CN105576362A - 一种小型化宽带天线装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及宽带天线设计及小型化技术领域，具体的说是一种适用于雷达和通信等无线电系统中的小型化宽带天线装置，其特征在于设有微带对数周期天线、金属腔体，其中金属腔体采用长方体，金属腔体底部设有微波吸波材料层，金属腔体的侧壁也设有微波吸波材料层，微带对数周期天线置于金属腔体内，在微带对数周期天线的介质基板两侧对称设置高介电常数的微波介质层，所述高介电常数的微波介质层对应放置在微带对数周期天线中低频振子所在位置处，本发明相对于现有技术，具有馈电方式简单方便、易于实现以及成本低廉等显著的优点。

Description

一种小型化宽带天线装置

技术领域：

本发明涉及宽带天线设计及小型化技术领域，具体的说是一种适用于雷达和通信等无线电系统中的小型化宽带天线装置。

背景技术：

超宽带雷达系统具有探测分辨率高、抗干扰能力强等优点，在军用和民用等领域应用广泛，发展潜力巨大。在无线电侦察和无源被动检测与跟踪领域，宽带和超宽带的雷达系统发挥着重要作用。宽带天线及其阵列是宽带雷达系统的重要组成部分，其性能对整机性能有着重要的影响。超宽带天线的小型化、波束赋形、双极化以及极化可重构等技术已成为目前及未来超宽带天线领域的发展趋势。由于侦察或跟踪的信号带宽范围很宽，因此要求宽带雷达的天线或阵列在很宽的频带范围内具有较好的匹配性能和辐射性能，即要求具有较为平稳的电压驻波比(VSWR)、较为平滑的辐射方向图、较宽的波束覆盖范围和较高的辐射增益等性能指标，进而实现对空间辐射源信号的有效接收。尤为重要的是，宽带雷达天线的实际安装平台的尺寸往往十分有限，例如：弹载等飞行器安装平台的情况，这时，宽带天线或者天线阵列必须实现小型化设计，即有效减小天线在低频段的尺寸，以达到能够在给定空间中放置预期要求的天线或者天线阵列，而且天线本身仍可以实现较好的输入端的阻抗匹配、辐射方向图和满足要求的辐射增益。

对数周期天线是一种非频变天线，一般情况下，对数周期天线采用金属杆状结构，用一对传输线(通常称为集合线)进行馈电，馈源接在短振子一端，用同轴线馈电时，同轴线从长振子端的双线(管)中的任一根穿入，从短振子端穿出，同轴线内导体与双线的另一根道题在末端连接，同轴线外导体与它穿过的双线的导体末端连接；传统的金属杆状结构的对数周期天线结构复杂，安装和固定困难。随着大规模集成电路的发展,出现了重量轻、易于制作、易于集成的印刷型平面对数周期天线；这种天线把交叉馈电的振子分别印刷在两块介质片上，集合线为平行双线，用同轴线直接从短振子端馈电。单层LPDA是将辐射振子和集合线分别印制在同一块微带基板的两面，对于传统的对数周期偶极子阵列是从短振子端馈电亦从短振子端辐射，这虽有利于阻抗匹配，但低频分量和高频分量在工作时走过的电距离不等，会造成结构色散。

发明内容：

本发明针对现有技术存在的缺点和不足，提出了一种馈电方式简单方便、易于实现以及成本低廉的背腔式波束控制的小型化宽带天线装置。

本发明可以通过以下措施达到：

一种小型化宽带天线装置，其特征在于设有微带对数周期天线、金属腔体，其中金属腔体采用长方体，金属腔体底部设有微波吸波材料层，金属腔体的侧壁也设有微波吸波材料层，微带对数周期天线置于金属腔体内，在微带对数周期天线的介质基板两侧对称设置高介电常数的微波介质层，所述高介电常数的微波介质层对应放置在微带对数周期天线中低频振子所在位置处。

本发明所述的微带对数周期天线为微带印刷电路结构，便于加工和制作，精度较高，对数周期天线所有振子尺寸和振子之间的距离遵循一定的比例关系，如果用τ来表示该比例系数也即比例因子，则要求：式中L_n为第n个对称振子的全长；a_n为第n个对称振子的宽度；R_n为第n个对称振子到天线虚拟“顶点”的距离；n为对称振子的序列编号，从距离馈电点最远的振子算起，也就是最长的振子编号为“1”。

本发明中，为了实现低频段的振子等分形曲折线，采用了不同的比例因子，这些比例因子表示为：

$\frac{L_{n+1}}{L_n}={\mathrm{\τ}}_1---\left(3\right),\frac{a_{n+1}}{a_n}={\mathrm{\τ}}_2---\left(4\right),\frac{R_{n+1}}{R_n}={\mathrm{\τ}}_3---\left(5\right).$

本发明中，对低频振子采用曲折线结构，采用曲折线技术后，对数周期天线的横向尺寸得到有效减小，采用曲折线结构的低频振子个数为5个；具体方法是控制矩形曲折线的分段个数和垂直于振子方向的折线高度，采用电磁仿真优化的方法，基于驻波比和方向图性能，确定曲折线振子的结构参数；在集合线底部，即靠近低频振子处，加载宽带匹配负载，吸收低频段的反射波信号，进一步改善低频段的电压驻波比性能；微带印刷对数周期偶极天线的设计是在一般对数周期天线的基础上，考虑微带基板的影响，增加微带基板后，天线的有效介电常数发生变化，因此，需要准确地求出有效介电常数，然后将其对应的参数进行变换，变换到介质板上后进行设计；有效介电常数可表示为：

${\mathrm{\ϵ}}_e=\frac{({\mathrm{\ϵ}}_r+1)}{2}+\frac{({\mathrm{\ϵ}}_r-1)}{2}{(1+\frac{10h}{w})}^{-1/2}---\left(6\right);$ 式中，ε_r为基板的介电常数，h为基板的厚度，w为集合线宽度，ε_e为有效介电常数，c为光速。

本发明中的超宽带对数周期天线由两层介质基板组成，上层介质基板和下层介质基板选择相同介电常数的板材，在上层介质基板的上表面和下层介质基板的下表面分别蚀刻出对称振子阵列；下层介质基板的上表面放置微带渐变线巴伦的微带信号线以及微带传输线的均匀段部分；在微带渐变线巴伦的平行双线部分，信号线的顶部采用金属过孔分别和上层介质基板上的集合线的上端短接，实现平衡馈电；在微带渐变线的巴伦的均匀微带传输线部分，同轴电缆和微带线连接，实现同轴线的不平衡馈电。

本发明中的巴伦为超宽带的微带渐变线巴伦，巴伦的微带信号线放置于下层介质基板的上表面，下曾介质基板的集合线作为微带渐变线巴伦的金属地板，巴伦的功能是实现平行双线的平衡馈电到同轴线的不平衡馈电的转换，同时也有一定的阻抗变换功能。本发明采用直线式变换的微带传输线巴伦结构，在不平衡一侧，引出一段特性阻抗为50欧姆的均匀微带传输线，它与同轴电缆连接。

本发明设计的超宽带微带渐变线巴伦如图5所示，其结构参数的定义如图6所示，其中，L_Balun为直线渐变线巴伦的长度，W_Balun_feed为平行双线的宽度，W_Balun_MS为在与同轴线连接的均匀微带线的信号线导带宽度，W_Balun_Gnd为与同轴线连接的均匀微带线的地板宽度，均匀微带线的特性阻抗为50欧姆。

在本发明中，在低频振子所在位置的微带对数周期天线介质基板的两侧，对称放置高介电常数的微波介质材料，例如相对介电常数为9.6、10.2、16或者更高的微波介质材料，目的是基于等效介电常数的概念，有效减缩低频振子对应的导波波长，实现低频段振子长度的缩减，低频段的电路匹配和辐射性能获得改善。同时，加载的高介电常数的厚度和高度适当，减量减小对高频振子的辐射特性的影响。加载的高介电常数的微波介质材料的厚度和高度由全波电磁仿真技术和实验最终确定。

本发明相对于现有技术，具有馈电方式简单方便、易于实现以及成本低廉等显著的优点。

附图说明：

附图1(a)是本发明的整体结构模型。

附图1(b)是本发明中对数周期天线的结构模型。

附图1(c)是本发明中介质加载的小型化宽带微带对数周期天线的结构模型。

附图2是本发明中微带对数周期天线的结构示意图，图2(a)天线的侧视图及参数定义，图2(b)天线的俯视图及参数定义。

附图3是本发明中数周期天线的基本结构示意图。

附图4本发明中的介质加载对数周期天线的馈电结构示意图，其中图4(a)是俯视图，图4(b)是后视图，图4(c)是主视图。

附图5是本发明中微带对数周期天线微带渐变线巴伦模型，图5(a)是从馈电微带线的底板一侧看的示意图，图5(b)是馈电微带线的微带线一侧看去的示意图。

附图6是本发明中微带渐变线巴伦的结构示意图。

附图7是本发明中介质加载对数周期天线的回波损耗仿真结果。

附图8是本发明实施例中对数周期天线在xoz面的增益方向图仿真结果。

附图9是本发明实施例中对数周期天线在xoz面的轴比方向图仿真结果。

附图10是本发明实施例中对数周期天线在yoz面的增益方向图仿真结果。

附图11是本发明实施例中对数周期天线在yoz面的轴比方向图仿真结果。

附图12是本发明设计的超宽带天线的3dB波束宽度随频率的变化曲线。

附图13是本发明设计的超宽带天线的辐射增益随频率的变化曲线。附图标记：对数周期天线的微带介质基板1、对数周期天线的印刷振子2、馈电集合线3、馈电微带线的微带信号线4、高介电常数的加载介质5、上层介质基板6、下层介质基板7、微带渐变线巴伦的微带线号8、金属过孔9。

具体实施方式：

本发明设计了一个具体的小型化宽带天线装置，采用全波电磁仿真软件对该天线进行了性能仿真。设计的对数周期天线的振子长度约为75毫米，对五个低频振子进行了曲折线处理，以实现小型化效果。对数周期天线端口的回波损耗特性分别如图7所示，由图可见，该天线在频率为1GHz～5GHz范围内的平均回波损耗较小，满足超宽带天线的驻波比要求，在频率为1GHz附近也具有较好的驻波比性能，实现了低频端电路匹配性能的改善。

为了表征该天线的辐射特性，在此选择两个主平面，一个是xoy平面，另一个是yoz平面，分别给出两个主平面内的辐射增益方向图和轴比方向图的仿真结果，以说明该天线的辐射方向特性和辐射场的极化特性。图8和图9分别给出了在xoy平面的增益方向图和轴比方向图，图10和图11分别给出了在yoz平面的增益方向图和轴比方向图，由仿真结果可以看出，该天线形成了有效的辐射，增益方向图平稳；辐射方向图的前后比较小，实现了对方向图后瓣的控制；在主波束范围内，辐射场近似为线极化，随着频率升高，轴比变小。

本发明设计的超宽带天线在xoz面(E面)和yoz面(H面)的3dB波束宽度随着频率的变化曲线的仿真结果分别如图12所示。可以看出，在工作频带范围内，本发明设计的超宽带天线在H面的波束宽度得到压缩，实现了方向图波束宽度的有效控制。

本发明设计的超宽带天线辐射增益和圆极化轴比随着频率的变化曲线的仿真结果如图13所示所示。可以看出，在工作频带范围内，本发明设计的超宽带天线在1GHz的增益已接近0dB，实现了有效辐射；在频率为4GHz时，轴比已小于15dB，为一个椭圆极化状态。

本发明提出了一种小型化的宽带天线装置，引入高介电常数的介质加载技术，采用宽带对数周期结构的天线作为辐射源，形成宽带介质埋藏式天线，根据电磁场的基本原理，基于等效介电常数的概念，有效减小实际的导波波长，进而减小天线的尺寸；在基本单元的小型化设计中，本发明还引入了曲折线振子技术和低频段的阻抗加载技术，进一步实现宽带天线的低频辐射性能；同时，本发明引入加载宽带微波吸波材料的金属背腔实现对宽带天线辐射方向图进行控制，调整期辐射方向图的形状以及改善辐射方向图的前后比等指标，以减小空间电磁环境的影响和提高其抗干扰性能；为了便于实现高介电常数的介质埋藏式天线，本发明研究了一种宽带微带对数周期天线的馈电方法，采用两层介质基板实现宽带对数周期天线的振子阵列和馈电线路，简化了馈电结构；本发明采用超宽带的微带渐变线平衡-不平衡变换器(Balun)实现对微带印刷结构的对数周期天线的馈电，实现从馈电位置的同轴线的不平衡端到双线的平衡端的转换；整个微带电路板包含两层结构，顶层介质基板的上表面放置一条集合线和一半的辐射振子阵列；低层介质基板的上表面放置超宽带微带渐变线巴伦的微带信号线，低层介质基板的下表面放置另一集合线和另一半的辐射振子阵列，其中底层的这条集合线还作为超宽带微带渐变线巴伦的金属地板；超宽带微带渐变线巴伦的平衡端的微带信号线与上表面的集合线相连接，实现对上表面的振子阵列的激励，微带信号线与上表面的集合线的连接方式采用微带印刷电路中的金属化过孔技术实现，该技术能够保证加工精度和加工的天线单元之间机械结构参数和电磁辐射性能的一致性要求；不平衡端为微带传输线，直接和同轴电缆连接，馈电线从电路板的底部引出，便于焊接和测试。本发明设计的宽带对数周期天线整体结构为微带印刷电路形式，仅在馈电端需要连接同轴电缆，避免了传统的对数周期天线在高频振子端馈电精度要求高和焊接困难等问题，成本上也得到控制；同时，在低频振子处采用高介电常数的局部介质加载技术，有效减小低频振子的尺寸，实现天线尺寸小型化的效果。

Claims (7)

1.一种小型化宽带天线装置，其特征在于设有微带对数周期天线、金属腔体，其中金属腔体采用长方体，金属腔体底部设有微波吸波材料层，金属腔体的侧壁也设有微波吸波材料层，微带对数周期天线置于金属腔体内，在微带对数周期天线的介质基板两侧对称设置高介电常数的微波介质层，所述高介电常数的微波介质层对应放置在微带对数周期天线中低频振子所在位置处。

2.根据权利要求1所述的一种小型化宽带天线装置，其特征在于所述的微带对数周期天线为微带印刷电路结构，便于加工和制作，精度较高，对数周期天线所有振子尺寸和振子之间的距离遵循一定的比例关系，如果用τ来表示该比例系数也即比例因子，则要求： $\frac{L_{n+1}}{L_n}=\frac{a_{n+1}}{a_n}=\mathrm{\τ}---\left(1\right),$ $\frac{R_{n+1}}{R_n}=\mathrm{\τ}---\left(2\right);$ 式中L_n为第n个对称振子的全长；a_n为第n个对称振子的宽度；R_n为第n个对称振子到天线虚拟“顶点”的距离；n为对称振子的序列编号，从距离馈电点最远的振子算起，也就是最长的振子编号为“1”。

3.根据权利要求1所述的一种小型化宽带天线装置，其特征在于采用了不同的比例因子，这些比例因子表示为：

$\frac{L_{n+1}}{L_n}={\mathrm{\τ}}_1---\left(3\right),$ $\frac{a_{n+1}}{a_n}={\mathrm{\τ}}_2---\left(4\right),$ $\frac{R_{n+1}}{R_n}={\mathrm{\τ}}_3---\left(5\right).$

4.根据权利要求1所述的一种小型化宽带天线装置，其特征在于对低频振子采用曲折线结构，采用曲折线技术后，对数周期天线的横向尺寸得到有效减小，采用曲折线结构的低频振子个数为5个；具体方法是控制矩形曲折线的分段个数和垂直于振子方向的折线高度，采用电磁仿真优化的方法，基于驻波比和方向图性能，确定曲折线振子的结构参数；在集合线底部，即靠近低频振子处，加载宽带匹配负载，吸收低频段的反射波信号，进一步改善低频段的电压驻波比性能；微带印刷对数周期偶极天线的设计是在一般对数周期天线的基础上，考虑微带基板的影响，增加微带基板后，天线的有效介电常数发生变化，因此，需要准确地求出有效介电常数，然后将其对应的参数进行变换，变换到介质板上后进行设计；有效介电常数可表示为：

${\mathrm{\ϵ}}_e=\frac{({\mathrm{\ϵ}}_r+1)}{2}+\frac{({\mathrm{\ϵ}}_r-1)}{2}{(1+\frac{10h}{w})}^{-1/2}---\left(6\right);$

$\mathrm{\λ}=\frac{c}{f\·\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_e}}---\left(7\right);$ 式中，ε_r为基板的介电常数，h为基板的厚度，w为集合线宽度，ε_e为有效介电常数，c为光速。

5.根据权利要求1所述的一种小型化宽带天线装置，其特征在于超宽带对数周期天线由两层介质基板组成，上层介质基板和下层介质基板选择相同介电常数的板材，在上层介质基板的上表面和下层介质基板的下表面分别蚀刻出对称振子阵列；下层介质基板的上表面放置微带渐变线巴伦的微带信号线以及微带传输线的均匀段部分；在微带渐变线巴伦的平行双线部分，信号线的顶部采用金属过孔分别和上层介质基板上的集合线的上端短接，实现平衡馈电；在微带渐变线的巴伦的均匀微带传输线部分，同轴电缆和微带线连接，实现同轴线的不平衡馈电。

6.根据权利要求1所述的一种小型化宽带天线装置，其特征在于巴伦为超宽带的微带渐变线巴伦，巴伦的微带信号线放置于下层介质基板的上表面，下曾介质基板的集合线作为微带渐变线巴伦的金属地板，采用直线式变换的微带传输线巴伦结构，在不平衡一侧，引出一段特性阻抗为50欧姆的均匀微带传输线，与同轴电缆连接。

7.根据权利要求1所述的一种小型化宽带天线装置，其特征在于在低频振子所在位置的微带对数周期天线介质基板的两侧，对称放置高介电常数的微波介质材料，相对介电常数为9.6、10.2、16或者更高的微波介质材料。