基于锥形探针馈电的双极化紧耦合平面模块化相控阵天线

1.本发明属于天线技术领域，具体涉及一种基于锥形探针馈电的双极化紧耦合平面模块化相控阵天线。


背景技术：

2.由于sub-6ghz相控阵具有出色的辐射性能、远距离通信能力、经济实惠以及实现全数字架构的潜力，因此它们在无线通信系统中受到广泛关注和青睐。然而，随着5g通信技术的不断发展，一些应用而生的新兴频段(例如700mhz、900mhz和2.6ghz等频段)导致了电磁频谱变得高度碎片化，使得无线通信平台需要为每个频段配备单独的天线系统，这不仅会极大增加系统成本、复杂性和物理空间，而且会导致无线通信平台冗余和效率低下。因此，能够覆盖多个频段的超宽带(uwb)天线阵列成为未来5g天线系统的通用选择。此外，为了增加频谱使用效率和提高系统集成度，通信系统除了要求天线具有超宽带、双极化和宽角扫描等特性外，天线具有低剖面、低复杂度和平面模块化架构也已成为工程应用中的迫切需求。然而，在较低频段(如uhf频段)下同时实现天线阵列的超宽带和平面结构特性仍然面临显著技术挑战。本发明正是针对以上挑战而提出。
3.近年来，超宽带相控阵发展迅速，最引人关注的超宽带技术之一是基于wheeler电流片理论发展而来的紧耦合偶极子阵列(tcdas)，其类型大致可分为垂直集成和平面集成两种。对于垂直集成的tcdas，通常需要复杂的具有宽带特性的馈电网络，这种馈电网络笨重且损耗较大，尤其当工作频率较低时，庞大的体积使其难以在有限的体积内集成。更重要的是，为了消除带内共模谐振，此类tcdas往往会采用电阻卡、铁氧体或金属墙，这些额外的措施不仅会影响阵列的增益，而且也会进一步增加天线系统的复杂性。而对于平面集成的tcdas而言，尽管可以利用印刷电路板(pcb)制造技术来实现紧凑的平面超宽带阵列，但遗憾的是目前平面集成的tcdas大多工作在较高的频率(》1ghz)，而且都采用多层介质堆叠的结构，当其工作频率拓展到uhf频率时，较厚的介质势必会给加工带来巨大挑战和大大增加天线的复杂性和重量。此外，为了消除频段内的共模谐振，平面集成的tcdas通常会在天线臂上放置密集的短接柱，很显然这种操作难以应用到uhf频率。
4.综上，开发工作在较低频段(如uhf频段)的双极化超宽带平面模块化相控阵已成为亟待解决的技术难题，尤其是开发包含新频段的sub-6ghz5g双极化超宽带平面模块化相控阵显得尤为迫切。本发明正是为了解决这些关键问题而提出。


技术实现要素：

5.技术问题：本发明目的在于提供一种基于锥形探针馈电的双极化紧耦合平面模块化相控阵天线，这种配置不仅避免了将平面相控阵的工作频率拓展到较低频率时所需的厚介质层和加工时面临的技术挑战，而且大大减轻了天线的复杂度、重量和成本。
6.技术方案：本发明的一种基于锥形探针馈电的双极化紧耦合平面模块化相控阵天线具体如下：
7.该天线从上到下依次设有包括介质匹配层、介质基板、金属反射地板：其中，在介质基板的上表面设有十字形金属贴片，在介质基板的下表面设有蝶形偶极子单元；在金属反射地板的下面设有sma连接器，在介质基板与金属反射地板之间分别设有两个接地锥形探针和馈电锥形探针。
8.所述介质匹配层为设有矩阵排列盲孔的介质层，采用3d打印技术打印而成。
9.所述十字形金属贴片的四条金属贴片与蝶形偶极子单元的四个臂共圆心，相互错开45度。
10.所述蝶形偶极子单元水平放置在介质基板下表面，所述蝶形偶极子单元的四个臂共面且相互正交，且其末端相互正交处之间保持一条间隙。
11.所述接地锥形探针和馈电锥形探针相互平行竖直放置，分别位于介质基板的4条边的中间。
12.所述接地锥形探针采用上端窄下端宽的渐变结构；接地锥形探针的下端与金属反射地板相连接，上端与蝶形偶极子单元连接。
13.所述接地锥形探针，其上端设有楔体通过楔体上的连接孔固定在介质基板上。
14.所述馈电锥形探针采用上端窄下端宽的渐变结构；馈电锥形探针的下端与金属反射地板保持一定距离，上端与蝶形偶极子单元连接。
15.所述馈电锥形探针的下端连接插针，插针的下端穿过金属反射地板上的通孔与sma连接器连接。
16.所述sma连接器为50ωsma连接器；所述介质基板为rogersro4003，介电常数为3.55，厚度为0.813mm。
17.有益效果：本发明的一种基于锥形探针馈电的双极化紧耦合平面模块化相控阵天线，具有以下优点：
18.1、本发明公开了一种基于锥形探针馈电的双极化紧耦合平面模块化相控阵天线。为了在较低频段(如uhf频段)实现双极化超宽带相控阵的平面模块化，本发明的天线单元采用相互平行的远距离竖直锥形探针馈电，而非常规平面阵列中使用的依赖于多层堆叠pcb的金属过孔。这种配置不仅避免了将平面相控阵的工作频率拓展到较低频率时所需的厚介质层和加工时面临的技术挑战，而且大大减轻了天线的复杂度、重量和成本。此外，竖直放置锥形探针的远距离使得天线阵列更易实现天线阵列的模块化特性。本发明的相控阵可在0.52ghz的最低频率下工作，带宽比达到6.2:1。
19.2、本发明天线阵列偶极子单元无需使用额外复杂的阻抗匹配馈电网络，不仅减小了因馈电网络引起的损耗，而且更有利于集成以及减小成本；
20.3、本发明锥形探针的支撑作用使得天线与地面无需填充任何介质材料，从而将出现在天线工作频带内的共模谐振推出高频带外，避免了通常因消除带内共模谐振而额外采取密集短路柱的措施，极大的降低了天线的复杂度；
21.4、本发明与常规平面集成的tcdas使用金属柱馈电的方式相比，本发明采用的锥形探针之间形成的电容更有利于束缚由馈电结构引起的电场辐射，从而大大提高天线单元的极化隔离度。
22.5、本发明接地锥形探针上端带孔的楔体设计用来起支撑天线介质基板和固定3d打印介质匹配层，进一步增强了天线的结构鲁棒性。
23.6、本发明天线单元正上方的介质匹配层采用3d打印技术不仅可实现所需特定介电常数的介质，而且消除了多层堆叠或压合介质基板的需要，有利于实现天线的一体化设计、降低成本和复杂度。
附图说明
24.图1为本发明实施例的一种基于锥形探针馈电的双极化紧耦合平面模块化相控阵天线的立体结构示意图；
25.图2为本发明实施例的阵列单元的3d结构示意图；
26.图3为本发明实施例的阵列单元的俯视图；
27.图4为本发明实施例的阵列单元的侧视图；
28.图5为本发明实施例的单元e面，h面和d面在边射和45度扫描时全频段端口有源电压驻波比；
29.图6为本发明实施例的全阵列以及中心单元在边射时全频段有源电压驻波比；
30.图7为本发明实施例的全阵列以及无限阵列单元在边射时的极化隔离度；
31.图8为本发明实施例中单元e面在边射、30度扫描、45度扫描时主极化与交叉极化增益；
32.图9为本发明实施例中单元h面在边射、30度扫描、45度扫描时主极化与交叉极化增益；
33.图10为本发明实施例中单元d面在边射、30度扫描、45度扫描时主极化与交叉极化增益；
34.图中标记说明：介质基板1、蝶形偶极子单元2、接地锥形探针3、馈电锥形探针4；十字形金属贴片5、金属反射地板6、介质匹配层7、sma连接器8、通孔9、金属插针10、连接孔11、楔体12、间隙13。
具体实施方式
35.为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明的一种基于锥形探针馈电的双极化紧耦合平面模块化相控阵天线做进一步详细的描述。
36.图1所示为一种基于锥形探针馈电的双极化紧耦合平面模块化相控阵天线的立体图，该图所示的阵列规模为8
×
8。
37.图2至图4所示为一种基于锥形探针馈电的双极化紧耦合平面模块化相控阵天线的单元模型图，包括：水平放置的介质基板1、蝶形偶极子单元2、位于偶极子单元2下方竖直放置的接地锥形探针3和馈电锥形探针4、位于偶极子单元2末端正上方的十字形金属贴片5、位于偶极子单元2下方水平放置的金属反射地板6以及位于偶极子单元2上方的3d打印介质匹配层7；所述偶极子单元2共面且相互正交，印刷在水平放置的介质基板1下表面；所述十字形金属贴片4位于蝶形偶极子末端正上方，印刷在水平放置的介质基板1上表面；所述接地锥形探针3和馈电锥形探针4相互平行竖直放置；所述偶极子单元2的两个金属臂分别与接地锥形探针3和馈电锥形探针4的上端相连接；所述接地锥形探针3和馈电锥形探针4都采用上端窄下端宽的渐变结构；所述接地锥形探针3的下端金属反射地板6相连接；所述馈电锥形探针4的下端与标准50ωsma连接器8穿过金属反射地板6上的通孔9的金属插针10相
连接；所述接地锥形探针上端带连接孔11的楔体12用来起支撑介质基板1和固定3d打印介质匹配层7的作用。
38.本发明为了在较低频段(如uhf频段)实现双极化超宽带相控阵的平面模块化，天线单元采用相互平行的远距离竖直锥形探针馈电，而非常规平面阵列中使用的近距离金属柱。这种配置不仅克服了将平面相控阵的工作频率拓展到较低频率时所需的厚介质层和加工时面临的技术挑战，而且大大减轻了天线的复杂度、重量和成本。此外，竖直锥形探针的远距离使得天线阵列更易实现模块化特性。本发明的相控阵可在0.52ghz的最低频率下工作，带宽比达到6.2:1；
39.本发明天线阵列偶极子单元无需使用额外复杂的阻抗匹配馈电网络，不仅减小了因馈电网络引起的损耗，而且更有利于集成以及节约成本；
40.本发明锥形探针的支撑作用使得天线与地面无需填充任何介质材料，从而将出现在天线工作频带内的共模谐振推出高频带外，避免了通常因消除带内共模谐振而额外采取的措施，极大的降低了天线的复杂度和成本；
41.本发明与常规平面集成的tcdas使用金属柱馈电的方式相比，本发明采用的锥形探针之间形成的电容更有利于束缚由馈电结构引起的电场辐射，从而大大提高天线单元的极化隔离度。
42.本发明接地锥形探针上端带孔的楔体设计用来起支撑天线介质基板和固定3d打印介质匹配层，进一步增强了天线的结构鲁棒性。
43.本发明天线单元正上方的介质匹配层采用3d打印技术不仅可实现所需特定介电常数的介质，而且消除了多层堆叠或压合介质基板的需要，有利于实现天线的一体化设计、降低成本和复杂度。
44.图5所示为本实施例单元e面，d面和h面在边射和45度扫描状态下的端口对应的驻波比特性，从图中可见，在驻波比要求小于3.0的情况下，本发明的偶极子在45度扫描范围内具有6.1:1(0.52-3.19ghz)的阻抗带宽。
45.图6所示为本实施例在边射状态下的端口对应的驻波比特性，从图中可见，在0.52-3.19ghz的频段内，本发明的偶极子单元组成的8
×
8面阵中心单元的测试驻波比小于3，全阵列的测试驻波比小于2。
46.图7所示为本实施例的偶极子单元在0.52-3.19ghz的频段内边射情况下的极化隔离度。从图中可见，本发明天的偶极子在边射时的极化隔离度在绝大部分工作频带内均高于15db。
47.图8所示为本实施例的偶极子单元在0.52-3.19ghz的频段内e面0度、30度以及45度扫描时的主极化与交叉极化情况。从图中可见，该相控阵天线单元在扫描到45
°
时在绝大部分工作频带内具有-20db以下的交叉极化特性。
48.图9所示为本实施例的偶极子单元在0.52-3.19ghz的频段内h面0度、30度以及45度扫描时的主极化与交叉极化情况。从图中可见，该相控阵天线单元在扫描到45
°
时在绝大部分工作频带内具有-20db以下的交叉极化特性。
49.图10所示为本实施例的偶极子单元在0.52-3.19ghz的频段内d面0度、30度以及45度扫描时的主极化与交叉极化情况。从图中可见，该相控阵天线单元在扫描到45
°
时在绝大部分工作频带内具有-15db以下的交叉极化特性。
50.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
51.本技术实施例的术语“包括”、“具有”、“引入”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。
52.可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

技术特征：
1.一种基于锥形探针馈电的双极化紧耦合平面模块化相控阵天线，其特征在于，该天线从上到下依次设有包括介质匹配层(7)、介质基板(1)、金属反射地板(6)：其中，在介质基板(1)的上表面设有十字形金属贴片(5)，在介质基板(1)的下表面设有蝶形偶极子单元(2)；在金属反射地板(6)的下面设有sma连接器(8)，在介质基板(1)与金属反射地板(6)之间分别设有两个接地锥形探针(3)和馈电锥形探针(4)。2.根据权利要求1所述的基于锥形探针馈电的双极化紧耦合平面模块化相控阵天线，其特征在于，所述介质匹配层(7)为设有矩阵排列盲孔的介质层，采用3d打印技术打印而成。3.根据权利要求1所述的基于锥形探针馈电的双极化紧耦合平面模块化相控阵天线，其特征在于，所述十字形金属贴片(5)的四条金属贴片与蝶形偶极子单元(2)的四个臂共圆心，相互错开45度。4.根据权利要求1所述的基于锥形探针馈电的双极化紧耦合平面模块化相控阵天线，其特征在于，所述蝶形偶极子单元(2)水平放置在介质基板(1)下表面，所述蝶形偶极子单元(2)的四个臂共面且相互正交，且其末端相互正交处之间保持一条间隙(13)。5.根据权利要求1所述的基于锥形探针馈电的双极化紧耦合平面模块化相控阵天线，其特征在于，所述接地锥形探针(3)和馈电锥形探针(4)相互平行竖直放置，分别位于介质基板(1)的4条边的中间。6.根据权利要求5所述的基于锥形探针馈电的双极化紧耦合平面模块化相控阵天线，其特征在于，所述接地锥形探针(3)采用上端窄下端宽的渐变结构；接地锥形探针(3)的下端与金属反射地板(6)相连接，上端与蝶形偶极子单元(2)连接。7.根据权利要求6所述的基于锥形探针馈电的双极化紧耦合平面模块化相控阵天线，其特征在于，所述接地锥形探针(3)，其上端设有楔体(12)通过楔体(12)上的连接孔(11)固定在介质基板(1)上。8.根据权利要求5所述的基于锥形探针馈电的双极化紧耦合平面模块化相控阵天线，其特征在于，所述馈电锥形探针(4)采用上端窄下端宽的渐变结构；馈电锥形探针(4)的下端与金属反射地板(6)保持一定距离，上端与蝶形偶极子单元(2)连接。9.根据权利要求8所述的基于锥形探针馈电的双极化紧耦合平面模块化相控阵天线，其特征在于，所述馈电锥形探针(4)的下端连接插针(10)，插针(10)的下端穿过金属反射地板(6)上的通孔(9)与sma连接器(8)连接。10.根据权利要求8所述的基于锥形探针馈电的双极化紧耦合平面模块化相控阵天线，其特征在于，所述sma连接器(8)为50ωsma连接器；所述介质基板(1)为rogers ro4003，介电常数为3.55，厚度为0.813mm。

技术总结
本发明公开了一种基于锥形探针馈电的双极化紧耦合平面模块化相控阵天线。包括水平辐射单元、锥形探针、金属地板以及介质匹配层；辐射单元包括介质基板、两组蝶形偶极子单元以及十字形金属贴片。两组蝶形偶极子共面且相互正交，印刷于介质基板下表面，十字形金属贴片位于蝶形偶极子末端正上方，印刷于介质基板上表面；锥形探针采用上端窄下端宽的渐变结构，其中下端较宽的锥形探针接地，下端较窄的锥形探针与标准50ΩSMA连接器插针相连；蝶形偶极子单元的两个臂分别与锥形探针的上端相连。本发明的结构使得双极化紧耦合天线不仅在超高频实现了平面模块化，且无需额外的匹配网络，具有剖面低，成本低，结构简单，鲁棒性好以及易于集成等优点。集成等优点。集成等优点。


技术研发人员：郝张成 孙德明 洪伟
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2023.08.02
技术公布日：2023/9/14