[发明专利]采用特殊方向图阵元的宽角扫描相控阵天线及设计方法

说明书

本发明属于宽角扫描相控阵天线技术领域，公开了一种采用特殊方向图阵元的宽角扫描相控阵天线及设计方法。所述低剖面相控阵采用具有特殊方向图的子阵作为阵元，实现低剖面相控阵天线在宽扫描角范围内具有平稳的增益或者满足在大扫描角时增益更高的要求；所述特殊方向图在阵列平面的法线方向与最大扫描角度方向之间且靠近最大扫描角度方向对称分布着最大增益方向，形成方向图中心凹陷的特征；阵元方向图的中心凹陷深度根据组阵要求进行设计，阵因子方向性越强，中心凹陷越深。本发明在不改变相控阵的阵因子的前提下，可以实现低剖面相控阵天线在宽扫描角范围内具有平稳的增益，或者满足在大扫描角时增益更高的要求。

技术领域

本发明属于宽角扫描相控阵天线技术领域，尤其涉及一种采用特殊方向图阵元的宽角扫描相控阵天线及设计方法。

背景技术

当前，宽角扫描相控阵天线的有广泛的应用需求。在移动通信领域，应用于4.5G和5G中的大规模MIMO技术(massive MIMO)，需要基站天线具备宽角扫描能力，实现在扫描范围内对本小区有效的均匀覆盖。在星载天线领域中，对于近地轨道卫星，也要求其搭载的相控阵天线对覆盖区域内实现有效的覆盖。由于近地卫星距离地面的竖直高度远小于地球的半径，当扫描到最大角度，卫星与地面的距离，也就是实际的电波传播距离，会远大于卫星与地面的竖直距离。为了实现覆盖范围内的信号强度基本均匀，要求天线阵列在最大扫描角时的增益比扫描角为零度时的增益高得多，以补偿更远的传播距离。传统方法设计的常规宽角扫描相控阵天线在零度扫描角一般具有很高的增益，但是，在扫描范围超过±45度以后，增益下降非常显著。因此，采用传统方法设计宽角扫描相控阵天线，当最大扫描角对应的增益满足要求时，零度扫描角对应的增益必定出现很大的冗余。而这种冗余增益往往是以更大的阵列尺寸、更复杂的天线结构、重量以及更大的功耗作为代价获取的，这与实际应用中的各种限制形成尖锐的矛盾。这是因为在实际的应用场景中，各种系统组件及相控阵天线必须高密度地集成安装于有限的平台上，天线的结构必须尽可能地紧凑和小型化，因此上述冗余增益设计方法在绝大多数的实际应用中是难以实现的。为了解决大扫描角增益显著下降的问题，还有其它一些技术方案，其中一种思路是将天线阵面做成弧形(可看做是多个平面阵的组合)，但是这种天线具有较高的剖面(高度)，这跟高密度集成环境下天线阵具有低剖面的要求相矛盾，因此大大限制了这类天线可以应用的场景。可重构天线的概念也被借鉴并用以解决相控阵天线的宽角扫描问题，即利用方向图可重构天线代替传统的天线单元，当阵列进行大角度扫描时，可将单元方向图的指向切换到阵列的扫描方向，从而抑制大角度扫描时的增益下降问题。方向图可重构单元需要通过若干个开关来控制单元方向图的切换，会额外增加相控阵的控制难度。基于平面反射阵的解决方案结合了传统抛物反射面天线辐射效率高以及平面天线剖面低两方面的优势，该方案实现简单，效率高，但仅适用于扫描范围适中的应用场景，并且也存在大角度扫描时增益下降的问题。德国乌尔姆大学的Tobias Chaloun等人基于折叠式反射阵天线的理论设计并制造了一种工作于Ka频段上的具备宽角扫描能力的双极化叠层式反射阵天线，该天线阵由下方的若干天线单元及上方的极化栅格组成，可实现±60°的扫描角域，但是该阵列的每个单元下面都必须设计有源电路来调整单元的幅度和相位，单元的设计过于复杂且成本较高。根据天线理论，天线阵的增益等于阵因子增益与阵元的增益之和。在实际应用中，当阵因子增益确定后，影响天线阵增益的主要因素就是阵元的增益。传统阵元的最大辐射方向一般在天线阵平面的法线方向，在偏离最大辐射方向较大的角度上，阵元的增益明显下降，从而导致天线阵的增益显著降低。因此，改变阵元增益方向图的形状可从根本上解决宽角扫描相控阵天线的大角度扫描增益下降问题。

综上所述，目前的宽角扫描相控阵天线普遍存在大角度扫描时增益下降，或者阵元设计过于复杂等问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种采用特殊方向图阵元的宽角扫描相控阵天线及设计方法。