CN101710649A - 带条形地板和覆介质反射板的宽波束微带天线单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带条形地板和覆介质反射板的宽波束微带天线单元。它由天线面板和介质反射板构成。天线面板由双面覆铜介质基板构成，在介质基板的一侧印制有辐射贴片和寄生贴片，另一侧印制有条形地板，采用寄生贴片和条形地板可以展宽微带天线的波束宽度；通过使用介质反射板进一步展宽微带天线的波束宽度并且减小条形地板对天线的影响，使微带天线背面金属化，扩充天线的实用范围。本天线的端口反射损耗S₁₁≤-10dB的带宽为17.8GHz-18.2GHz，在中心频率f₀＝18GHz时，天线的波束宽度θ_3dBE＝225(E面)，θ_3dBH＝92°(H面)。本天线结构简单，容易加工，机械性能较好，并且便于与有源电路集成，特别适合作为相控阵天线的宽波束扫描的微带天线单元。

Description

带条形地板和覆介质反射板的宽波束微带天线单元

技术领域

本发明涉及一种宽波束微带天线单元，该天线可以用于发射和接收无线电波。可以作为飞行器上测控设备的宽波束相控阵天线单元，用做大范围扫描和预警，并且能够起到抗干扰的作用。

背景技术

现代电子战设备正向多功能一体化，小型化，集成化，模块化等方向不断发展。传统的宽波束天线单元如螺旋天线，介质天线等由于其尺寸较大，难以与先进的高集成系统相适应。所以研究低剖面，小型化，宽波束的天线就显得非常重要了。

微带天线因具有体积小，重量轻，剖面低，馈电方式灵活，花费少，易于与飞行器等载体共形等优点而深受人们的青睐(钟顺时，微带天线理论与技术，西安电子科技大学出版社，1991：1-2)。尤其是它的低剖面，易于与飞行器共形的特点，可使载体具有优良的空气动力学特性。所以已得到广泛应用，特别适合用作移动卫星通信的小型移动终端天线和飞行器载天线。但是普通的微带天线的波束宽度一般在70～120°左右。文献(Duan，Z.-S.；Qu，S.-B.；Wu，Y.；Zhang，J.-Q.，Wide bandwidth and broad beamwidth microstrip patchantenna，Electronics Letters，Vol.45，No.5，February 2009，pp：249-250)采用双层贴片的微带天线结构，利用在上层贴片开弧形缝隙和加载枝节的方法展宽波束宽度，该天线的E面和H面半功率波瓣宽度分别为114°和118°。另外文献(K.S.Beenamole，Perm N.S.Kutiyal，U.K.Revankar，and V.M.Pandharipande，Resonator microstrip meander line antennaelement for wide scan angle active phased array antennas，Microwave and Optical TechnologyLetters Vol.50，No.7，July 2008 PP：1737-1740)采用谐振的弯折带线来展宽微带天线的半功率波瓣宽度，一个面的最大的半功率波束宽度仅为130°。为了加大天线的扫描范围，往往需要更宽的波束宽度。所以研究宽波束微带天线已经显得更加重要。

发明内容

本发明目的在于克服一般微带天线存在的波束窄的缺点，提供一种带条形地板和覆介质反射板的宽波束微带天线单元，。采用在微带天线单元窄边放置两个寄生的金属条和利用带介质的金属反射板来展宽微带天线的波束宽度。该方案实现了微带天线的宽带，宽波束等良好性能。

本发明的主要构思是：本发明主要是对微带辐射贴片窄边放置寄生贴片，采用条形地板来展宽微带天线的波束宽度。为了使天线背面金属化，并且增强机械强度，采用背面带金属的介质反射板，另外使用金属反射板还可以进一步展宽天线的波束宽度。其中微带天线采用同轴探针馈电。

本发明的带条形地板和覆介质反射板的宽波束微带天线，由一个天线面板和一个介质反射板构成；所述的天线面板由双面覆铜介质基板构成，在介质基板一侧印制有辐射贴片和放置在辐射贴片窄边两侧的两个寄生贴片，另一侧印制条形地板；介质反射板由一定厚度的介质层和金属大地板构成。其特征点是：

a.所述的辐射贴片和寄生贴片均为矩形；

b.所述的条形地板为矩形；

c.所述的介质反射板为矩形并且放置在天线面板的背面；

d.天线采用同轴探针馈电，同轴线的内导体与贴片相连，外导体与条形地板相连。

定义中心频率的谐振频率为 $f_0=\frac{f_h+f_l}{2},$ 波长为λ₀＝c/f₀，其中f_h为最高工作频率，

f_l为最低工作频率。

上述的矩形辐射贴片的尺寸为：a＝(0.24±0.02)λ₀，b＝(0.26±0.02)λ₀，每一寄生贴片外侧与辐射贴片外侧间的距离为b₂＝(0.012±0.002)λ₀，辐射贴片和两个寄生贴片的长度都为b₁＝(0.28±0.02)λ₀；

上述条形地板的长度为W＝(0.9±0.05)λ₀，宽度为a＝(0.24±0.02)λ₀；

上述的天线面板和介质板的长度和宽度相同，尺寸同为为W×L＝(0.9±0.05)λ₀×(0.9±0.05)λ₀。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种带条形地板和覆介质反射板的宽波束微带天线单元，一个天线面板和一个介质反射板构成，其特征在于所述的天线面板由双面覆铜介质基板构成，在其介质基板上侧面印制的辐射贴片和放置在辐射贴片两侧的两个寄生贴片，下侧面是印制的条形地板；同轴馈电点接近天线中心，同轴探针的内导体与辐射贴片相接，而其外导体与条形地板相接；介质反射板由一块介质板和金属大地板构成。

上述辐射贴片为矩形贴片，其长度a＝4.4mm±0.5mm，b＝4mm±0.5mm。

上述寄生贴片为矩形贴片，分别放置在辐射贴片窄边的两侧，其两寄生贴片外侧间距离b₁＝4.6mm±0.5mm，每一寄生贴片外侧与辐射贴片外侧间的距离b₂＝0.2mm±0.05mm，寄生贴片与辐射贴片的长度相同。

上述条形地板的宽度与辐射贴片同宽，长度与天线面板同长。

以天线中心为坐标原点，则所述同轴馈电点(4)的位置为(x，y)，x＝0，y＝0.5mm±0.1mm。

上述介质反射板的厚度为h₂＝1.445mm±0.2mm，其背面是覆铜的金属大地板。

本发明与现有技术相比，显而易见的突出性实质特点和显著优点：本发明从三个方面来展宽微带天线的波束宽度，第一：在辐射贴片的窄边放置寄生贴片展宽波束宽度，第二：采用条形地板展宽波束宽度，第三，介质反射板不但使微带天线背面全部金属化，而且采用介质反射板可以减小天线的纵向尺寸，并且可以进一步展宽微带天线的波束宽度。本天线在f₀＝18GHz的波束宽度为θ_3dBE＝225°(E面)，θ_3dBH＝92°(H面)，端口反射损耗S₁₁≤-10dB的带宽为17.8GHz-18.24GHz。本天线设计轻巧，结构简单，加工方便，机械性能好，便于与有源电路集成。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构零件分解图。

图2是图1示例的侧视图。

图3是图1示例的俯视图。

图4是天线仿真的端口反射损失(S₁₁)曲线。

图5是天线仿真的在f＝17.85GHz的xoz面(图中的图(a))和yoz面(图中的图(b))的方向图。

图6是天线仿真的在f₀＝18GHz的xoz面(图中的图(a))和yoz面(图中的图(b))的方向图。

图7是天线仿真的在f＝18.2GHz的xoz面(图中的图(a))和yoz面(图中的图(b))的方向图。

图8是天线在整个谐振频率范围内的仿真增益图

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：参见图1。

实施例一：参见图1、图2和图3，本带条形地板和覆介质反射板的宽波束微带天线单元，一个天线面板3和一个介质反射板6构成，其特征在于所述的天线面板3由双面覆铜介质基板构成，在其介质基板上侧面印制的辐射贴片1和放置在辐射贴片1两侧的两个寄生贴片2，下侧面是印制的条形地板5；同轴馈电点4接近天线中心，同轴探针8的内导体与辐射贴片1相接，而其外导体与条形地板5相接；介质反射板6由一块介质板和金属大地板7构成。

实施例二：本实施例与实施例一相同，特别之处是上述天线面板3选用介电常数为ε_r1＝2.94，厚度为h₁＝0.508mm，矩形辐射贴片1的长度为a，宽度为b，每一寄生贴片2外侧与辐射贴片1外侧间的距离b₂，介质反射板6的介电常数为ε_r2＝10.2，厚度h₂＝1.445mm，天线面板3和介质反射板6的尺寸相同，同为W×L。同轴探针8馈电点4相对于天线正中心(0，0)的坐标为(x，y)。同轴探针8内导体的直径为0.51mm。设计了中心频率f₀＝18GHz的宽波束微带天线。

通过利用三维电磁场仿真软件Ansoft HFSS10进行优化、调试，来最终确定具体的尺寸。经过计算、仿真和优化，最终确定该天线的具体尺寸如下：a＝4.4mm±0.5mm，b＝4mm±0.5mm，b₁＝4.6mm±0.5mm，b₂＝0.2mm±0.05mm，W＝15mm±2mm，L＝15mm±2mm，x＝0mm，y＝0.5mm±0.1mm。

附图4给出了本实施例的输入端口仿真的端口反射损失曲线，其中横坐标代表频率，单位为GHz；纵坐标代表反射损失，单位为dB。本实施例的仿真的反射损失不大于-10dB的工作频段是17.8GHz-18.24GHz。

图5～图7给出了天线3个频率点上的归一化仿真方向图。表1给出了3个频点上的半功率波瓣宽度。

附图8给出了本实例的增益仿真曲线，其中横坐标代表频率，单位为GHz；纵坐标代表增益，单位为dBi。最大增益为4dBi。

表1不同频点上的半功率波瓣宽度数据

频率：GHz	xoz面	yoz面
			17.85	231°	108°
18	225°	92°
			18.2	227°	74°

Claims (6)

1.一种带条形地板和覆介质反射板的宽波束微带天线单元，一个天线面板(3)和一个介质反射板(6)构成，其特征在于所述的天线面板(3)由双面覆铜介质基板构成，在其介质基板上侧面是印制的辐射贴片(1)和放置在辐射贴片(1)两侧的两个寄生贴片(2)，下侧面是印制的条形地板(5)；同轴馈电点(4)接近天线中心，同轴探针(8)的内导体与辐射贴片(1)相接，而其外导体与条形地板(5)相接；介质反射板(6)由一块介质板和金属大地板(7)构成。

2.根据权利要求1所述的带条形地板和覆介质反射板的宽波束微带天线单元，其特征在于所述辐射贴片(1)为矩形贴片，其长度a＝4.4mm±0.5mm，b＝4mm±0.5mm。

3.根据权利要求1所述的带条形地板和覆介质反射板的宽波束微带天线单元，其特征在于所述寄生贴片(2)为矩形贴片，分别放置在辐射贴片窄边的两侧，其两寄生贴片(2)外侧间距离b₁＝4.6mm±0.5mm，每一寄生贴片(2)外侧与辐射贴片(1)外侧间的距离b₂＝0.3mm±0.05mm，寄生贴片(2)与辐射贴片(1)的长度相同。

4.根据权利要求1所述的带条形地板和覆介质反射板的宽波束微带天线单元，其特征在于所述条形地板(5)的宽度与辐射贴片(1)同宽，长度与天线面板(3)同长。

5.根据权利要求1所述的带条形地板和覆介质反射板的宽波束微带天线单元，其特征在于以天线中心为坐标原点，则所述同轴馈电点(4)的位置为(x，y)，x＝0，y＝0.5mm±0.1mm。

6.根据权利要求1所述的带条形地板和覆介质反射板的宽波束微带天线单元，其特征在于所述介质反射板(6)的厚度为h₂＝1.445mm±0.2mm，其背面是覆铜的金属大地板(7)。

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