本发明属于天线技术领域，涉及一种用于低剖面超宽带阵列天线的阻抗匹配方法。
背景技术：
近年来，随着超宽带相控阵雷达和无线通信系统的发展，具有宽频带，宽角度扫面，低剖面，低交叉极化以及高增益的相控阵阵列天线越来越成为当前研究的热点。传统超宽带阵列天线的设计方法是设计具有宽带特性的天线单元，然后将其组阵。然而由于阵列单元之间的互耦效应，其宽带特性会恶化很多。为了解决超宽带阵列天线设计的问题，全新的超宽带天线设计理念被提出，称之为紧耦合阵列。紧耦合阵列利用阵列元素之间的相互耦合去抵消天线与地板之间电感的影响，而不是去调整或者抑制地平面之间的反射。这种设计方法标志着宽带阵列天线设计的革命性突破。尽管紧耦合阵列天线有许多理想的特性，但需要实施，还需要解决一些关键的挑战，首当其冲的是为了有效实现阵列的带宽，要求一个具有同等带宽的匹配网络，实现阻抗变换和平衡到非平衡端的转换过程。
为了推动紧耦合超宽带阵列天线的发展，各种不同的馈电方法被提出，如商用的无源巴伦，通常带宽不宽，且比较厚重，昂贵。而有源巴伦通常只适合接收系统，应用范围不广，有些匹配电路为了宽带最大化，必须在地平面以下使用厚重的外部巴伦和180度混频器，增加了阵列天线的整体积和费用，集成marchand巴伦的紧耦合超宽带阵列天线(tcda-ib)在没有使用厚重的外部巴伦的情况下实现了较大的带宽，但是匹配电路使用了复杂的多层结构，利用多个过孔来连接不同的线层，因此加工比较复杂。
然而超宽带阵列天线，频带宽，阻抗跨度大，频率较高，窄带的以及集总电路的匹配方法不适用于宽带天线的阻抗匹配。为了适应宽带天线的发展，研究者们相继提出了一些用于超宽带天线阻抗匹配的方法，然而有些限制于加工的工艺难度，如需要进行多层结构设计，或者需要添加额外的厚重的180°混频器而得不到广泛使用，为了解决低剖面超宽带阵列天线阻抗匹配的问题，实现超宽带阵列天线的快速发展，我们需要一种新的低剖面超宽带阵列天线的阻抗匹配方法。
技术实现要素：
为解决上述问题，本发明运用双曲线微带巴伦串联开路线与天线辐射层直接耦合进行匹配，将阵列单元的一臂同时作为辐射层和开路线的地，在不添加其他介质层的情况下将开路线集成到了匹配电路中，保持了阵列天线单元紧凑，小体积，低费用的特点。同时由于双曲线微带巴伦特殊的结构，在实现阻抗变化的同时可以实现平衡-非平衡之间的转换，理论上双曲线微带巴伦可以实现任意两个阻抗之间的阻抗变换，可用于较宽频带内的阻抗匹配。
本发明的技术方案为一种用于低剖面超宽带阵列天线的阻抗匹配方法，包括双曲线微带巴伦、辐射层、开路线和同轴线，方法包括：将双曲线微带巴伦的平衡端的一臂与开路线进行串联，开路线与辐射层直接耦合，双曲线微带巴伦的平衡端的另一臂与辐射层通过金属化过孔连接，双曲线微带巴伦的非平衡端与同轴线焊接，同轴线经双曲线微带巴伦对天线进行馈电。
优选地，所述双曲线微带巴伦的平衡端的一臂串联开路线，再与辐射层直接耦合，形成阻抗匹配电路。
优选地，所述开路线与辐射层共用同一层介质板。
优选地，所述开路线与辐射层为电磁耦合连接。
优选地，所述双曲线微带巴伦为曲线结构。
本发明的有益效果至少包括以下：
1、宽带匹配电路简单，由双曲线微带巴伦串联开路线构成，没有用到复杂的匹配电路；
2、阵列天线单元的一臂同时作为辐射层和开路线的地，辐射层和开路线共用一块介质板，降低了加工难度和材料的费用；
3、开路线的尺寸选择灵活，可以根据阵列单元的阻抗响应灵活调整开路线的特征阻抗和长度；
4、由于双曲线微带巴伦特殊的结构(曲线结构，一端为平衡结构一端为非平衡解结构)，可以实现宽频带内的阻抗匹配，同时实现平衡端(天线)到非平衡端(同轴线)的转换。
附图说明
图1是本发明一实施例的超宽带阵列天线的单元阻抗匹配电路示意图；
图2是本发明一实施例的超宽带阵列天线阻抗匹配方法的结构示意图；
图3是本发明一实施例的超宽带阵列天线阻抗匹配单元结构剖面示意图；
图4是本发明一实施例的超宽带阵列天线的双曲线微带巴伦结构示意图；
图5是本发明一实施例的超宽带阵列天线的双曲线微带巴伦结构侧视图；
图6是本发明一实施例的超宽带阵列天线的阻抗频率响应图；
图7是本发明图一实施例的超宽带天线单元不同匹配阶段的电抗频率响应图；
图8是本发明图一实施例的超宽带天线单元不同匹配阶段的电阻频率响应图；
图9是本发明一实施例的超宽带阵列天线驻波比(vswr)参数示意图；
图10是本发明一实施例的超宽带阵列天线在频率为5ghz时的2d方向图。
上述图中，inputimpedance:输入阻抗
50ωport：50欧姆端口阻抗
resistance:电阻
reactance:电抗
radiator:辐射层
opencircuit：开路线
hyperbolicmicrostripbalun：双曲线微带巴伦；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
参见图1，图1示出本发明一实施例的超宽带天线单元的阻抗匹配电路示意图。zin为天线输入阻抗，天线的结构尺寸频率范围一经确定，其阻抗可以认为是电路的固定负载。这个固定负载通常含有固定的电抗值以及电阻值。天线阻抗匹配的思想之一是首先减小其电抗值，使更多的能量辐射出去，然后进行实阻抗的变换。同时天线作为平衡结构，而我们的同轴馈线为非平衡结构，为了保持天线辐射单元上电流的一致性，阻抗匹配电路还担负着平衡非平衡转换的责任。因此本匹配电路首先将天线与开路线3串联，消减频带内的电抗值，随后通过双曲线微带巴伦5实现阻抗变换，同时由于双曲线微带巴伦5特殊的结构，一端为平衡结构52，一端为非平衡结构53，可以充当平衡与非平衡转换器，即阻抗变压器51，通常我们系统所需的标准阻抗值为50ω。
参见图2-5，所示为本发明一实施例的阻抗匹配电路在超宽带阵列单元的具体实现，包括介质层1以及分别设置在介质层1上方的第一线路层和下方的第二线路层，其中第一线路层为阵列天线的辐射层2，可以看出偶极子单元(即阻抗匹配单元10)在其平衡首尾相连构成紧耦合连臂式结构。第二线路层为与辐射层2进行耦合的开路线3，开路线3以偶极子的一臂为地7，与辐射层2直接耦合，减少了介质层1的使用。辐射层2通过金属化过孔4、金属贴片41与双曲线微带巴伦5的一臂(双曲线微带巴伦5平衡端52的一臂)相连，双曲线微带巴伦5平衡端52的另一臂则与开路线3相接，经过双曲线微带巴伦5的转换，在其初始端(双曲线微带巴伦5的非平衡端53)与同轴线6进行焊接，同轴线6经双曲线微带巴伦5对天线进行馈电。中间的地7用于固定阵列天线的辐射方向。图3为阻抗匹配单元的剖面结构图。
参见图6，所示为超宽带阵列天线单元在频率范围内的阻抗分布。由图中可知，超宽带阵列天线单元在频带范围内有两个谐振频点，由于低频段的谐振频点阻抗波动大，电抗值高，我们优先考虑将此谐振频点设为开路线3的谐振频点，从而确定开路线3的λ/4。
理论分析：在本发明实例中，λ为信号在介质中振动一个周期内传播的距离，一般这个与频率以及介质的材料有关，一般来说，波速在介质中的速度有以下关系
再由开路线3的输入阻抗公式z(-l)＝-jzocotβl,其中l为开路线3输入端距离开路点的距离，zo为开路线3的特征阻抗，β为相位常数，j为复数的一种符号，j2＝-1，β＝2π/λ，可知当取开路线3的长的为谐振频点说对应的时λ/4，输入阻抗为0，而在谐振频率的低频端呈现电容特性，在谐振频率的高频段呈现电感特性，这刚好与所述天线的电抗特性相反，因此可以用于消减其电抗值。
参见图7、图8，是本发明一实施的超宽带阵列天线在不同匹配阶段的阻抗变化示意图。可以看到，当天线与开路线3串联时，第一个谐振频点附近其电抗值有所降低，而在天线的高频附近，其电抗值有所上升。其天线的电阻在串联开路线3后也有所下降，利于下一步的阻抗匹配。在继续加入双曲线微带巴伦5后，其电抗值被匹配到0欧附近，其实部电阻也匹配到50欧姆附近，基本实现整个带宽内的阻抗匹配，达到5.0倍带宽。
参见图9、图10，在本发明实例中，驻波比图和天线辐射方向图(radiationpattren)可以是衡量天线阻抗匹配结果以及是否实现平衡和非平衡转换的重要指标。一般来说对于窄带天线，当其vswr<1.5时能达到优秀，vswr<2.0时基本满足要求，对于超宽带阵列天线，其宽频带内实现vswr<2.0可以认为是较为理想的情况，在图9中，我们看到其匹配后的驻波比小于2.0，基本实现了阻抗变化的要求，同时通过观察图10中远场区的方向辐射图(far-fieldpattern),可以看出其方向图良好，没有较大的畸变，说明我们的匹配电路同样实现了从非平衡端53到平衡端52的转换。
由匹配电路图可知，我们将天线的阻抗看作匹配电路的固定负载，将天线阻抗中的电抗部分作为匹配电路的第一级，利用串联开路线3谐振频点附近电抗与天线电抗相反的特点，进行电抗抵消，然后由双曲线微带巴伦5进一步阻抗变化。天线结构单元在没有增加介质层1的情况下，将开路线3集成到了匹配电路中，简化了加工方法，节省了材料的费用。双曲线微带巴伦5由两条渐变的微带线构成，分为平衡端52和非平衡端53，它将同轴线6馈电口的非平衡电路转变为天线馈电口的平衡电路，因此电路中不需要外置额外的巴伦内进行平衡-非平衡之间的转换，同时由于其自身阻抗渐变的特点，它能实现宽频带内任意两个阻抗之间的转换，实现宽频带内的阻抗匹配。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种用于低剖面超宽带阵列天线的阻抗匹配方法，其特征在于，包括双曲线微带巴伦、辐射层、开路线和同轴线，方法包括：将双曲线微带巴伦的平衡端的一臂与开路线进行串联，开路线与辐射层直接耦合，双曲线微带巴伦的平衡端的另一臂与辐射层通过金属化过孔连接，双曲线微带巴伦的非平衡端与同轴线焊接，同轴线经双曲线微带巴伦对天线进行馈电。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述双曲线微带巴伦的平衡端的一臂串联开路线，再与辐射层直接耦合，形成阻抗匹配电路。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述开路线与辐射层共用同一层介质板。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述开路线与辐射层为电磁耦合连接。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述双曲线微带巴伦为曲线结构。
技术总结