本發(fā)明屬于無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種小型化寬帶低剖面天線陣列。

背景技術(shù)：

隨著無(wú)線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，新一代無(wú)線通信系統(tǒng)對(duì)帶寬、系統(tǒng)容量和傳輸速率需求呈現(xiàn)爆發(fā)式的增長(zhǎng)。為了滿足不斷增長(zhǎng)的性能需求，較為有效的辦法是為通信系統(tǒng)分配更多的工作帶寬以及提高頻譜利用率，圍繞這兩個(gè)方面的研究也就成為了近年來無(wú)線通信技術(shù)熱點(diǎn)。一方面，新的無(wú)線通信制式標(biāo)準(zhǔn)不斷提出和應(yīng)用以及對(duì)現(xiàn)有制式的兼容考慮，無(wú)線通信系統(tǒng)通常需要工作在多個(gè)不同的頻帶，而配合使用寬帶或多頻帶天線實(shí)現(xiàn)所有頻段的覆蓋是減少系統(tǒng)復(fù)雜度、降低使用成本的理想方式。另一方面，MIMO技術(shù)則較好地解決了頻譜利用效率的問題，并已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。而在MIMO技術(shù)未來演進(jìn)的過程中，配合使用寬帶大規(guī)模的陣列天線來突破現(xiàn)有的系統(tǒng)容量瓶頸將作為未來下一代(5G)高速大容量無(wú)線通信的關(guān)鍵技術(shù)。

但是就其天線本身設(shè)計(jì)而言，傳統(tǒng)陣列天線設(shè)計(jì)方法存在的諸多局限性函待解決：(1)天線陣列口徑面尺寸過大，在基站空間資源日益緊張的環(huán)境中進(jìn)行架設(shè)尤其困難。(2)天線陣列的工作帶寬不足，導(dǎo)致無(wú)法用一副天線口面覆蓋整個(gè)系統(tǒng)工作頻段。(3)天線陣列結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致成本高昂。天線作為無(wú)線通信系統(tǒng)的重要部分，其性能和結(jié)構(gòu)上的局限性很大程度上制約了整個(gè)系統(tǒng)的綜合性能。因此，探索和提出一種小尺寸、寬頻帶和低成本的大規(guī)模天線陣列的設(shè)計(jì)方法具有重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種小型化的寬帶低剖面天線陣列，主要解決現(xiàn)有陣列天線尺寸大和阻抗帶寬窄的技術(shù)問題。

本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的。

一種小型化寬帶低剖面天線陣列，由天線單元按照平面矩形柵格排列方式構(gòu)成天線陣列，陣列單元總個(gè)數(shù)為M*N，其中M表示沿X方向陣列單元個(gè)數(shù)，N表示沿Y方向陣列單元個(gè)數(shù)；

所述天線單元長(zhǎng)度和寬度分別設(shè)置為L(zhǎng)和W，取值范圍為L(zhǎng)<λ_h/2，W＝λ_h/2，其中λ_h是最高工作頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)；天線單元沿X軸方向單元間隔Dx＝L，沿Y軸方向單元間隔Dy＝W；

所述天線單元結(jié)構(gòu)包括依次疊加的上層阻抗匹配層、中間縫隙層和下層反射地板層；所述下層反射地板層為陣列的底板；中間縫隙層由一對(duì)對(duì)稱的矩形金屬片按照一定縫隙間隔布置構(gòu)成，若干個(gè)中間縫隙層呈間隔平行分布在下層反射地板層上；上層阻抗匹配層沿中間縫隙層的縫隙呈間隔分布；在所述縫隙兩側(cè)的矩形金屬片上對(duì)稱設(shè)置有饋電正極連接點(diǎn)和饋電負(fù)極連接點(diǎn)。天線單元使用標(biāo)準(zhǔn)同軸饋線通過直接耦合方式饋電。

進(jìn)一步，所述下層反射地板層采用全金屬板的平板，按矩形柵格排列后，天線單元的反射地板層最終拼接接成一整塊的陣列底板，對(duì)后向電磁波的起反射作用。

進(jìn)一步，所述中間縫隙層距離下層反射地板層高度小于最低工作頻率波長(zhǎng)的十分之一，中間縫隙層與上層阻抗匹配層之間的距離小于最低工作頻率波長(zhǎng)的十分之一。

進(jìn)一步，所述中間縫隙層包括一對(duì)矩形金屬片，一對(duì)矩形金屬片中間間隔有輻射縫隙，一對(duì)矩形金屬片兩端與相鄰矩形金屬片設(shè)有隔離縫隙，饋電正極連接點(diǎn)和饋電負(fù)極連接點(diǎn)分別緊靠輻射縫隙兩側(cè)設(shè)置。

再進(jìn)一步，所述輻射縫隙長(zhǎng)度與單元長(zhǎng)度L相等，輻射縫隙寬度小于單元寬度W的十分之一。

再進(jìn)一步，所述隔離縫隙布置于單元兩側(cè)邊緣且與輻射縫隙保持平行，隔離縫隙長(zhǎng)度與單元長(zhǎng)度L相同，寬度設(shè)置為天線單元寬度的二十分之一。

進(jìn)一步，所述上層阻抗匹配層由方形、矩形或圓形的單一金屬片組成，金屬片面積占天線單元面積L*W的20％-30％，且布置于輻射縫隙的上方區(qū)域。

進(jìn)一步，上層阻抗匹配層的金屬片的幾何中心、輻射縫隙的中心與下層反射地板層的金屬板幾何中心共軸放置。

進(jìn)一步，上層阻抗匹配層、中間縫隙層和下層反射地板層之間保持相互平行放置，三層間之間用絕緣螺釘進(jìn)行固定。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1)相比于采用獨(dú)立分隔的半波長(zhǎng)輻射縫隙的傳統(tǒng)方法，本發(fā)明相鄰輻射縫隙單元呈現(xiàn)非分隔式排列的方式，縫隙口徑面等效磁流的幅度相位波動(dòng)趨于穩(wěn)定，陣列的阻抗帶寬得以顯著拓寬。

2)相比于傳統(tǒng)陣列的稀疏排列方式，本發(fā)明采用亞波長(zhǎng)天線單元并緊密排列，天線單元間距小于λ_h/2(λ_h是最高工作頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng))，在相同天線單元數(shù)量的情況下，縮減了陣列天線口徑和剖面尺寸。

3)本發(fā)明基于縫隙機(jī)構(gòu)輻射機(jī)理，相比于采用對(duì)稱振子天線單元，可以有效減小天線與地面之間的距離、降低整體天線剖面尺寸，剖面尺寸可小于λ_l/10(λ_l是最低工作頻率波長(zhǎng))。

4)單元之間加入隔離縫隙結(jié)構(gòu)以抑制諧振模式，減小了輸入阻抗的大幅波動(dòng)問題。

5)輻射縫隙與50Ω同軸電纜之間采用直接耦合饋電的方式，減少了饋電結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度。

附圖說明

圖1是陣列單元排列柵格形狀示意圖；

圖2(a)是本發(fā)明陣列天線單元示意圖；

圖2(b)是圖2(a)所述上層阻抗匹配層頂視圖；

圖2(c)是圖2(a)所述中間層縫隙結(jié)構(gòu)頂視圖；

圖2(d)是圖2(a)所述下層反射地板頂視圖；

圖3(a)是2*2子陣列頂視圖；

圖3(b)是2*2子陣列側(cè)視圖；

圖4是8*8實(shí)例陣列頂視圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但并不作為對(duì)發(fā)明做任何限制的依據(jù)。

如圖1所示，一種小型化寬帶低剖面天線陣列，由天線單元按照平面矩形柵格排列方式構(gòu)成天線陣列，陣列單元總個(gè)數(shù)為M*N，其中M表示沿X方向陣列單元個(gè)數(shù)，N表示沿Y方向陣列單元個(gè)數(shù)。天線單元長(zhǎng)度和寬度設(shè)置為L(zhǎng)和W，取值范圍為L(zhǎng)<λ_h/2，W＝λ_h/2，λ_h是最高工作頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)；天線單元沿X軸方向單元間隔Dx＝L，沿Y軸方向單元間隔Dy＝W。

如圖2(a)所示，天線單元為三層結(jié)構(gòu):包括依次疊加的上層阻抗匹配層104(如圖2(b))、中間縫隙層103(如圖2(c))和下層反射地板層101(如圖2(d))。下層反射地板層101采用全金屬結(jié)構(gòu)的平板，按矩形柵格排列后，天線單元的反射地板層最終拼接接成一整塊的陣列底板，參見圖3(a)所示，對(duì)后向電磁波的起反射作用。中間縫隙層103由一對(duì)對(duì)稱結(jié)構(gòu)的矩形金屬片按照一定縫隙呈間隔布置構(gòu)成，上層阻抗匹配層104沿中間縫隙層103的縫隙呈間隔分布；在縫隙兩側(cè)的矩形金屬片上分別連接有饋電正極連接點(diǎn)106和饋電負(fù)極連接點(diǎn)107。其中，一對(duì)矩形金屬片中間間隔為輻射縫隙102、一對(duì)矩形金屬片兩端與相鄰矩形金屬片設(shè)有隔離縫隙105。輻射縫隙102位于單元中央位置，沿坐標(biāo)軸X放置，縫隙長(zhǎng)度與單元長(zhǎng)度L相等，縫隙寬度小于單元寬度W的十分之一。隔離縫隙105布置于單元兩側(cè)邊緣且與輻射縫隙102保持平行，隔離縫隙105長(zhǎng)度與單元長(zhǎng)度L相同，寬度設(shè)置為天線單元寬度W的二十分之一。矩形金屬片位于輻射縫隙和隔離縫隙之間。上層阻抗匹配層104由方形、矩形、圓形或者其它形狀的單一金屬片組成，金屬片面積占單元面積L*W的20％-30％，且布置于輻射縫隙102的上方區(qū)域。中間縫隙層103距離下層反射地板層101高度小于最低工作頻率波長(zhǎng)的十分之一，中間縫隙層103與上層阻抗匹配層104之間的距離小于最低工作頻率波長(zhǎng)的十分之一。反射地板層104、中間縫隙層103以及上層阻抗匹配層104既可由PCB印刷工藝，也可用金屬板原料進(jìn)行加工制作。其中介質(zhì)板材料的介電常數(shù)范圍1～12，介質(zhì)厚度可以根據(jù)實(shí)際情況在0.5～3mm范圍內(nèi)選擇。

圖3(a)示出了本發(fā)明的一種小型化寬帶陣列天線實(shí)例，天線單元個(gè)數(shù)為4個(gè)，單元呈2*2的正方形柵格周期排列。底層為下層反射地板層101，中間縫隙層103設(shè)有兩對(duì)矩形金屬片，在各對(duì)矩形金屬片上沿輻射縫隙102長(zhǎng)度方向分布有兩個(gè)上層阻抗匹配層104。如圖3(b)所示，饋電正極連接點(diǎn)106位于每個(gè)單元輻射縫隙中心點(diǎn)左側(cè)與金屬片接觸，饋電負(fù)極連接點(diǎn)107位于輻射縫隙中心右側(cè)與金屬片接觸，每個(gè)天線單元均采用50Ω同軸線310直接饋電，同軸內(nèi)芯308連接饋電點(diǎn)正極連接點(diǎn)106，屏蔽層外皮導(dǎo)體309與饋電點(diǎn)負(fù)極連接點(diǎn)107保持良好的電接觸。

本發(fā)明與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比的優(yōu)勢(shì)：

(1)基于電磁場(chǎng)鏡像原理，輻射縫隙等效的磁流，在靠近理想金屬地面表面，可以與鏡像同相疊加產(chǎn)生較強(qiáng)的輻射效果。因此采用縫隙輻射機(jī)制取代對(duì)稱振子天線，可有效減小剖面的同時(shí)不降低天線輻射效率。

(2)根據(jù)電流一致性口面理論，用電長(zhǎng)度為幾個(gè)波長(zhǎng)的金屬條帶呈直線排列并施以周期饋電的方式，構(gòu)建相鄰輻射單元呈周期首尾相連形式的陣列天線，實(shí)現(xiàn)輸入阻抗在較寬范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，從而拓展陣列天線的阻抗帶寬。

(3)相鄰單元縫隙之間采用直接耦合的方式，使端口輸入電磁波能量能通過強(qiáng)耦合機(jī)制向陣列口徑面邊緣傳播，從而有效減少了中央單元端口反射。

下面通過一個(gè)具體實(shí)施例來進(jìn)一步說明本發(fā)明。

圖4示出了本發(fā)明的一種小型化寬帶陣列天線實(shí)例，天線單元個(gè)數(shù)為64個(gè)，單元呈8*8的正方形柵格周期排列。周期長(zhǎng)度根據(jù)最高工作頻率進(jìn)行計(jì)算，具體步驟是：天線陣列預(yù)設(shè)工作帶寬為2GHz～3.75GHz，計(jì)算最高工作頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為λ_h＝80mm，最低工作頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)λ_l＝150mm，單元長(zhǎng)度L和寬度H設(shè)置為該波長(zhǎng)的二分之一，即L＝W＝80/2＝40mm。

下層陣列地板的總長(zhǎng)度為M*L＝8*40＝320mm，寬度為M*L＝8*40＝320mm；中間層輻射縫隙寬度設(shè)置為W/10＝4mm，輻射縫隙總長(zhǎng)度為M*L＝320m，邊緣縫隙寬度設(shè)置為W/20＝2mm，邊緣縫隙的總長(zhǎng)度為M*L＝320mm，陣面口徑尺寸為320mm*320mm。

本實(shí)施例的上層阻抗匹配層采用方形金屬片，該方形金屬片幾何中心、輻射縫隙中心與單元反射金屬板幾何中心共軸放置，方形金屬片片的長(zhǎng)和寬均設(shè)置為W/2＝20mm，方形金屬片面積占單元面積的25％。上層阻抗匹配層還可以采用矩形或圓形的金屬片結(jié)構(gòu)。

上層、中間層、下層結(jié)構(gòu)之間保持相互平行放置，中間層與下層相距小于λ_l/10＝15mm，中間層與上層之間相距λ_l/10＝15mm，三層間之間可用絕緣螺釘進(jìn)行固定。

上、中、下層材料均選用厚度為1mm，介電常數(shù)為2.65的聚四氟乙烯雙面覆銅板，經(jīng)印刷工藝制作而成。

每個(gè)單元饋電均采用50Ω同軸電纜直接饋電，同軸內(nèi)芯與中間層饋電正極連接，同軸金屬外皮與中間層饋電負(fù)極焊接。

最終實(shí)際模型可采用公知技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，例如采用全波分析仿真軟件調(diào)用遺傳算法，構(gòu)造帶寬適應(yīng)度函數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，以獲得最寬的陣列阻抗帶寬。

下面通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比來進(jìn)一步說明本發(fā)明效果。

通過模型仿真對(duì)比與測(cè)試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在各端口等幅同相饋電的情況下，該陣列相對(duì)阻抗帶寬(VSWR<3)可以達(dá)到60％以上，與傳統(tǒng)波導(dǎo)縫隙陣列天線阻抗帶寬相比，阻抗帶寬顯著提高。以中心頻率計(jì)算，天線口面尺寸較傳統(tǒng)陣列縮減了30％。天線剖面小于最低工作頻率波長(zhǎng)的十分之一。此外，天線在工作頻帶內(nèi)具有穩(wěn)定的輻射方向圖，其輻射效率大于70％。

本發(fā)明并不局限于上述實(shí)施例，在本發(fā)明公開的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)所公開的技術(shù)內(nèi)容，不需要?jiǎng)?chuàng)造性的勞動(dòng)就可以對(duì)其中的一些技術(shù)特征作出一些替換和變形，這些替換和變形均在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。