[发明专利]采用互补天线的宽带阵列天线

说明书

技术领域

本发明涉及利用自互补天线结构的天线，并且更加具体地讲，是利用少量电 介质片获得宽带阵列天线。

背景技术

自互补天线是与频率无关的天线的基本范例。它们以单一天线元件和天线阵 列存在。众所周知，平面自互补天线具有Z₀/2＝188.5Ω的恒定阻抗，即，空间 固有阻抗的一半。由于平面自互补天线阵列向上和下两个方向都进行辐射，即， 双向辐射，因此插入背衬接地平面的影响是破坏性的[1]。接地平面的影响可以 借助天线元件和接地平面之间的雷达吸收材料来减小。这以雷达吸收材料中吸收 掉一半功率为代价给出了一种宽带阵列。在本文中，示出了在平面自互补天线元 件上叠置电介质片能够减小接地平面的恶化影响，并且因此可被用来设计超带宽 天线。电介质片起到滤波器的作用并且变换从天线元件看到的阻抗。将这些片选 择成具有相等的光学厚度，并且因此，类似于宽带匹配中四分之一波长变换器的 用途[2]。针对无限大天线阵列给出了数值结果，该无限大天线阵列在两个电介 质片的情况下，在-13dB处具有4.7∶1的宽面带宽，而在三个电介质片的情况下， 在-17dB处具有5.5∶1的宽面带宽。

使用电介质片来提高天线性能不是新技术。可以使用电介质片来进行[3]中 所示的平面阵列的大角度阻抗匹配。在[2]中，还示出了，可以使用电介质片来 提高由紧密间隔的偶极子构成的阵列的带宽。

发明内容

使用薄电介质片(‘电介质底衬(under-ware)’)作为缀片阵列(patch array) 的环境保护。我们观察到，所述薄电介质片几乎根本不会改变阻抗。由于互补阵 列的恒定阻抗特性，因此接地平面的影响是破坏性的。改变接地平面距离的效果 主要是在史密斯圆图中阻抗的旋转和拉伸，即，频率变标。一种包括缀片元件和 接地平面的宽带天线阵列，其中所述阵列构成提供大带宽的无限大自互补结构并 且采用了处于天线元件上方的电介质片，由此这些电介质片将会使天线元件的阻 抗与自由空间匹配。在典型的实施方式中，使用了至少三个电介质片，由此每个 电介质片为输入阻抗添加了一个环形，正如在史密斯圆图中可以直观地看到的。

附图说明

本发明连同它的其它目的和优点可以通过与附图相结合地参阅下面的说明来 得到最佳理解，其中：

图1a以顶视图形式图解说明阵列的几何结构，其中无限大阵列由沿着角周期性重 复的正方形理想电导体(PEC)缀片组成；

图1b以侧视图形式图解说明将光学厚度为d的电介质片叠置在缀片上方的情况；

图2总体上图解说明在按照以GHz为单位的频率进行宽面扫描的情况下仿真的阻 抗；

图2a缀片阵列为中心点，缀片阵列与环境保护一起为离开中心的短弧，接地平面 将阻抗变换为旋转大约Z₀/2；

图2b在相对于175Ω对阻抗进行了归一化的情况下，对于单独一个ε₁＝4的电介 质片，给出了4∶1的-10dB带宽；

图2c在相对于120Ω对阻抗进行了归一化的情况下，对于d＝8mm、ε₁＝7和ε₂＝3的两个电介质片的情况，给出了4.7∶1的-13dB带宽；

图2d在相对于120Ω对阻抗进行了归一化的情况下，对于d＝8mm、ε₁＝7.2和ε₂＝3.4和ε₃＝1.8的三个电介质片的情况，给出了5.5∶1的-17dB带宽；

图3a图解说明针对两个电介质片的情况，对H-平面的30°，45°和60°的扫描角度相 对于120Ω进行了归一化的仿真反射系数；

图3b图解说明针对两个电介质片的情况，对E-平面的30°，45°和60°的扫描角度相 对于120Ω进行了归一化的仿真反射系数；

图4a图解说明针对三个电介质片的情况，对H-平面的30°，45°和60°的扫描角度相 对于120Ω进行了归一化的仿真反射系数；

图4b图解说明针对三个电介质片的情况，对E-平面的30°，45°和60°的扫描角度相 对于120Ω进行了归一化的仿真反射系数；

图5a图解说明具有两个电介质片的缀片的参数研究，此时对阻抗进行了仿真，并 且相对于120Ω对阻抗进行了归一化，并且在固定的接地平面距离d＝10mm且电 介质片固定不变的情况下缀片宽度发生变化；