入阻抗可调，具有极好的调谐能力；天线单元使用谐振环结构实现高方向性。
Description
技术领域
本发明涉及天线工程技术领域，具体涉及一种全耦合谐振环天线单元及二维切比雪夫网络馈电阵列天线。
背景技术
伴随着移动通信、雷达、卫星通信的飞速发展，对天线的性能要求也逐步在加强，其中就有天线的小型化和高增益，这对天线组阵又有着重要意义。其中，天线的口径面积变小，其增益一般也将随着尺寸的减小而下降。增益的强弱将影响到天线辐射或接收无线信号的能力，同等情况下天线的增益越高就表明电磁波的传输距离越远，这对移动通信、雷达、卫星通信等领域非常有意义。大多数研究天线小型化采用了高介电常数或者高磁导率基片、增加表面电流的流动路径、加载短路探针等，天线的小型化对于目前现代无线设备非常重要，也有巨大的需求量。此阵列天线的主要优点是很大程度减小了天线的尺寸，制造简单，节约加工天线所需的费用，维护成本也大大降低，易集成。
现有技术“Dual-Resonant High-Gain Wideband Yagi-Uda Antenna UsingFull-Wavelength Sectorial Dipoles”公开了一种采用三元八木微带天线主要包括：扇形辐射器、圆形金属平面反射器和扇形导向器。并且该结构天线介质基板立于地面之上。该天线的扇形导向器可视为寄生结构，与扇形辐射器相结合可以提高增益，但为了增强天线稳定性，其馈电方式复杂，损耗大，且尺寸较大。如“An extremely low profile, compact,and broadband tightly coupled patch array”公开了一种引入紧耦合贴片阵列，实现具有宽带性能的小尺寸、极低剖面平面天线。使用频率选择表面FSS本身作为辐射口径，也就是将FSS作为阵列天线运行。该天线与相同尺寸和厚度的传统微带贴片天线相比，其尺寸较大，阵列增益较低。如“A Novel Low-profile Tightly-coupled Antenna Array”公开了一种新型的低剖面紧耦合阵列天线，该天线由偶极子、微带梯度巴伦线、微带传输线和介质板组成，微带梯度巴伦线用于实现同轴线和偶极子之间不平衡到平衡的过渡。同时，通过改变传输线的长度和巴伦梯度结构的大小，可以进一步调整输入阻抗。与传统天线阵列不同，天线阵列偶极子之间的距离非常小，其在无线周期阵列下具有13.2 dBi的高增益，但其尺寸大。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题提供全耦合谐振环天线单元及二维切比雪夫网络馈电阵列天线。
本发明采用的技术方案是：
一种全耦合谐振环天线单元，包括长方形结构的天线单元介质基板和设置在天线单元介质基板表面的辐射结构；辐射结构为轴对称结构，对称轴穿过天线单元介质基板表面下边界中心与下边界垂直；
辐射结构包括设置在天线单元介质基板下部的第一谐振环，第一谐振环包括圆环形的第一弧形部和连接第一弧形部两端的第一直线部；第一谐振环圆心位于对称轴上，第一直线部中间位置设置有第一开口部；第一谐振环外侧两边分别设置有关于对称轴对称的第一单极子和第二单极子；第一单极子和第二单极子为弧形结构，且其圆心位于对称轴上；
第一谐振环上方设置有第二谐振环，第二谐振环包括圆环形的第二弧形部和连接第二弧形部两端的第二直线部；第二弧形部与第一弧形部背对设置，其顶端位置接触设置；第二谐振环圆心位于对称轴上，第二直线部中间位置设置有第二开口部；第二谐振环上方设置有与其结构相同且相对设置的第三谐振环；
还包括I型谐振结构，I型谐振结构包括上部的第一横向部、下部的第二横向部和连接第一横向部和第二横向部的竖向部；第二横向部设置在第二谐振环内，竖向部从第二开口部伸出，从第三谐振环的开口部伸入第三谐振环内；第一横向部设置在第三谐振环内。
进一步的，所述第一谐振环的第一弧形部、第二谐振环的第二弧形部、第三谐振环的弧形部的半径均相等。
进一步的，所述第一开口部的尺寸与第二开口部的尺寸不相同。
一种全耦合谐振环天线单元的二维切比雪夫网络馈电天线阵列，包括阵列天线介质基板，天线单元周期性阵列排布于阵列天线介质基板上；天线单元介质基板垂直设置于阵列天线介质基板表面；
阵列天线介质基板下方与其接触设置有金属地板；阵列天线介质基板上表面设置有二维切比雪夫馈电网络；二维切比雪夫馈电网络与第二单极子进行馈电。
进一步的，所述二维切比雪夫馈电网络包括M个一分N的切比雪夫功分微带网络；切比雪夫功分微带网络包括第一微带线，微带线上设置有N个第一切比雪夫功分贴片；第一切比雪夫功分贴片通过馈电枝节连接天线单元；M个第一微带线中心位置通过第二微带线连接；第二微带线和第一微带线构成M个交叉点，M个交叉点位置设置有第二切比雪夫功分贴片；M个交叉点中第M/2个交叉点，或第（M+1）/2个交叉点位置设置有同轴馈电；馈电枝节与天线单元一一对应，M和N的取值根据天线单元设置。
进一步的，所述第一切比雪夫功分贴片和第二切比雪夫功分贴片均为矩形结构贴片，从中间向两侧其宽度依次变大。
进一步的，所述阵列天线介质基板上预留凹槽，天线单元介质基板竖直插设在阵列天线介质基板上。
本发明的有益效果是：
（1）本发明的天线单元通过使用弧形单极子对谐振环耦合的方式，使得该天线输入阻抗可调，具有极好的调谐能力；
（2）本发明的天线单元使用谐振环结构实现高方向性，可在上方增加相同结构来提高方向性，再通过紧密的排列方式让各谐振环耦合达到小型化以及进一步提高方向性的目的；
（3）本发明天线单元中增加了I型谐振结构，与谐振环结合提高谐振结构间的耦合，提高其增益；
（4）本发明天线阵列包括天线单元和相应的馈电网络，馈电网络由二维切比雪夫功分微带网络组成，可以达到低副瓣的效果。
附图说明
图1为本发明天线单元主视图。
图2为本发明天线阵列的主视图。
图3为本发明天线阵列的俯视图。
图4为本发明天线阵列仿真得到的S参数曲线图。
图5为本发明天线阵列仿真得到的E面和H面方向图。
图中：1-第一单极子，2-第二单极子，3-第一谐振环，4-第二谐振环，5-第三谐振环，6-I型谐振结构，7-阵列天线介质基板，8-金属地板，9-切比雪夫馈电功分微带网络，10-馈电枝节，11-同轴馈电。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，一种全耦合谐振环天线单元，包括长方形结构的天线单元介质基板和设置在天线单元介质基板表面的辐射结构；辐射结构为轴对称结构，对称轴穿过天线单元介质基板表面下边界中心与下边界垂直；
辐射结构包括设置在天线单元介质基板下部的第一谐振环3，第一谐振环3包括圆环形的第一弧形部和连接第一弧形部两端的第一直线部；第一谐振环3圆心位于对称轴上，第一直线部中间位置设置有第一开口部；第一谐振环3外侧两边分别设置有关于对称轴对称的第一单极子1和第二单极子2；第一单极子1和第二单极子2为弧形结构，且其圆心位于对称轴上；并且第一单极子1和第二单极子2的圆心位于同一位置。
第一谐振环3上方设置有第二谐振环4，第二谐振环4包括圆环形的第二弧形部和连接第二弧形部两端的第二直线部；第二弧形部与第一弧形部背对设置，其顶端位置接触设置；第二谐振环4圆心位于对称轴上，第二直线部中间位置设置有第二开口部；第二谐振环4上方设置有与其结构相同且相对设置的第三谐振环5；
还包括I型谐振结构6，I型谐振结构包括上部的第一横向部、下部的第二横向部和连接第一横向部和第二横向部的竖向部；第二横向部设置在第二谐振环4内，竖向部从第二开口部伸出，从第三谐振环5的开口部伸入第三谐振环5内；第一横向部设置在第三谐振环5内。
第一谐振环3的第一弧形部、第二谐振环4的第二弧形部、第三谐振环5的弧形部的半径均相等。第一开口部的尺寸与第二开口部的尺寸不相同。第二谐振环4及第三谐振环5的开口尺寸相同，第一谐振环3与第二谐振环4的开口尺寸不同。
阵列天线介质基板7上预留凹槽，天线单元介质基板竖直插设在阵列天线介质基板7上。凹槽尺寸长宽与天线单元介质基板长宽一致，凹槽深度略低于阵列天线介质基板7厚度。
如图2和图3所示，一种全耦合谐振环天线单元的二维切比雪夫网络馈电阵列天线，包括阵列天线介质基板7，天线单元周期性阵列排布于阵列天线介质基板7上；天线单元介质基板垂直设置于阵列天线介质基板7表面；阵列天线介质基板7下方与其接触设置有金属地板8；阵列天线介质基板7上表面设置有二维切比雪夫馈电网络9；二维切比雪夫馈电网络9与第二单极子2进行馈电。
二维切比雪夫馈电网络包括M个一分N的切比雪夫功分微带网络9；切比雪夫功分微带网络9包括第一微带线，微带线上设置有N个第一切比雪夫功分贴片；第一切比雪夫功分贴片通过馈电枝节10连接天线单元；M个第一微带线中心位置通过第二微带线连接；第二微带线和第一微带线构成M个交叉点，M个交叉点位置设置有第二切比雪夫功分贴片；M个交叉点中第M/2个交叉点，或第（M+1）/2个交叉点位置设置有同轴馈电11；馈电枝节10与天线单元一一对应，M和N的取值根据天线单元设置。第一切比雪夫功分贴片和第二切比雪夫功分贴片均为矩形结构贴片，从中间向两侧其宽度依次变大。馈电枝节与天线单元中的第二单极子2连接。
相邻馈电枝节10间距可以相同也可以不同，第一切比雪夫功分贴片和第二切比雪夫功分贴片从中心往两侧枝节，切比雪夫功分微带网络9的微带（即第一微带线和第二微带线）采用高低阻抗传输线的方式，馈电枝节10从低阻抗枝节连接出，并与低阻抗枝节呈垂直关系。低阻抗枝节从中心往左右逐渐增大，呈现渐变结构。分配功分微带网络电流比从中心往左右逐渐减小，阻抗也逐渐减小，构成的不等分馈电网络。第一切比雪夫功分贴片和第二切比雪夫功分贴片从中心往左右枝节并不是对称结构，但不只局限于不对称结构，也可以是左右对称枝节。贴片宽度呈现高低阻抗的变化趋势，低阻抗枝节与一分N的切比雪夫功分微带网络垂直相连接，且低阻抗枝节从中心往上下其微带宽度逐渐增加，呈渐变结构，其阻抗从中心往上下枝节逐渐减小。中心往上下枝节并不是对称结构，但不只局限于不对称结构，也可以是上下对称枝节，更好的对天线单元进行馈电以及阻抗匹配。
采用50 Ω同轴馈电的方式向二维切比雪夫功分微带网络馈电，辐射结构采用镀金。天线单元介质基板采用Rogers RO4003 (tm)，介电常数约为3.55，基板厚度为1.524mm，大小为7mm×8mm。阵列天线介质基板采用Rogers RO4003 (tm)，介电常数约为3.55，基板厚度为1.524mm，大小为250mm×250mm。
本发明天线单元中第一谐振环3置于中间位置，由***被驱动的弧形单极子产生的磁场分量直接驱动，本实施例的天线是磁驱动的。单开口第一谐振环3离阵列天线介质基板7上界面0.3 mm。但开口的第二谐振环4和第三谐振环5置于第一谐振环3的上方且关于第二对称轴镜面对称，用于耦合增加增益。第一谐振环3、第二谐振环4和第二谐振环5半径以及宽度一致，和单开口第一谐振环3类似，但开口宽度可以相同也可以不同，用于解决由于结构过渡紧凑而带来的阻抗失配的问题。第一单极子1和第二单极子2分别位于第一谐振环3两侧，与阵列天线介质基板7相接，这样便于与功分微带网络连接进行馈电。通过调整第一单极子1和第二单极子2的长度、宽度改变天线的输入阻抗使得天线达到阻抗匹配的效果。I型谐振结构6放置在第二谐振环4和第三谐振环5内，与第二谐振环4和第三谐振环5耦合，进一步提高天线的增益。
本实施例中，采用的天线阵列介质基板大小为250 mm×250 mm，同轴位于天线阵列介质基板7中心，通过二维切比雪夫功分微带网络对天线进行馈电，天线阵列按天线单元13×14方式排布。天线单元辐射面包括三个开口圆环形谐振环、两个弧形结构单极子和I型谐振结构。通过天线单元辐射面中的两个弧形单极子中其中一个进行馈电，天线单元的辐射面朝向相同。
采用HFSS对上述天线阵列进行仿真，得到天线阵列的S参数如图4所示。从图中可以看出，10.1GHZ频段内|S_11|<-10dB。经过仿真天线的E、H面方向图如图5所示，在10.1GHZ时最大增益可达到23.06dBi，且最大旁瓣3.91dBi，旁瓣差>-19dB。
本发明通过弧形单极子对谐振环耦合的方式，使得该天线输入阻抗可调，具有极好的调谐能力。通过谐振环结构来实现高方向性，可在上方增加相同结构来提高方向性，再通过紧密的排列方式让各谐振环耦合来达到小型化以及进一步提高方向性的目的。天线阵列由天线单元以及相应的馈电网络组成，馈电网络由二维切比雪夫功分功分微带网络组成，以此达到低副瓣的效果。
Claims (7)
1.一种全耦合谐振环天线单元，其特征在于，包括长方形结构的天线单元介质基板和设置在天线单元介质基板表面的辐射结构；辐射结构为轴对称结构，对称轴穿过天线单元介质基板表面下边界中心与下边界垂直；
辐射结构包括设置在天线单元介质基板下部的第一谐振环（3），第一谐振环（3）包括圆环形的第一弧形部和连接第一弧形部两端的第一直线部；第一谐振环（3）圆心位于对称轴上，第一直线部中间位置设置有第一开口部；第一谐振环（3）外侧两边分别设置有关于对称轴对称的第一单极子（1）和第二单极子（2）；第一单极子（1）和第二单极子（2）为弧形结构，且其圆心位于对称轴上；
第一谐振环（3）上方设置有第二谐振环（4），第二谐振环（4）包括圆环形的第二弧形部和连接第二弧形部两端的第二直线部；第二弧形部与第一弧形部背对设置，其顶端位置接触设置；第二谐振环（4）圆心位于对称轴上，第二直线部中间位置设置有第二开口部；第二谐振环（4）上方设置有与其结构相同且相对设置的第三谐振环（5）；
还包括I型谐振结构（6），I型谐振结构包括上部的第一横向部、下部的第二横向部和连接第一横向部和第二横向部的竖向部；第二横向部设置在第二谐振环（4）内，竖向部从第二开口部伸出，从第三谐振环（5）的开口部伸入第三谐振环（5）内；第一横向部设置在第三谐振环（5）内。
2.根据权利要求1所述的一种全耦合谐振环天线单元，其特征在于，所述第一谐振环（3）的第一弧形部、第二谐振环（4）的第二弧形部、第三谐振环（5）的弧形部的半径均相等。
3.根据权利要求1所述的一种全耦合谐振环天线单元，其特征在于，所述第一开口部的尺寸与第二开口部的尺寸不相同。
4.采用如权利要求1～3所述任一种全耦合谐振环天线单元的二维切比雪夫网络馈电阵列天线，其特征在于，包括阵列天线介质基板（7），天线单元周期性阵列排布于阵列天线介质基板（7）上；天线单元介质基板垂直设置于阵列天线介质基板（7）表面；
阵列天线介质基板（7）下方与其接触设置有金属地板（8）；阵列天线介质基板（7）上表面设置有二维切比雪夫馈电网络（9）；二维切比雪夫馈电网络（9）与第二单极子（2）连接进行馈电。
5.根据权利要求4所述的一种二维切比雪夫网络馈电阵列天线，其特征在于，所述二维切比雪夫馈电网络包括M个一分N的切比雪夫功分微带网络（9）；切比雪夫功分微带网络（9）包括第一微带线，微带线上设置有N个第一切比雪夫功分贴片；第一切比雪夫功分贴片通过馈电枝节（10）连接天线单元；M个第一微带线中心位置通过第二微带线连接；第二微带线和第一微带线构成M个交叉点，M个交叉点位置设置有第二切比雪夫功分贴片；M个交叉点中第M/2个交叉点，或第（M+1）/2个交叉点位置设置有同轴馈电（11）；馈电枝节（10）与天线单元一一对应，M和N的取值根据天线单元设置。
6.根据权利要求5所述的一种二维切比雪夫网络馈电阵列天线，其特征在于，所述第一切比雪夫功分贴片和第二切比雪夫功分贴片均为矩形结构贴片，从中间向两侧其宽度依次变大。
7.根据权利要求4所述的一种二维切比雪夫网络馈电阵列天线，其特征在于，所述阵列天线介质基板（7）上预留凹槽，天线单元介质基板竖直插设在阵列天线介质基板（7）上。
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