CN104600432B - 一种小型化宽波束微带天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型化宽波束微带天线，是在微带辐射贴片周围增加接地的U形寄生贴片，其特点是结构简单、体积小，而且能实现较大的阻抗带宽和宽波束性能；该结构的微带天线由于存在接地的U形寄生贴片，使得辐射贴片与U形寄生贴片间的缝隙引入了容抗，与探针的感抗分量相抵消，从而展宽了天线的带宽；同时，辐射贴片的尺寸远小于普通微带天线的贴片尺寸—二分之一自由空间波长(7.5mm)，压缩了辐射贴片的尺寸，在一定程度上起到展宽天线波束宽度的作用；天线金属底座上粘贴少量的适宜厚度的吸波材料，不仅可以改善组阵时天线阵元之间的互耦，还可以展宽天线的波束宽度。

Description

一种小型化宽波束微带天线

技术领域

本发明属于微带天线技术领域，具体涉及一种小型化宽波束微带天线，可适用多种类型雷达天线，特别适用于高分辨率合成孔径雷达成像和大角度扫描相控阵雷达。

背景技术

“大角度扫描相控阵”一直以来都是相控阵研究领域的热点和难点。近代无线通信需求的扩展和遥感探测技术的发展给大角度扫描相控阵提供了更加广阔的应用领域。关于“相控阵大角度扫描”的研究最早可以上溯至上个世纪60、70年代。起初人们采用机械等方式转动雷达平台，从而获得较大的扫描区域。这种与机械转动相结合的方式并未从物理本质上找出制约相控阵大角度扫描的因素，但这种方式在战争中还是体现出其巨大的应用价值。上个世纪70年代之后，人们逐步从本质上认识到制约相控阵大角度扫描的因素，并提出了若干的解决方法，如文献“Multimode phased array element for wide scan angleimpedance matching(Proceedings of the IEEE,1968,51(11):1951-1959，R.Tang andN.S.Wong.)”以及文献“Wide-angle scan of linear arrays(IEEE AP-S,New York,1978,174-177,J.Anderson and A.Zaghloul.)”。其中采用具有宽波束的单元构成相控阵实现大角度扫描的方法影响尤为深远。

具备大角度扫描能力的天线单元类型有：槽缝天线(线性锥形开槽、指数锥形开槽等)、偶极子天线(同轴偶极子、印刷微带偶极子等)、螺旋天线(平面螺旋、四臂螺旋等)和宽波束微带天线等。需要强调的是，偶极子天线的辐射方向图往往在H面上的辐射具有全向性，而在与其垂直的E面的辐射波束宽度就只有60度左右，这种波束特性就更适合做一面宽波束、另一面窄波束的一维扫描相控阵天线单元。此外，针对宽波束微带天线而言，通过采用某些新颖的设计思路和参数优化，不仅可以使其具有很大的波束宽度，还可以达到50％以上的带宽且实现小型化。

在某些SAR雷达系统中，天线的小型化可以使得在指定的区域内放置更多的天线阵元，这对改善雷达的成像质量是有一定好处的。现有的微带天线小型化技术主要有两种，一种是在辐射贴片下采用短路壁或者短路探针，另一种是采用U形缝隙或者L型探针激励。但两种微带天线都存在阻抗带宽小且E面和H面方向图波束宽度仅局限在80度以内的缺点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种小型化宽波束微带天线，其阻抗带宽大于50％(VSWR≤2),在E面和H面都有很好的宽波束特性，波束宽度均大于120度，能满足二维相控阵大角度扫描的要求，而且天线为平面结构，易于加工，易于与载体共形，用途广泛。

本发明的一种小型化宽波束微带天线，包括微带介质板和金属底座，其中：

所述微带介质板的一侧平面上加工有辐射贴片、寄生贴片和条形焊盘；所述寄生贴片具有矩形缺口，所述辐射贴片嵌入在所述寄生贴片的矩形缺口中，所述辐射贴片与寄生贴片的矩形缺口平齐的端面上有凸起，所述辐射贴片的嵌入部分与所述矩形缺口之间留有间隙；所述条形焊盘加工在所述微带介质板上与寄生贴片相对的一端；

所述微带介质板的一侧平面中心设置有圆形焊盘，在所述圆形焊盘上开有贯穿辐射贴片的金属化过孔；

所述金属底座由上长方体和下长方体组合而成，所述金属底座上开有贯穿两个长方体的射频连接头安装孔；

所述微带介质板加工有寄生贴片的一侧朝下放置于金属底座中上长方体的端面上，其中，所述寄生贴片与条形焊盘分别与上长方体端面焊接在一起；

所述射频连接头从所述金属底座的下端穿入所述射频连接头安装孔中，射频连接头的探针从所述金属化过孔中穿出，并焊接在所述圆形焊盘上。

较佳的，所述金属底座的上长方体上端面沿所述条形焊盘的方向加工有贯穿的凹槽。

进一步的，在所述上长方体的外围包覆有工作频率为6GHz至35GHz的吸波材料，所述吸波材料的上端低于所述上长方体中凹槽的下底面。

较佳的，所述微带介质板的尺寸参数如下：

所述微带介质板的尺寸为6.5mm×3.96mm；所述寄生贴片的尺寸为3.96mm×3.42mm，其中矩形缺口的尺寸为1.72mm×2.36mm；所述辐射贴片的嵌入部分与所述矩形缺口之间的间距为0.18mm；所述条形焊盘的尺寸为1.0mm×3.96mm。

较佳的，所述微带介质板材料采用罗杰斯5880射频板材，其介电常数为2.2，厚度为0.254mm。

较佳的，所述射频连接头采用西安金波J.SMPM(M)-JYD-L型射频连接头。

较佳的，所述射频连接头安装方法为：通过在射频连接头安装孔(23)内壁涂覆焊锡膏用加热台进行焊接。

本发明具有如下有益效果：

本发明中的天线单元是在微带辐射贴片周围增加接地的U形寄生贴片，其特点是结构简单、体积小，而且能实现较大的阻抗带宽和宽波束性能。该结构的微带天线由于存在接地的U形寄生贴片，使得辐射贴片与U形寄生贴片间的缝隙引入了容抗，与探针的感抗分量相抵消，从而展宽了天线的带宽。若将本发明中天线的探针和辐射贴片视为单机子天线的一个臂，则缝隙引入的容抗等于对这个臂进行了顶端加载，这可以大大减小单机子天线的臂长，因此，辐射贴片的尺寸远小于普通微带天线的贴片尺寸—二分之一自由空间波长(7.5mm)。同时，压缩了辐射贴片的尺寸，在一定程度上起到展宽天线波束宽度的作用。天线金属底座上粘贴少量的适宜厚度的吸波材料，不仅可以改善组阵时天线阵元之间的互耦，还可以展宽天线的波束宽度。本发明提出的宽波束微带天线具结构体积小、加工工艺简单、一致性好等特点，适用于大角度扫描的二维相控阵中，具有良好的工程应用价值。

附图说明

图1是本发明提供的宽波束微带天线介质板示意图；

图2是本发明提供的宽波束微带天线金属底座示意图；

图3是本发明提供的宽波束微带天线HFSS仿真模型；

图4是本发明提供的宽波束微带天线驻波测试结果；

图5是本发明提供的宽波束微带天线的18GHz处的H面方向图；

图6是本发明提供的宽波束微带天线的20.5GHz处的H面方向图；

图7是本发明提供的宽波束微带天线的23GHz处的H面方向图；

图8是本发明提供的宽波束微带天线的18GHz处的E面方向图；

图9是本发明提供的宽波束微带天线的20.5GHz处的E面方向图；

图10是本发明提供的宽波束微带天线的23GHz处的E面方向图；

1-微带介质板，11-寄生贴片，12-辐射贴片，13-条形焊盘，14-圆形焊盘，15-金属化过孔，2-金属底座，21-上长方体，22-下长方体，23-射频连接头安装孔，24-凹槽，3-射频连接头，4-吸波材料。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明的宽波束微带天线，主要由微带介质板1和金属底座2构成，微带介质板1背面及正面图案如图1所示，微带介质板1背面图案由辐射贴片12、带有矩形缺口的寄生贴片11和条形焊盘13组成，辐射贴片12嵌入在所述寄生贴片11的矩形缺口中，辐射贴片12与寄生贴片11的矩形缺口平齐的端面上有凸起，所述辐射贴片12的嵌入部分与所述矩形缺口之间留有间隙；所述条形焊盘13加工在所述微带介质板1上与寄生贴片11相对的一端。微带介质板1的一侧平面中心设置有圆形焊盘14，在所述圆形焊盘14上开有贯穿辐射贴片12的金属化过孔15。

金属底座2由上长方体21和下长方体22组合而成，金属底座2上开有贯穿两个长方体的射频连接头安装孔23。寄生贴片11外边沿和条形焊盘13用于将微带介质板1焊接固定在金属底座2上，同时可使寄生贴片11充分接地。微带介质板1正面图案为一圆形焊盘14，圆形焊盘14中心为一金属化过孔15，安装射频连接头3时将探针由圆形焊盘14中的金属化过孔15伸出，然后焊接至圆形焊盘14上。微带介质板1材料采用罗杰斯5880射频板材，其介电常数为2.2，厚度为0.254mm。宽波束微带天线金属底座2结构如图2所示，金属底座2中心为一射频连接头安装孔23，为了实现K波段宽波束微带天线的小型化，本发明中采用西安金波J.SMPM(M)-JYD-L型射频连接头进行能量传输，通过在金属底座2的安装孔23内壁涂覆少量焊锡膏用加热台进行焊接。安装后的宽波束微带天线整体效果图如图3所示，由于在上长方体21上端加工一凹槽24，使得微带介质板1下方为一高度为0.95mm的空气腔，用以拓展天线的阻抗带宽。在实际应用时，为减小阵列中天线单元间的互耦，须在天线底座上粘贴少量聚氨酯吸波材料4。吸波材料4不宜过厚，其上表面与空气腔底面平齐为宜，这样在减小阵元间互耦的同时，还能保证天线的增益几乎不受影响。

微带介质板1的尺寸为6.5mm×3.96mm；寄生贴片11的尺寸为3.96mm×3.42mm，其中矩形缺口的尺寸为1.72mm×2.36mm；所述辐射贴片12的嵌入部分与矩形缺口之间留有间隙，其间隙大小为0.18mm；所述条形焊盘13的尺寸为1.0mm×3.96mm。

本发明基于上述尺寸的微带天线还给出了宽波束微带天线的驻波及方向图测试结果：图4是宽波束微带天线单元驻波的实测结果，VSWR≤2输入阻抗带宽为12.6GHz,对应频段为17.2GHz-29.2GHz。其驻波带宽达到53.6％，说明该天线具有较宽的频带。

图5至图10给出了天线在18GHz至23GHz频段内中心频点及边频的E面和H面方向图，从图中可以看出，各个频点处的E面和H面方向图均具有很好的宽波束特性，波束宽度均大于120度，能满足二维相控阵大角度扫描特性的要求。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种小型化宽波束微带天线，其特征在于，包括微带介质板(1)和金属底座(2)，其中：

所述微带介质板(1)的一侧平面上加工有辐射贴片(12)、寄生贴片(11)和条形焊盘(13)；所述寄生贴片(11)具有矩形缺口，所述辐射贴片(12)嵌入在所述寄生贴片(11)的矩形缺口中，所述辐射贴片(12)与寄生贴片(11)的矩形缺口平齐的端面上有凸起，所述辐射贴片(12)的嵌入部分与所述矩形缺口之间留有间隙；所述条形焊盘(13)加工在所述微带介质板(1)上与寄生贴片(11)相对的一端；

所述微带介质板(1)的一侧平面中心设置有圆形焊盘(14)，在所述圆形焊盘(14)上开有贯穿辐射贴片(12)的金属化过孔(15)；

所述金属底座(2)由上长方体(21)和下长方体(22)组合而成，所述金属底座(2)上开有贯穿两个长方体的射频连接头安装孔(23)；

所述微带介质板(1)加工有寄生贴片(11)的一侧朝下放置于金属底座(2)中上长方体(21)的端面上，其中，所述寄生贴片(11)与条形焊盘(13)分别与上长方体(21)端面焊接在一起；

所述射频连接头(3)从所述金属底座(2)的下端穿入所述射频连接头安装孔(23)中，射频连接头(3)的探针从所述金属化过孔(15)中穿出，并焊接在所述圆形焊盘(14)上；

微带介质板(1)和金属底座(2)组合的微带天线的工作频段为17.2GHz-29.2GHz。

2.如权利要求1所述的一种小型化宽波束微带天线，其特征在于，所述金属底座(2)的上长方体(21)上端面沿所述条形焊盘(13)的方向加工有贯穿的凹槽(24)。

3.如权利要求2所述的一种小型化宽波束微带天线，其特征在于，在所述上长方体(21)的外围包覆有工作频率为6GHz至35GHz的吸波材料(4)，所述吸波材料(4)的上端低于所述上长方体(21)中凹槽(24)的下底面。

4.如权利要求1所述的一种小型化宽波束微带天线，其特征在于，所述微带介质板(1)的尺寸参数如下：

所述微带介质板(1)的尺寸为6.5mm×3.96mm；所述寄生贴片(11)的尺寸为3.96mm×3.42mm，其中矩形缺口的尺寸为1.72mm×2.36mm；所述辐射贴片(12)的嵌入部分与所述矩形缺口之间的间距为0.18mm；所述条形焊盘(13)的尺寸为1.0mm×3.96mm。

5.如权利要求1所述的一种小型化宽波束微带天线，其特征在于，所述微带介质板(1)材料采用罗杰斯5880射频板材，其介电常数为2.2，厚度为0.254mm。

6.如权利要求1所述的一种小型化宽波束微带天线，其特征在于，所述射频连接头(3)采用西安金波J.SMPM(M)-JYD-L型射频连接头。

7.如权利要求6所述的一种小型化宽波束微带天线，其特征在于，所述射频连接头(3)安装方法为：通过在射频连接头安装孔(23)内壁涂覆焊锡膏用加热台进行焊接。