本發(fā)明屬于天線技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種超寬帶緊耦合陣列天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可用于現(xiàn)代通信的fopen雷達(dá)和穿墻成像雷達(dá)系統(tǒng)中。

技術(shù)背景

寬帶陣列天線在雷達(dá)與通信中都有廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)代相控陣天線是利用電子系統(tǒng)控制天線陣列中各個(gè)單元的饋電幅度、相位，利用陣列主瓣波束進(jìn)行掃描。當(dāng)陣列天線具有寬帶特性，同時(shí)可以進(jìn)行寬角域掃描時(shí)，就構(gòu)成了寬帶相控陣天線。

相控陣技術(shù)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)30年代，主要用于軍事雷達(dá)領(lǐng)域。傳統(tǒng)的寬帶相控陣天線設(shè)計(jì)都需要先獨(dú)立地設(shè)計(jì)出一個(gè)寬帶的天線單元，然后將其置于陣列中并設(shè)法使其正常工作。這種傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法寄希望于天線單元間的互耦效應(yīng)對(duì)陣列的功能不會(huì)產(chǎn)生太強(qiáng)的不利影響，但結(jié)果往往不盡人意。按照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路想要獲得具有幾個(gè)倍頻的寬帶相控陣天線的難度仍然非常大，在天線設(shè)計(jì)上仍存在一些困難無(wú)法克服，如陣元橫向尺寸較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及頻帶寬度受陣元帶寬和陣元間互耦的限制難以進(jìn)一步拓展。

電子科技大學(xué)2013年的的碩士論文“雙阻帶陷的小型化超寬帶天線陣列設(shè)計(jì)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(gè)u型結(jié)構(gòu)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(shù)有限公司在其申請(qǐng)的專利《一種應(yīng)用于5g通信系統(tǒng)的緊耦合陣列天線》(申請(qǐng)?zhí)枺?01610327943.4，公開號(hào)：cn106099359a)中，提出了一種應(yīng)用于5g通信系統(tǒng)的緊耦合陣列天線，通過(guò)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(jié)構(gòu)和緊耦合陣列設(shè)計(jì)，相對(duì)帶寬可達(dá)到149.1％，雖然滿足了在2.8ghz～19.2ghz頻段有源駐波比activevswr<3應(yīng)用范圍，但是該專利存在缺少饋電網(wǎng)絡(luò)且?guī)拺?yīng)用范圍受限的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提出一種超寬帶陣列天線，利用單元間的耦合效應(yīng)，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(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)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(gè)偶極子輻射周期單元，每個(gè)偶極子輻射周期單元包括兩個(gè)偶極子臂、金屬過(guò)孔和介質(zhì)板，所述電阻型頻率選擇表面板包括多個(gè)電阻型頻率選擇表面單元，每個(gè)電阻型頻率選擇表面單元由電阻貼片和介質(zhì)板組成，其特征在于：

所述每個(gè)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(zhǎng)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(diǎn)與介質(zhì)板中心重合且第三邊與矩形長(zhǎng)邊重合的三角形相嵌組成；

所述電阻貼片，由方環(huán)貼片、圓環(huán)貼片和菱形貼片嵌套組成，三者中心重合。

作為優(yōu)選，所述兩個(gè)偶極子臂位于介質(zhì)板的中心，且在介質(zhì)板的上下表面相互交叉排列。

作為優(yōu)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(duì)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(gòu)成一個(gè)封閉空間。

作為優(yōu)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(yōu)選，方環(huán)貼片位于介質(zhì)板的邊緣，圓環(huán)貼片嵌套于方環(huán)貼片內(nèi)部，菱形貼片位于圓環(huán)貼片內(nèi)部，三者中心重合，且菱形貼片中心有正方形開口。

作為優(yōu)選，所述金屬過(guò)孔沿介質(zhì)板長(zhǎng)邊對(duì)稱分布。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明中的偶極子臂在介質(zhì)板的上下表面交叉排列，重合部分的區(qū)域是兩個(gè)第一金屬貼片的面積，通過(guò)增加重合部分的面積，進(jìn)一步增強(qiáng)陣列間的耦合效應(yīng)，從而解決了現(xiàn)有技術(shù)中天線陣列帶寬受單元帶寬限制的技術(shù)問(wèn)題，拓展了天線陣列帶寬。

2、本發(fā)明采用電阻型頻率選擇表面結(jié)構(gòu)，其中電阻貼片由方環(huán)貼片、圓環(huán)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(diǎn)進(jìn)一步拓展天線陣列的帶寬。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明超寬帶陣列天線的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明中的兩個(gè)周期單元結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明中的饋電巴倫結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4中的是本發(fā)明兩個(gè)金屬貼片的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)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(fā)明的實(shí)施例陣列天線在0.63ghz-4.6ghz的反射系數(shù)關(guān)系波形圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述：

參照?qǐng)D1，本發(fā)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(gè)偶極子輻射周期單元11，每個(gè)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(gè)電阻型頻率選擇表面單元21，每個(gè)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(guò)接地板3。

參照?qǐng)D2，每個(gè)偶極子輻射周期單元11包括偶極子臂111、金屬過(guò)孔112和天線介質(zhì)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(zhǎng)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(diǎn)與天線介質(zhì)板113中心重合且第三邊與矩形長(zhǎng)邊重合的三角形相嵌組成。所有偶極子臂111在天線介質(zhì)板113的上下表面相互交叉排列，重合部分面積與兩個(gè)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(tǒng)偶極子形式的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)得到的，即在傳統(tǒng)偶極子結(jié)構(gòu)上增加了相鄰偶極子之間的重疊面積，從而增強(qiáng)了陣列中的耦合效應(yīng)，對(duì)于拓展陣列帶寬具有重要作用；金屬過(guò)孔112沿天線介質(zhì)板113長(zhǎng)邊對(duì)稱分布，金屬過(guò)孔112的數(shù)量為偶數(shù)，本實(shí)例取10但不限于10個(gè)，其中四個(gè)金屬過(guò)孔兩兩一組位于天線介質(zhì)板113長(zhǎng)邊的兩側(cè)且距長(zhǎng)邊距離為2mm，另外六個(gè)金屬過(guò)孔三個(gè)一組位于天線介質(zhì)板113長(zhǎng)邊的兩側(cè)且距長(zhǎng)邊距離為1mm，金屬過(guò)孔的半徑范圍為0.1mm至0.35mm，本實(shí)施例取0.2mm；天線介質(zhì)板113的長(zhǎng)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(zhì)板212，該電阻貼片211的方阻為50ω，其由方環(huán)貼片2111、圓環(huán)貼片2112和菱形貼片2113組成，方環(huán)貼片2111位于頻率選擇表面介質(zhì)板212的邊緣，圓環(huán)貼片2112嵌套于方環(huán)貼片2111內(nèi)部，菱形貼片2113位于圓環(huán)貼片2112內(nèi)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(huán)貼片2111距圓環(huán)貼片2112的最小距離范圍在3mm至5mm，本實(shí)施例取4mm，菱形貼片2113邊長(zhǎng)為6.5mm，其中心的開口正方形邊長(zhǎng)為1.5mm至4mm，本實(shí)施例取2mm，頻率選擇表面介質(zhì)板212是厚度為20mil，介電常數(shù)為7導(dǎo)電玻璃；頻率選擇表面介質(zhì)板212邊長(zhǎng)為15.8mm。

參照?qǐng)D3，本發(fā)明饋電巴倫4由印刷在巴倫介質(zhì)板43表面的金屬貼片41，金屬通孔42及三層巴倫介質(zhì)板43組成。金屬貼片41包括三個(gè)部分，其中第一部分的長(zhǎng)l1＝12.15mm，寬2.3mm，且印刷在巴倫介質(zhì)板43的第一層的上表面；第二部分由長(zhǎng)l4＝32mm，寬0.25mm和長(zhǎng)l2＝9.55mm，寬1.3mm的金屬貼片組成且印刷在所述巴倫介質(zhì)板43第一層的下表面；第三部分由長(zhǎng)l3＝33.15mm，臂寬2.3mm的u形結(jié)構(gòu)構(gòu)成且印刷在所述巴倫介質(zhì)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(gè)通孔，半徑分別為0.125mm和0.5mm；巴倫介質(zhì)板43的第一層為厚度4.4mil，介電常數(shù)3.48的f4b板；巴倫介質(zhì)板43的第二層為厚度6.6mil，介電常數(shù)4.2的粘合材料，巴倫介質(zhì)板43的第三層為厚度10mil，介電常數(shù)3.48的f4b板。

參照?qǐng)D4，本發(fā)明中兩個(gè)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(duì)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(gòu)成一個(gè)封閉空間，其中第三條直線邊的邊長(zhǎng)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?qǐng)D5，本發(fā)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(jié)，zsc表示饋電巴倫4的匹配雙枝節(jié)，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(dāng)于開路枝節(jié)與短路枝節(jié)的雙枝節(jié)匹配，當(dāng)滿足共軛匹配，即zbal＝z^*tcda時(shí)，在低頻處達(dá)到完美匹配實(shí)現(xiàn)最大功率輸出。

本發(fā)明的效果，可以通過(guò)以下仿真進(jìn)一步說(shuō)明

利用cst軟件對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例4×8陣列天線進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖6，圖6中縱坐標(biāo)表示天線陣列的反射系數(shù)s11，單位為db，橫坐標(biāo)表示頻率，單位為ghz，由圖6可知天線陣列在工作頻段內(nèi)反射系數(shù)均小于-6db，最低點(diǎn)出現(xiàn)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(dá)7.3個(gè)倍頻。