CN103794852A

CN103794852A - 一种实现宽波束的低剖面圆极化微带天线

Info

Publication number: CN103794852A
Application number: CN201210434559.6A
Authority: CN
Inventors: 杨峰; 吴川; 赵涵; 张银; 杨鹏; 欧阳骏
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2012-11-05
Filing date: 2012-11-05
Publication date: 2014-05-14

Abstract

本发明涉及一种新型宽波束低剖面微带天线，包括底层介质基片1，圆形微带贴片2，短路圆柱3，为实现圆极化在圆形微带贴片中央的开缝4，馈电同轴接头5，顶层介质基片6，和短路圆柱3连接的圆形微带贴片7，为了焊接方便在顶层介质基片中央开的圆形孔8，短路圆柱3向下穿过底层介质基片1，向上穿过顶层介质基片6，和圆形贴片7相交。

Description

一种实现宽波束的低剖面圆极化微带天线

技术领域

本发明涉及电磁波技术，特别涉及宽波束圆极化微带天线技术。

背景技术

相控阵天线具有可靠性高、波束灵活易变、扫描速度快、扫描精度高等优点。为了能够探测宽角度范围内的目标，要求相控阵天线具有宽角扫描能力，宽波束扫描相控阵天线成为近几年来国内外研究的热点。为了降低相控阵天线在宽角度扫描时的副瓣电平，要求天线单元具有宽波瓣方向图。微带天线具有体积小、重量轻、加工成本低、易和有源器件相集成等优点，成为相控阵天线首选的单元天线形式。但是微带天线的窄波瓣特性，成为限制其不能广泛应用于宽角扫描相控阵天线的主要缺点。近年来，国内外学者对展宽微带天线波瓣宽度的方法进行了广泛和深入的研究，取得了很多突破性的研究成果。已经报道的展宽微带天线波瓣宽度的方法包括：使用辅助的辐射单元、延长微带天线的介质、使用金字塔形的地、利用高次模、在微带天线的贴片上加载缝隙和枝节、在圆形微带贴片的周围加载短路柱等等。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种新型的宽波束低剖面圆极化微带天线。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，一种实现宽波束的低剖面圆极化微带天线。包括两层介质基片，在底层介质基片上表面的圆极化微带贴片，在底层基片下表面的馈电同轴接头，在顶层介质基片上表面的四个圆形贴片，连接顶层介质基片和底层介质基片的四个短路圆柱，在顶层介质基片中央开的圆形孔。为实现圆极化，在底层微带贴片的中央开一个斜45度的缝。在底层下表面的馈电同轴接头的内导体穿过介质基片和上表面的微带贴片相连接。四个短路圆柱均匀地分布在底层介质基片上表面微带贴片的周围且邻近微带贴片的边缘。四个短路圆柱向下穿过底层介质基片，向上穿过顶层介质基片分别和顶层介质基片上表面的四个圆形贴片相连。

由于短路柱的辐射场类似单极子的辐射场，最大的辐射方向和微带贴片天线的轴向有一定的夹角，和微带贴片天线的圆极化辐射场相叠加，实现宽波束。在顶层介质基片上表面和四个短路圆柱相连的四个圆形微带贴片相当于在单极子上加载了电容，以此缩短单极子的长度，实现低剖面。短路柱通过和圆极化微带贴片之间的耦合进行馈电，耦合的强度可以通过调节短路柱离圆极化微带贴片边缘的距离和顶层介质基片上表面的圆形贴片来实现。

本发明的有益效果是，加工方便，制作成本低，能有效展宽圆极化微带天线的波瓣宽度和保持微带天线低剖面的优良性质。应用在宽角扫描相控阵的单元天线上，能降低相控阵天线宽角扫描时的副瓣电平，改善相控阵宽角扫描的特性。

附图说明

图1是本发明使用圆形贴片时的底层正面图。

图2是本发明使用圆形贴片时的顶层正面图。

图3是本发明结构的侧面图。

图4是实施例的阻抗带宽曲线。

图5是实施例的3dB轴比曲线。

图6是实施例在2.964GHz时

和

的归一化辐射方向图。

图7是实施例在2.994GHz时

和

的归一化辐射方向图。

图8是实施例在3.024GHz时和的归一化辐射方向图。

具体实施方式

如图1所示的宽波束低剖面微带天线的底层介质基片，包括底层介质基片1，圆形微带贴片2，短路圆柱3，为实现圆极化在圆形微带贴片中央的开缝4，馈电同轴接头5。宽波束低剖面微带天线的顶层结构如图2所示，包括顶层介质基片6，和短路圆柱3连接的圆形微带贴片7，为了焊接方便在顶层介质基片中央开的圆形孔8，短路圆柱3向下穿过底层介质基片1，向上穿过顶层介质基片6，和圆形贴片7相交，如图3所示。也可以使用4个或者4个以上的偶数个短路柱，均匀分布在圆形微带贴片贴片边缘上。圆形贴片中央开缝的为了激烈起两个正交的模式来实现圆极化，圆形贴片开缝的长度可以调节微带天线的轴比，具体调节方式为圆极化微带天线的惯用手段，不在此赘述。也可以通过两个正交的馈电点，馈电相位相差90°来实现圆极化。短路柱可以为圆形、方形、菱形或三角形等柱体。短路柱在该天线中起着展宽波瓣宽度的作用，辐射的方向图类似于单极子。在顶层介质基片上表面的圆形微带贴片和短路圆柱相交，起到电容加载的作用，缩短了单极子的长度，从而实现了天线的低剖面特性。在顶层介质基片上表面的微带贴片可以为圆形，方形，菱形，三角形等。短路柱通过和底层介质上表面的微带贴片之间的耦合进行馈电，耦合的强度可以通过调节短路柱离贴片边缘的距离和顶层介质基片上表面的微带贴片的大小改变；边缘的距离越小，耦合强度越大，对波瓣展宽越宽；顶层介质基片上表面微带贴片越大，耦合强度越大，对波瓣展宽越宽。

以图1采用4根短路柱、底层和顶层都采用圆形微带贴片的宽波束低剖面圆极化微带天线为例。

介质基片的大小为70mm×70mm，介电常数为2.25的聚四氟乙烯玻璃纤维材料，也可以采用其他介电常数的聚四氟乙烯玻璃纤维、聚乙烯、聚苯乙烯、石英、陶瓷等材料。圆形贴片的半径为14.1mm，可实现微带天线工作的中心频率为2.994GH，圆极化微带天线的-10dB阻抗带宽为250MHz(2.9-3.15GHz)，相对带宽为8.26％，如图4所示。贴片上开缝的长度为18.8mm，实现微带天线的3dB轴比带宽为60MHz(2.964-3.024GHz)，相对带宽为2.0％，如图5所示。短路柱用于展宽圆极化微带天线的波瓣宽度，而短路柱末端加载的圆形微带贴片相当于电容加载，以使天线保持低剖面的特性。当短路柱的高度为8.49mm，半径为1.0mm，末端加载的圆形微带贴片的半径为4.6mm时，实现在中心频率2.994GHz处的波瓣宽度为134°，如图6所示，在2.946GHz时，

的归一化辐射方向图，3dB波瓣宽度为135°；

的归一化辐射方向图，3dB波瓣宽度为110°。如图7所示，在2.994GHz时，

的归一化辐射方向图，3dB波瓣宽度为134°；和

的归一化辐射方向图，3dB波瓣宽度为126°。如图8所示，在3.024GHz时，

的归一化辐射方向图，3dB波瓣宽度为121°；

的归一化辐射方向图，3dB波瓣宽度为154°。同轴接头的位置影响微带天线的匹配，本实施例中同轴接头的位置离圆形贴片中心的距离为8.0mm可以使微带天线得到很好的匹配。通过仿真可以得传统微带天线的3dB波瓣宽度为74°，采用本发明的实施例在中心频率的3dB波瓣宽度是134°，是传统微带天线3dB波瓣宽度的1.81倍

Claims

1.本发明为一种新型，低剖面，宽波束圆极化微带天线，包括两层介质基片，在底层介质基片上表面的圆极化微带贴片，在底层介质基片下表面的馈电同轴接头，在顶层介质基片上表面的四个圆形贴片，连接顶层介质基片和底层介质基片的四个短路圆柱，在顶层介质基片中央开的圆形孔。为实现圆极化，在底层微带贴片的中央开一个斜45度的缝。在底层介质基片下表面的馈电同轴接头的内导体穿过介质基片和上表面的微带贴片相连接。四个短路圆柱均匀地分布在底层介质基片上表面微带贴片的周围且邻近微带贴片的边缘。四个短路圆柱向下穿过底层介质基片，向上穿过顶层介质基片分别和顶层介质基片上表面的四个圆形贴片相连。

2.如权利要求1所述的宽波束圆极化天线，其特征在于底层介质基片上表面的圆极化微带贴片为中央开缝的圆形或者方形微带贴片，以及可以实现圆极化形式的任何贴片形式。

3.如权利要求1所述的宽波束圆极化天线，其特征在于底层介质基片下表面有一个馈电同轴接头。为实现圆极化也可以在底层介质基片下表面两个相互正交的位置放置两个馈电同轴接头即双点馈电实现圆极化。

4.如权利要求1所述的宽波束圆极化天线，其特征在于连接底层介质基片和顶层介质基片，均匀分布在底层介质基片上表面微带贴片周围的四个短路圆柱。短路圆柱个数可以为四个或四个以上的偶数且均匀分布在底层介质上表面微带贴片周围。短路柱可以为圆柱、方柱、菱形柱、三角形柱等。

5.如权利要求1所述的宽波束圆极化天线，其特征在于在顶层介质基片的上表面有四个均匀分布的圆形贴片。贴片的个数可以为四个或者四个以上的偶数，但必须和权利要求4中短路柱的个数相同。贴片的形式可以为圆形、方形、菱形、三角形、椭圆形等。

6.如权利要求1所述的宽波束圆极化天线，其特征在于在顶层介质中央开一个圆形的孔。开孔的形式可以为圆形、方形、三角形、菱形等，也可以不开孔。