CN102509894A - 旁瓣消减的小型圆极化高增益天线 - Google Patents

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CN102509894A CN2011103054033A CN201110305403A CN102509894A CN 102509894 A CN102509894 A CN 102509894A CN 2011103054033 A CN2011103054033 A CN 2011103054033A CN 201110305403 A CN201110305403 A CN 201110305403A CN 102509894 A CN102509894 A CN 102509894A
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Abstract

本发明公开了旁瓣消减的小型圆极化高增益天线。包括：同相高反射率上层板；矩形口径的腔体周围的导体壁；带耦合圆环开槽的导体底板；腔体内的圆型口径的挡壁；带有导体底板的单端口双臂微带馈线；SMA接头；本发明通过将同相高反射率上层板，矩形口径的腔体周围的导体壁，和带耦合圆环开槽的导体底板围成一个立方体腔体；带有导体底板的单端口双臂微带馈线，粘于带耦合圆环开槽的导体底板的下方；SMA接头与馈线的单端口连接；在立方体腔体内，与耦合圆环同心并与带耦合圆环开槽的导体底板垂直，放置两个不同直径的圆形口径挡壁，来实现具有微带天线尺寸，却具有喇叭天线的增益和效率的小型高增益天线，并且其旁瓣得以消减至20dB以上。

Description

旁瓣消减的小型圆极化高增益天线
技术领域
旁瓣消减的小型圆极化高增益天线的技术领域属于微波天线领域。
背景技术
喇叭天线因其具有高增益，高效率的特性而被广泛使用，但其高度比微带天线大很多。将微带天线组阵也可以得到高增益的效果，但其横截面比喇叭天线的辐射口径大很多，且其旁瓣只能降到15dB或小于15dB的旁瓣效果。所以我们有必要寻求一种新的天线，在实现同样增益的情况下，它既可与喇叭天线的辐射口径相媲美，又可与微带天线的厚度相媲美，并且其旁瓣可消减到20dB以上。
发明内容
本发明的目的在于使得天线具有微带天线的尺寸，却具有喇叭和反射面天线的增益和效率，并且旁瓣消减至20dB以上。
为了达到上述目的，本发明提供的旁瓣消减的小型圆极化高增益天线，包括：同相高反射率上层板；矩形口径的波导周围的导体壁；带耦合圆环开槽的导体底板；腔体内的圆型口径的挡壁；带有导体底板的单端口双臂微带馈线；SMA接头；所述同相高反射率上层板与矩形口径的波导周围的导体壁所围成的矩形波导的上端口相连；带耦合圆环开槽的导体底板与矩形口径的波导周围的导体壁所围成的矩形波导的下端口相连；同相高反射率上层板，矩形口径的波导周围的导体壁与带耦合圆环开槽的导体底板围成一个立方体腔体；带有导体底板的单端口双臂微带馈线粘于带耦合圆环开槽的导体底板的下方；SMA接头与馈线的单端口连接；在立方体腔体内，与耦合圆环同心并与带耦合圆环开槽的导体底板垂直，放置两个不同直径的圆形口径挡壁。
据本发明提供的旁瓣消减的小型圆极化高增益天线的优选技术方案是：同相高反射率上层板是一种具有周期结构的平板，它的反射系数的幅度接近0dB，它的反射系数的相位在工作频率处是0°，使用具有反射系数幅度越接近0dB但不等于0dB的同相高反射率上层板，天线增益越大，所述同相高反射率上层板的两个实例是方块型单层同相高反射率上层板和蘑菇型多层同相高反射率上层板。
根据本发明提供的旁瓣消减的小型圆极化高增益天线的优选技术方案是：同相高反射率上层板，矩形口径的波导周围的导体壁与带耦合圆环开槽的导体底板围成一个立方体腔体，该立方体腔体的上层板是同相高反射率平板，该立方体腔体的下层板是带耦合圆环开槽的导体底板，该立方体腔体的四周围的壁是导体板，腔体的高度是工作波长的四分之一。
根据本发明提供的旁瓣消减的小型圆极化高增益天线的优选技术方案是：带有导体底板的单端口双臂微带馈线贴于带耦合圆环开槽的导体底板的下方，并通过耦合圆环开槽把能量送入立方体腔体，导体底板上的圆环开槽的大小与单端口双臂微带馈线的双臂的长度差可根据工作频率的大小调节，目的是找到重合的好的输入阻抗匹配和好的轴比的频率期间。
根据本发明提供的旁瓣消减的小型圆极化高增益天线的优选技术方案是：立方体腔体内的两个不同直径的圆形口径的挡壁，以下描述为外挡壁和内挡壁，都是导电材料做成的环柱体，比如铜环柱，挡壁所用环柱体壁的厚度不应大于1mm，在满足不变形的硬度要求的情况下，挡壁所用环柱体壁的厚度要尽量小，外挡壁的内直径及高度可调，内挡壁的内直径及高度可调，以使旁瓣低于-20dB。
根据本发明提供的旁瓣消减的小型圆极化高增益天线的优选技术方案是：所述方块型单层同相高反射率上层板是一个FR4介质板，在FR4介质板的下表面的中间42×42mm2的面积上刻有7×7个方形铜片矩阵，方形铜片的尺寸是3.5×3.5mm2，7×7个方形铜片矩阵的周期是6×6mm2，在FR4介质板的上表面的中间42×42mm2的面积上刻有7×7个方形孔的矩阵，下表面的方形孔矩阵和上表面的方形铜片矩阵在尺寸上是互补的，该配置的同相高反射率板的工作频率是11.6GHz，可以根据需要选择不同的介质板，并调节方形铜片和方形孔的尺寸，来使工作频率调谐到不同的频点。
根据本发明提供的旁瓣消减的小型圆极化高增益天线的优选技术方案是：所述蘑菇型多层同相高反射率上层板是由第一层FR4介质板，中间空气层和第二层Taconic介质板组成，多层介质板第二层Taconic介质板下表面的中间42×42mm2的面积上刻有7×7个方形铜片矩阵，方形铜片的尺寸是3.3×3.3mm2，7×7个方形铜片矩阵的周期是6×6mm2，在多层介质板的第一层的下表面中间42×42mm2的面积上刻有7×7个方形铜片矩阵，方形铜片的尺寸是2×2mm2，在多层介质板的第一层介质板的上表面中间42×42mm2的面积上刻有7×7个方形孔环槽的矩阵，蘑菇型多层同相高反射率上层板的反射系数比方块型单层同相高反射率上层板的反射系数更接近0dB，而且蘑菇型多层结构的反射相位变化平缓，该配置的同相高反射率板的工作频率是12GHz，可以根据需要选择不同的介质板，并调节方形铜片和方形孔环槽的尺寸，来使工作频率调谐到不同的频点。
本发明的有益的技术效果是：通过将同相高反射率上层板，矩形口径的波导周围的导体壁，和带耦合圆环开槽的导体底板围成一个立方体腔体；带有导体底板的单端口双臂微带馈线，粘于带耦合圆环开槽的导体底板的下方；SMA接头与馈线的单端口连接；在立方体腔体内，与耦合圆环同心并与带耦合圆环开槽的导体底板垂直，放置两个不同直径的圆形口径挡壁，来实现具有微带天线尺寸，却具有喇叭天线的增益和效率的小型高增益天线，并且旁瓣得以消减至20dB以上。
说明书附图
图1本发明旁瓣消减的小型圆极化高增益天线结构框图；
①同相高反射率上层板；
②立体腔体的高度是四分之一工作波长；
③带有导体底板的单端口双臂微带馈线；
④两个不同直径的圆形口径挡壁；
⑤带耦合圆环开槽的导体底板；
⑥馈线的介质板；
⑦馈线的金属底板；
⑧矩形口径的波导周围的导体壁；
图2本发明方块型单层同相高反射率上层板；
⑨方块型单层同相高反射率上层板的下表面；
⑩方块型单层同相高反射率上层板的上表面；
Figure BSA00000588454300031
方块型单层同相高反射率上层板的下表面一个单元的金属方块；
Figure BSA00000588454300032
方块型单层同相高反射率上层板的介质层厚度；
Figure BSA00000588454300033
方块型单层同相高反射率上层板的上表面一个单元格的尺寸；
Figure BSA00000588454300034
方块型单层同相高反射率上层板的上表面一个单元格内的方形槽；
Figure BSA00000588454300035
方块型单层同相高反射率上层板的上表面一个单元格内的方形槽的尺寸；
Figure BSA00000588454300036
方块型单层同相高反射率上层板的介质层厚度的介电常数；
Figure BSA00000588454300037
方块型单层同相高反射率上层板的下表面一个单元的金属方块的尺寸；
图3本发明蘑菇型多层同相高反射率上层板；
Figure BSA00000588454300038
蘑菇型多层同相高反射率上层板的上表面金属的周期结构；
Figure BSA00000588454300039
蘑菇型多层同相高反射率上层板的中层金属结构；
Figure BSA000005884543000310
蘑菇型多层同相高反射率上层板的第一层板介质层厚度；
Figure BSA000005884543000311
蘑菇型多层同相高反射率上层板的第二层板介质层加空气层的厚度；
Figure BSA000005884543000312
蘑菇型多层同相高反射率上层板的第二层介质板的厚度；
蘑菇型多层同相高反射率上层板的一个单元格结构示意图；
蘑菇型多层同相高反射率上层板的小金属柱体的直径；
蘑菇型多层同相高反射率上层板的下表面金属的周期结构；
Figure BSA000005884543000316
蘑菇型多层同相高反射率上层板的第二层板；
Figure BSA000005884543000317
蘑菇型多层同相高反射率上层板的空气层；
Figure BSA000005884543000318
蘑菇型多层同相高反射率上层板的底层板；
蘑菇型多层同相高反射率上层板的小金属柱体；
Figure BSA000005884543000320
蘑菇型多层同相高反射率上层板的一个单元格的尺寸；
Figure BSA000005884543000321
蘑菇型多层同相高反射率上层板的下表面一个单元格内的方形金属片的尺寸；
Figure BSA000005884543000322
蘑菇型多层同相高反射率上层板的下表面一个单元格内的方形金属片；
Figure BSA000005884543000323
蘑菇型多层同相高反射率上层板的中层一个单元格内的方形金属片的尺寸；
Figure BSA000005884543000324
蘑菇型多层同相高反射率上层板的中层一个单元格内的方形金属片；
蘑菇型多层同相高反射率上层板的上表面金属周期结构的一个单元格；
Figure BSA000005884543000326
蘑菇型多层同相高反射率上层板的上表面金属周期结构的一个单元格内的小金属方块的尺寸；
Figure BSA000005884543000327
蘑菇型多层同相高反射率上层板的上表面金属周期结构的一个单元格的方形槽的尺寸；
图4本发明旁瓣消减的小型圆极化高增益天线的带耦合圆环开槽的导体底板和带有导体底板的单端口双臂微带馈线的结构图；
带耦合圆环开槽的导体底板上的内圆金属片；
带有导体底板的单端口双臂微带馈线；
Figure BSA000005884543000330
带耦合圆环开槽的导体底板上的圆环开槽；
Figure BSA000005884543000331
带耦合圆环开槽的导体底板的上下两层金属底板；
Figure BSA00000588454300041
带有导体底板的单端口双臂微带馈线圆弧的半径；
Figure BSA00000588454300042
带有导体底板的单端口双臂微带馈线的两臂到圆环开槽中心的距离；
Figure BSA00000588454300043
带耦合圆环开槽的导体底板上的内圆金属片的半径；
Figure BSA00000588454300044
带耦合圆环开槽的导体底板上的圆环开槽外圆的半径；
图5本发明旁瓣消减的小型圆极化高增益天线的旁瓣消减的方向图；
Figure BSA00000588454300045
未采用本发明的旁瓣消减技术前的方向图；
采用本发明的旁瓣消减技术后的方向图；
图6本发明旁瓣消减的小型圆极化高增益天线的轴比随频率的变化图；
图7本发明旁瓣消减的小型圆极化高增益天线的天线输入端口的S11图；
图8本发明旁瓣消减的小型圆极化高增益天线的天线增益随频率的变化图；
LHCP的增益随频率的变化；
Figure BSA00000588454300048
RHCP的增益随频率的变化；
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做详细说明。
请参照图1，本发明提供的旁瓣消减的小型圆极化高增益天线，包括：同相高反射率上层板；矩形口径的波导周围的导体壁；带耦合圆环开槽的导体底板；腔体内的圆型口径的挡壁；带有导体底板的单端口双臂微带馈线；SMA接头；所述同相高反射率上层板与矩形口径的波导周围的导体壁所围成的矩形波导的上端口相连；带耦合圆环开槽的导体底板与矩形口径的波导周围的导体壁所围成的矩形波导的下端口相连；同相高反射率上层板，矩形口径的波导周围的导体壁与带耦合圆环开槽的导体底板围成一个立方体腔体；带有导体底板的单端口双臂微带馈线粘于带耦合圆环开槽的导体底板的下方；SMA接头与馈线的单端口连接；在立方体腔体内，与耦合圆环同心并与带耦合圆环开槽的导体底板垂直，放置两个不同直径的圆形口径挡壁。
请参照图2，本发明提供的第一种同相高反射率上层板的例子是方块型单层同相高反射率上层板，图中描述的方块型单层同相高反射率上层板是一个FR4介质板，在FR4介质板的下表面的中间42×42mm2的面积上刻有7×7个方形铜片矩阵，方形铜片的尺寸是3.5×3.5mm2，7×7个方形铜片矩阵的周期是6×6mm2，在FR4介质板的上表面的中间42×42mm2的面积上刻有7×7个方形孔的矩阵，下表面的方形孔矩阵和上表面的方形铜片矩阵在尺寸上是互补的，该配置的同相高反射率板的工作频率是11.6GHz，可以根据需要选择不同的介质板，并调节方形铜片和方形孔的尺寸，来使工作频率调谐到不同的频点。
请参照图3，本发明提供的第二种同相高反射率上层板的例子是蘑菇型多层同相高反射率上层板，图中描述的蘑菇型多层同相高反射率上层板是由第一层FR4介质板，中间空气层和第二层Taconic介质板组成，多层介质板第二层Taconic介质板下表面的中间42×42mm2的面积上刻有7×7个方形铜片矩阵，方形铜片的尺寸是3.3×3.3mm2，7×7个方形铜片矩阵的周期是6×6mm2，在多层介质板的第一层的下表面中间42×42mm2的面积上刻有7×7个方形铜片矩阵，方形铜片的尺寸是2×2mm2，在多层介质板的第一层介质板的上表面中间42×42mm2的面积上刻有7×7个方形孔环槽的矩阵，蘑菇型多层同相高反射率上层板的反射系数比方块型单层同相高反射率上层板的反射系数更接近0dB，而且多层结构的反射相位变化平缓，该配置的同相高反射率板的工作频率是12GHz，可以根据需要选择不同的介质板，并调节方形铜片和方形孔环槽的尺寸，来使工作频率调谐到不同的频点。
请参照图4，本发明提供的带有导体底板的单端口双臂微带馈线，包括，上下两层金属底板，单端口双臂微带馈线夹在上下两层介质板中间，单元口双臂微带线馈线的两个臂将电磁能量通过带耦合圆环开槽的导体底板上的耦合圆环开槽送入立方体腔体内。
请参照图5，本发明提供的旁瓣消减的小型圆极化高增益天线的一个具体实现的方向图，所述具体实现采用了同相高反射率上层板是一个FR4介质板，在FR4介质板的下表面的中间42×42mm2的面积上刻有7×7个方形铜片矩阵，方形铜片的尺寸是3.5×3.5mm2，7×7个方形铜片矩阵的周期是6×6mm2，在FR4介质板的上表面的中间42×42mm2的面积上刻有7×7个方形孔的矩阵，下表面的方形孔矩阵和上表面的方形铜片矩阵在尺寸上是互补的。所述矩形口径的腔体周围的导体壁是矩形口径为42×42mm2，高度为6.35mm，即四分之一工作波长，中空的矩形柱体；所述带耦合圆环开槽的导体底板是面积为42×42mm2的矩形导体平面，中间圆孔的直径是11mm，该圆孔内有一直径为8mm的圆形铜片，圆孔和圆形铜片形成了耦合圆环开槽；所述同相高反射率上层板，矩形口径的腔体周围的导体壁，和带耦合圆环开槽的导体底板围成一个立方体腔体，立方体腔体的尺寸为横截面是42×42mm2，高度是6.35mm，同相高反射率上层板以下表面朝下盖住矩形口径的腔体周围的导体壁上端的矩形口径，带耦合圆环开槽的导体底板封住矩形口径的腔体周围的导体壁下端的矩形口径；所述腔体内的两个不同直径的圆形口径的挡壁垂直位于带耦合圆环开槽的导体底板上，并与耦合圆孔同心；所述带有导体底板的单端口双臂微带馈线，以馈线朝上粘于带耦合圆环开槽的导体底板的下方；所述SMA接头与馈线的单端口连接，可以看出采用旁瓣消减技术后，天线方向图的旁瓣降到了-20dB以下，未采用旁瓣消减技术的天线方向图的旁瓣高达-15dB。
请参照图6，本发明提供的旁瓣消减的小型圆极化高增益天线的一个具体实现的圆极化轴比，在11.6-12.2GHz频段范围内，其轴比小于3dB。
请参照图7，本发明提供的旁瓣消减的小型圆极化高增益天线的一个具体实现的S11，在11.3-13GHz的宽频带范围内，其S11小于-10dB。
请参照图8，本发明提供的旁瓣消减的小型圆极化高增益天线的一个具体实现的LHCP和RHCP的增益随频率的变化，在11.3-12.1GHz频段范围内，LHCP的辐射增益高于10dB，LHCP比RHCP平均高出10dB以上。
由以上分析知，本发明提供的旁瓣消减的小型圆极化高增益天线，在实现同样增益的情况下，它既可与喇叭天线的辐射口径相媲美，又可与微带天线的厚度相媲美，并且其旁瓣可消减到20dB以上。

Claims (7)

1.旁瓣消减的小型圆极化高增益天线，其特征在于，所述旁瓣消减的小型高增益天线包括：同相高反射率上层板；矩形口径的波导周围的导体壁；带耦合圆环开槽的导体底板；腔体内的圆型口径的挡壁；带有导体底板的单端口双臂微带馈线；SMA接头；所述同相高反射率上层板与矩形口径的波导周围的导体壁所围成的矩形波导的上端口相连；带耦合圆环开槽的导体底板与矩形口径的波导周围的导体壁所围成的矩形波导的下端口相连；同相高反射率上层板，矩形口径的波导周围的导体壁与带耦合圆环开槽的导体底板围成一个立方体腔体；带有导体底板的单端口双臂微带馈线粘于带耦合圆环开槽的导体底板的下方；SMA接头与馈线的单端口连接；在立方体腔体内，与耦合圆环同心并与带耦合圆环开槽的导体底板垂直，放置两个不同直径的圆形口径挡壁。
2.根据权利要求1所述的旁瓣消减的小型圆极化高增益天线，其特征在于，所述同相高反射率上层板是一种具有周期结构的平板，它的反射系数的幅度接近0dB，它的反射系数的相位在工作频率处是0°，使用具有反射系数幅度越接近0dB但不等于0dB的同相高反射率上层板，天线增益越大，所述同相高反射率上层板的两个实例是方块型单层同相高反射率上层板和蘑菇型多层同相高反射率上层板。
3.根据权利要求1与2所述的旁瓣消减的小型圆极化高增益天线，其特征在于，所述同相高反射率上层板，矩形口径的波导周围的导体壁与带耦合圆环开槽的导体底板围成一个立方体腔体，该立方体腔体的上层板是同相高反射率平板，该立方体腔体的下层板是带耦合圆环开槽的导体底板，该立方体腔体的四周围的壁是导体板，腔体的高度是工作波长的四分之一。
4.根据权利要求1与3所述的旁瓣消减的小型圆极化高增益天线，其特征在于，所述带有导体底板的单端口双臂微带馈线贴于带耦合圆环开槽的导体底板的下方，并通过耦合圆环开槽把能量送入立方体腔体，导体底板上的圆环开槽的大小与单端口双臂微带馈线的双臂的长度差可根据工作频率的大小调节，目的是找到重合的好的输入阻抗匹配和好的轴比的频率带。
5.根据权利要求1与3所述的旁瓣消减的小型圆极化高增益天线，其特征在于，所述立方体腔体内的两个不同直径的圆形口径的挡壁，以下描述为外挡壁和内挡壁，都是导电材料做成的环柱体，比如铜环柱，挡壁所用环柱体壁的厚度不应大于1mm，在满足不变形的硬度要求的情况下，挡壁所用环柱体壁的厚度要尽量小，外挡壁的内直径及高度可调，内挡壁的内直径及高度可调，以使旁瓣低于-20dB。
6.根据权利要求1与2所述的旁瓣消减的小型圆极化高增益天线，其特征在于，所述方块型单层同相高反射率上层板是一个FR4介质板，在FR4介质板的下表面的中间42×42mm2的面积上刻有7×7个方形铜片矩阵，方形铜片的尺寸是3.5×3.5mm2，7×7个方形铜片矩阵的周期是6×6mm2，在FR4介质板的上表面的中间42×42mm2的面积上刻有7×7个方形孔的矩阵，下表面的方形孔矩阵和上表面的方形铜片矩阵在尺寸上是互补的，该配置的同相高反射率板的工作频率是11.6GHz，可以根据需要选择不同的介质板，并调节方形铜片和方形孔的尺寸，来使工作频率调谐到不同的频点。
7.根据权利要求1与2所述的旁瓣消减的小型圆极化高增益天线，其特征在于，所述蘑菇型多层同相高反射率上层板是由第一层FR4介质板，中间空气层和第二层Taconic介质板组成，多层介质板第二层Taconic介质板下表面的中间42×42mm2的面积上刻有7×7个方形铜片矩阵，方形铜片的尺寸是3.3×3.3mm2，7×7个方形铜片矩阵的周期是6×6mm2，在多层介质板的第一层的下表面中间42×42mm2的面积上刻有7×7个方形铜片矩阵，方形铜片的尺寸是2×2mm2，在多层介质板的第一层介质板的上表面中间42×42mm2的面积上刻有7×7个方形孔环槽的矩阵，蘑菇型多层同相高反射率上层板的反射系数比方块型单层同相高反射率上层板的反射系数更接近0dB，而且蘑菇型多层结构的反射相位变化平缓，该配置的同相高反射率板的工作频率是12GHz，可以根据需要选择不同的介质板，并调节方形铜片和方形孔环槽的尺寸，来使工作频率调谐到不同的频点。
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