[發(fā)明專利]采用特殊方向圖陣元的寬角掃描相控陣天線及設計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710614173.6
• 申請日: 2017-07-25
• 公開（公告）號: CN107546478B
• 公開（公告）日: 2021-04-20
• 發(fā)明（設計）人: 鄒艷林;孔曉佳;薛裕曉;郭景麗;王勇;孫保華
• 申請（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H01Q1/38
• 分類號: H01Q1/38;H01Q1/50;H01Q9/20;H01Q21/29
• 代理公司: 陜西電子工業(yè)專利中心 61205
• 代理人: 王品華

本發(fā)明屬于寬角掃描相控陣天線技術領域，公開了一種采用特殊方向圖陣元的寬角掃描相控陣天線及設計方法。所述低剖面相控陣采用具有特殊方向圖的子陣作為陣元，實現(xiàn)低剖面相控陣天線在寬掃描角范圍內(nèi)具有平穩(wěn)的增益或者滿足在大掃描角時增益更高的要求；所述特殊方向圖在陣列平面的法線方向與最大掃描角度方向之間且靠近最大掃描角度方向?qū)ΨQ分布著最大增益方向，形成方向圖中心凹陷的特征；陣元方向圖的中心凹陷深度根據(jù)組陣要求進行設計，陣因子方向性越強，中心凹陷越深。本發(fā)明在不改變相控陣的陣因子的前提下，可以實現(xiàn)低剖面相控陣天線在寬掃描角范圍內(nèi)具有平穩(wěn)的增益，或者滿足在大掃描角時增益更高的要求。

技術領域

本發(fā)明屬于寬角掃描相控陣天線技術領域，尤其涉及一種采用特殊方向圖陣元的寬角掃描相控陣天線及設計方法。

背景技術

當前，寬角掃描相控陣天線的有廣泛的應用需求。在移動通信領域，應用于4.5G和5G中的大規(guī)模MIMO技術(massive MIMO)，需要基站天線具備寬角掃描能力，實現(xiàn)在掃描范圍內(nèi)對本小區(qū)有效的均勻覆蓋。在星載天線領域中，對于近地軌道衛(wèi)星，也要求其搭載的相控陣天線對覆蓋區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)有效的覆蓋。由于近地衛(wèi)星距離地面的豎直高度遠小于地球的半徑，當掃描到最大角度，衛(wèi)星與地面的距離，也就是實際的電波傳播距離，會遠大于衛(wèi)星與地面的豎直距離。為了實現(xiàn)覆蓋范圍內(nèi)的信號強度基本均勻，要求天線陣列在最大掃描角時的增益比掃描角為零度時的增益高得多，以補償更遠的傳播距離。傳統(tǒng)方法設計的常規(guī)寬角掃描相控陣天線在零度掃描角一般具有很高的增益，但是，在掃描范圍超過±45度以后，增益下降非常顯著。因此，采用傳統(tǒng)方法設計寬角掃描相控陣天線，當最大掃描角對應的增益滿足要求時，零度掃描角對應的增益必定出現(xiàn)很大的冗余。而這種冗余增益往往是以更大的陣列尺寸、更復雜的天線結(jié)構(gòu)、重量以及更大的功耗作為代價獲取的，這與實際應用中的各種限制形成尖銳的矛盾。這是因為在實際的應用場景中，各種系統(tǒng)組件及相控陣天線必須高密度地集成安裝于有限的平臺上，天線的結(jié)構(gòu)必須盡可能地緊湊和小型化，因此上述冗余增益設計方法在絕大多數(shù)的實際應用中是難以實現(xiàn)的。為了解決大掃描角增益顯著下降的問題，還有其它一些技術方案，其中一種思路是將天線陣面做成弧形(可看做是多個平面陣的組合)，但是這種天線具有較高的剖面(高度)，這跟高密度集成環(huán)境下天線陣具有低剖面的要求相矛盾，因此大大限制了這類天線可以應用的場景。可重構(gòu)天線的概念也被借鑒并用以解決相控陣天線的寬角掃描問題，即利用方向圖可重構(gòu)天線代替?zhèn)鹘y(tǒng)的天線單元，當陣列進行大角度掃描時，可將單元方向圖的指向切換到陣列的掃描方向，從而抑制大角度掃描時的增益下降問題。方向圖可重構(gòu)單元需要通過若干個開關來控制單元方向圖的切換，會額外增加相控陣的控制難度。基于平面反射陣的解決方案結(jié)合了傳統(tǒng)拋物反射面天線輻射效率高以及平面天線剖面低兩方面的優(yōu)勢，該方案實現(xiàn)簡單，效率高，但僅適用于掃描范圍適中的應用場景，并且也存在大角度掃描時增益下降的問題。德國烏爾姆大學的Tobias Chaloun等人基于折疊式反射陣天線的理論設計并制造了一種工作于Ka頻段上的具備寬角掃描能力的雙極化疊層式反射陣天線，該天線陣由下方的若干天線單元及上方的極化柵格組成，可實現(xiàn)±60°的掃描角域，但是該陣列的每個單元下面都必須設計有源電路來調(diào)整單元的幅度和相位，單元的設計過于復雜且成本較高。根據(jù)天線理論，天線陣的增益等于陣因子增益與陣元的增益之和。在實際應用中，當陣因子增益確定后，影響天線陣增益的主要因素就是陣元的增益。傳統(tǒng)陣元的最大輻射方向一般在天線陣平面的法線方向，在偏離最大輻射方向較大的角度上，陣元的增益明顯下降，從而導致天線陣的增益顯著降低。因此，改變陣元增益方向圖的形狀可從根本上解決寬角掃描相控陣天線的大角度掃描增益下降問題。

綜上所述，目前的寬角掃描相控陣天線普遍存在大角度掃描時增益下降，或者陣元設計過于復雜等問題。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明提供了一種采用特殊方向圖陣元的寬角掃描相控陣天線及設計方法。