[发明专利]一种二维相控阵阵列天线

说明书

本发明公开了一种二维相控阵阵列天线，包括复数个天线单元，所述的天线单元为低剖面行波介质的天线单元，复数个低剖面行波介质的天线单元以M行N列的方式进行组阵，3≤M≤5，3≤N≤5；组阵的阵间距为0.5～0.8λ，λ为低剖面端射天线单元工作频率下电磁波的波长。本发明的阵列天线解决了高增益天线组阵密集化、小口径化的问题，天线结构紧凑，占用横向面积小，在同口径下，本发明的二维阵列天线比传统阵列天线辐射增益高，即口径效率高。本发明的二维相控阵阵列天线可实现高增益的二维±20°波束扫描，适用于飞行器侧面或移动通信基站等需要小型化，高增益天线的平台。

[技术领域]

本发明涉及微波天线，尤其涉及一种二维相控阵阵列天线。

[背景技术]

大规模MIMO技术伴随着5G的发展已经开始了广泛的应用，在未来6G通信系统中，大规模MIMO技术也将扮演非常重要的角色。一般在5G/6G基站天线端的天线阵列规模至少在64个单元以上，如此多数量的天线单元如果不紧凑排列的话，会使得天线阵列的整体尺寸过大，这样会给基站选址以及架设增加许多成本。但是如果将天线单元的间距缩小之后，阵列内端口间的隔离度会出现明显的恶化，进而影响整个无线通信系统的系统容量，这显然与发展5G/6G的初衷背道而驰。如何在缩小天线单元间距的同时保证端口隔离度、保证阵列的高增益有现实的研究意义。

如今，5G在商用的道路上高歌猛进，对大规模MIMO天线阵列的需求也越来越大。国内外选择组阵的天线单元一般是结构简单的微带天线或者平面偶极子天线，这两类天线单元口径基本上都是半个波长为直径的圆面。为实现5G三维波束赋形、空间分集、空分复用的特点，将上述两类天线进行组阵。

然而，为实现5G以及未来6G通信网络高速率、低时延、节能减耗、高容量及高可靠性等特性，就需要大规模MIMO天线阵列的大量布置，且5G天线单元将辐射单元与远端射频单元(RRU)进行整合，构成有源天线单元(AAU)，重量相较于只有辐射单元而言增重不少。给空间、承重有限的基站带来沉重负担。现有的高增益天线通常为大规模阵列或者高口径效率阵列，对于大规模阵列来说，阵元间距通常为0.7倍工作频率下的电磁波波长，此时，要想获得高增益辐射，阵列规模会达到几百或几千个单元，占用横向面积巨大，难以应用于空间有限的平台。另一方面，可以通过增加天线的口径效率在不增加横向面积的同时增加阵列天线的增益。现有的高口径效率天线通常采用人工超材料，透镜等方式增加口径效率，但是它们的口径效率还是小于100％。此外，大口径天线阵列还具有装配难度大、环境鲁棒性差、不够美观等缺点。

[发明内容]

本发明要解决的技术问题是提供一种口径效率高的二维相控阵阵列天线。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种二维相控阵阵列天线，包括复数个天线单元，所述的天线单元为低剖面行波介质的天线单元，复数个低剖面行波介质的天线单元以M行N列的方式进行组阵，3≤M≤5，3≤N≤5；组阵的阵间距为0.5～0.8λ，λ为低剖面端射天线单元工作频率下电磁波的波长。

以上所述的二维相控阵阵列天线，低剖面行波介质的天线单元包括长条形、高介电常数的介质板、金属地板、振子和同轴线连接器，金属地板固定在介质板的底面上，振子印刷在介质板的顶面上，靠近天线单元沿介质板长轴方向的后端，天线单元沿介质板长轴方向的前端为收发端；振子包括复数个阻抗匹配条和环形金属振子，复数个阻抗匹配条布置在天线单元沿介质板长轴方向的最后端，环形金属振子布置在阻抗匹配条的前方；同轴线连接器布置在环形金属振子的下方，外壳与金属地连接，内芯穿过介质板与环形金属振子连接；阻抗匹配条分别通过介质板中的金属过孔与金属地板连接。

以上所述的二维相控阵阵列天线，介质板的介电常数ε_r为10～10.4；介质板的高度H＝0.07～0.09λ，长度L＝2～2.4λ，宽度W0.3λ；金属地板的长度等于介质板的长度，宽度小于0.5λ。