CN101546867A - 高增益低轮廓空馈阵天线 - Google Patents

Abstract

一种高增益的低轮廓空馈阵天线，包括：金属盖板、金属侧板、金属底板以及馈源，金属盖板居上，金属底板居下，金属侧板居中，三者相互连接构成一腔体，馈源置于该腔体内部；金属盖板是一块其上开有一组缝隙单元的金属平板，缝隙单元呈周期性排列；馈源包括一个位于腔体中部的馈电贴片及其周围的一组无源寄生贴片，馈电贴片及寄生贴片印刷在同一片介质基片的上表面，介质基片的下表面贴在金属底板的上表面；馈电贴片通过射频同轴接头经由电缆激励。该天线具有馈电简单、增益高(可达20dBi以上)、口径效率高(可达60％以上)、成本低的优点。

Description

高增益低轮廓空馈阵天线

技术领域

本发明涉及一种高增益天线，尤其涉及一种金属谐振腔的高增益天线。

背景技术

目前已有的高增益天线主要有两种类型，一种是阵列天线，另一种是反射面天线。

阵列天线是按照一定幅度和相位分配激励多个辐射单元以实现高增益，各辐射单元的激励幅度和相位由馈电网络实现。通常，天线增益要求越高，所需的辐射单元数目越多，导致馈电网络越复杂。复杂的馈电网络一方面会增大电气设计和物理布局的难度，另一方面馈电损耗会降低阵列天线的效率，尤其在高频段严重到不再实用。

反射面天线有空馈的抛物面天线和平面反射阵天线，能将由馈源发出的宽角域波束聚束反射形成窄波束，从而实现高增益。反射面天线虽然省去了复杂的馈电网络，然而其置于反射面前方焦点处的馈源使得天线的整体轮廓高度达数倍工作波长。因此，其三维立体结构不便于安装和携带。

发明内容

本发明提供一种馈电简单、高效率、低轮廓且准平面的高增益天线，该天线在无需馈电网络的情况下，增益高于20dBi，天线效率高达60％。

本发明采用如下技术方案：

一种高增益的金属谐振腔天线，包括：金属盖板、金属侧板、金属底板以及馈源，金属盖板居上，金属底板居下，金属侧板居中，三者相互连接构成一腔体，馈源置于该腔体内部；金属盖板是一块其上开有一组缝隙单元的金属平板，缝隙单元呈周期性排列；馈源包括一个位于腔体中部的馈电贴片及其周围的一组无源寄生贴片，馈电贴片及寄生贴片印刷在一片薄介质基片的上表面，介质基片的下表面贴在金属底板的上表面；馈电贴片通过射频同轴接头经由电缆激励。

本发明：

1、采用尺寸经恰当设计、对工作频带内的电磁波具有部分透射功能的金属盖板1。天线的辐射原理如下(参考图6)：由馈源4发出的电磁波照射到盖板1，其中少部分能量直接经金属盖板1透射，而大部分能量经金属盖板1反射，反射后电磁波经底板3反射并再次照射到金属盖板1。同样地，再有少部分能量经金属盖板1透射，而大部分能量再次反射，如此反复，直到能量辐射殆尽。天线总的辐射效果是多次透射电磁波的叠加，当侧板2的高度约等于半波长的整数倍时，各次透射波以同相位叠加，从而实现高增益的辐射。

2、采用金属侧板2防止腔体内横向电磁波泄漏，且金属侧板2起到支撑金属盖板1的作用。工作原理如下：由馈源4发出的是宽角域波束，其中大部分能量经金属盖板1和金属底板3之间多次反射叠加而透射，同时也有部分能量以表面波和平行板模式波的方式在腔体内横向传播，横向波不参与天线主波束方向的辐射，它会起到增大天线副瓣、降低天线效率的不利作用，金属侧板2能有效抑制横向波，降低天线副瓣，提高天线效率。

3、采用带寄生无源贴片4-2的馈源4，与仅有馈电贴片的情况相比，天线增益提高0.6dB以上，增益高于20dBi的频带展宽1倍以上。其工作原理如下：馈电贴片4-1由射频同轴接头经由电缆4-1-1直接激励，寄生无源贴片4-2由馈电贴片4-1耦合激励，寄生无源贴片4-2略小于馈电贴片4-1，当两者的间距恰当时可起引向作用，从而增大了馈源4的有效辐射面积，使得金属盖板外侧的天线口径场分布比较均匀，从而能提高天线增益并展宽天线频带。

4、天线的主体部分采用导电良好的铜或铝板，从而降低了成本。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、与阵列天线比较，本发明所述天线具有馈电简单、损耗低、效率高等优点。本发明所述天线只需一个馈电点，因此免去了阵列天线中的馈电网络，简化了设计流程；在普通阵列天线中，馈电网络均具有一定的损耗。由于本发明所述天线采用空间耦合馈电，避免了馈电损耗；又采用侧板2抑制横向波泄漏；以及采用寄生无源贴片4-2提高天线的口径效率等措施，使本发明所述天线的增益高于20dBi，天线效率高达60％以上。

2、与反射面天线比较，本发明所述天线具有很低的平面轮廓和结构轻便等优点。反射面天线的轮廓高度包括焦距以及反射面和馈源本身的高度，达数倍甚至数十倍波长。而本发明所述天线的轮廓高度包括腔体高度以及盖板1和底板3的厚度，通常在半波长或一倍波长左右；本发明所述天线为平面结构，盖板1、侧板2以及3均可采用较薄的金属板(如厚度为0.5mm的铜或铝板)，因此本发明所述天线的结构轻便，易于安装和携带。

3、与波导缝隙阵天线比较，本发明所述天线的设计原理简单、加工工艺要求低。波导缝隙阵天线本质上是阵列天线，但由于波导缝隙阵天线通常采用金属波导开缝的形式，因此其结构与本发明较为相似，但是两者的设计原理截然不同。波导缝隙阵天线是通过合理设计缝隙单元的尺寸以及所处波导壁的位置以实现缝隙单元的辐射幅度和相位，其设计流程较为复杂，而且通常对缝隙的加工精度要求很高，导致其成本高昂。而本发明所述天线只需腔体高度约等于半波长之整数倍即可实现高增益辐射，设计流程简单；而且本发明所述天线的盖板1只需具有适当的部分透射功能即可，对缝隙的尺寸和形状不敏感，因此加工工艺要求较低，制造成本亦低。

4、与Fabry-Perot谐振器天线比较，本发明所述天线具有增益高、频带宽等优点。与同等尺寸的Fabry-Perot谐振器天线相比，本发明所述天线的增益高出0.6dB以上，而且频带能展宽1倍以上。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图。

图2是本发明的结构分解示意图。

图3是本发明中的金属盖板1示意图，以及金属盖板1中缝隙单元1-1的结构参数。

图4是本发明中的金属底板3和馈源4的装配示意图。

图5是本发明中的馈源4的结构参数。

图6是本发明所述天线的辐射原理示意图。

图7给出本发明实施例的天线“增益-频率”响应曲线，并与仅有馈电贴片4-2的情况对比。

图8给出本发明实施例的天线金属盖板的“透射率-频率”响应曲线。

具体实施方式

一种高增益的金属谐振腔天线，包括：金属盖板1、金属侧板2、金属底板3以及馈源4，金属盖板1居上，金属底板3居下，金属侧板2居中，三者相互连接构成一腔体，馈源4置于该腔体内部；金属盖板1是一块其上开有一组缝隙单元1-1的金属平板成，缝隙单元1-1呈周期性排列；馈源4包括一个位于腔体中部的馈电贴片及其周围的无源寄生贴片4-2，馈电贴片4-1及寄生贴片4-2印刷在同一片薄介质基片4-3的上表面，介质基片4-3的下表面贴在金属底板3的上表面；馈电贴片4-1通过射频同轴接头经由电缆4-1-1激励。

在本实施例中，

金属侧板2为环状金属条带，其轮廓与金属盖板1和金属底板3的边缘对齐。

金属侧板2的高度满足半个中心波长的整数倍，例如：1倍或2倍。

金属底板3为一金属平板，其边缘形状与金属盖板1的边缘形状相同。

寄生贴片4-2的数量为8个，均匀排列在馈电贴片4-1周围，寄生贴片4-2的尺寸小于馈电贴片4-1的尺寸。

馈电贴片4-1和寄生贴片4-2为正方形、矩形、圆形或椭圆形。

图1和图2给出本发明的结构示意图，图3和图5分别给出了本发明中的金属盖板1和馈源4的结构示意图和结构参数定义。

实施例

采用1mm厚的铝板作为金属盖板1、金属侧板2和金属底板3的板材；金属盖板1和金属底板3的外围尺寸相同：W＝110mm，L＝11mm；金属盖板1上的所有缝隙单元1-1尺寸相同，结构参数取W₁＝1mm，L₁＝7.5mm，W₂＝4mm，L₂＝10mm；金属侧板2的外围与金属盖板1和金属底板3对齐且围成腔体，腔体的净高度为11mm；馈源贴片4-1印刷在厚度为1mm、相对介电常数为2.2的介质基片4-3上，介质基片4-3的结构参数为：W₃＝40mm，L₃＝40mm；馈电贴片4-1和寄生无源贴片4-2的结构参数分别取：W₄＝10mm，L₄＝10mm，W₅＝7.5mm，L₅＝7.5mm，W₆＝13mm，L₆＝13mm；馈电接头4-1-1采用SMA射频接头；天线设计的中心频率为13.0GHz，中心频率对应的波长为23.1mm。

图7给出本实施例之天线的“增益-频率”响应曲线，与仅有馈电贴片而其它所有结构尺寸均相同的天线对比：本实施例所达到的最大增益为22.5dBi，增高了0.7dB；增益超过20dBi的带宽达580MHz，频带展宽1.32倍；本实施例天线在频带内的最大口径效率为62％。

本发明可延拓涵盖：

由非矩形缝隙单元1-1构成的金属盖板1，在工作频带内对电磁波具有适当的透射率；由非周期排列的缝隙单元1-1构成的金属盖板1，在工作频带内对电磁波具有适当的透射率；由非均匀尺寸的缝隙单元1-1构成的金属盖板1，在工作频带内对电磁波具有适当的透射率；由非金属材料构成的任意形状的侧板2，能起支撑金属盖板1和金属底板3，以及部分抑制横向波泄漏的作用；由具有相当馈电效果的非矩形馈电贴片4-1和寄生无源贴片4-2构成的馈源4；由具有相当馈电效果的不同形状、尺寸或位置的寄生无源贴片4-2构成的馈源4；由具有相当馈电效果的其它相对介电常数值、其它厚度的介质基片4-3构成的馈源4。

本发明的具体结构参数可通过以下措施来确定：

第一步，确定金属盖板1及其缝隙单元1-1的初始结构参数，如图3所示，目标是使金属盖板1在工作频带内对电磁波的透射率t满足公式t＝2/(G+1)，式中G是增益的预设指标值。结构参数与透射率t的关系，可运用已商品化的仿真软件(CST，HFSS等)进行分析和计算。本实施例中采用了CST仿真软件，计算得出金属盖板1的“透射率-频率”响应曲线示于图8。金属盖板1的外围尺寸满足公式 $W\×L=({\mathrm{\λ}}_0^2/4\mathrm{\π})\×(G/\mathrm{\η}),$ 式中λ₀为中心频率对应的波长，η为天线的口径效率。本实施例中的λ₀＝23.1mm，η在0.4～0.7之间选取。

第二步，确定金属侧板2高度，目标是使腔体的净高度H满足公式H＝N×λ₀/2，式中N＝1，2，…，通常取1或者2。

第三步，确定馈源4的初始尺寸，如图5所示。不失一般性，假定天线的极化沿x方向。借鉴微带贴片天线的设计经验：馈电贴片4-1沿极化方向的尺寸约为 $0.5{\mathrm{\λ}}_0/\sqrt{(1+{\mathrm{\ϵ}}_r)/2},$ 式中ε_r为介质基片4-3的相对介电常数，如本实施例中ε_r＝2.2；而馈电贴片4-1沿垂直于极化方向的尺寸取值有较大的自由度，如本实施例中取为正方形贴片。寄生无源贴片4-2与馈电贴片4-1的形状相似，其尺寸的比率r＝W₅/W₄＝L₅/L₄在0.7～0.8之间取值较优，如本实施例中r＝0.75；寄生无源贴片4-2几何中心距离馈电贴片4-1几何中心取(0.5～0.7)λ₀较优，如本实施例中取W₆＝L₆＝13mm＝0.56λ₀。

第四步，以前三步所得的结构参数为初始值，对天线进行整体仿真，计算其各项性能；根据性能与指标的差距，有选择地调节相关的结构参数，进行统筹优选或全局优化，直至天线的各项性能均满足指标要求。

Claims (7)

1、一种高增益金属谐振腔天线，包括：金属盖板(1)、金属侧板(2)、金属底板(3)以及馈源(4)，其特征在于：

金属盖板(1)居上，金属底板(3)居下，金属侧板(2)居中，三者相互连接构成一腔体，馈源(4)置于该腔体内部；金属盖板(1)是一块其上开有一组缝隙单元(1-1)的金属平板，缝隙单元(1-1)呈周期性排列；馈源(4)包括一个位于腔体中部的馈电贴片(4-1)及其周围的一组无源寄生贴片(4-2)，馈电贴片(4-1)及寄生贴片(4-2)印刷在一片介质基片(4-3)的上表面，介质基片(4-3)的下表面贴在金属底板(3)的上表面；馈电贴片(4-1)通过射频同轴接头经由电缆(4-1-1)激励。

2、根据权利要求1所述的高增益金属谐振腔天线，其特征在于金属盖板(1)的缝隙单元(1-1)的宽W₁、缝隙单元(1-1)的长L₁，以及周期尺寸中的宽W₂、周期尺寸中的长L₂，能使金属盖板(1)对指定频带内的电磁波能量具有部分透射的功能。

3、根据权利要求1所述的高增益金属谐振腔天线，其特征在于金属底板(3)为一金属平板，其边缘形状与金属盖板(1)的边缘形状相同。

4、根据权利要求1或3所述的高增益金属谐振腔天线，其特征在于金属侧板(2)的高度约等于所指定频带之中心波长的半整数倍。

5、根据权利要求1所述的高增益金属谐振腔天线，其特征在于金属侧板(2)为环状金属条带，其轮廓与金属盖板(1)和金属底板(3)的边缘对齐。

6、根据权利要求1所述的高增益金属谐振腔天线，其特征在于馈电贴片(4-1)和寄生贴片(4-2)为正方形、矩形、圆形或椭圆形。

7、根据权利要求1或3所述的高增益金属谐振腔天线，其特征在于寄生贴片(4-2)的尺寸小于馈电贴片(4-1)的尺寸。

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