CN105514584B - 一种垂直极化c波段宽频带短背射天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种垂直极化C波段宽频带短背射天线，反射腔的开口端被反射基板封闭，反射腔内排列辐射地基板、介质基体和辐射天线基板；反射基板朝向反射腔一侧刻蚀有圆形反射阵元；辐射天线基板朝向反射基板一侧的中心刻蚀有方形金属贴片；寄生阵子的小直径段依次穿过辐射天线基板、介质基体和辐射地基板，支撑在反射腔底部，大直径段位于辐射天线基板朝向反射基板一侧；射频连接件由反射腔底部依次贯通辐射地基板、介质基体和辐射天线基板，与辐射天线阵元的金属贴片相接。本发明达到了主瓣宽、副瓣低、结构简单、便携小型化、宽频带工作的要求，可用于对地面基站通信、地面跟踪引导通信及抗干扰通讯系统中。

Description

一种垂直极化C波段宽频带短背射天线
技术领域
本发明属于雷达及通信天线技术领域，具体涉及一种短背射天线。
背景技术
目前，在移动数据通信传输、地面抗干扰通信及测控跟踪系统中，前端天线多以垂直极化天线形式，如八木天线、富兰克林天线、平面微带天线及反射面天线等。这些天线往往存在天线尺寸较大、天线馈电系统匹配复杂、工程调试过程复杂、加工成本较高等问题。在机载、高速列车等移动通信领域中及高精度测向系统中为了扩展通信距离，抑制地面通信的多径干扰问题，同时也要满足小型化、制作安装简便等特性，新的垂直极化、定向辐射、满足宽频带工作、低副瓣、具有较高增益的天线的设计日趋重要。在众多的垂直极化天线的形式中，短背射天线具有较高的辐射增益，较低的副瓣辐射。如H.W.Ehrenspeck在《Theshort-backfire antenna》(H.W.Ehrenspeck,“The short-backfire antenn a,”Proc.IEEE,vol.53,no.6,pp.1138–1140,Aug.1965.)中所述，短背射天线由一个反射器、半波振子及部分引向器组成。但是，普通的短背射天线存在工作带宽窄、设计过程复杂、不宜加工实现等缺点，尤其是整体天线尺寸过大，加工、安装、调试过程都不方便，极大程度地限制了该天线的使用范围。D.Gray与H.Tsuji在《Short backfire antenna with microstripClavin feed》(D.Gray H.Tsuji，“Short backfire antenna with microstrip Clavinfeed”，IET Microwave,Antennas&Propagation,2009,Vol.3,ISS.8,pp.1211–1217)中提出了一种L波段、基于倾斜寄生耦合线技术的宽带圆极化短背射天线。但是在文献中仅仅是对于短背射天线中的寄生元的作用进行了原理性的探讨，其倾斜耦合线的倾斜角度及安装固定方式很难满足简单，坚固，耐用的工程实际设计要求，且其设计中通过一根支撑杆安装固定反射片的方式对于天线的辐射和馈电及安装造成影响，更不便于工程应用。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种垂直极化C波段宽频带天线，采用微带辐射阵元与寄生阵元耦合技术达到了主瓣宽、副瓣低、结构简单、便携小型化、宽频带工作的要求，可用于对地面基站通信、地面跟踪引导通信及抗干扰通讯系统中。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括反射基板、反射阵元、介质基体、寄生阵子、辐射天线阵元、辐射天线基板、辐射地、辐射地基板、反射腔及射频连接件；
所述的反射腔为一端封闭一端开口的中空柱体，开口端被反射基板封闭，反射腔内由封闭端向开口端依次平行排列有辐射地基板、介质基体和辐射天线基板；所述的反射基板为圆板，在反射基板朝向反射腔一侧刻蚀有圆形反射阵元；所述辐射天线基板朝向反射基板一侧的中心刻蚀有一片正方形的金属贴片，构成辐射天线阵元；所述辐射地基板朝向介质基体一侧为辐射地；所述的寄生阵子为铜制二层台阶圆柱体，小直径段依次穿过辐射天线基板、介质基体和辐射地基板，支撑在反射腔封闭端，大直径段位于辐射天线基板朝向反射基板一侧；所述的射频连接件由反射腔封闭端依次贯通辐射地基板、介质基体和辐射天线基板，与辐射天线阵元的金属贴片相接。
所述的反射基板使用型号为FR-4的PCB板材加工而成，厚度为天线工作波长的0.03倍，直径为天线工作波长的2倍；所述反射阵元的直径为天线工作波长的0.54倍。
所述的寄生阵子大直径段的直径为天线工作波长的0.12倍，高度为天线工作波长的0.06倍；小直径段的直径为天线工作波长的0.06倍，高度为天线工作波长的0.2倍。
所述寄生阵子的数量为4个，对称分布于辐射天线阵元四周。
所述的辐射天线基板采用标准板材加工制作，直径为天线工作波长的1.85倍，厚度为天线工作波长的0.03倍，在距中心0.46倍波长的圆周上等间距开有4个直径为0.06倍波长的通孔，为支撑寄生阵子的导通穿孔。
所述辐射天线阵元的边长为天线工作波长的0.31倍。
所述辐射天线阵元上距离底边0.019倍波长处开有一个镂空的U型槽孔，U型槽孔的底边长为0.27倍波长，两个竖边均为0.23倍波长，U型槽孔的宽度为0.019倍波长；距离U型槽孔底边0.053倍波长处为辐射天线阵元馈电点位置。
所述的辐射地基板与辐射天线基板直径相同，厚度相同。
所述的反射腔采用金属铝制作，外径为天线工作波长的1.88倍，高度为天线工作波长的0.6倍，底板厚度为天线工作波长的0.078倍，在距底板中心0.46倍波长的圆周上等间距开有与寄生阵子个数相同、直径为天线工作波长的0.06倍、深度为天线工作波长的0.06倍的定位孔，用于安装寄生阵子。
本发明的有益效果是：由于采用多功能寄生耦合阵列的设计方式，将天线整体结构尺寸缩小的同时，进一步展宽工作频带，实现了天线整体的安装与固定。通过采用以上设计使得天线满足垂直极化、宽主瓣、宽频带工作要求，天线增益大于13dB，天线3dB波束宽度为30°，驻波2以下频带宽度近15％。
附图说明
图1是本发明一种垂直极化C波段宽频带短背射天线结构示意图。
图2是本发明一种垂直极化C波段宽频带短背射天线结构装配剖面示意图。
图3是本发明一种垂直极化C波段宽频带短背射天线各组成部分爆炸示意图。
图4是一种垂直极化C波段宽频带短背射天线顶视图。
图5是一种垂直极化C波段宽频带短背射天线侧视图。
图6是一种垂直极化C波段宽频带短背射天线底视图。
图7是本发明双谐振圆极化短背射天线的S1,1参数曲线图。
图8是本发明双谐振圆极化短背射天线的驻波曲线图。
图9是一种垂直极化C波段宽频带短背射天线的E面方向图。
图10是一种垂直极化C波段宽频带短背射天线的H面方向图。
图中，1.反射基板，2.反射阵元，3.介质基体，4.寄生阵子，5.辐射天线阵元，6.辐射天线基板，7.辐射地，8.辐射地基板，9.反射腔，10.射频连接件，11.反射板固定螺钉。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明包括反射基板、反射阵元、介质基体、寄生阵子、辐射天线阵元、辐射天线基板、辐射地、辐射地基板、反射腔及射频连接件；反射板起到天线的保护罩及产生二次辐射的作用，使用标准PCB板材加工，板材型号为FR-4，整体呈圆板状结构，反射板基材厚度为天线工作波长的0.03倍，直径为2倍波长，在反射板下表面刻蚀有圆形反射片，直径为0.54倍波长。寄生阵子起到电磁耦合、固定支撑及定位辐射天线阵元和辐射天线基板的作用，为铜制二层台阶圆柱体，上部起到寄生阵子作用直径为0.12倍波长，高度为0.06倍波长，下部起到对天线的固定，支撑及定位作用，直径为0.06倍波长，高度为0.2倍波长，为起到固定支撑作用，在寄生阵子下部表面加工有与直径相对应的螺纹，根据天线计算结果寄生阵子数量一般为4个，且对称分布于辐射天线阵元四周。辐射天线阵元及辐射天线基板组成短背射天线的辐射单元部分，采用标准PCB板材加工制作，基材一般选择为圆形陶瓷介质材质如罗杰斯的RO5880板材，直径为1.85倍波长，厚度为天线工作波长的0.03倍，在距中心0.46倍波长的圆周上等间距开有4个直径为0.06倍波长的通孔，为支撑寄生阵子的导通穿孔。在辐射天线基板的中心位置处经过PCB板加工工艺刻蚀有一片正方形的金属贴片，构成辐射天线阵元。辐射天线阵元，边长为0.31倍波长，为实现宽频带工作在距离阵元的底边0.019倍波长处开有一个镂空的“U”型槽孔，“U”型槽孔的底边长为0.27倍波长，两个竖边等长均为0.23倍波长，“U”型槽孔的宽度为0.019倍波长。距离“U”型槽孔底边0.053倍波长为辐射天线阵元馈电点位置。辐射地与辐射地基板组成了天线底面辐射及展宽工作频带的作用，其直径与辐射天线基板直径相同，厚度相同，并在与辐射天线基板相对应的位置上开有相同结构和数量的支撑寄生阵子的导通穿孔及馈电探针过孔。介质基体为特种刚醒泡沫基体，其介电常数为1.2左右，起到支撑辐射天线基板和辐射地基板的作用，该结构的设计是为了进一步展宽天线的工作频带。反射腔起到天线定向能量汇聚辐射的作用，采用金属铝制作，外径为1.88倍波长，整体高度为0.6倍波长，底板厚度为0.078倍波长，在距底板中心0.46倍波长的圆周上等间距开有与寄生阵子个数相同，直径为0.06倍波长，深度为0.06倍波长的定位孔为容纳及支撑寄生阵子的下部的安装孔。寄生阵子阵列通过一一对应的圆孔贯通固定安装方式，将辐射天线基板，介质基体，辐射地基板和反射腔四个部件固定连接的一体。射频连接件为市售标准射频连接件，其贯通辐射天线基板，介质基体，辐射地基板和反射腔与辐射天线阵元的方形贴片相接，连接位置可采用优化计算的方法获得。射频连接件起到将50欧的铜轴电缆与天线可靠连接的作用。上文所述的波长为天线的工作波长。
本发明通过不断地优化调整寄生阵子的间距，阵子个数，辐射天线阵元的大小和U型槽孔的尺寸，可以获得满足驻波及方向图要求的天线方案，具体实施方式如下：
图1为本发明一种垂直极化C波段宽频带短背射天线结构示意图。反射基板1为天线的保护罩及二次辐射作用，采用标准PCB板材加工制作，型号为FR-4，基材厚度为1.5mm，反射基板1直径为104mm。
图2是本发明一种垂直极化C波段宽频带短背射天线结构装配剖面示意图。在反射基板1下表面处通过PCB板刻蚀工艺形成一片铜制圆形反射阵元2，其直径为28mm，起到二次辐射的作用。寄生阵子4为铜制二层台阶圆柱体，上部为寄生阵元部分，直径为6mm，高度为3mm，下部为固定及支撑天线作用，直径为3mm并在其表面加工成M3的螺纹，高度尺寸要贯穿介质基体3，辐射天线基板6，辐射地7和辐射地基板8并与反射腔9通过螺纹旋接固定，具体尺寸为为10.15mm。辐射天线阵元5与辐射天线基板6构成天辐射部分。采用为减小天线表面损耗，辐射天线基板6采用市售标准罗杰斯5880陶瓷材质的PCB基片加工制作。辐射天线基板6外形为圆板装，直径为96mm，厚度为1.575mm，在距中心23.7mm的圆周上等间距开有4个直径为3mm大小的通孔。辐射天线基板6上表面的中心位置处通过PCB板刻蚀工艺形成边长为16mm的辐射天线阵元5，下表面无金属覆铜。辐射天线阵元5为天线的辐射振子，边长为16mm，为展宽天线的工作频带距离底边1mm处在辐射天线阵元5上通过PCB板刻蚀工艺形成一个底边为13.92mm，两边各为12.9mm，宽度为1mm的U型槽，距U型槽底边上方中心位置处为天线的馈电点位置，开有一个直径为1.3mm的通孔。介质基体3为天线支撑及展宽工作带宽作用，外形为圆板装，直径为96mm，厚度为5mm，采用PMI刚性泡沫加工制作，在其与辐射天线基板6相同的位置点处开有与辐射天线基板6大小相同的通孔。辐射地基板8为天线的辐射地结构，与介质基体3和辐射天线基板6组成了一种复合工作带宽展宽结构，其上表面无金属覆铜，下表面为金属覆铜表面构成辐射地7。在辐射地基板8和辐射地7上与辐射天线基板6相同的位置点处开有与辐射天线基板6大小相同的通孔，在辐射地7上的馈电通孔处为避免馈电短路将馈电通孔直径调整为1.5mm。反射腔9为天线的定向能量汇聚单元，整体为一个圆台结构，采用铝合金制作。上圆台为辐射天线基板6和反射板固定螺钉11提供一个固定安装位置，其内径为96mm，外径为104mm，高度为5mm。下圆台为主要的定向能量汇聚单元，内径为96mm，外径为98mm，整体高度为25mm，底板厚度为4mm。在底板中心23.7mm的圆周上等间距开有4个与辐射天线基板6相对应的直径为M3，深度为4mm的定位孔。通过将4个寄生阵子4贯通辐射天线基板6，介质基体3，辐射地基板8和辐射地7与反射腔9上一一对应的4个圆孔将辐射天线基板6，介质基体3和辐射地基板8紧固连接。在反射腔9上与辐射天线基板6相对应的位置上开有一个直径为4.1mm的通孔，为射频连接件10的馈电通孔。射频连接件10为射频标准SMA连接件，其贯通贯通辐射天线基板6，介质基体3，辐射地基板8和辐射地7与反射腔9与辐射天线阵元5相焊接。

Claims (1)

1.一种垂直极化C波段宽频带短背射天线，包括反射基板、反射阵元、介质基体、寄生阵子、辐射天线阵元、辐射天线基板、辐射地、辐射地基板、反射腔及射频连接件，其特征在于：所述的反射腔为一端封闭一端开口的中空柱体，开口端被反射基板封闭，反射腔内由封闭端向开口端依次平行排列有辐射地基板、介质基体和辐射天线基板；所述的反射基板为圆板，在反射基板朝向反射腔一侧刻蚀有圆形反射阵元；所述辐射天线基板朝向反射基板一侧的中心刻蚀有一片正方形的金属贴片，构成辐射天线阵元；所述辐射地基板朝向介质基体一侧为辐射地；所述的寄生阵子为铜制二层台阶圆柱体，小直径段依次穿过辐射天线基板、介质基体和辐射地基板，支撑在反射腔封闭端，大直径段位于辐射天线基板朝向反射基板一侧；所述的射频连接件由反射腔封闭端依次贯通辐射地基板、介质基体和辐射天线基板，与辐射天线阵元的金属贴片相接；所述辐射天线阵元上开有一个镂空的U型槽孔；所述的反射基板使用型号为FR-4的PCB板材加工而成，厚度为天线工作波长的0.03倍，直径为天线工作波长的2倍；所述反射阵元的直径为天线工作波长的0.54倍；所述的寄生阵子大直径段的直径为天线工作波长的0.12倍，高度为天线工作波长的0.06倍；小直径段的直径为天线工作波长的0.06倍，高度为天线工作波长的0.2倍；所述寄生阵子的数量为4个，对称分布于辐射天线阵元四周；所述的辐射天线基板采用标准板材加工制作，直径为天线工作波长的1.85倍，厚度为天线工作波长的0.03倍，在距中心0.46倍波长的圆周上等间距开有4个直径为0.06倍波长的通孔，为支撑寄生阵子的导通穿孔；所述辐射天线阵元的边长为天线工作波长的0.31倍；所述辐射天线阵元上距离底边0.019倍波长处开有一个镂空的U型槽孔，U型槽孔的底边长为0.27倍波长，两个竖边均为0.23倍波长，U型槽孔的宽度为0.019倍波长；距离U型槽孔底边0.053倍波长处为辐射天线阵元馈电点位置；所述的辐射地基板与辐射天线基板直径相同，厚度相同；所述的反射腔采用金属铝制作，外径为天线工作波长的1.88倍，高度为天线工作波长的0.6倍，底板厚度为天线工作波长的0.078倍，在距底板中心0.46倍波长的圆周上等间距开有与寄生阵子个数相同、直径为天线工作波长的0.06倍、深度为天线工作波长的0.06倍的定位孔，用于安装寄生阵子。
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