一种超宽带紧耦合阵列天线的制作方法

1.本发明属于超宽带阵列天线技术领域，具体是涉及到一种超宽带紧耦合阵列天线。


背景技术：

2.为使雷达、通信及遥测遥感等无线电通信系统射频前端体积极大地缩减，超宽带阵列天线和相控阵天线是一种重要的发展趋势。这些超宽带天线需在超宽频带内实现多波束、大扫描范围、高增益或低副瓣等高电磁性能的要求。作为现实版的wheeler电流片阵列天线，紧耦合偶极子阵列天线是超宽带阵列天线中的一个研究热点。其卓越的超宽带性能甚至可以将同一平台的多个天线集成为一个超宽带紧耦合阵列天线，从而解决同平台多个天线之间电磁干扰的问题。研究紧耦合阵列天线的馈电巴伦结构是使该阵列天线在超宽频带内实现优越电磁性能的关键一步。馈电巴伦结构的传输特性需在阵列天线整个工作频带内保持一致，将馈线输入端的阻抗逐渐变换成天线输入端的阻抗，以减小反射回波，避免电磁能量损耗；同时，还要实现从输入端馈线的不平衡馈电方式平稳过渡到两个天线辐射臂的平衡馈电方式。除馈电巴伦以外，该类阵列天线相邻阵元的辐射臂之间实现强耦合、紧耦合以扩宽频带也是一个技术难点。
3.现有文献可查的超宽带馈电结构要么尺寸偏大难以实现小型化、紧凑型结构；要么结构复杂，尺寸参数众多，难以实现快速优化。这些原因导致紧耦合阵列天线在工作频段低频端的反射系数普遍较大，通常为-6db左右，使天线难以突破工作频带这一瓶颈问题。
4.此外，由于需要兼顾工作频带高低频端的辐射性能，天线阵元间的间距不能过大。一则是间距较大，天线在高频端工作时容易产生栅瓣，二则是难以在工作频带高频端实现阵元间的紧耦合。但若阵元间间距较小时，又不能保证在低频端阵元间有足够多的容性耦合。最终使天线在工作频段高低频端上下限附近的电磁辐射性能不佳，包括方向图、增益、副瓣电平等。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是提供一种易于设计，能同时实现阻抗变换和从不平衡馈电到平衡馈电变换、扩宽天线工作频段、提升天线辐射性能的超宽带紧耦合阵列天线。
6.为了达到上述目的，本发明的技术方案如下，一种超宽带紧耦合阵列天线，包括金属接地板，所述金属接地板上设有多个开槽，每个所述开槽内均设有线阵，所述线阵包括介质基板，所述介质基板上设有多个阵元，所述阵元包括分别蚀刻于介质基板两侧面上的馈电巴伦结构和天线辐射臂，所述天线辐射臂通过连续弯折的馈电巴伦结构与同轴馈线连接，所述介质基板一个侧面上的馈电巴伦结构及天线辐射臂与介质基板另一个侧面上的馈电巴伦结构及天线辐射臂翻转180
°
后一致，所述天线辐射臂上设有多个贴片，相邻两个阵元的天线辐射臂上的贴片异面重叠。
7.优选的，所述馈电巴伦结构包括非平衡端和平衡端，所述同轴馈线包括由内向外
同轴设置的金属内芯线、介质棒和金属外皮，设于介质基板一个侧面上的天线辐射臂、平衡端的一条弯折线、非平衡端中的一条微带线与金属内芯线依次连接，设于介质基板另一个侧面上的另一个天线辐射臂、平衡端的另一条弯折线、非平衡端中的另一条微带线与金属外皮依次连接，金属外皮与金属接地板连接。优选的，所述平衡端包括多节依次连接的弯折线，每节所述弯折线均包括与非平衡端平行的平行微带线，所述平行微带线的两端分别连接有第一倾斜微带线和第二倾斜微带线，所述第一倾斜微带线和第二倾斜微带线呈八字形张开，多节弯折线通过相邻的第一倾斜微带线和第二倾斜微带线依次连接。
8.优选的，所述第一倾斜微带线与平行微带线的夹角及第二倾斜微带线与平行微带线的夹角相同，均为30-60
°
。
9.优选的，多节所述弯折线的尺寸由非平衡端向天线辐射臂方向渐变增加。
10.优选的，多节所述弯折线中位置对应的两条平行微带线之间的正投影间距为由非平衡端向天线辐射臂方向呈依次等差递增。
11.优选的，所述贴片均为椭圆形，且包括第一贴片、第二贴片和第三贴片，第一贴片的长轴为2-3毫米，短轴为1-2毫米，第二贴片的长轴为3-5毫米，短轴为2-3毫米，第三贴片的长轴为2-3毫米，短轴为1-2毫米。
12.优选的，相邻的两个所述阵元1.1.4和1.1.5之间的间距为6-8毫米。
13.优选的，所述金属接地板的长度为120-150毫米，宽度为120-150毫米，厚度为5-10毫米，所述开槽的长度为110-120毫米；宽度为5-10毫米，深度与金属接地板的厚度相同，开槽的长边与金属接地板的长边平行。
14.优选的，所述同轴馈线采用50欧姆微带线，所述平行微带线的长度为0.5毫米-1.5毫米；第一倾斜微带线和第二倾斜微带线的长度相等，均为0.5毫米-1.5毫米；平行微带线、第一倾斜微带线和第二倾斜微带线的线宽均为0.2毫米-0.5毫米。
15.本发明的有益效果是，利用连续弯折的紧凑z字型馈电巴伦结构可以使超宽带紧耦合阵列天线实现从4ghz到18ghz的超宽频带内高性能电磁辐射。在平台空间有限的雷达、通信及遥测遥感等无线电通信系统中，该阵列天线应用前景十分广阔；该结构拥有可同时实现阻抗变换和从不平衡馈电到平衡馈电变换这两种变换的馈电巴伦结构，并且易于设计；此外，对该天线的紧耦合辐射臂进行了电容性加载设计，增加贴片，使得电容更大，能进一步扩宽天线的工作频段，提升天线的辐射性能；基于该馈电技术和辐射臂电容性加载技术的超宽带紧耦合阵列天线的有源反射系数在整个工作频带内均小于-10db，是相控阵天线的一种很好的选择。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。下述附图仅为本发明的一些实施例，不对本发明作任何限制。
17.图1是由十二条结构尺寸一致的线阵1.1-1.12和一个金属接地板2组成的阵列天线的部分结构示意图；每一条线阵1.1-1.12都相应地插入金属接地板2的槽2.1-2.12中；在此图中示出部分线阵1.1和线阵1.12，且每一条线阵只示出三个阵元结构。为清晰展示结构，所有的介质基板如介质基板1.1.0全部从图中隐藏。
18.图2是由介质基板1.1.0上的第四阵元1.1.4，第五阵元1.1.5和第六阵元1.1.6组成线阵1.1的部分结构示意图；其中介质基板1.1.0上表面的第五阵元1.1.5上的天线辐射臂1.1.5.2.1上的三个椭圆形贴片与介质基板1.1.0下表面的第四阵元1.1.4上的天线辐射臂上的三个贴片异面重合。
19.图3是本发明中将介质基板1.1.0上的馈电巴伦结构1.1.5.1、天线辐射臂1.1.5.2及同轴馈线1.1.5.3组装在一起的单个阵元结构1.1.5；其中，设于介质基板1.1.0的一个侧面上的天线辐射臂1.1.5.2.1、平衡端1.1.5.1.1.2、非平衡端1.1.5.1.1.1及金属内芯线1.1.5.3.1依次连接；设于介质基板1.1.0另一个侧面上的天线辐射臂1.1.5.2.2、平衡端1.1.5.1.2.2、非平衡端1.1.5.1.2.1及金属外皮1.1.5.3.3和金属接地板2连接。
20.图4是本发明中给一个天线阵元馈电的同轴馈线1.1.5.3，其金属内芯线1.1.5.3.1、介质棒1.1.5.3.2和金属外皮1.1.5.3.3的结构示意图。
21.图5是本发明中单个阵元的天线辐射臂1.1.5.2的结构示意图，包括分别蚀刻在介质基板1.1.0的两个侧面上的第一天线辐射臂1.1.5.2.1和第二天线辐射臂1.1.5.2.2。
22.图6是第一天线辐射臂1.1.5.2.1和第二天线辐射臂1.1.5.2.2的结构示意图，第一天线辐射臂1.1.5.2.1和第二天线辐射臂1.1.5.2.2上均加载有容性第一椭圆形贴片1.1.5.2.1.1和1.1.5.2.2.1，第二椭圆形贴片1.1.5.2.1.2和1.1.5.2.2.2，和第三椭圆形贴片1.1.5.2.1.3和1.1.5.2.2.3，六个椭圆形贴片外廓用虚线示出。
23.图7是本发明中单个连续弯折的馈电巴伦结构1.1.5.1的示意图；其中，第一馈电巴伦结构1.1.5.1.1蚀刻在介质基板1.1.0的上表面；第二馈电巴伦结构1.1.5.1.2蚀刻在介质基板1.1.0的下表面。
24.图8为第一馈电巴伦结构1.1.5.1.1和第二馈电巴伦结构1.1.5.1.2的结构示意图；第一馈电巴伦结构1.1.5.1.1包括非平衡端1.1.5.1.1.1和平衡端1.1.5.1.1.2；z字形馈电巴伦1.1.5.1.2包括非平衡端1.1.5.1.2.1和平衡端1.1.5.1.2.2。
25.图9为对线阵1.1进行仿真后得到的有源反射系数的仿真结果。从图中可以看出，所有端口的有源反射系数在从4ghz到18ghz的频段内均小于-10db。
26.图10为在4ghz时的线阵方向图，可以看出其增益为5.1dbi，方向性较弱。
27.图11为在8ghz时的线阵方向图，可以看出其增益为8.5dbi，方向性优于4ghz时。
28.图12为在15ghz时的线阵方向图，其增益为11.62dbi，能量主要集中在扇形波束的中间区域。
29.图13为在18ghz时的线阵方向图，其增益为13.5dbi。相比其他工作频点，在该频点上，扇形波束在x轴方向上波束最窄，分辨率最高，方向性最强。
具体实施方式
30.下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明：
31.请一并参阅图1-13，本实施例提供的超宽带紧耦合阵列天线，包括金属接地板2，所述金属接地板2上设有多个开槽2.1，每个所述开槽2.1内均设有线阵1.1，所述线阵1.1包括介质基板1.1.0，所述介质基板1.1.0上设有多个阵元1.1.5，所述阵元1.1.5包括分别蚀刻于介质基板1.1.0的两个侧面上的馈电巴伦结构1.1.5.1和天线辐射臂1.1.5.2，所述天线辐射臂1.1.5.2通过连续弯折的紧凑z字型馈电巴伦结构1.1.5.1与同轴馈线1.1.5.3连
接，所述介质基板1.1.0的一个侧面上的馈电巴伦结构1.1.5.1及天线辐射臂1.1.5.2与介质基板1.1.0另一个侧面上的馈电巴伦结构1.1.5.1及天线辐射臂1.1.5.2翻转180
°
后一致，所述天线辐射臂1.1.5.2上设有多个贴片，相邻两个阵元的天线辐射臂上的贴片异面重叠。
32.在本实施例中，该阵列天线包括十二条结构尺寸一致的线阵1.1-1.12和一个金属接地板2；以线阵1.1为例，线阵1.1包括一块非导电材料制成的介质基板1.1.0和十二个天线阵元1.1.1-1.1.12；介质基板1.1.0的非导电材料厚度为0.2-1毫米，相对介电常数为2-3，介质损耗角为0.0004-0.001。介质基板1.1.0上下表面的天线辐射臂1.1.5.2和馈电巴伦结构1.1.5.1均可以选择厚度为0.017-0.035毫米厚的金箔、银箔或铜箔中的任意一种。
33.通过调节多节连续弯折线中两条平行微带线之间的正投影间距，使其从非平衡端向天线辐射臂方向逐渐增加，这一技术可实现超宽带阻抗变换，即从标准同轴馈线的50欧姆特性阻抗逐渐变换到天线辐射臂输入端处近200欧姆的端口阻抗；将具有不平衡馈电结构的标准同轴馈线和需要进行平衡馈电的天线辐射臂之间用多节连续弯折线连接，能实现从不平衡馈电结构到平衡馈电结构变换的馈电技术；连续弯折的紧凑z字型馈电巴伦结构利用上述两个技术对超宽带紧耦合阵列天线进行馈电，可以使阵列天线实现从4ghz到18ghz的超宽频带内的高性能电磁辐射。在平台空间有限的雷达、通信及遥测遥感等无线电通信系统中，该阵列天线应用前景十分广阔；此外，这种连续弯折的紧凑z字型馈电巴伦结构外型简单，易于设计；同时，对该阵列天线的紧耦合辐射臂进行了电容性加载设计，增加了椭圆形贴片，使得电容更大，能进一步扩宽天线的工作频段，提升天线的辐射性能；基于该新型馈电技术和辐射臂电容性加载技术的超宽带紧耦合阵列天线的有源反射系数在整个工作频带内均小于-10db，是相控阵天线的一种很好的选择。
34.更具体的，所述馈电巴伦结构1.1.5.1包括的非平衡端1.1.5.1.1.1及1.1.5.1.2.1和平衡端1.1.5.1.1.2,及1.1.5.1.2.2，所述同轴馈线1.1.5.3包括由内向外同轴设置的金属内芯线1.1.5.3.1、介质棒1.1.5.3.2和金属外皮1.1.5.3.3，所述天线辐射臂1.1.5.2.1、平衡端1.1.5.1.1.2、非平衡端1.1.5.1.1.1及金属内芯线1.1.5.3.1依次连接，所述天线辐射臂1.1.5.2.2、平衡端1.1.5.1.2.2、非平衡端1.1.5.1.2.1、金属外皮1.1.5.3.3及金属接地板2连接；将具有不平衡馈电结构的标准同轴馈线和需要进行平衡馈电的天线辐射臂之间用多节连续弯折线连接，能实现从不平衡馈电结构到平衡馈电结构变换的馈电技术。
35.更具体的，所述平衡端1.1.5.1.1.2包括多节依次连接的弯折线1.1.5.1.1.2.4，每节所述弯折线1.1.5.1.1.2.4均包括与非平衡端1.1.5.1.1.1平行的平行微带线1.1.5.1.1.2.4.2，所述平行微带线1.1.5.1.1.2.4.2的两端分别连接有第一倾斜微带线1.1.5.1.1.2.4.1和第二倾斜微带线1.1.5.1.1.2.4.3，所述第一倾斜微带线1.1.5.1.1.2.4.1和第二倾斜微带线1.1.5.1.1.2.4.3呈八字形张开，多节弯折线1.1.5.1.1.2.4通过相邻的第一倾斜微带线1.1.5.1.1.2.4.1和第二倾斜微带线1.1.5.1.1.2.4.3依次连接。
36.在本实施例中，平衡端1.1.5.1.1.2包括6-8节弯折线，以馈电巴伦中的第四节弯折线1.1.5.1.1.2.4为例，第四节弯折线的第一倾斜微带线1.1.5.1.1.2.4.1与第五节弯折线的第一倾斜微带线连接，第四节弯折线的第二倾斜微带线1.1.5.1.1.2.4.3与第三弯折
线的第二倾斜微带线连接；平行微带线1.1.5.1.1.2.4.2的长度为0.5毫米-1.5毫米；第一倾斜微带线1.1.5.1.1.2.4.1和第二倾斜微带线1.1.5.1.1.2.4.3的长度相等，均为0.5毫米-1.5毫米；平行微带线1.1.5.1.1.2.4.2、第一倾斜微带线1.1.5.1.1.2.4.1和第二倾斜微带线1.1.5.1.1.2.4.3的线宽均为0.2毫米-0.5毫米。
37.更具体的，所述第一倾斜微带线1.1.5.1.1.2.4.1与平行微带线1.1.5.1.1.2.4.2的夹角及第二倾斜微带线1.1.5.1.1.2.4.3与平行微带线1.1.5.1.1.2.4.2的夹角相同，均为30-60
°
。这样能使原本平行的微带线变成弯折型微带线，增加微带线的特性阻抗。
38.更具体的，多节所述弯折线的尺寸由非平衡端1.1.5.1.1.1向天线辐射臂1.1.5.2.1渐变增加。
39.更具体的，多节所述弯折线中位置对应的两条平行微带线1.1.5.1.1.2.4.2之间的正投影间距为由非平衡端1.1.5.1.1.1向天线辐射臂1.1.5.2呈依次等差递增；介质基板1.1.0两个侧面上的第一节弯折线上对应的两条平行微带线之间的正投影间距为l，两个侧面上的第二节弯折线上对应的两条平行微带线之间的正投影间距为l d，两个侧面上的第三节弯折线上对应的两条平行微带线之间的正投影间距为l 2d，两个侧面上的第n节弯折线上对应的两条平行微带线之间的正投影间距为l nd，在本实施例中，公差d为0.1-0.3毫米，结构简单，易于设计。这种使两条平行微带线1.1.5.1.1.2.4.2之间的正投影间距呈依次等差递增的技术使整个结构的特性阻抗从非平衡端向天线辐射臂逐渐增加，从而实现超宽带阻抗变换。连续弯折的紧凑z字型馈电巴伦结构利用上述两个技术对超宽带紧耦合阵列天线进行馈电，可以使阵列天线实现从4ghz到18ghz的超宽频带内的高性能电磁辐射。
40.更具体的，所述贴片均为椭圆形，且包括第一贴片1.1.5.2.1.1、第二贴片1.1.5.2.1.2和第三贴片1.1.5.2.1.3，第一贴片1.1.5.2.1.1的长轴为2-3毫米，短轴为1-2毫米，第二贴片1.1.5.2.1.2的长轴为3-5毫米，短轴为2-3毫米，第三贴片1.1.5.2.1.3的长轴为2-3毫米，短轴为1-2毫米；如图6所示，天线辐射臂1.1.5.2.1为1/4个椭圆的形状，三个贴片加载于天线辐射臂1.1.5.2.1的长轴边上，天线辐射臂1.1.5.2.1的水平方向的宽度为4毫米-6毫米，竖直方向的长度为4毫米-8毫米，第一贴片1.1.5.2.1.1、第二贴片1.1.5.2.1.2和第三贴片1.1.5.2.1.3自上向下设置；第一贴片1.1.5.2.1.1设于长边的上端点，第二贴片1.1.5.2.1.2设于长边的中点，第三贴片1.1.5.2.1.3设于长边的下端点。通过对该阵列天线的紧耦合辐射臂进行了电容性加载设计，增加了椭圆形贴片，使得电容更大，能进一步扩宽天线的工作频段，提升天线的辐射性能。
41.更具体的，相邻的两个所述阵元1.1.5和1.1.4之间的间距为6-8毫米，相邻的两个线阵之间的间距与阵元之间的间距相同，即线阵1.1上的阵元1.1.5与线阵2.1上的阵元2.1.5之间的间距为6-8毫米。
42.更具体的，所述金属接地板2的长度为120-150毫米，宽度为120-150毫米，厚度为5-10毫米，所述开槽2.1的长度为110-120毫米；宽度为5-10毫米，深度与金属接地板2的厚度相同；开槽2.1-2.12用以防止所有与z字形馈电巴伦1.1.5.1的非平衡端1.1.5.1.1.1及同轴馈线1.1.5.3的内芯线1.1.5.3.1相同的结构接触到金属接地板2，导致短路。
43.更具体的，所述同轴馈线1.1.5.3具有50欧姆特性阻抗。
44.以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施
例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。