本發(fā)明涉及微波天線，具體涉及一種具有寬波束掃描的超寬帶頻率可重構(gòu)緊耦合偶極子陣列。

背景技術(shù)：

1、隨著現(xiàn)代通信系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊笕找嬖黾?，相關(guān)的終端設(shè)備需要覆蓋多種無線設(shè)備、提供快速的網(wǎng)絡(luò)連接以及保持穩(wěn)定可靠的網(wǎng)絡(luò)連接。這些需求使得天線陣列設(shè)計面臨新的挑戰(zhàn)，如支持多頻段工作和進(jìn)行廣角波束掃描以擴(kuò)大服務(wù)覆蓋范圍。在此背景下，超寬帶(uwb)相控陣列憑借其寬角掃描能力成為解決上述問題的有效方案。

2、緊耦合偶極子陣列基于維勒電流片理論，因其寬帶寬、尺寸緊湊、低剖面和優(yōu)異的交叉極化性能而受到廣泛關(guān)注。典型的緊耦合偶極子陣列可實現(xiàn)5:1的帶寬，主要通過元件間的耦合作用。然而，地平面的短路效應(yīng)限制了帶寬的進(jìn)一步擴(kuò)展。為克服這一限制，研究者嘗試在偶極子與地平面之間插入阻性卡片作為吸收器，以此抵消短路效應(yīng)，從而將帶寬提升至10:1倍頻以上，但這種設(shè)計會降低陣列的輻射效率。另一種帶寬擴(kuò)展方法是使用極化轉(zhuǎn)換地板，帶寬增加到15:1以上，但由于交叉極化鑒別度惡化，導(dǎo)致該方案僅適用于極化不敏感的使用場景。

3、大空間覆蓋也是實際相控陣列的關(guān)鍵方面。寬角阻抗匹配(waim)結(jié)構(gòu)作為減少波束掃描相關(guān)的阻抗變化并擴(kuò)大掃描范圍的有用方法被引入。例如，簡單有效的waim設(shè)計采用單層或多層介電覆蓋層，掃描范圍可達(dá)60°。然而，這些設(shè)計增加了系統(tǒng)的成本和重量。其他基于印刷電路板的寬角阻抗匹配結(jié)構(gòu)設(shè)計則較輕，頻率選擇表面形式的阻抗匹配結(jié)構(gòu)布局與偶極子印刷在同一電路板上，覆蓋掃描范圍為{±75°,±70°,±60°}，帶寬為6.1:1且vswr小于3.2。然而，隨著工作帶寬增加到9:1或更高，h平面掃描性能顯著下降，即vswr超過6。使用超表面的寬角阻抗匹配結(jié)構(gòu)設(shè)計，已用于在特定平面內(nèi)實現(xiàn)最大70°的掃描角度，同時具有低剖面、低成本或易于加工等優(yōu)點。然而，它們的帶寬均小于10:1。盡管在各種寬角阻抗匹配結(jié)構(gòu)的設(shè)計方面取得了顯著進(jìn)展，但大多數(shù)研究集中在不足十倍帶寬的范圍內(nèi)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：

2、為了克服現(xiàn)有技術(shù)中擴(kuò)展陣列帶寬時存在的寬角掃描駐波及輻射效率下降或交叉極化鑒別度惡化等問題，本發(fā)明提出一種具有寬波束掃描的超寬帶頻率可重構(gòu)緊耦合偶極子陣列，既能夠擴(kuò)展陣列工作帶寬且不犧牲輻射效率和交叉極化鑒別度，又能夠適合于10:1倍頻工作帶寬以上的寬角阻抗匹配結(jié)構(gòu)以保證良好的寬角掃描駐波。

3、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

4、一種具有寬波束掃描的超寬帶頻率可重構(gòu)緊耦合偶極子陣列，其特征在于，包括若干個天線單元；所述天線單元包括緊耦合偶極子輻射單元、可重構(gòu)層、寬角阻抗匹配結(jié)構(gòu)、饋電結(jié)構(gòu)以及金屬地板；

5、所述寬角阻抗匹配結(jié)構(gòu)、緊耦合偶極子輻射單元、饋電結(jié)構(gòu)從上至下依次位于第一介質(zhì)板上，所述第一介質(zhì)板垂直水平面放置；

6、所述可重構(gòu)層、金屬地板與所述第一介質(zhì)板垂直相交放置，且所述可重構(gòu)層位于所述金屬地板上方。

7、本發(fā)明進(jìn)一步的技術(shù)方案：所述寬角阻抗匹配結(jié)構(gòu)包括兩層雙面電容加載環(huán)，其中上層的雙面電容加載環(huán)對稱設(shè)置于第一介質(zhì)板的正反面；下層的雙面電容加載環(huán)對稱設(shè)置于第一介質(zhì)板的正反面。

8、本發(fā)明進(jìn)一步的技術(shù)方案：所述雙面電容加載環(huán)的下方開口，用于引入電容。

9、本發(fā)明進(jìn)一步的技術(shù)方案：所述緊耦合偶極子輻射單元包括印制在第一介質(zhì)板反面的一對偶極子臂、印制在第一介質(zhì)板正面的第一對耦合片以及印制在第二介質(zhì)板反面的第二對耦合片；其中，第二介質(zhì)板的正面與第一介質(zhì)板的反面疊合在一起，第一對耦合片和第二對耦合片成對稱分布。

10、本發(fā)明進(jìn)一步的技術(shù)方案：所述饋電結(jié)構(gòu)包括短路探針和錐削型巴倫，所述短路探針上端與第一對耦合片相連，下端與金屬地板相連；所述短路探針穿過其位于可重構(gòu)層下方的位置處設(shè)計有共面帶線形式的電容結(jié)構(gòu)；所述錐削型巴倫上端與偶極子臂中心點相連，下端與sma接頭相連。

11、本發(fā)明進(jìn)一步的技術(shù)方案：所述錐削型巴倫錐削型巴倫由印刷在第一介質(zhì)板兩側(cè)的金屬覆層組成，用于進(jìn)行平衡-不平衡的饋電結(jié)構(gòu)變換；下方一側(cè)金屬寬，一側(cè)金屬窄，屬于不平衡的微帶線結(jié)構(gòu)；上方兩側(cè)的金屬覆層寬度相同，屬于平衡的帶線結(jié)構(gòu)；巴倫的金屬覆層由下至上寬度逐漸變窄，用于將50ω的特性阻抗逐漸匹配至偶極子的饋電點。

12、本發(fā)明進(jìn)一步的技術(shù)方案：所述可重構(gòu)層包括第三介質(zhì)板和位于第三介質(zhì)板上的四個印刷有帶交趾結(jié)構(gòu)的金屬貼片和偏置電路；沿著偶極子臂方向的相鄰貼片之間設(shè)計有pin二極管，用于控制可重構(gòu)層調(diào)節(jié)反射波的相位響應(yīng)；相鄰金屬貼片通過偏置電路提供偏置電壓從而控制pin二極管的通斷。

13、本發(fā)明進(jìn)一步的技術(shù)方案：所述金屬地板中間設(shè)置有中間寬兩邊窄的槽，用于饋電結(jié)構(gòu)在其中穿過且不會對饋電性能產(chǎn)生影響。

14、本發(fā)明進(jìn)一步的技術(shù)方案：還包括強(qiáng)度支撐層，所述強(qiáng)度支撐層位于金屬地板的下方，用于固定第一介質(zhì)板。

15、一種具有寬波束掃描的超寬帶頻率可重構(gòu)緊耦合偶極子陣列的調(diào)試方法，其特征在于，包括：

16、通過調(diào)節(jié)雙面電容加載環(huán)的電尺寸、數(shù)量以及雙面電容加載環(huán)的縱向位置，可對陣列在兩個可重構(gòu)狀態(tài)覆蓋的超過14:1倍頻范圍內(nèi)的寬角阻抗匹配特性進(jìn)行優(yōu)化；

17、通過調(diào)節(jié)偶極子臂的電寬度和耦合片的電尺寸來優(yōu)化陣列的阻抗匹配特性；

18、通過調(diào)節(jié)可重構(gòu)層上的二極管的通斷狀態(tài)，控制可重構(gòu)層的可重構(gòu)狀態(tài)切換。

19、本發(fā)明的有益效果在于：

20、本發(fā)明提出的一種具有寬波束掃描能力的超寬帶頻率可重構(gòu)緊耦合偶極子陣列，創(chuàng)新性地提出了可重構(gòu)層和雙層雙面電容加載環(huán)結(jié)構(gòu)用于實現(xiàn)超寬帶陣列的頻率可重構(gòu)功能，同時有效地保證了其高輻射效率和大角度掃描能力。此外，本發(fā)明還創(chuàng)新性地設(shè)計了含電容加載短路引腳的饋電結(jié)構(gòu)，確保了在其超寬帶的工作頻段內(nèi)的無共模諧振。

21、在超寬帶緊耦合偶極子陣列中，振子向上輻射的電磁波(直射電磁波)和向下輻射經(jīng)過地板反射的能量(反射電磁波)在特定頻段反相疊加，這會導(dǎo)致短路頻段的產(chǎn)生從而影響超寬帶陣列的工作帶寬。通過創(chuàng)新性地引入可重構(gòu)層，調(diào)控直射電磁波和反射電磁波之間的相位關(guān)系，使其一直保持在同相狀態(tài)，從而重構(gòu)和擴(kuò)展陣列的工作帶寬。

22、雙層雙面電容加載環(huán)能夠提升兩個狀態(tài)下陣列的波束掃描性能，有效減少寬角度掃描時的阻抗變化，提升阻抗匹配性能。它與偶極子臂共面配置，設(shè)計輕巧，易于制造。單層雙面電容加載環(huán)(clls)的工作頻帶較窄，無法同時優(yōu)化兩個頻段的寬角掃描和阻抗匹配特性，第二層的引入能夠有效解決這個問題。此外，通過在介質(zhì)板的另一側(cè)鏡像式地引入相同尺寸的雙層電容加載環(huán)，能夠進(jìn)一步擴(kuò)展兩種可重構(gòu)狀態(tài)的帶寬。

23、饋電結(jié)構(gòu)中創(chuàng)新性地引入了帶電容加載的短路探針，這種方式有效解決了兩個可重構(gòu)狀態(tài)中的共模諧振問題。普通探針雖然能對高頻狀態(tài)時產(chǎn)生的共模諧振起到一定的調(diào)諧作用，但會在低頻狀態(tài)下引入環(huán)路諧振，破壞陣列的阻抗匹配特性。在短路探針中創(chuàng)新性地引入電容結(jié)構(gòu)，能夠有效一直低頻狀態(tài)時產(chǎn)生的共模諧振。因此，這種創(chuàng)新型的短路探針結(jié)構(gòu)能夠有效抑制兩個可重構(gòu)狀態(tài)產(chǎn)生的共模諧振且不會在工作頻段內(nèi)產(chǎn)生新的環(huán)路諧振。此外，電容加載被設(shè)計在了可重構(gòu)層下方，這樣使得該結(jié)構(gòu)不會影響傳統(tǒng)短路探針帶來的高頻狀態(tài)共模諧振抑制能力。