CN203607543U - 阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种阵列天线，包括：至少两个辐射单元；反射板，设置于至少两个辐射单元的一侧并反射电磁波；功能板，设置在至少两个辐射单元的另一侧并与反射板相对设置，功能板具有导电几何结构，导电几何结构配置为使得功能板的介电常数呈各向异性。本实用新型的技术方案有效地解决了现有技术中工作频率的带宽增加而导致阻抗失配的问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及通讯技术领域，具体而言，涉及一种阵列天线。
背景技术
阵列天线是一类由不少于两个天线单元规则或随即排列组成的天线***。当阵列天线的一个天线单元单独使用时，其工作频率的带宽调节比较容易，即天线单元具有较宽的带宽。当两个以上的天线单元组成阵列天线时，由于混合效应，导致组阵后的阵列天线的工作频段带宽窄，而增加上述阵列天线的带宽时会导致阵列天线的阻抗失配。
在现有技术中，会通过在阵列天线中***电磁禁带结构来降低耦合，但上述方案仅适合带宽窄的阵列天线，而不适用于带宽较宽的阵列天线。
针对上述工作频率的带宽增加而导致阻抗失配的问题，目前尚未提出有效地解决方案。
实用新型内容
本实用新型旨在提供一种阵列天线，以解决现有技术中工作频率的带宽增加而导致阻抗失配的问题。
为了实现上述目的，本实用新型提供了一种阵列天线，包括：至少两个辐射单元；反射板，设置于至少两个辐射单元的一侧并反射电磁波；功能板，设置在至少两个辐射单元的另一侧并与反射板相对设置，功能板具有导电几何结构，导电几何结构配置为使得功能板的介电常数呈各向异性。
进一步地，功能板包括多个功能板单元，各功能板单元均包括介质基板和置于该介质基板上的相应的导电几何结构。
进一步地，每个功能板单元的导电几何结构的大小和结构相同。
进一步地，多个功能板单元中至少两个功能板单元的导电几何结构的大小和结构不相同。
进一步地，介质基板包括远离至少两个辐射单元的第一表面和朝向至少两个辐射单元的第二表面，导电几何结构位于介质基板的第一表面和/或第二表面上。
进一步地，多个功能板单元的导电几何结构在第一表面和/或第二表面上以阵列方式排布。
进一步地，在介质基板的第一表面和第二表面均设有导电几何结构，其中位于第一表面的导电几何结构与位于第二表面的导电几何结构一一对应设置。
进一步地，每个辐射单元对应多个功能板单元。
进一步地，每个功能板单元和每一个辐射单元之间的距离相等。
进一步地，功能板为多层。
进一步地，导电几何结构为三角形、四边形、五边形、六边形、圆形、椭圆形或者由直线或者曲线形成的十字型、一字型或雪花型。
进一步地，功能板的介电常数包括沿功能板X方向的X方向介电常数、沿功能板Y方向的Y方向介电常数和沿功能板Z方向的Z方向介电常数，X方向介电常数等于Y方向介电常数，并且X方向介电常数不等于Z方向介电常数，其中，X方向、Y方向和Z方向之间两两垂直，功能板平行于X方向和Y方向所形成的平面。
进一步地，介质基板为复合材料或陶瓷材料。
进一步地，复合材料为热固性材料或者热塑性材料。
进一步地，复合材料为包含纤维、泡沫和/或蜂窝的一层结构材料或者多层结构材料。
进一步地，该复合材料含有增强材料，该增强材料为纤维、织物、粒子中的至少一种。
应用本实用新型的技术方案，阵列天线包括至少两个辐射单元、反射板和功能板。其中，反射板设置于至少两个辐射单元的一侧并起到反射电磁波和固定支撑辐射单元作用，功能板设置在至少两个辐射单元的与反射板相对地另一侧并位于至少两个辐射单元的辐射正前方一侧，功能板具有导电几何结构，导电几何结构配置为使得功能板的介电常数呈各向异性。由于在辐射单元的一侧设置功能板，功能板具有导电几何结构且导电几何结构配置为使得功能板的介电常数呈各向异性，这样就可以调节辐射单元辐射的近场分布，从而调节辐射单元与辐射单元之间的互耦效应，最终改变口径场的幅相分布。在阵列天线开始发射或接收时，功能板的导电几何结构对电磁波响应。当不同的工作频率下，导电几何结构对电磁波响应不同。本实用新型的阵列天线的导电几何结构可以等效为电容电感的LC射频电路，从而对电磁波相位进行很好的调制，可以减小因为工作频率的带宽增加而导致的阻抗失配，从而达到宽频阻抗匹配的效果。另外由于目前的许多阵列天线采用双极化的工作方式，但是由于馈电***不能完全满足理想的等幅同相设计，所以存在极化差异性的问题，功能板的各向异性效果更能针对性进行不同极化工作下的阻抗匹配。本实用新型的阵列天线实现了在较宽的工作频率中，阵列天线各工作频点阻抗匹配，改善驻波，从而提高增益。本实用新型的阵列天线在宽带基础上提高增益，扩展阵列天线探测空域范围，提升矩阵天线电性能。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本实用新型的阵列天线的实施例的立体结构示意图；
图2示出了图1的阵列天线的主视示意图；
图3示出了图1的阵列天线的功能板的部分结构示意图；
图4示出了图3功能板的功能板单元的俯视结构示意图；
图5示出了图4的功能板单元的侧视结构示意图；以及
图6示出了图1的阵列天线与现有技术的阵列天线的驻波的对比图。
上述附图包括以下附图标记：
1、辐射单元；2、功能板；10、介质基板；20、导电几何结构。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
如图1至图4所示，本实施例的阵列天线包括：至少两个辐射单元1、反射板（图中未示出）和功能板2。其中，反射板设置于至少两个辐射单元1的一侧并反射电磁波，反射板用于支撑辐射单元1，并消除工作频段高频盲点。功能板2设置在至少两个辐射单元1的与反射板相对地另一侧，功能板2具有导电几何结构20，导电几何结构配置为使得功能板2的介电常数呈各向异性。上述导电几何结构可以根据需要设计成特定形状，比如根据需要按照对应波端口周期或者矩形周期排布。
介电常数各向异性的定位如下：
功能板2的介电常数包括沿功能板X方向的X方向介电常数、沿功能板Y方向的Y方向介电常数和沿功能板Z方向的Z方向介电常数，其中，X方向、Y方向和Z方向之间两两垂直，功能板平行于X方向和Y方向所形成的平面。介电常数各向异性是指X方向介电常数、Y方向介电常数和Z方向介电常数这三个数值之间中至少有一个不同于其他数值。如果三个数值均相同则成为各向同性。各向异性的情况包括以下几种情况：
1）X方向介电常数等于Y方向介电常数，并且X方向介电常数不等于Z方向介电常数；
2）X方向介电常数等于Z方向介电常数，并且X方向介电常数不等于Y方向介电常数；
3）Y方向介电常数等于Z方向介电常数，并且Y方向介电常数不等于X方向介电常数；
4）X方向介电常数、Y方向介电常数和Z方向介电常数均不相等。
在本实施例中，功能板的X方向介电常数不等于Y方向介电常数，并且X方向介电常数不等于Z方向介电常数。属于上述的第4）种情况。原因在于双极化的工作条件下，电场方向垂直于传播方向，并且电场X与Y方向的幅度相位不同，所以需针对不同的电场，采用X方向、Y方向和Z方向的介电常数均不相等的各向异性功能板。
应用本实施例的技术方案，阵列天线包括至少两个辐射单元1、反射板和功能板2。其中，反射板设置于至少两个辐射单元1的一侧并起到反射电磁波和固定支撑辐射单元1作用，功能板2设置在至少两个辐射单元1的与反射板相对地另一侧并位于至少两个辐射单元1的辐射正前方一侧，功能板2具有导电几何结构20，导电几何结构配置为使得功能板2的介电常数呈各向异性。由于在辐射单元1的一侧设置功能板2，功能板2具有导电几何结构20且导电几何结构配置为使得功能板2的介电常数呈各向异性，这样就可以调节辐射单元1辐射的近场分布，从而调节辐射单元1与辐射单元1之间的互耦效应，最终改变口径场的幅相分布。在阵列天线开始发射或接收时，功能板2的导电几何结构20对电磁波响应。当不同的工作频率下，导电几何结构20对电磁波响应不同。本实施例的阵列天线的导电几何结构20可以等效为电容电感的LC射频电路，从而对电磁波相位进行很好的调制，可以减小因为工作频率的带宽增加而导致的阻抗失配，从而达到宽频阻抗匹配的效果。另外由于目前的许多阵列天线采用双极化的工作方式，但是由于馈电***不能完全满足理想的等幅同相设计，所以存在极化差异性的问题，功能板2的各向异性效果更能针对性进行不同极化工作下的阻抗匹配。本实施例的阵列天线实现了在较宽的工作频率中，阵列天线各工作频点阻抗匹配，改善驻波，从而提高增益。本实施例的阵列天线在宽带基础上提高增益，扩展阵列天线探测空域范围，提升矩阵天线电性能。
参考图3，本实用新型的优选实施例的阵列天线的功能板2包括多个功能板单元，各功能板单元均包括介质基板10和置于该介质基板10上的相应的导电几何结构20。
在本实用新型的一些优选实施例中，功能板2为超材料板。超材料（Metamaterial）是一种人工合成材料，一般由非金属材料制成的介质基板和附着在介质基板表面上或嵌入在介质基板内部的一个或者多个人造微结构单元构成。人造微结构单元的结构包括规则的导电几何结构，导电几何结构一般可由金属丝或其它导电材料制成的丝线组成或者由导电片组成，具有一定几何图形的平面或立体结构，导电几何结构可以为三角形、四边形、五边形、六边形、圆形、椭圆形或者由直线或者曲线形成的十字型、一字型或雪花型。
以下将结合附图对本实用新型的实施例进行详细的描述。
需要说明的是，图3中的导电几何结构本身的结构及导电几何结构的排布均是示意性的，并不代表真实的结构和排布（例如导电几何结构的大小和数量均是示意性的）。如图3所示，在本实施例中，每个功能板单元的导电几何结构20的大小和结构相同。
如图5所示，在本实施例中，介质基板10包括远离至少两个辐射单元1的第一表面和朝向至少两个辐射单元1的第二表面，导电几何结构20位于介质基板10的第一表面和第二表面上。其中位于第一表面的导电几何结构与位于第二表面的导电几何结构一一对应设置。
如图3所示，在本实施例中，多个功能板单元的导电几何结构20在第一表面和第二表面上以规则阵列方式排布。同时，每个功能板单元和每一个辐射单元1之间的距离相等。
如图3所示，每个辐射单元1对应多个功能板单元。在本实施例中，功能板2为两层，两层功能板叠置设置，两层功能板2的结构相同。具体地，每个辐射单元1对应多少数量的功能板单元以及功能板2的层数根据需要进行设定，功能板单元的数量会影响到电场磁场分布，进而能够实现对电磁波的调节。
具体地，在本实施例中，采用5*5的阵列天线（即每排五个辐射单元1，共五排）。每个功能板单元的介质基板10的厚度为0.7mm，导电几何结构的形状为矩形，导电几何结构的尺寸为：长1mm，宽0.6mm，厚0.018mm。功能板的X方向介电常数为3.2，Y方向介电常数为3.8，功能板的Z方向的介电常数为3。
图6示出了现有技术的阵列天线与图1的阵列天线的驻波的对比图。图中横轴为天线的工作频率，纵轴为S11参数。其中阵列天线的工作频率的单位为GHz，S11参数的单位为dB。在图6中，曲线A为现有技术的阵列天线的驻波，现有技术的阵列天线也采用5*5的阵列天线，现有技术的阵列天线与本实施例的相应的结构相同，参数也相同，现有技术的阵列天线没有功能板（也称为裸阵），曲线B为本实施例的阵列天线的驻波。从图中可以看出当阵列天线的电磁波辐射到上述实施例中的阵列天线时的S11参数仿真结果。从图6中可以看出，本实施例的阵列天线有效地改善驻波。
表1为现有技术的阵列天线与图1的阵列天线的增益对比表。由表1分析可知，现有技术的阵列天线的工作频率为KU波段：12.25～14.5GHz，本实施例的阵列天线拓宽有效频段后为：11.7GHz～15.8GHz，所谓工作频率是指实际工作中频段需求。
表1
优选地，介质基板10为绝缘材料制成，可以为复合材料或陶瓷材料。优选地，上述复合材料为热固性材料或者热塑性材料。优选地，上述复合材料为包含纤维、泡沫和/或蜂窝的一层结构材料或者多层结构材料。
进一步优选地，该复合材料含有增强材料，该增强材料为纤维、织物、粒子中的至少一种。
在图中未示出的实施方式中，多个功能板单元中至少两个功能板单元的导电几何结构的大小和结构不相同。甚至，根据需要，每个功能板单元的导电几何结构的大小和结构均不相同。
在图中未示出的实施方式中，介质基板10包括远离至少两个辐射单元1的第一表面和朝向至少两个辐射单元1的第二表面，导电几何结构20仅位于介质基板10的第一表面上或导电几何结构20仅位于第二表面上。此时，优选地，多个功能板单元的导电几何结构20在第一表面或第二表面上以阵列方式排布。此外，功能板并不限于上述实施例中的两层，功能板也可以为一层或者为三层以上。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (16)
1.一种阵列天线，包括：
至少两个辐射单元（1）；
反射板，设置于所述至少两个辐射单元（1）的一侧并反射电磁波；
功能板（2），设置在所述至少两个辐射单元（1）的另一侧并与所述反射板相对设置，所述功能板（2）具有导电几何结构（20），
其特征在于，所述导电几何结构（20）配置为使得所述功能板（2）的介电常数呈各向异性。
2.根据权利要求1所述的阵列天线，其特征在于，所述功能板（2）包括多个功能板单元，各所述功能板单元均包括介质基板（10）和置于该介质基板（10）上的相应的所述导电几何结构（20）。
3.根据权利要求2所述的阵列天线，其特征在于，每个所述功能板单元的所述导电几何结构（20）的大小和结构相同。
4.根据权利要求2所述的阵列天线，其特征在于，所述多个功能板单元中至少两个所述功能板单元的所述导电几何结构（20）的大小和结构不相同。
5.根据权利要求2所述的阵列天线，其特征在于，所述介质基板（10）包括远离所述至少两个辐射单元（1）的第一表面和朝向所述至少两个辐射单元（1）的第二表面，所述导电几何结构（20）位于所述介质基板（10）的所述第一表面和/或所述第二表面上。
6.根据权利要求5所述的阵列天线，其特征在于，多个功能板单元的导电几何结构（20）在所述第一表面和/或所述第二表面上以阵列方式排布。
7.根据权利要求5所述的阵列天线，其特征在于，在所述介质基板的所述第一表面和所述第二表面均设有所述导电几何结构，其中位于所述第一表面的导电几何结构与位于所述第二表面的导电几何结构一一对应设置。
8.根据权利要求2所述的阵列天线，其特征在于，每个所述辐射单元（1）对应多个所述功能板单元。
9.根据权利要求2所述的阵列天线，其特征在于，每个所述功能板单元和每一个所述辐射单元（1）之间的距离相等。
10.根据权利要求1所述的阵列天线，其特征在于，所述功能板（2）为多层。
11.根据权利要求1所述的阵列天线，其特征在于，所述导电几何结构为三角形、四边形、五边形、六边形、圆形、椭圆形或者由直线或者曲线形成的十字型、一字型或雪花型。
12.根据权利要求1所述的阵列天线，其特征在于，所述功能板（2）的介电常数包括沿所述功能板X方向的X方向介电常数、沿所述功能板Y方向的Y方向介电常数和沿所述功能板Z方向的Z方向介电常数，所述X方向介电常数、Y方向介电常数和所述Z方向介电常数均不相等，其中，所述X方向、所述Y方向和所述Z方向之间两两垂直，所述功能板（2）平行于所述X方向和所述Y方向所形成的平面。
13.根据权利要求2所述的阵列天线，其特征在于，所述介质基板（10）为复合材料或陶瓷材料。
14.根据权利要求13所述的阵列天线，其特征在于，所述复合材料为热固性材料或者热塑性材料。
15.根据权利要求13所述的阵列天线，其特征在于，所述复合材料为包含纤维、泡沫和/或蜂窝的一层结构材料或者多层结构材料。
16.根据权利要求13至15任一项所述的阵列天线，其特征在于，该复合材料含有增强材料，该增强材料为纤维、织物、粒子中的至少一种。
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