一种侧面加载介质平板的高增益相控天线阵列

摘要

一种侧面加载介质平板的高增益相控天线阵列，包括并列排布有多个天线单元的介质基板，天线单元两侧的介质基板上还平行设置有能够对电磁波进行反射与透射的第一介质平板和第二介质平板，且所述的第一介质平板和第二介质平板关于全部天线单元所组成阵列的阵轴对称设置。本发明具通过在天线单元两侧的介质基板上平行设置能够对电磁波进行反射与透射的第一介质平板和第二介质平板，当反射系数相位接近0时，等效成在垂直于天线阵列阵轴方向组成了一个等间距、不等幅、同相馈电的天线阵列，这样压缩了天线单元垂直于天线阵列阵轴方向的半功率角度，有效提高了天线增益。本发明能够减少天线单元的数量，加工成本低，具有较强的波束扫描能力。

说明书

技术领域

本发明涉及电磁场微波技术，具体涉及一种侧面加载介质平板的高增益相控天线阵列。

背景技术

具有高增益与波束可调特性的天线在通信及无线传感等领域中应用广泛。使用大规模相控阵天线能够实现天线的高增益并且具有波束扫描能力，相控阵中单元天线数量越多，天线增益越高。但是高增益相控阵由于天线单元多，使得馈电系统复杂，且成本较高。

因此，探索低成本、复杂度低的可调天线阵列设计方法是一个重要的研究方向。

Intel在Highly Directional Steerable Antennas文章中提出了使用介质透镜的解决方案，但是该方案存在天线结构笨重，加工难度大的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种侧面加载介质平板的高增益相控天线阵列，该相控天线阵列具有波束扫描能力，并且易于加工，能够降低成本。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

包括并列排布有多个天线单元的介质基板，天线单元两侧的介质基板上还平行设置有能够对电磁波进行反射与透射的第一介质平板和第二介质平板，且所述的第一介质平板和第二介质平板关于全部天线单元所组成阵列的阵轴对称设置。

所述的介质基板上并列排布有4个天线单元，天线单元采用大小为3.35mm*3.7mm的矩形贴片天线，且相邻天线单元中心之间的距离均为6mm。

所述天线单元的中心频率为26GHz，且均使用微带线进行馈电。

所述的介质基板由介电常数为2.55的Neltec NY9225材料制成。

所述介质基板的底面覆铜，介质基板的尺寸为40mm*14mm*0.5mm。

第一介质平板和第二介质平板均由介电常数3.55的Rogers Ro4003材料制成，第一介质平板和第二介质平板的尺寸均为40mm*35mm*1.75mm，二者的间距为8mm。

第一介质平板和第二介质平板的反射系数通过下式进行计算：

式中，θ_i为入射角，θ_t为折射角，β₁为电磁波在空气中的传播常数，β₂为电磁波在介质中的传播常数，d为介质板厚度，Γ₁为入射角为θ_i的平面电磁波由空气入射到介质中的反射系数，T₁为入射角为θ_i的平面电磁波由空气入射到介质中的透射系数，Γ₂为入射角为θ_t的平面电磁波由介质入射到空气中的反射系数，T₂为入射角为θ_t的平面电磁波由介质入射到空气中的透射系数；调节两个介质基板的厚度，使反射系数相位趋于0，得到增益最高的相控天线阵列。

通过增加第一介质平板和第二介质平板的高度，使电磁波被反射的次数增多来提高增益。

通过增加介质基板上并列排布天线单元的数量来提高增益。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：通过在天线单元两侧的介质基板上平行设置能够对电磁波进行反射与透射的第一介质平板和第二介质平板，当反射系数相位接近0时，等效成在垂直于天线阵列阵轴方向组成了一个等间距、不等幅、同相馈电的天线阵列，这样压缩了天线单元垂直于天线阵列阵轴方向的半功率角度，有效提高了天线增益。本发明能够减少天线单元的数量，加工成本低，结合使用相控阵技术，具有较强的波束扫描能力。

附图说明

图1本发明天线单元的结构示意图；

图2本发明的整体结构示意图；

图3本发明介质平板的反射原理示意图；

图4本发明双层介质平板的反射原理示意图；

图5无侧面反射天线阵列增益仿真结果曲线图；

图6本发明天线阵列增益仿真结果曲线图；

附图中：1-天线单元；2-介质基板；3-第一介质平板；4-第二介质平板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1，天线单元1采用大小为3.35mm*3.7mm的矩形贴片天线，天线单元1的中心频率为26GHz，且均使用微带线进行馈电，微带线的线宽为0.38mm，微带线进入天线单元1的深度为0.80mm，天线单元1在微带线进口处开槽，微带线两侧与槽边缘间距为0.14mm。

参见图2，本发明介质基板2上并列排布有4个天线单元1，构成1*4的均匀线阵，相邻天线单元1中心之间的距离均为6mm。介质基板2由介电常数为2.55的Neltec NY9225材料制成，介质基板2的底面覆铜，介质基板2的尺寸为40mm*14mm*0.5mm。

天线单元1两侧的介质基板2上还平行设置有能够对电磁波进行反射与透射的第一介质平板3和第二介质平板4，第一介质平板3和第二介质平板4关于全部天线单元1所组成阵列的阵轴对称设置。天线单元1与两块介质平板的距离相同。第一介质平板3和第二介质平板4均由介电常数3.55的Rogers Ro4003材料制成，第一介质平板3和第二介质平板4的尺寸均为40mm*35mm*1.75mm，两块介质平板的间距为8mm。

参见图3，介质平板的反射系数通过下式进行计算：

式中，θ_i为入射角，θ_t为折射角，β₁为电磁波在空气中的传播常数，β₂为电磁波在介质中的传播常数，d为介质板厚度，Γ₁为入射角为θ_i的平面电磁波由空气入射到介质中的反射系数，T₁为入射角为θ_i的平面电磁波由空气入射到介质中的透射系数，Γ₂为入射角为θ_t的平面电磁波由介质入射到空气中的反射系数，T₂为入射角为θ_t的平面电磁波由介质入射到空气中的透射系数；反射系数幅度主要受介质平板的介电常数与入射角影响，反射系数相位主要受介质平板厚度影响。阵列天线采用将功率分配到两个或多个单元天线上的方法提高了天线增益。

同理，如图4所示，当电磁波斜入射到平板介质时，其中部分功率被反射，部分功率透过介质板透射出去，反射部分可以等效视为一个激励为ΓT的源发射出的。因此，在平行于天线阵轴方向上放置两个相同的介质板，当反射系数相位接近0时，可以等效成在垂直于阵轴方向组成了一个等间距、不等幅、同相馈电的天线阵列，减小了垂直于阵轴方向的半功率角度，提高了天线增益。综合以上的分析，介质平板的高度越高，电磁波被反射的次数越多，垂直于阵轴方向的等效阵列单元数量越多，天线增益越大。此外，介质平板的厚度直接影响了反射系数相位，因此应调节介质板厚度，使反射系数相位接近0，实现提高增益的目的。

图5为没有侧面加载介质平板，天线单元和天线阵列与本发明相同的增益曲线，增益曲线中的最大增益为12.3dB，图6为本发明的增益曲线，最大增益为17.8dB，本方法提高了5.5dB的增益。调节天线阵列馈电相位，天线辐射波束方向改变，从图6看出，本发明天线具有-30°～30°的波束扫描能力。