CN101420067B - 利用异向介质材料天线罩的多波束天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用条状金属单元结构天线罩的多波束天线。包括全向辐射的偶极子天线和三组由条状金属构成的金属阵列和天线罩，天线罩和偶极子天线平行放置，在偶极子天线后面平行放置金属板，且偶极子天线的两条金属臂与天线罩上的条状金属平行，偶极子天线放置在天线罩的中心位置。通过改变电路板之间的距离来调节为零，从而得到在某个工作点上它的折射率为零，当辐射源发射的电磁波通过该天线罩时，电磁波从天线罩多个平面的法线方向出射，得到了多个高增益的窄波束。本发明结构简单，每个波束能量平均，且可根据需要分布.增益高的特点，可应用于通信、雷达等各种无线传输和需要多波束高增益辐射的发射接收系统中。

Description

利用异向介质材料天线罩的多波束天线

技术领域

本发明涉及一种无限通信领域的发射接收系统的天线，特别是涉及一种利用条状金属单元结构天线罩的多波束天线。

背景技术

随着高新技术的飞速发展，电子技术在军事和民用中的核心支撑作用越来越明显。特别是现代战争更加剧了电磁领域的对抗。战场态势瞬息万变，信息交流更加频繁，必须随时保障通信畅通，因此拥有强有力的抗干扰通信和通信干扰工具显得尤为重要。而在民用方面，移动通信是当今社会十分普及的技术应用，移动电话已经成为了人们必备的通信工具。

近十年来，随着移动通信、宽带商用通信技术的发展，星载多波束天线技术受到了各国的普遍重视，发展迅速。多波束天线已经成为下一代卫星天线的发展方向。各国均开展了多波束天线的研制和相关关键技术的攻关，并取得了重大进展。天线设计及波束设计是多波束天线的关键技术之一。

但是很多传统的多波束天线，都存在很大的缺陷。例如用反射面天线实现多波束时，为了避免由于馈源阵尺寸庞大而造成的遮挡影响，天线采用偏置抛物面形式，馈源阵处在焦平面上。但是这种方法造成了多波束间能量和方向性差别很大.而在阵馈反射面类型和多元阵类型的多波束天线中，波束形成网络往往非常复杂，而且还带来了相当的插入损耗，增加了天线的体积和质量。因此，在实际多波束天线制作中，反射面天线的口径D、焦距F、喇叭尺寸以及馈源阵的排列、工作频率的选择等等，这些因素相互制约。波束设计就是用一组合适的波束来覆盖服务区。优化过程是在综很多种因素、兼顾不同需求的条件下，反复比较、筛选中完成的。在天线设计及波束优化中需要考虑和满足下列要求：子波束指向地图上的指定位置。为使系统能正常运行，服务区内波束增益的起伏应控制在2dB左右。子波束交接电平的选择应兼顾上、下行工作频率及中心波束与边缘波束。高增益、低旁瓣和高波束效率的要求。综上所述，利用传统方法制作一个高指标的多波束天线相当难.

发明内容

为了克服现有的多波束天线存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种利用条状金属单元结构天线罩的多波束天线，使其能够达到减少波束宽度，提高增益和方向性，任意设计波束方向，降低天线尺寸的效果，用以解决传统多波束天线在移动通信中由于体积庞大行动不能自如、多波束间能量分布不均、方向性差，能耗大，移动性能差，拆装不便，成本高等问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

包括全向辐射的偶极子天线和三组由条状金属构成的金属阵列，每一组金属阵列至少由3层金属阵列平行排列成等距的由内向外逐步扩大的等边三角形形状，三组金属阵列成120度角排列成半个正六边行形状的天线罩，天线罩和偶极子天线平行放置，在偶极子天线后面平行放置金属板，且偶极子天线的两条金属臂与天线罩上的条状金属平行，偶极子天线放置在天线罩的中心位置。

所述的偶极子天线通过SMA接头馈电，偶极子天线辐射出的电磁波的极化方向为垂直极化，即平行于条状金属。

所述的条状金属为周期排列在介电常数为4.6厚度为1毫米的FR4板上，条状金属的宽度为1毫米，长度9毫米，条状金属的水平间隔为1毫米，金属阵列垂直间隔1毫米，垂直方向共排列15个条状金属结构，共150毫米，每片FR4板之间的距离为15毫米，一共有5层FR4板。

本发明与背景技术相比具有的有益效果是：

由以上技术方案可知，偶极子阵辐射的无线电磁波经过等效折射率为零的条状金属结构天线罩，能量集中在天线罩3个口径的法线方向。天线的波束被分开.成60度角度辐射出去，并且3个方向的方向性得到提高.

本发明在雷达定位系统中使用，可以有效的区分不同目标的位置，准确的定位目标位置。

本发明在定向传输系统中使用，本发明天线的指向性高，半功率波束宽度窄，可以在定向传输中可以最大限度的降低能量随距离的衰减，并有效的防止于其他通讯信号的干扰以及敌方的拦截。

本发明改善传统天线增益过低而影响通讯距离的缺陷。由于本发明天线有汇聚波束能量的效果，使主传输方向的天线增益大于一般的同种类的传统天线大大提高了通讯距离，同时提高通讯质量，降低能耗及对他人的干扰。

本发明用于卫星等体积小，载重量少的高精度仪器中，可以较小仪器的负担，降低能耗。

综上所述，本发明提供新型结构的高指向高增益的利用条状金属结构天线罩的微带天线，不论是在结构上或是功能上都有较大的改进，且在技术上由较大的进步，并产生了实用的效果，确实具有增进的功效，从而更加适于实用。

附图说明

图1是利用条状金属结构天线罩的多波束天线整体结构。

图2是天线罩的条状金属单元结构。

图3是条状金属结构天线罩某个口径的正视图。

图中：1、偶极子天线，2、天线罩，3、金属板，4、条状金属。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明包括全向辐射的偶极子天线1和三组由条状金属4构成的金属阵列，每一组金属阵列至少由3层金属阵列平行排列成等距的由内向外逐步扩大的等边三角形形状，三组金属阵列成120度角排列成半个正六边行形状的天线罩2，天线罩2和偶极子天线1平行放置，在偶极子天线1后面平行放置金属板3，且偶极子天线1的两条金属臂与天线罩2上的条状金属平行，偶极子天线1放置在天线罩2的中心位置。

所述的偶极子天线1通过SMA接头馈电，偶极子天线1辐射出的电磁波的极化方向为垂直极化，即平行于条状金属。

如图2(a)、图2(b)、图3所示，所述的条状金属4为周期排列在介电常数为4.6厚度为1毫米的FR4板上，条状金属的宽度为1毫米，长度9毫米，条状金属的水平间隔为1毫米，金属阵列垂直间隔1毫米，垂直方向共排列15个条状金属结构，共150毫米，每片FR4板之间的距离为15毫米，一共有5层FR4板。

全向辐射天线辐射的无线电磁波通过天线罩2，由于天线罩2的等效天线罩2折射率为0，所以从天线罩2三个口径出射的能量的出射角为零，即集中在天线罩2三个口径的法线方向，达到三个波束出射并且均有很高的指向性和增益。

本发明提供的天线系统结构框图如图1所示，包括偶极子天线1和利用条状金属结构的天线罩2；通过SMA接头向偶极子天线2馈送能量，辐射出的无线电磁波透过利用条状金属结构的天线罩3发射出去。

偶极子天线采用半波长的金属臂.

条状金属4的单元结构如图2所示。条状金属的宽度为1毫米，长度9毫米，条状金属结构的水平间隔为1毫米，3个方向的最长的板子每个排列75个条状金属结构，共225毫米，垂直间隔1毫米，垂直方向共排列15个条状金属结构，共150毫米，如图3中只列了3组。印刷电路板的厚度1毫米，每片印刷电路板之间的距离为15毫米，一共有5层印刷电路板。由于条状金属的单元结构小于工作波长，可以将条状金属结构组成的天线罩等效于均匀介质，条状金属的单元结构在电磁波的激励下产生电谐振，使天线罩的等效均匀介质的介电常数ε产生谐振，等效均匀介质为色散介质，即介电常数随着频率的变化由负数变为正数，其中包括介电常数为零的频率点。通过测量条状金属单元结构S参数，可以得到它的等效节点常数为0。由公式

$n=c\sqrt{\mathrm{\μ\ϵ}}$

得到这种由条状金属结构组成的天线罩的等效折射率n为0，μ为磁导率。因此由该天线罩出射的能量集中在平板的法线方向，得到较高的方向性，这样由3个一模一样的板子成一定的角度放置就在三个方向得到了3个极窄的波束.

本发明的工作频率为10GHz，如果要工作在其他频率，需要根据工作波长比例调整微带天线、微带线以及条状金属结构的尺寸。

以上所述，仅是本发明的在10GHz特定频率的较佳实例而已，并非对本发明作任何形式上的限定，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实例，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实例所作的任何的简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种利用异向介质材料天线罩的多波束天线，其特征在于：包括全向辐射的偶极子天线(1)和三组由条状金属(4)构成的金属阵列，每一组金属阵列至少由3层金属阵列平行排列成等距的、以偶极子天线(1)为起点由内向外逐步扩大的等边三角形形状，三组金属阵列成120度角排列成半个正六边行形状的天线罩(2)，天线罩(2)和偶极子天线(1)平行放置，在偶极子天线(1)后面平行放置金属板(3)，且偶极子天线(1)的两条金属臂与天线罩(2)上的条状金属平行，偶极子天线(1)放置在天线罩(2)的中心位置。

2.根据权利要求1所述的一种利用异向介质材料天线罩的多波束天线，其特征在于：所述的偶极子天线(1)通过SMA接头馈电，偶极子天线(1)辐射出的电磁波的极化方向为垂直极化，即平行于条状金属。

3.根据权利要求1所述的一种利用异向介质材料天线罩的多波束天线，其特征在于：所述的条状金属(4)为周期排列在介电常数为4.6厚度为1毫米的FR4板上，条状金属的宽度为1毫米，长度9毫米，条状金属的水平间隔为1毫米，金属阵列垂直间隔1毫米，每片FR4板的垂直方向都排列15个条状金属结构，共150毫米，每片FR4板之间的距离为15毫米，一共有5层FR4板。

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