CN209948058U - 基于高阶奇次模谐振的大间距低栅瓣电大微带阵列天线 - Google Patents
基于高阶奇次模谐振的大间距低栅瓣电大微带阵列天线 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于高阶奇次模谐振的大间距低栅瓣电大微带阵列天线，包括：由上至下层叠设置的辐射单元阵列、上层介质基板、下层金属地板、下层介质基板和馈电网络，馈电网络的输入端作为天线输入端，馈电网络的输出端连接于辐射单元阵列，辐射单元阵列通过金属探针与馈电网络连接，高阶奇次模为TM30/TM03模，所述的辐射单元阵列包括8个等间距横向排列的正方形贴片天线单元，与所述正方形贴片天线单元的边长为1.08倍工作频段中心频率波长且相邻正方形贴片天线单元的间距为1.8倍工作频段中心频率波长。本实用新型能够有效避免高阶奇次模旁瓣以及大阵元间距对阵列天线方向特性的影响，使具有大旁瓣的高阶奇次模能够正常运用于阵列天线设计。
Description
技术领域
本实用新型属于天线技术领域，具体涉及一种基于高阶奇次模谐振的大间距低栅瓣电大微带阵列天线。
背景技术
作为无线通信***之间信息传递的重要组成部分，微带天线因其体积小、剖面低等优点得到广泛应用。随着5G时代的到来，低频段频谱资源日益紧张，微带天线向高频毫米波、亚毫米波发展已成为必然趋势。由于天线的尺寸为谐振频率波长的一半，所以随着天线工作频率的增加，微带天线的尺寸将逐渐减小，这将对天线的加工和应用带来一定的问题。一方面，由于天线尺寸过小，这将对加工工艺提出较高的要求。另一方面，天线尺寸过小将难以满足一些设备固定安装的要求。为了解决这些因天线尺寸过小所导致的问题，就需要突破天线的尺寸为二分之一谐振频率波长这一限制条件，设计具有电大尺寸特性的微带天线。也就是说，在相同谐振频率下，电大天线的尺寸要大于传统天线的尺寸。
传统方形贴片天线的谐振模式为TM10/TM01模，然而对于TMn0/TM0n(n＝3,5,7…)等高阶奇次模，不但拥有较高的增益，同时具有和TM10/TM01模相似的法相辐射特性。更重要的是，在相同尺寸下，TMn0/TM0n模的工作频率是TM10/TM01模的n倍左右，这很有利于电大尺寸天线的实现。但是，由于TMn0/TM0n模具有很大的旁瓣，这使得高阶模很难应用于天线设计。与此同时，面对当前复杂的通信环境，设计具有高增益特性的阵列天线也是现实需要。很显然，将高阶奇次模运用于阵列天线设计将具有一定的现实意义，这可以在一定程度上减小天线对加工工艺的要求、方便天线在设备上的固定安装，同时解决了高阶奇次模的实际应用问题。
实用新型内容
本实用新型提供一种基于高阶奇次模谐振的大间距低栅瓣电大微带阵列天线。本实用新型能够将高阶奇次模正常应用于阵列天线设计，在不加载任何结构的前提下，有效避免了高阶奇次模旁瓣以及大阵元间距对阵列天线方向特性的影响。
本实用新型采取的技术方案是：
一种基于高阶奇次模谐振的大间距低栅瓣电大微带阵列天线，包括：由上至下层叠设置的辐射单元阵列、上层介质基板、下层金属地板、下层介质基板和馈电网络，所述馈电网络的输入端作为天线输入端，馈电网络的输出端连接于辐射单元阵列，所述辐射单元阵列通过金属探针与馈电网络连接，所述高阶奇次模为TM30/TM03模，所述的辐射单元阵列包括8个等间距横向排列的正方形贴片天线单元，与所述正方形贴片天线单元的边长为1.08倍工作频段中心频率波长且相邻正方形贴片天线单元的间距为1.8倍工作频段中心频率波长。
本实用新型的有益效果是：
本实用新型能够实现将高阶奇次模正常应用于阵列天线，有效避免了高阶奇次模旁瓣以及大阵元间距对阵列天线方向特性的影响。由于高阶奇次模具有较大的旁瓣(参照图7a)，这将使得高阶奇次模很难被正常应用，本实用新型通过将八个边长为1.08倍工作频段中心频率波长的天线单元按照特定的间距进行排列，使具有大旁瓣的高阶奇次模能够正常应用于阵列天线设计而不需要加载任何结构；利用高阶奇次模单元方向图的null区域与阵因子栅瓣叠加，降低了阵列天线方向图的栅瓣(参照图7b)，具体来说，本实用新型所述辐射单元阵列是由8个具有电大尺寸特性的正方形贴片天线单元等间距水平排布组成，所述正方形贴片天线单元尺寸为1.08倍工作频段中心频率波长，所述辐射单元阵列的阵元间距为1.8倍工作频段中心频率波长，所述高阶奇次模为TM30/TM03模。由于基于高阶奇次模的天线单元具有电大特性，所以，本实用新型实现了在同等工作频率下扩大阵列天线尺寸的目的，降低了高频毫米波天线对加工工艺的要求。与此同时，本实用新型在单元间距为1.8倍工作频段中心频率波长的条件下，利用高阶奇次模方向图的null区域，很好的降低了高阶奇次模的旁瓣以及大阵元间距对阵列天线方向特性的影响。
附图说明
图1是本实施例中基于高阶奇次模谐振的大间距低栅瓣电大微带阵列天线基板分层结构示意图。
图2是本实施例中基于高阶奇次模谐振的大间距低栅瓣电大微带阵列天线整体分层结构示意图。
图3是本实施例中基于高阶奇次模谐振的大间距低栅瓣电大微带阵列天线辐射单元阵列和上层介质基板结构示意图。
图4a是本实施例中基于高阶奇次模谐振的大间距低栅瓣电大微带阵列天线下层金属地板结构示意图。
图4b是本实施例中基于高阶奇次模谐振的大间距低栅瓣电大微带阵列天线下层金属地板局部结构示意图。
图5a是本实施例中基于高阶奇次模谐振的大间距低栅瓣电大微带阵列天线馈电网络结构示意图。
图5b.本实施例中基于高阶奇次模谐振的大间距低栅瓣电大微带阵列天线1:1一分二路微带功分器结构示意图。
图5c是本实施例中基于高阶奇次模谐振的大间距低栅瓣电大微带阵列天线第二种1:1一分二路微带功分器结构示意图。
图5d是本实施例中基于高阶奇次模谐振的大间距低栅瓣电大微带阵列天线第三种1:1一分二路微带功分器结构示意图。
图5e是本实施例中基于高阶奇次模谐振的大间距低栅瓣电大微带阵列天线输出端口结构示意图。
图6是本实施例中基于高阶奇次模谐振的大间距低栅瓣电大微带阵列天线回波损耗曲线图。
图7a是本实施例中基于高阶奇次模谐振的大间距低栅瓣电大微带阵列天线高阶奇次模E面方向图。
图7b是本实施例中基于高阶奇次模谐振的大间距低栅瓣电大微带阵列天线存在大栅瓣的归一化辐射方向图。
图7c是本实施例中基于高阶奇次模谐振的大间距低栅瓣电大微带阵列天线消除大栅瓣后的18.5GHz处的归一化辐射方向图。
具体实施方式
一种基于高阶奇次模谐振的大间距低栅瓣电大微带阵列天线，包括：由上至下层叠设置的辐射单元阵列1、上层介质基板2、下层金属地板3、下层介质基板4和馈电网络5，所述馈电网络5的输入端作为天线输入端，馈电网络5的输出端连接于辐射单元阵列1，所述辐射单元阵列1通过金属探针p与馈电网络5连接，所述高阶奇次模为TM30/TM03模，所述的辐射单元阵列1包括8个等间距横向排列的正方形贴片天线单元11，与所述正方形贴片天线单元11的边长为1.08倍工作频段中心频率波长且相邻正方形贴片天线单元的间距d为1.8倍工作频段中心频率波长，所述工作频段为18.3GHz—18.7GHz，在所述下层金属地板3上开设有圆形槽，以使金属探针p无接触通过下层金属地板3；
所述馈电网络5包括一个第一级一分二路微带功分器51且第一级一分二路微带功分器51的输入端I作为所述馈电网络5的输入端，在第一级一分二路微带功分器51的输出端上分别连接有第二级一分二路微带功分器52，在第二级一分二路微带功分器52的各输出端上分别连接有第三级一分二路微带功分器53，所述第三级一分二路微带功分器53的8个输出端O作为馈电网络5的输出端分别与8个正方形贴片天线单元11连接；
各第三级一分二路微带功分器53的输出端O横向偏离所在正方形贴片中心2mm；
在第三级一分二路微带功分器53的输出端O呈圆形54并连接有金属探针，所述金属探针贯穿所述下层介质基板4、所述下层金属地板3和所述上层介质基板2并对所述辐射单元阵列1进行馈电。
下面结合附图，对本实用新型的具体实施例进行更为详细说明：
结合图1、图2，一种基于高阶奇次模谐振的大间距低栅瓣电大微带阵列天线，包括由上至下层叠设置的辐射单元阵列1、上层介质基板2、下层金属地板3、下层介质基板4和馈电网络5，所述馈电网络5的输入端作为天线输入端，馈电网络5的输出端连接于辐射单元阵列1，所述辐射单元阵列1和馈电网络5之间设有贯穿所述上层介金属地板2、下层金属地板3和下层介质基板4的金属探针p；
进一步的，结合图3，所述的辐射单元阵列1包括8个等间距横向排列的具有电大尺寸特性的正方形贴片天线单元，所述正方形贴片天线单元的边长为1.08倍工作频段中心频率波长且相邻正方形贴片天线单元等间距d为1.8倍工作频段中心频率波长，所述高阶奇次模为TM30/TM03模。
进一步的，结合图4a和图4b，所述下层金属地板3上刻有8个容纳探针的圆形槽。
进一步的，结合图5a、图5b、图5c、图5d和图5e，所述馈电网络5包括一个第一级一分二路微带功分器51且第一级一分二路微带功分器51的输入端I作为所述不等功率分配网络5的输入端，在第一级一分二路微带功分器51的输出端上分别连接有第二级一分二路微带功分器52，在第二级一分二路微带功分器52的各输出端上分别连接有第三级一分二路微带功分器53，所述第三级一分二路微带功分器53的8个输出端O作为不等功率分配网络5的输出端分别与8个正方形贴片天线单元11连接。
本实施例下，阵列天线能量由所述馈电网络5输入，对所述辐射单元阵列1进行激励，使得所述辐射阵列单元1中的正方形天线单元都工作在高阶奇次模式下，此时所述正方形天线单元的尺寸为1.08倍工作频段中心频率波长，所述辐射阵列单元1的阵元间距为1.8倍工作频段中心频率波长，所述高阶奇次模为TM30/TM03模。由于所述正方形天线单元的E面方向图存在两个null区域，本实用新型利用所述单元方向图null区域与阵因子栅瓣叠加，这使得本实用新型的方向图不会出现严重的栅瓣。
结合图6、图7a和图7b，本实用新型的工作频率范围为18.3GHz到18.7GHz，在所述方形贴片单元等间距排布、阵元间距为1.8倍工作频段中心频率波长的前提下，整个工作带宽内栅瓣小于-15dB。不但有效扩大高频毫米波阵列天线的尺寸，减小了对加工工艺的要求，同时有效避免高阶奇次模旁瓣以及大阵元间距对阵列天线方向特性的影响，使具有大旁瓣的高阶奇次模能够正常运用于阵列天线设计。
Claims (5)
1.一种基于高阶奇次模谐振的大间距低栅瓣电大微带阵列天线，包括：由上至下层叠设置的辐射单元阵列(1)、上层介质基板(2)、下层金属地板(3)、下层介质基板(4)和馈电网络(5)，所述馈电网络(5)的输入端作为天线输入端，馈电网络(5)的输出端连接于辐射单元阵列(1)，所述辐射单元阵列(1)通过金属探针(p)与馈电网络(5)连接，其特征在于，所述高阶奇次模为TM30/TM03模，所述的辐射单元阵列(1)包括8个等间距横向排列的正方形贴片天线单元(11)，与所述正方形贴片天线单元(11)的边长为1.08倍工作频段中心频率波长且相邻正方形贴片天线单元的间距(d)为1.8倍工作频段中心频率波长。
2.根据权利要求1所述的基于高阶奇次模谐振的大间距低栅瓣电大微带阵列天线，其特征在于，在所述下层金属地板(3)上开设有圆形槽，以使金属探针(p)无接触通过下层金属地板(3)。
3.根据权利要求2所述的基于高阶奇次模谐振的大间距低栅瓣电大微带阵列天线，其特征在于，所述馈电网络(5)包括一个第一级一分二路微带功分器(51)且第一级一分二路微带功分器(51)的输入端(I)作为所述馈电网络(5)的输入端，在第一级一分二路微带功分器(51)的输出端上分别连接有第二级一分二路微带功分器(52)，在第二级一分二路微带功分器(52)的各输出端上分别连接有第三级一分二路微带功分器(53)，所述第三级一分二路微带功分器(53)的8个输出端(O)作为馈电网络(5)的输出端分别与8个正方形贴片天线单元(11)连接。
4.根据权利要求3所述的基于高阶奇次模谐振的大间距低栅瓣电大微带阵列天线，其特征在于，各第三级一分二路微带功分器(53)的输出端(O)横向偏离所在正方形贴片中心2mm。
5.根据权利要求4所述的基于高阶奇次模谐振的大间距低栅瓣电大微带阵列天线，其特征在于，第三级一分二路微带功分器(53)的输出端(O)呈圆形(54)并与所述金属探针(p)连接，所述金属探针(p)贯穿所述下层介质基板(4)、所述下层金属地板(3)和所述上层介质基板(2)并对所述辐射单元阵列(1)进行馈电。
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