CN102983401A - 低耗低副瓣高增益平面频率扫描天线 - Google Patents

Abstract

本发明一种低耗低副瓣高增益平面频率扫描天线，由三层平面介质基板组成，三层平面介质基板重叠布置，并且每层平面介质基板之间有间隔，三层平面介质基板通过塑料螺钉固定，其中，第一层平面介质基板包括天线辐射单元和地板，第二层平面介质基板的上下表面对称布置，包括慢波蛇形线结构，功分器，传输线馈电结构，匹配负载，慢波蛇形线结构的末端连接到匹配负载，慢波蛇形线结构和功分器连接，传输线馈电结构和功分器连接，第三层平面介质基板为地板；本发明损耗低，副瓣低，增益高，且结构简单，便于实现。

Description

低耗低副瓣高增益平面频率扫描天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别是一种低耗低副瓣高增益平面频率扫描天线。

背景技术

随着现代雷达技术的不断发展，对于天线跟踪速度的要求日益提高，电扫描天线因其波速扫描时间极低，信号衰减小，运行性能好等优点已基本取代机械扫描天线。采用频率扫描实现波束扫描原理简单，馈电网络结构简单，成本相对较低。传统的频率扫描天线由作为相移单元的蛇形慢波波导结构和作为辐射单元的波导缝隙天线组成。由于波导损耗极低，因此可以实现较高增益的频率扫描天线阵列（请参见文献1：R. S. Elliot, “ Antenna theory and design, ” New York: Prentice-Hall, 1981）。然而，由于波导体积大，重量重，并且不能进行平面化设计，和其他器件难以集成，此类频率扫描天线无法满足日益发展的现代雷达通信要求。

近年来，采用漏波技术以及左右手传输线技术的频率表扫描天线由于其低剖面、体积小、易于集成等优点引起了学者们的极大兴趣。然而，由于平面化电路的要求，这些用于频率扫描的漏波天线都共同存在一个问题，那就是损耗。由于采用平面印刷工艺，介质损耗的引入使得平面漏波天线的传输损耗比波导频扫天线要大很多，无法实现高增益的频扫阵列天线，且常常出现频带内增益起伏较大的现象。另外，此类漏波天线由于在设计时行波传输结构和辐射单元是一体的，所以在实现阵列的不同分布上存在困难，在进行波束扫描的同时较难满足低副瓣的要求（请参见文献2：Y. Dong and T. Itoh, “ Composite right/left-handed substrate integrated waveguide and half mode substrate integrated waveguide leaky-wave structures, ” IEEE Trans. Antenna. Propag., vol. 59, no. 3, pp. 767-775, Mar. 2011）。

发明内容

本发明的目的在于提供一种损耗低，副瓣低，增益高，且结构简单，便于实现的低耗低副瓣高增益平面频率扫描天线。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种低耗低副瓣高增益平面频率扫描天线，由三层平面介质基板组成，三层平面介质基板重叠布置，并且每层平面介质基板之间有间隔，三层平面介质基板通过塑料螺钉固定，其中，第一层平面介质基板包括天线辐射单元和地板，第二层平面介质基板的上下表面对称布置，包括慢波蛇形线结构，功分器，传输线馈电结构，匹配负载，慢波蛇形线结构的末端连接到匹配负载，慢波蛇形线结构和功分器连接，功分器和传输线馈电结构连接，第三层平面介质基板为地板。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

（1）本发明天线采用基于双面悬置空气带状线的慢波蛇形线结构作为频率扫描天线的相移结构，由于采用空气作为该结构的传输媒质，其传输损耗相较于一般平面传输线小很多，为天线实现高增益奠定了基础。同时，通过慢波线结构轮廓、折数、尺寸的适当选择和优化，使得移相传输结构的损耗进一步减小，且可满足不同的频带范围需要。

（2）本发明将慢波蛇形线结构、传输线馈电结构和天线辐射单元分开，互相不影响，可以方便的进行独立设计，同时可以实现很高的设计灵活性。首先，馈线的独立设计，可以很好的满足频率扫描天线的角度扫描范围、频带资源、传输损耗的各部分要求，通过对慢波蛇形线结构的优化设计进行折中选择，很容易满足设计的需求。其次，天线辐射单元的单独设计，可以使得其形式多样化，可以根据项目或产品的需要进行适当选择。

（3）本发明中慢波蛇形线结构以及传输线馈电结构和天线辐射单元分开，使得天线的幅度分布控制容易实现。通过调节功分器的能量分配，即可实现要求，获得想要的天线副瓣水平，实现低副瓣。此时，天线中的所有天线辐射单元尺寸是相同的，只需要调节功分器即可，方便且易实现。

（4）本发明同时满足了平面化，低损耗、低副瓣以及高增益的要求。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例1天线的整体结构俯视透视图。

图2为本发明实施例1天线的立体结构的正视图。

图3为本发明实施例1天线的第一层平面介质基板的俯视图。

图4为本发明实施例1天线的第二层平面介质基板的俯视图。

图5为本发明实施例1天线的S参数仿真与实测图。

图6为本发明实施例1天线的增益仿真、实测结果和效率图。

图7为本发明实施例2天线的整体结构俯视透视图。

图8为本发明实施例2天线的立体结构的正视图。

图9为本发明实施例2天线的第一层平面介质基板的俯视图。

图10为本发明实施例2天线的第二层平面介质基板的俯视图。

图11为本发明实施例3天线的整体结构俯视透视图。

图12为本发明实施例3天线的立体结构的正视图。

图13为本发明实施例3天线的第一层平面介质基板的俯视图。

图14为本发明实施例3天线的第二层平面介质基板的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例1：

一种低耗低副瓣高增益平面频率扫描天线，由三层平面介质基板组成，三层平面介质基板重叠布置，并且每层平面介质基板之间有间隔，三层平面介质基板通过塑料螺钉6固定，其中，第一层平面介质基板7包括天线辐射单元和地板，第二层平面介质基板8的上下表面对称布置，包括慢波蛇形线结构2，耦合功分器3，传输线馈电结构4，匹配负载5，慢波蛇形线结构2的末端连接到匹配负载5，慢波蛇形线结构2和耦合功分器3耦合连接，传输线馈电结构4和耦合功分器3连接，第三层平面介质基板9为地板。

图1给出本发明天线的整体结构俯视图（透视图），图2给出其立体结构的正视图。图中实线所示结构为印刷在介质基板上的金属图形，虚线所示为刻蚀掉金属的部分，黑色填充部分为支撑该天线结构使用的塑料螺钉6。从图中可以看到，本专利所述的天线由三层平面介质基板组成，位于中间的第二层平面介质基板8的上、下表面对称印刷了慢波蛇形线结构2作为频率扫描天线的移相单元，和作为功率分配的耦合功分器3以及对矩形辐射缝隙天线单元1进行馈电的传输线馈电结构4，与第二层平面介质基板8分别相距同样距离的第一层平面介质基板7的底层金属表面和第三层平面介质基板9的上金属表面共同作为该天线的接地面。此三层结构共同形成双面悬置空气带状线，为了激励起双面悬置空气带状线的偶模，在慢波蛇形线结构2上制作了多个金属化通孔，以此连接第二层平面介质基板8的上下金属表面上对称布置的所有图形，使得分布在上下金属表面的相同图形获得同等的电压。图中高度为Hc的部分为空气，是此双面悬置空气带状线的传输媒质，由于此时结构的电场绝大部分都分布在上下两层空气中，因而能量在损耗极低的空气中进行传输，用以达到减小天线结构损耗的目的。在第一层平面介质基板7的下金属表面刻蚀矩形辐射缝隙天线单元1，作为辐射口径。此时，低耗低副瓣高增益平面频率扫描天线形成。

图3给出所发明天线的第一层平面介质基板，其中虚线矩形结构则是刻蚀于第一层平面介质基板7的下金属表面上的多个矩形辐射缝隙天线单元1。该平面介质基板的上金属表面全部腐蚀。

图4为第二层平面介质基板8的上下表面对称印刷的相同的矩形轮廓的慢波蛇形线结构2、耦合功分器3以及传输线馈电结构4。相邻的耦合功分器3之间的间距是相等的，以此保证各矩形辐射缝隙天线单元1之间的空间相位差相同。此距离的选取必须避免天线扫描过程中栅瓣的形成。两相邻单元之间的慢波蛇形线结构2尺寸的确定是根据所设计的频率扫描天线的工作频率、频带资源、频率扫描角度范围以及天线设计中可接受的传输损耗而共同折中决定的。其中矩形轮廓的慢波蛇形线结构2的折数和横向尺寸对其自身的传输损耗影响很大，需要进行适当选择。图中每个耦合功分器3的耦合间距是不同的，用以分配不同的能量到各矩形辐射缝隙天线单元1，从而实现需要的天线幅度分布，达到设计的副瓣要求。从耦合功分器3获得的能量经过四分之波长阻抗变换器与矩形辐射缝隙天线单元1的传输线馈电结构4相连。

制作的实施例设计中心频率为9.5 GHz，设计频带范围为8.8 GHz-10.6 GHz，扫描范围为-35° ~ +45°，要求副瓣为20dB。根据设计要求，采用25dB的泰勒分布进行幅度分布设计，采用介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为0.254 mm的介质基板Rogers 5880作为本发明天线中的第二层平面介质基板8，介电常数为3.55，损耗角正切为0.0027，厚度为0.508 mm的介质基板Rogers 4003作为第一层平面介质基板7和第三层平面介质基板8。

所制作天线由16单元组成。各天线单元间距选取为14.4mm，相当于中心频率9.5GHz处的0.46倍波长，用以避免扫描过程中栅瓣的出现。作为移相的矩形轮廓的慢波蛇形线结构2采用具有三个弯折的蛇形线单元（此处弯折数的计算为慢波蛇形线结构中从左至右出现的完整的“几”字形的个数），其传输损耗只有0.1dB，根据该结构的等效色散曲线图可以很容易的得到它的波束扫描范围。通过合理设计各耦合功分器3的耦合尺寸，可以很好的实现所需的幅度分布。

图5所示为所述天线的实测波束扫描方向图，该天线在8.8-10.6 GHz的频带范围内波束由-31.5°扫描至+46°，频率扫描灵敏度为43.05°/GHz。在整个频带范围内，方向图副瓣均在20dB左右，除了在频带边缘的个别频点。图6为该天线的仿真与测试增益结果，天线的仿真辐射效率也能在图中观察到。在1.8GHz的频带范围内，天线增益起伏较小，且最大增益值达到了15.5dBi，天线的最大辐射效率也达到了85%。这都高于一般的印刷工艺形式的频率扫描天线。

本实施例中作为移相单元的慢波蛇形线结构2采用矩形轮廓、弯折数为三的蛇形线结构，但并不限于此，轮廓（如三角形、菱形）、弯折次数不受限制，只需要满足设计需要的频带资源、扫频范围、适当的传输损耗即可，并且慢波蛇形线结构的纵向尺寸必须保证在扫描时不会出现栅瓣。

另外，本实施例中采用耦合功分器3进行功率分配，将能量分配给矩形辐射缝隙天线单元1。在设计中，用于功率分配时的耦合功分器并不是唯一的选择，也可以采用直接型功分器，用带线直接与慢波蛇形线结构2连接，将能量分配出来。

实施例2：

由三层平面介质基板组成，三层平面介质基板重叠布置，并且每层平面介质基板之间有间隔，三层平面介质基板通过塑料螺钉6固定，其中，第一层平面介质基板7包括天线辐射单元和地板，第二层平面介质基板8的上下表面对称布置，包括慢波蛇形线结构2，耦合功分器3，传输线馈电结构4，匹配负载5，慢波蛇形线结构2的末端连接到匹配负载5，慢波蛇形线结构2和耦合功分器3耦合连接，传输线馈电结构4和耦合功分器3连接，第三层平面介质基板9为地板。

图7给出本发明天线的整体结构俯视图（透视图），图8给出其立体结构的正视图。图中实线所示结构为印刷在介质基板上的金属图形，虚线所示为刻蚀掉金属的部分，黑色填充部分为支撑该天线结构使用的塑料螺钉6。从图中可以看到，本例所述的天线由三层平面介质基板组成，位于中间的第二层平面介质基板8的上、下表面对称印刷了慢波蛇形线结构2作为频率扫描天线的移相单元，和作为功率分配的耦合功分器3以及对圆环辐射缝隙天线单元10进行馈电的传输线馈电结构4，与第二层平面介质基板8分别相距同样距离的第一层平面介质基板7的底层金属表面和第三层平面介质基板9的上金属表面共同作为该天线的接地面。此三层结构共同形成双面悬置空气带状线，为了激励起双面悬置空气带状线的偶模，在慢波蛇形线结构2上制作了多个金属化通孔，以此连接第二层平面介质基板8的上下金属表面上对称布置的所有图形，使得分布在上下金属表面的相同图形获得同等的电压。图中高度为Hc的部分为空气，是此双面悬置空气带状线的传输媒质，由于此时结构的电场绝大部分都分布在上下两层空气中，因而能量在损耗极低的空气中进行传输，用以达到减小天线结构损耗的目的。在第一层平面介质基板7的下金属表面刻蚀圆环辐射缝隙天线单元10，作为辐射口径。此时，低耗低副瓣高增益平面频率扫描天线形成。

图9给出所发明天线的第一层平面介质基板7，其中虚线圆环结构则是刻蚀于第一层平面介质基板7的下金属表面上的多个圆环辐射缝隙天线单元10。该平面介质基板的上金属表面全部腐蚀。

图10为第二层平面介质基板8的上下表面对称印刷的相同的矩形轮廓的慢波蛇形线结构2、耦合功分器3以及传输线馈电结构4。相邻的耦合功分器3之间的间距是相等的，以此保证各圆环辐射缝隙天线单元10之间的空间相位差相同。此距离的选取必须避免天线扫描过程中栅瓣的形成。两相邻单元之间的慢波蛇形线结构2尺寸的确定是根据所设计的频率扫描天线的工作频率、频带资源、频率扫描角度范围以及天线设计中可接受的传输损耗而共同折中决定的。其中矩形轮廓的慢波蛇形线结构2的折数和横向尺寸对其自身的传输损耗影响很大，需要进行适当选择。图中每个耦合功分器3的耦合间距是不同的，用以分配不同的能量到各圆环辐射缝隙天线单元10，从而实现需要的天线幅度分布，达到设计的副瓣要求。从耦合功分器3获得的能量经过四分之波长阻抗变换器与传输线馈电结构4相连，再由传输线馈电结构4将能量馈给圆环辐射缝隙天线单元10。

本实施例中天线单元为圆环辐射缝隙天线单元10，圆环辐射缝隙天线单元10由于具有低仰角的特点在移动通信中受到关注。但是辐射缝隙天线单元的具体形状在本发明中是不受限制的，根据设计者对天线方向图和性能的需求，可以进行合理的改变和设计。例如在具体实施例1中所采用的是矩形缝隙，而在实施例2中则采用圆环缝隙，还可以采用方环缝隙，十字缝隙以及缝隙对等；当然，此时传输线馈电结构4需要进行相应的改变。

实施例3：

由三层平面介质基板组成，三层平面介质基板重叠布置，并且每层平面介质基板之间有间隔，三层平面介质基板通过塑料螺钉6固定，其中，第一层平面介质基板7包括天线辐射单元和地板，第二层平面介质基板8的上下表面对称布置，包括慢波蛇形线结构2，耦合功分器3，传输线馈电结构4，匹配负载5，慢波蛇形线结构2的末端连接到匹配负载5，慢波蛇形线结构2和耦合功分器3耦合连接，传输线馈电结构4和耦合功分器）连接，第三层平面介质基板9为地板。

图11给出本发明天线的整体结构俯视图（透视图），图12给出其立体结构的正视图。图中实线所示结构为印刷在介质基板上的金属图形，虚线所示为刻蚀掉金属的部分，黑色填充部分为支撑该天线结构使用的塑料螺钉6。从图中可以看到，本例所述的天线由三层平面介质基板组成，位于中间的第二层平面介质基板8的上、下表面对称印刷了慢波蛇形线结构2作为频率扫描天线的移相单元，和作为功率分配的耦合功分器3以及对矩形贴片天线单元12进行馈电的传输线馈电结构4。与第二层平面介质基板8分别相距同样距离的第一层平面介质基板7的底层金属表面和第三层平面介质基板9的上金属表面共同作为该天线的接地面。此三层结构共同形成双面悬置空气带状线，为了激励起双面悬置空气带状线的偶模，在慢波蛇形线结构2上制作了多个金属化通孔，以此连接第二层平面介质基板8的上下金属表面上对称布置的所有图形，使得分布在上下金属表面的相同图形获得同等的电压。图中高度为Hc的部分为空气，是此双面悬置空气带状线的传输媒质，由于此时结构的电场绝大部分都分布在上下两层空气中，因而能量在损耗极低的空气中进行传输，用以到达减小天线结构损耗的目的。在第一层平面介质基板7的下金属表面刻蚀缝隙11将能量通过缝隙11耦合到矩形贴片天线单元12，作为辐射口径。此时，低耗低副瓣高增益平面频率扫描天线形成。

图13给出所发明天线的第一层平面介质基板7，其中虚线矩形结构则是刻蚀于第一层平面介质基板7的下金属表面上的多个缝隙11，实线矩形结构为印刷在第一层平面介质基板7的上表面的矩形贴片天线单元12，上表面的剩余部分全部腐蚀掉。

图14为第二层平面介质基板8的上下表面对称印刷的相同的矩形轮廓的慢波蛇形线结构2、耦合功分器3以及传输线馈电结构4。相邻的耦合功分器3之间的间距是相等的，以此保证各矩形贴片天线单元12之间的空间相位差相同。此距离的选取必须避免天线扫描过程中栅瓣的形成。两相邻单元之间的慢波蛇形线结构2尺寸的确定是根据所设计的频率扫描天线的工作频率、频带资源、频率扫描角度范围以及天线设计中可接受的传输损耗而共同折中决定的。其中矩形轮廓的慢波蛇形线结构2的折数和横向尺寸对其自身的传输损耗影响很大，需要进行适当选择。图中每个耦合功分器3的耦合间距是不同的，用以分配不同的能量到各矩形贴片天线单元12，从而实现需要的天线幅度分布，达到设计的副瓣要求。从耦合功分器3获得的能量经过四分之波长阻抗变换器传输到传输线馈电结构4。传输线馈电结构4将能量通过缝隙11耦合馈给矩形贴片天线单元12。这种天线馈电方式可以获得较大的带宽。

本实施例中作为天线辐射单元的是矩形贴片天线单元12，但其形状并不是限制的。可以是矩形、圆形等各种贴片，甚至可以是环形；若想要得到圆极化的扫描天线，还可以采用角馈形式的贴片天线单元。需要注意的是，所使用的贴片天线单元的带宽必须满足用于扫描的频带资源。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照特定的优选实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，随本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种低耗低副瓣高增益平面频率扫描天线，其特征在于：由三层平面介质基板组成，三层平面介质基板重叠布置，并且每层平面介质基板之间有间隔，三层平面介质基板通过塑料螺钉（6）固定，其中，第一层平面介质基板（7）包括天线辐射单元和地板，第二层平面介质基板（8）的上下表面对称布置，包括慢波蛇形线结构（2），功分器，传输线馈电结构（4），匹配负载（5），慢波蛇形线结构（2）的末端连接到匹配负载（5），慢波蛇形线结构（2）和功分器连接，传输线馈电结构（4）和功分器连接，第三层平面介质基板（9）为地板。

2.根据权利要求1所述的一种低耗低副瓣高增益平面频率扫描天线，其特征在于：所述的第一层平面介质基板（7）的上表面金属全部腐蚀，下表面金属刻蚀多个矩形辐射缝隙天线单元（1），所述的第二层平面介质基板（8）的上下表面对称布置，功分器为耦合功分器（3），慢波蛇形线结构（2）与耦合功分器（3）耦合连接。

3.根据权利要求2所述的一种低耗低副瓣高增益平面频率扫描天线，其特征在于：所述的慢波蛇形线结构（2）的外轮廓为矩形。

Images