CN104377428B - 宽带宽波束矩形单极天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种矩形单极天线,涉及一种具有宽带宽波束特性的机载天线,它由印制在介质基板的矩形贴片、共面波导和边缘渐变结构地板构成。通过共面波导方式对其进行馈电,降低辐射损耗,对矩形导体贴片下端进行圆滑处理,优化阻抗匹配,将贴片底部开槽,设计边缘渐变结构地板,可以有效的使天线波束展宽。本天线具有体积小、结构简单、加工方便、波束宽、易集成等特点,宽频带内该天线在垂直面1.5dB波束宽度达到120°,在水平面内全向扫描,阻抗带宽为7.1~12.8GHz,最大增益可达3.8dB,辐射特性稳定,满足机载天线的性能指标,适合用做机载天线的共形单元。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有宽带宽波束特性的机载天线,特别是一种共面波导馈电的宽带宽波束矩形平面单极天线,宽频带内该天线在垂直面1.5dB波束宽度达到120°,在水平面内全向扫描,辐射特性稳定,适合用做机载天线的共形单元。
背景技术
随着雷达和通信系统的飞速发展,对机载天线的作战能力范围提出了更高的要求,除了要求具有宽带特性外,还要实现宽波束扫描,即在方位面全向辐射,在俯仰面具有一定的波束扫描范围,工作频带内稳定的方向性和天线增益,工作频带内足够小的回波损耗。双锥天线,盘锥天线与球状天线具有良好的宽带性能,但都是三维结构,体积比较庞大。采用圆形平板作为垂直于地面的天线辐射部分的平面单极天线,下面采用同轴线馈电,这类天线的下面都需要一个与天线辐射平面相垂直的导体接地板,增大了尺寸,不利于与有源电路集成。近几年来,宽带平面天线由于其低剖面、易集成等特点,已有了很大发展。共面波导相对于微带线,具有辐射色散低、损耗小、电路易集成、与其他元器件能够串并连接等优点。
对于机载天线,关注的焦点是天线波束对空间的覆盖,对增益要求不高,波束的范围内达到0dB或-2dB即可,一般要求它的方向图在水平面全向,在垂直面具有一定的波束宽度。矩形单极天线、螺旋天线、正旋天线以及椭圆形、半椭圆形的单极子天线已被证明具有不同程度的宽带宽波束特性,其中螺旋天线和正旋天线设计加工比较复杂,而采用共面波导馈电的矩形单极天线能够满足上述要求,而且具有良好的电气性能、电磁兼容性好、不易受电磁环境的干扰、较小的雷达散射截面,这些优点使其在航空、雷达、制导等领域得到了广泛的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种体积小、结构简单、加工方便、易集成的宽波束宽带矩形单极天线,其辐射特性稳定,满足机载天线的性能指标,可用于机载天线的共形单元。
本发明的技术方案是,在F4B介质基板上印有矩形导体贴片(1)、共面波导(2)和边缘渐变结构地板(3),对矩形导体贴片下端进行圆滑处理,优化阻抗匹配,将贴片底部开槽,提高带宽,通过共面波导方式对其进行馈电,降低辐射损耗,共面波导的下端与同轴接头内导体相连,以便外接同轴线,将地板的边缘设计成渐变结构,地板顶端插入矩形贴片底端的槽内,使天线满足宽频带、多谐振的特性,介质基板下端的接地面与共面波导之间设有0.3mm的间隙。
本发明的效果在于:本天线为平面结构,具有体积小、结构简单、加工方便、波束宽、剖面低、易集成等特点,对矩形导体贴片下端进行圆滑处理,优化阻抗匹配,将贴片底部开槽,设计边缘渐变结构地板,可以有效的使天线波束展宽,利用共面波导导带作为馈源对缝隙进行激励,通过采用不同的缝隙或者馈源结构,可以获得很宽的阻抗带宽,降低辐射损耗,提高电路集成度,在垂直面1.4dB波束宽度达到120°,在水平面内全向扫描,阻抗带宽为7.1~12.8GHz,最大增益可达3.8dB,辐射特性稳定,满足机载天线的性能指标,适合用于机载天线的共形单元。
附图说明
图1是本发明实例的正面结构示意图。
图2是本发明实例回波损耗S11。
图3是本发明实例在频率为7.8、9.9、11.9GHz时的XOZ面增益方向图。
图4是本发明实例在频率为7.8、9.9、11.9GHz时的YOZ面增益方向图。
具体实施方式
本发明的具体实施方式是:如图1所示,本宽波束宽带单极矩形天线是由印制在介质基板上的矩形导体贴片(1)、共面波导(2)、边缘渐变结构地板(3)和外接的同轴接头(4)组成。对矩形导体贴片(1)下端进行圆滑处理并将底部开槽,利用共面波导(2)导带作为馈源对缝隙进行激励,共面波导的下端与同轴接头(4)内导体相连,以便外接同轴线,介质基板下端的接地面与共面波导之间的间隙g=0.3mm,边缘渐变结构地板印制在介质基板的下端,边缘为指数渐变结构,渐变形式为y=eax+b,其中a为渐变常数,地板顶端插入矩形贴片底端的槽内。
天线印刷在长l=45mm、宽w=50mm、基板厚度h为0.2mm的F4B基板上,其介电常数为2.55,介质损耗为0.001,矩形贴片的长l3=21mm,宽w1=14.5mm。由于介质材料的厚度较薄,采用微带馈电不容易获得50Ω的输入阻抗,因此采用共面波导馈电方式。为获得50Ω的阻抗,中心导带宽度w2=4.2mm,缝隙的宽度g=0.3mm。使用HFSS仿真软件进行优化设计,得出天线的主要结构尺寸(单位mm):w1=14.5;w2=4.2;w3=2.3;w4=1.7;l1=9;l2=20.5;l3=21;l4=2.1;l5=2.9;g=0.3mm;a=-0.2。
图2为本发明实例的回波损耗(S11)曲线,从仿真曲线可以看出,在7.8GH和9.9GHz附近获得了良好的谐振特性,出现的最大反射系数频点为11.9GHz,其值为-10.5dB,说明在工作频带内阻抗匹配良好,满足设计天线的宽频带宽波束要求。从实测曲线可以看出,天线阻抗带宽在7.1~12.8GHz范围内在S11≤-10dB,阻抗带宽较宽,S11在工作频段内下陷深度增大。与仿真曲线相比,天线的绝对带宽为5.7GHz,低频端的带宽有所提高,实测的谐振点分别为f=8.5GHz,f=11.8GHz,与仿真结果相比谐振点向右偏移,主要是由加工误差和焊接SMA接头引起的,天线满足宽频带宽波束的要求。
在谐振点f=7.8GHz、f=9.9GHz和高频f=11.9GHz处的XOZ面方向图,即E面上的方向图,如图3所示。从图中可以看出,方向图关于主轴z轴几乎是对称的,且E面表现为“8”型,在±Z方向上辐射最弱,在±X方向上辐射最强,f=7.8GHz时,E面最大增益为1.4dB,0dB波束宽度约为120°。f=9.9GHz时,E面最大增益为2.4dB。f=11.9GHz时,E面最大增益为3.6dB。
在谐振点f=7.8GHz、f=9.9GHz和高频f=11.9GHz处的YOZ面方向图,即H面上的方向图,如图4所示。从图中可以看出,H面近似全向辐射。f=7.8GHz时,H面最大增益为3.8dB,0dB波束宽度约为140°,最大辐射方向偏离主轴30°。f=9.9GHz时,H面最大增益为0.5dB,最大辐射方向偏离主轴30°。f=11.9GHz时,H面最大增益为1.8dB,最大辐射方向偏离主轴40°。
从天线回波损耗曲线的可以得出,天线的阻抗带宽为7.1~12.8GHz,满足带宽要求,从天线的方向图可以得出,天线在整个工作频段内,辐射特性稳定,在垂直面1.4dB波束宽度达到120°,在水平面内实现全向扫描,最大增益为3.8dB,满足机载天线的性能指标,也适合用做机载天线的共形单元。
Claims (1)
1.一种宽带宽波束矩形单极天线,由印制在F4B介质基板上的矩形导体贴片(1)、共面波导(2)和边缘渐变结构地板(3)组成,其特征在于:将矩形导体贴片(1)底部开槽,通过共面波导方式对其进行馈电,共面波导(2)的下端与同轴接头内导体相连,以便外接同轴线,印制在介质基板下端的边缘渐变结构地板(3)边缘为指数渐变结构,边缘渐变结构地板(3)顶端插入矩形导体贴片(1)底端的槽内。
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