CN105932423B - 一种改善微带天线宽波束的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种改善微带天线宽波束的装置，属于航天工程技术领域，基于传统微带天线设计，在不改动天线结构本身的情况下，在微带天线电场面的两侧各增加一个金属导电壁，在对天线结构进行简单的改变之后，改变单元方向图辐射性能，展宽了天线的辐射波束，改善可天线的半功率波束宽度，半功率波束宽度在E和H面同时可以达到150度，添加导电壁后，天线的半波功率角变大，天线的波束宽度性能得到明显的改善。

Description

一种改善微带天线宽波束的装置
技术领域
本发明属于航天工程技术领域，尤其是一种微带天线的装置。
背景技术
在卫星通信应用中，对于地面移动通信终端天线有一个必不可少的要求就是宽波束，因为这样才能够实现大范围的仰角和方位信号接收，以此满足通信要求。另一方面，相控阵雷达系统因波束指向可以灵活控制而得到了广泛应用。由于阵列单元间互耦的影响以及单元方向图自身的波束宽度的限制，天线阵列的增益在波束扫到较宽的角度时下降较大。比如微带天线单元的相控阵天线在波束扫描到±50度时增益下降4～5dB。因此，急需一种宽波束的单元天线。目前，应用较多的宽波束天线主要有螺旋天线，微带天线以及印刷振子天线等。螺旋天线具有宽波束能力，但其剖面比较高，一般在0.75λ左右；微带天线具有低剖面，但其半功率波束宽度较窄，半功率波束宽度通常在70度左右；印刷振子天线具有宽波束和低剖面性能，但其宽波束能力主要在H面，但E面半功率波束宽度通常在70度左右。因此改善天线宽波束性能一直是天线研究人员的难题，近年来人们提出了一些方法来改善天线宽波束性能问题：
Xudong Bai,Jingjing Tang,Xianling Liang,Junping Geng,Ronghong Jin在“Compact design of Triple-band circularly polarized quadrifilar helixantennas”中所设计的螺旋天线的半功率波束宽度很宽，在E面达到140度，但其剖面比较高在1.5λ，不利于地面移动通信车载。
Aliakbar Dastranj；Ali Imani；Mohammad Naser-Moghaddasi在“Printed Wide-Slot Antenna for Wideband Applications”中通过调整天线结构利用缝隙辐射实现天线的超带宽，并且天线的剖面很低，但天线的半功率波束宽度比较小，仅仅只有70度左右，从而限制了这种天线在卫星通信中的应用。
Z.Zhou,S.Yang and Z.Nie在“A novel broadband printed dipole antennawith low cross-polarization”中通过一种新奇的双层结构展宽带宽与H面的宽波束能力让其达到120度，但E面的半功率波束宽度仅有78度。在一个面不满足卫星通信的应用。
综上所述，现有技术未能给出一种简洁有效的结构改善天线的宽波束能力。
发明内容
为了克服现有技术的不足，改善用于卫星通信天线半波功率波束宽度较小的缺陷，本发明提出一种能够改善微带天线宽波束的装置，一种结构简单且不改变天线结构本身、适用于改善多种天线类型的宽波束的装置，此装置的应用不对天线结构本身做出任何改变，并且能够适应于多种天线。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供的装置由微带天线和一对金属导电壁组成。
本发明基于传统微带天线设计，传统微带天线由馈电部分、金属地板、介质板和辐射金属贴片组成，在不改动天线结构本身的情况下，在微带天线电场面的两侧各增加一个金属导电壁，金属导电壁距离微带天线辐射金属贴片的边沿不超过0.2λ，λ为天线中心频率的波长，所述金属导电壁为矩形结构，金属导电壁的一端与微带天线的金属地板相连接，形成整体结构。
本发明有益效果是在对天线结构进行简单的改变之后，改变单元方向图辐射性能，展宽了天线的辐射波束，改善可天线的半功率波束宽度，半功率波束宽度在E和H面同时可以达到150度，添加导电壁后，天线的半波功率角变大，天线的波束宽度性能得到明显的改善。
附图说明
图1为本发明的传统微带天线结构示意图。
图2为本发明一般微带天线结构示意图。
图3为本发明添加导电壁的天线结构示意图。
图4为本发明天线在H面的辐射方向图。
图5为本发明天线在E面的辐射方向图。
其中：1-缝隙微带天线馈电线，2-馈电线介质板，3-金属地板，4-馈电缝隙，5-辐射介质板，6-辐射贴片，7-空气，8-稳相介质板，9-金属导电壁。
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。
本发明提供的装置是一种能够改善微带天线的装置，这种装置主要是由微带天线和一对金属导电壁组成。
本发明基于传统微带天线设计，传统微带天线由馈电部分、金属地板、介质板和辐射金属贴片组成，在不改动天线结构本身的情况下，在微带天线电场面的两侧各增加一个金属导电壁。金属导电壁距离微带天线辐射金属贴片的边沿不超过0.2λ，λ为天线中心频率的波长，所述金属导电壁为矩形结构，金属导电壁的一端与微带天线的金属地板相连接，形成整体结构，对于金属导电壁的高度和距离微带天线辐射金属贴片的距离根据不同频段以及实际的天线性能要求而定量，而金属导电壁的厚度对天线宽波束性能影响不大。
传统的微带天线如图1所示，由馈电线，馈电介质板，金属地板，介质板和辐射金属贴片组成。这种天线大都是带宽窄(一般是10％以内)，功率波束宽度不够宽(一般是70-100度)。还有一种微带天线(如图2所示)是以馈电线，馈电介质板，金属为地板，介质基片与地板相隔一定距离的空气，介质基片上贴加导体薄片，馈电部分不做变动。这种天线比前一种的天线的带宽较宽，但是它的辐射波束宽度基本没有变化。
以缝隙馈电微带天线为例此说明装置具体实施过程。
此结构是基于天线电流源理论而设计的。主要是利用天线的辐射贴片产生的水平电流源和贴片在导电壁上产生的垂直电流源想叠加而产生宽波束辐射性能。具体的理论计算如下：
微带天线产生的水平电流源辐射场：
感应到导电壁上的垂直电流源辐射场：
F2(θ)＝A2sinθ (2)
将两种电流源进行矢量和叠加辐射场：
这样在增加导电壁后，天线在远场的辐射将由两种形式的电流源产生，辐射场的公式如(3)所示，以上公式中F1(θ)为微带天线的电流源产生的辐射场，A1为微带天线的电流源产生的辐射场的幅度值，F2(θ)为金属导电壁上的电流源产生的辐射场，A2为金属导电壁上的电流源产生的辐射场的幅度值，F(θ)为微带天线电流源和金属导电壁电流源共同产生的辐射场，θ为方位角，β自由空间相位常数，L辐射金属片的电场面长度。
对于导电壁的高度和位置与波束宽度性能的关系如下：在导电壁位置不变得情况下，天线的半功率波束宽度随导电壁高度的增加而变大，但当高度增加到0.25λ附近后，随着高度的增加反而减小；同理在高度一定的情况下，随着位置逐渐变远，天线的半功率波束宽度不断变大，但当超过一定位置距离后，则波束宽度将减小，不利于波束展宽。以导电壁装置距离贴片为5.6mm的天线为例，当高度h＝5mm时，天线在E面和H面的半功率波束宽度角分别为194度和97度，但当增加一定高度(大概是到0.25λ左右)后增加后，半功率波束宽度角达到最大，此时的高度为h＝6.5mm；但当h超过6.5mm后，达到7.5mm时，H面的半功率波束宽度角减小，则为105度。当导电壁高度h不变的情况下，当导电壁的位置为4.6mm时，天线在E面和H面的半功率波束宽度角分别为94度和144度，当位置变为5.6mm的时候则达到最佳，当超过后，随着位置距离的增大，波束宽度逐渐变差，位置为6.6mm的时候，天线的E面和H面的半功率波束宽度角分别为106度和106度。因此装置的高度与位置应根据天线现实情况而决定。
天线中心工作频率9GHz，天线单元为缝隙馈电微带天线，底部的馈电线的介质板为εr＝2.2，厚度为0.787mm，馈电介质板的上方为金属地板，金属地板尺寸为25mm×25mm，此外金属地板上有一个为1.4mm×8.5mm的馈电缝隙；地板上方为一块矩形介质板，尺寸为15mm×15mm×0.8mm；最上方是辐射介质板与辐射金属贴片，辐射介质板高度是2mm，介质板尺寸为15mm×15mm×1.575mm，介质板与辐射介质板之间是空气；辐射贴片的尺寸为2.6mm×9mm；馈电贴片的尺寸为8.5mm×8.5mm。其结构及尺寸如图2所示。同图3形式，不同之处只是在两侧增加一对金属壁，金属壁的尺寸是7mm×15mm×1mm(选取的高度与位置是经过仿真优化后的结果)，结构如图3所示。两种类型的天线的辐射方向图如图4和图5所示，辐射性能参数分别如表1和表2所示。
表1未带有导电壁的天线辐射性能参数
频率(GHz) 8.0 9.0 10.0
H面半功率波束角(°) 65 69 82
E面半功率波束角(°) 60 58 63
表2带有导电壁的天线辐射性能参数
频率(GHz) 8.0 9.0 10.0
H面半功率波束角(°) 138 135 122
E面半功率波束角(°) 253 231 231
可以看出在不同的频段，有这种结构的天线在H面和E面的半功率波束角都比没有这种结构的天线明显增大很多，H面的半功率波束角基本是没有这种结构的一倍，E面的半功率波束角大致是没有这种结构的四倍。显而易见可以证明这种装置能够改善天线的宽波束性能。

Claims (1)

1.一种改善微带天线宽波束的的装置，包括微带天线和一对金属导电壁，其特征在于：
微带天线由馈电部分、金属地板、介质板和辐射金属贴片组成，在不改动天线结构本身的情况下，在微带天线电场面的两侧各增加一个金属导电壁，金属导电壁距离微带天线辐射金属贴片的边沿不超过0.2λ，λ为天线中心频率的波长，所述金属导电壁为矩形结构，金属导电壁的一端与微带天线的金属地板相连接，形成整体结构。
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