CN104167602B - Q波段单向宽带毫米波圆极化缝隙天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种Q波段单向宽带毫米波圆极化缝隙天线。它包括介质基板，金属背腔及共面波导馈线，上金属贴片，下金属贴片；金属背腔中央有圆台型空腔；在上金属贴片中心开有一个上圆形缝隙，而该上圆形缝隙中仍留有一个三角形上金属贴片支节；在下金属贴片中心开有一个下圆形缝隙，而该下圆形缝隙中仍留有一个三角形下金属贴片支节，且下金属贴片支节在上金属贴片支节的正下方；在金属背腔中央有地面封闭的圆台型空腔，形成反射腔，在下金属贴片中有一条与三角形下金属贴片支节中心线垂直的缝隙，在该缝隙中设置共面波导馈线。本发明用于提高毫米波平面缝隙天线的阻抗带宽和增益，形成单向辐射的星载通讯天线和火控雷达天线。

Description

Q波段单向宽带毫米波圆极化缝隙天线

技术领域

本发明涉及一种Q波段单向宽带毫米波圆极化缝隙天线。Q波段的S11< -10dB阻抗带宽达到34.9%（37.8-53.5GHz），圆极化3dB轴比带宽达到14.2% (6.4GHz)。该技术可用于提高毫米波平面缝隙天线的阻抗带宽和增益并有效地增强天线的单向辐射，可应用在卫星通讯领域及短程雷达、火控雷达方面。

背景技术

卫星通讯对工作频段的选择要考虑以下几个因素：1)该频段电磁波应能穿过电离层，大气吸收小，传播损耗和外界附加噪声小；2）可供使用的带宽大，以便尽可能增大通信容量；3）较合理地使用无线电频谱，尽量避免与其他通信系统之间产生互相干扰；4）能充分利用现有的成熟技术和设备，并便于与现有通信设备接口。毫米波通信，尤其是Q波段电磁波具有波长极短、穿透电离层的透射特性、频带宽等特点，适合用于地月之间的通信，适应大容量数据传输的需要。卫星通讯已经开始进入了对Q波段 (30-50GHz)、V波段(40-50GHz)开发的阶段。

针对卫星通讯的要求，除实现了带宽上的要求之外，还要满足天线辐射的方向性。Q波段(30-50GHz)的天线具备了毫米波天线的有频率高、频率范围宽，穿透性强以及不受天气影响的特点。为了兼顾带宽和方向性的需求，毫米波天线可以通过加载反射腔增强天线在特定方向上的辐射性能。对于制导、雷达这些只需要单向辐射要求的应用系统而言，可以在很大程度上提高系统的效能。

发明内容

本发明的目的在于针对平面宽缝隙毫米波天线在带宽和增益上的不足，提出了一种共面波导馈电的，Q波段单向宽带毫米波圆极化缝隙天线。在加载金属背腔的天线结构中加入引导缝隙，显著地提高了天线的方向性。

本发明采用的技术方案如下：

一种Q波段单向宽带毫米波圆极化缝隙天线，它包括介质基板，位于介质基板下面的金属背腔及共面波导馈线，介质基板上表面有一层上金属贴片，介质基板与金属背腔之间上表面有一层下金属贴片；金属背腔中央有圆台型空腔；在上金属贴片中心开有一个上圆形缝隙，而该上圆形缝隙中仍留有一个三角形上金属贴片支节；在下金属贴片中心开有一个下圆形缝隙，而该下圆形缝隙中仍留有一个三角形下金属贴片支节，且下金属贴片支节在上金属贴片支节的正下方；在金属背腔中央有地面封闭的圆台型空腔，形成反射腔，在金属背腔封闭底面开有一个小通孔；在下金属贴片中有一条与三角形下金属贴片支节中心线垂直的缝隙，在该缝隙中设置共面波导馈线，在共面波导馈线正下方有一个矩形开槽贯通介质基板。

所述的Q波段单向宽带毫米波圆极化缝隙天线，上金属贴片和下金属贴片为方形的寄生贴片和辐射贴片，分别通过上圆形缝隙和下圆形缝隙实现宽带和波束引导；下金属贴片中心的下圆形缝隙的大小主要决定天线的谐振频率和拓展天线带宽，上金属贴片中心的上圆形缝隙的大小用于调节天线的辐射方向，并起到增强天线增益的作用；并分别通过添加三角形上、下金属贴片支节对电场产生微扰，从而产生圆极化波；通过调节圆台型空腔的高度和上下截面的大小，实现良好的单向辐射效果；金属背腔的底端上开的小通孔，可改善天线低频段的性能。

所述的Q波段单向宽带毫米波圆极化缝隙天线，通过调节共面波导馈线的宽度、长度以及共面波导馈线与矩形开槽间的缝隙可方便地获得良好的阻抗匹配。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出优点：

1.此设计中采用缓变圆台型空腔，腔体内表面有金属涂层，从而尽可能地展宽了宽带。与传统加载反射板相比，在实现单向辐射的同时对天线带宽和反射损耗等性能的影响比较小。

2.采用与辐射缝隙结构相同的引导缝隙，提高了增益。

3.圆台型空腔底面开有圆形缝隙，调整圆形缝隙大小可以使不需要的辐射波从该圆形缝隙泄露出去，减小对空腔内辐射模式的影响，由于泄露的辐射波能量很小，在不影响单向辐射特性的基础上，显著提高了低频段的特性。

4.辐射面采用共面波导馈电方式，相对于微带天线有较宽的带宽和较低的辐射损耗，良好的色散特性，因而有利于提高天线的效率。

5.加载金属微扰支节，实现了圆极化辐射。在圆形辐射缝隙中加三角形金属贴片支节，可更好地截断电场，强迫X轴正方向的电场强度为零，这导致X轴负方向电场增强，产生了X轴向的极化分量和Y轴馈线产生的极化分量可以形成正交相位。

附图说明

图1 天线俯视结构及侧视示意图。

图2 天线侧视透视图。

图3 天线测试及仿真S回波损耗曲线图。

图4 天线轴比曲线图。

图5 天线增益曲线。

图6 谐振在42.6GHz的仿真和测试方向图(E面)。

图7 谐振在48.8GHz的仿真和测试方向图(H面)。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

实施例一：

参见图1~图2，本Q波段单向毫米波圆极化缝隙天线，包括介质基板(B)，位于介质基板(B)下面的金属背腔(D)及共面波导馈线(4)，介质基板(B)上表面有上表面有一层上金属贴片(A)，介质基板(B)与金属背腔(D)之间上表面有一层下金属贴片(C)；金属背腔(D)中央有圆台型空腔(E)；其特征在于：

1）在上金属贴片(A)中心开有一个上圆形缝隙(2)，而该上圆形缝隙(2)中仍留有一个三角形上金属贴片支节(1-1)；

2）在下金属贴片(C)中心开有一个下圆形缝隙(3)，而该下圆形缝隙(3)中仍留有一个三角形下金属贴片支节(1-2)，且下金属贴片支节(1-2)在上金属贴片支节(1-1)的正下方；

3）在金属背腔(D) 中央有地面封闭的圆台型空腔(E)，形成反射腔，在金属背腔(D)封闭底面开有一个小通孔(7)；

4）在下金属贴片(C)中有一条与三角形下金属贴片支节中心线垂直的缝隙，在该缝隙中设置共面波导馈线(4)，在共面波导馈线(4)正下方有一个矩形开槽(5)贯通介质基板(D)。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

所述的Q波段单向宽带毫米波圆极化缝隙天线，上金属贴片(A)和下金属贴片(C)为方形的寄生贴片和辐射贴片，分别通过上圆形缝隙(2) 和下圆形缝隙(3)实现宽带和波束引导；下金属贴片(C)中心的下圆形缝隙(3)的大小主要决定天线的谐振频率和拓展天线带宽，上金属贴片(A)中心的上圆形缝隙(2)的大小用于调节天线的辐射方向，并起到增强天线增益的作用；并分别通过添加三角形上、下金属贴片支节 (1-1)、(1-2)对电场产生微扰，从而产生圆极化波；通过调节圆台型空腔(E)的高度和上下截面(6 、8)的大小，实现良好的单向辐射效果；金属背腔(D)的底端(8)上开的小通孔(7)，可改善天线低频段的性能。

所述的Q波段单向宽带毫米波圆极化缝隙天线，通过调节共面波导馈线(4)的宽度、长度以及共面波导馈线(4)与矩形开槽(5)间的缝隙可方便地获得良好的阻抗匹配。

图3~图7分别示出本实施例性能测试曲线图。

Claims (3)

1.一种Q波段单向宽带毫米波圆极化缝隙天线，包括介质基板(B)，位于介质基板(B)下面的金属背腔(D)及共面波导馈线(4)，介质基板(B)上表面有一层上金属贴片(A)，介质基板(B)与金属背腔(D)之间有一层下金属贴片(C)；金属背腔(D)中央有圆台型空腔(E)；其特征在于：

1）在上金属贴片(A)中心开有一个上圆形缝隙(2)，而该上圆形缝隙(2)中仍留有一个三角形上金属贴片支节(1-1)；

2）在下金属贴片(C)中心开有一个下圆形缝隙(3)，而该下圆形缝隙(3)中仍留有一个三角形下金属贴片支节(1-2)，且下金属贴片支节(1-2)在上金属贴片支节(1-1)的正下方；

3）在金属背腔(D)中央有地面封闭的圆台型空腔(E)，形成反射腔，在金属背腔(D)封闭底面开有一个小通孔(7)；

4）在下金属贴片(C)中有一条与三角形下金属贴片支节中心线垂直的缝隙，在该缝隙中设置共面波导馈线(4)，在共面波导馈线(4)正下方有一个矩形开槽(5)贯通金属背腔(D)。

2.根据权利要求书1所述的Q波段单向宽带毫米波圆极化缝隙天线，其特征在于：所述上金属贴片(A)和下金属贴片(C)为方形的寄生贴片和辐射贴片，分别通过上圆形缝隙(2)和下圆形缝隙(3)实现宽带和波束引导；下金属贴片(C)中心的下圆形缝隙(3)的大小主要决定天线的谐振频率和拓展天线带宽，上金属贴片(A)中心的上圆形缝隙(2)的大小用于调节天线的辐射方向，并起到增强天线增益的作用；并分别通过添加三角形上、下金属贴片支节 (1-1)、(1-2)对电场产生微扰，从而产生圆极化波；通过调节圆台型空腔(E)的高度和上下截面(6 、8)的大小，实现良好的单向辐射效果；金属背腔(D)的底端(8)上开的小通孔(7)，可改善天线低频段的性能。

3.根据权利要求书1所述的Q波段单向宽带毫米波圆极化缝隙天线，其特征在于：通过调节共面波导馈线(4)的宽度、长度以及共面波导馈线(4)与矩形开槽(5)间的缝隙可方便地获得良好的阻抗匹配。