CN102255142A - 无间隙的加载覆层低剖面高增益天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无间隙的加载覆层低剖面高增益天线，主要解决传统覆层和微带天线系统尺寸大，高度不易控制及不易固定的缺陷。它包括微带天线和覆层，该微带天线包括，微带天线介质基板(2)和馈源(4)，微带天线介质基板(2)的下表面为铜质地板(1)，上表面为刻蚀形成的铜箔辐射贴片(3)；覆层包括覆层介质基板(5)和金属网格(6)，该覆层介质基板(5)采用厚度为2.2～2.7mm的罗杰斯RO3010板，金属网格(6)为列间距为3.8～4.2mm，线宽为1.1～1.5mm的周期性金属网栅阵列结构，该周期性金属网栅阵列位于覆层介质基板的上表面；微带天线介质基板(2)的上表面与覆层介质基板(5)的下表面紧贴粘接。本发明具有体积小、零间隙低剖面高增益且易于固定的优点。

Description

无间隙的加载覆层低剖面高增益天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种无间隙的加载覆层低剖面高增益天线，可用于航天、通信等各种低功率辐射和接收系统中。
背景技术
传统微带天线增益较低，因此通常采用单元阵列的方法来提高增益，这不仅需要设计复杂的馈电网络，而且还要解决影响天线阵列整体性能的互耦问题。为此，Giswalt Von Trentini在1956年提出了在天线地板正上方位置处，放置一个与地板平行的具有部分反射性能的覆层，使之与天线接地板构成一个F-P谐振腔，当覆层与天线接地板间距符合谐振高度时，电磁波透过覆层后能够同相叠加，从而提高了天线增益(Partially reflecting sheet arrays，IRE Trans.Antennas Propagat.，vol.4，October 1956，666-671)。然而，这种覆层距天线间隙太大，高达半个波长，间隙过大造成整个天线与覆层系统体积过大，给其在实际中的应用带来不便。为了降低覆层与天线之间间隙，2006年A.Ourir等人将人工磁导体分别贴在天线地板和覆层表面，改变了天线地板和覆层的反射特性，从而降低覆层距天线之间的谐振高度，将覆层与天线间隙降至六十分之一波长(Optimization of metamaterial based subwavelengthcavities for ultracompact directive antennas，Microwave and OpticalTechnology Letters，vol.48，No.12，December 2006，2573-2577)。虽然，利用人工磁导体能适当降低覆层距天线的间隙，但是覆层距天线表面依然存在较高的高度，整个覆层与天线系统仍然具有较大尺寸，造成在实际操作中覆层与天线高度不易控制，整个天线与覆层系统不易实现固定，甚至会导致增益特性的恶化。
发明内容
本发明的目的是针对现有覆层与天线之间高度太大的问题，提供一种无间隙的加载覆层低剖面高增益天线，以减小天线体积，实现整个天线与覆层系统的可靠固定，提高天线增益。
为实现上述目的，本发明包括：微带天线和覆层，覆层放置于微带天线正上方，微带天线包括，微带天线介质基板2和馈源4，微带天线介质基板2的下表面为铜质地板1，上表面为刻蚀形成的铜箔辐射贴片3，其中：覆层包括覆层介质基板5和金属网格6，该覆层介质基板5采用厚度为2.2～2.7mm的罗杰斯RO3010板，金属网格6为列间距为3.8～4.2mm，线宽为1.1～1.5mm的周期性金属网栅阵列结构，该周期性金属网栅阵列位于覆层介质基板5的上表面；微带天线介质基板2的上表面与覆层介质基板5的下表面紧贴粘接。
所述的铜箔辐射贴片3为矩形结构。
所述的馈源4为50欧姆同轴接头，其内径与铜箔辐射贴片3相接触，外径与铜质地板1相连接。
所述的微带天线介质基板2上刻有与馈源4内径相同的过孔7。
所述的铜质地板1的表面刻有与馈源4外径相同的圆形挖孔8。
所述的覆层介质基板5与微带天线介质基板2为长度和宽度相同。
本发明由于采用了具有高介电常数厚度为2.2～2.7mm的罗杰斯RO3010板和列间距为3.8～4.2mm，线宽为1.1～1.5mm的周期性金属网栅阵列，使二者构成的覆层在特定的频段处具有高反射系数，负反射相位的特点，根据F-P谐振腔提高天线增益的谐振高度条件，覆层的这种特性可以使覆层下表面与微带天线上表面实现紧贴，同时由于覆层下表面与微带天线上表面紧贴，使得整个覆层和微带天线系统的高度大大降低，有效减小了整个覆层和微带天线系统的体积，并且使覆层和微带天线容易实现固定，从而使整个覆层和微带天线系统具有零间隙低剖面高增益易固定的优点。
附图说明
图1是本发明的整体结构图；
图2是本发明的侧视剖面图；
图3是本发明的微带天线结构图；
图4是本发明覆层的反射相位和反射系数仿真图；
图5是本发明增益方向图的仿真结果。
具体实施方式
参照图1，本发明无间隙的加载覆层低剖面高增益天线主要由微带天线和覆层组成。其中：
微带天线的结构如图3所示，它包括微带天线介质基板2和馈源4，微带天线介质基板2的下表面为铜质地板1。铜质地板1表面在馈源位置处刻有与馈源4外径相同的圆形挖孔8，如图2所示。微带天线介质基板2的上表面中心位置为刻蚀形成的矩形铜箔辐射贴片3，微带天线介质基板2在该铜箔辐射贴片3的边缘位置处刻有与馈源4内径相同的过孔7。馈源4为50欧姆同轴接头，其内径紧贴微带天线介质基板2的过孔7与铜箔辐射贴片3相接触，外径与铜质地板1相接触。
覆层包括覆层介质基板5和金属网格6，金属网格6位于覆层介质基板5的的上表面。该金属网格6采用列间距为3.8～4.2mm，线宽为1.1～1.5mm的周期性金属网栅阵列结构。该覆层介质基板5采用厚度为2.2～2.7mm，长度和宽度与微带天线介质基板2相同的罗杰斯RO3010板，其下表面不刻蚀任何结构。
整个覆层放置于微带天线的正上方，且使覆层介质基5的下表面与微带天线介质基板2的上表面紧贴粘接。
实施例1
取尺寸为60×60×1.5mm的聚四氟乙烯纤维双面覆铜板作为微带天线介质基板2，在距覆铜板中心1.4mm处钻孔，将该位置设置为馈点中心，在覆铜板的一个表面的馈点位置处刻制与馈源4外径相同的圆形挖孔8，并在覆铜板的另一表面的中心位置刻蚀尺寸为3.3×3.3mm的铜箔辐射贴片3，馈源4采用50欧姆同轴接头，其内部探针穿过覆铜板的钻孔与铜箔辐射贴片3相焊接，其外部与铜质地板1相焊接。
取尺寸为60×60×2.7mm的罗杰斯RO3010单面覆铜板作为覆层介质基板5，在其覆铜表面刻蚀列间距为3.8mm，线宽为1.1mm的周期性金属网栅阵列结构。将微带天线介质基板2的上表面与覆层介质基板5的下表面紧贴并通过粘接固定为一体。
实施例2
取尺寸为60×60×1.5mm的聚四氟乙烯纤维双面覆铜板作为微带天线介质基板2，在距覆铜板中心1.4mm处钻孔，将该位置设置为馈点中心，在覆铜板的一个表面的馈点位置处刻制与馈源4外径相同的圆形挖孔8，并在覆铜板的另一表面的中心位置刻蚀尺寸为3.3×3.3mm的铜箔辐射贴片3，馈源4采用50欧姆同轴接头，其内部探针穿过覆铜板的钻孔与铜箔辐射贴片3相焊接，其外部与铜质地板1相焊接。
取尺寸为60×60×2.2mm的罗杰斯RO3010单面覆铜板作为覆层介质基板5，在其覆铜表面刻蚀列间距4.2mm，线宽为1.5mm的周期性金属网栅阵列结构。将微带天线介质基板2的上表面与覆层介质基板5的下表面紧贴并通过粘接固定为一体。
实施例3
取尺寸为60×60×1.5mm的聚四氟乙烯纤维双面覆铜板作为微带天线介质基板2，在距覆铜板中心1.4mm处钻孔，将该位置设置为馈点中心，在覆铜板的一个表面的馈点位置处刻制与馈源4外径相同的圆形挖孔8，并在覆铜板的另一表面的中心位置刻蚀尺寸为3.3×3.3mm的铜箔辐射贴片3，馈源4采用50欧姆同轴接头，其内部探针穿过覆铜板的钻孔与铜箔辐射贴片3相焊接，其外部与铜质地板1相焊接。
取尺寸为60×60×2.43mm的罗杰斯RO3010单面覆铜板作为覆层介质基板5，在其覆铜表面刻蚀列间距为4mm，线宽为1.3mm的周期性金属网栅阵列结构。将微带天线介质基板2的上表面与覆层介质基板5的下表面紧贴并通过粘接固定为一体。
本发明的效果通过以下仿真进一步说明：
仿真1，在实施例3中，通过HFSS软件中周期边界条件对覆层的反射相位和反射系数进行仿真，其结果如图4所示。
由图4可知，该覆层具有负反射相位，高反射系数的特点，该特点能够实现覆层与微带天线之间的零间隙，并且实现覆层与微带天线系统的高增益特性。
仿真2，在实施例3中，通过HFSS软件对整个覆层和微带天线系统的增益方向图进行仿真，其结果如图5所示。
由图5可知该覆层与微带天线系统在11.86GHz处增益高达12.2dB，实现了高增益的特性。

Claims (6)

1.一种无间隙的加载覆层低剖面高增益天线，包括微带天线和覆层，覆层放置于微带天线正上方，微带天线包括，微带天线介质基板(2)和馈源(4)，微带天线介质基板(2)的下表面为铜质地板(1)，上表面为刻蚀形成的铜箔辐射贴片(3)；其特征在于：覆层包括覆层介质基板(5)和金属网格(6)，该覆层介质基板(5)采用厚度为2.2～2.7mm的罗杰斯RO3010板，金属网格(6)为列间距为3.8～4.2mm，线宽为1.1～1.5mm的周期性金属网栅阵列结构，该周期性金属网栅阵列位于覆层介质基板(5)的上表面；微带天线介质基板(2)的上表面与覆层介质基板(5)的下表面紧贴粘接。
2.如权利要求1所述的无间隙的加载覆层低剖面高增益天线，其特征在于，铜箔辐射贴片(3)为矩形结构。
3.如权利要求1所述的无间隙的加载覆层低剖面高增益天线，其特征在于，馈源(4)为50欧姆同轴接头，其内径与铜箔辐射贴片(3)相接触，外径与铜质地板(1)相连接。
4.如权利要求1所述的无间隙的加载覆层低剖面高增益天线，其特征在于，微带天线介质基板(2)上刻有与馈源(4)内径相同的过孔(7)。
5.如权利要求1所述的无间隙的加载覆层低剖面高增益天线，其特征在于，铜质地板(1)的表面刻有与馈源(4)外径相同的圆形挖孔(8)。
6.如权利要求1所述的无间隙的加载覆层低剖面高增益天线，其特征在于，覆层介质基板(5)与微带天线介质基板(2)的长度和宽度相同。
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