CN106058441A - 一种背腔式超宽带天线装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微波及天线技术领域，具体地说是一种用于雷达和通信等无线电系统中的背腔式超宽带天线装置，其特征在于设有小型化对数周期天线、金属腔体和宽带微波吸波材料层，其中小型化对数周期天线设置在金属腔体内，金属腔体内侧底部设有宽带微波吸波材料层，所述小型化对数周期天线为微带印刷电路结构，与现有技术相比，具有体积小、成本低等显著的优点。

Description

一种背腔式超宽带天线装置

技术领域：

本发明涉及微波及天线技术领域，具体地说是一种用于雷达和通信等无线电系统中的背腔式超宽带天线装置。

背景技术：

常见的超宽天线的类型有平面等角螺旋、平面阿基米德螺旋、渐变缝隙天线、对数周期、正弦天线、超宽带单极子天线和超宽带缝隙天线等。平面等角螺旋天线是一种频率无关天线，最早由Rumsey和Dyson等人提出，现在它被广泛迎应用于宽频带被动测向系统中。平面阿基米德螺旋天线在20世纪50年代被提出来。阿基米德螺旋天线具有宽频带、圆极化辐射、方向图形状及输入阻抗随频率变化小、半功率波瓣宽度大、口径面小等特点，能够平齐安装，属于低轮廓天线，因此在飞行器上得到了较为广泛的应用。

Gibson在1979年提出一种行波天线，称之为Vivaldi天线，该天线具有非周期、渐变和端射的特点。这种天线是由较窄的槽线过渡到较宽的槽线构成的，槽线按照指数规律变化，将介质板的槽线逐渐加大，形成喇叭口向外辐射电磁波。曲折臂天线具有平面型、宽频带、全极化和单孔径的特点，它是具有全部这四个特点的第一种天线。曲折臂天线在单一口径中包含两个正交极化的线天线，此正交极化的线天线具有极宽的频带能力。在超宽带通信领域中，大量的不同类型超宽带平面微带单极子天线出现在相关文献中，如矩形、椭圆形、圆形 和多面形等。3.1～10.6GHz为超宽带民用频段,因而超宽带天线得以迅速发展。超宽带无线通信系统所需天线须尺寸小，剖面低。印刷超宽带单极子天线因为其结构简单，全向辐射和容易加工等优点，使其成为一种应用较多的设计方案；为了增加天线的阻抗带宽，在天线设计中引入了多种技术手段，如在贴片单元或者基底上开个细缝，在天线贴片的对角上开缝或开槽等；一些通信系统的工作频段恰好在超宽带系统的工作带宽之内，因此，这会对超宽带系统造成干扰，为了消除这些电磁干扰，需要在超宽带的天线上增加个或个的阻带，一般采用在贴片天线或者基底上开缝和增加寄生单元等。

发明内容：

本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出了一种结构合理、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，成本上也得到控制的背腔式超宽带天线装置。

本发明可以通过以下措施达到：

一种背腔式超宽带天线装置，其特征在于设有小型化对数周期天线、金属腔体和宽带微波吸波材料层，其中小型化对数周期天线设置在金属腔体内，金属腔体内侧底部设有宽带微波吸波材料层，所述小型化对数周期天线为微带印刷电路结构，所有振子尺寸和振子之间的距离等天线构成要素都要遵循一定的比例关系，如果用τ来表示该比例系数，在这里称τ为比例因子，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”。

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： 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。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。

本发明中对数周期天线的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。

本发明中的对数周期天线由三层介质基板组成，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；中间层选择不同的介电常数的板材，中间层的上册表面分别放置微带渐变线的巴伦的上 面表面的金属结构以及微带传输线的均匀段部分；在微带渐变线的巴伦的平行双线部分，两个双线的顶部采用金属过孔分别和上层、下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。本发明中的对数周期天线的馈电结构示意图如图4所示。

本发明中的巴伦为超宽带的微带渐变线巴伦，其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_feed为平行双线的宽度，W_port_MS为均匀微带线的导带宽度，W_port_Gnd为均匀微带线的地板宽度，均匀微带线的特性阻抗为50欧姆。

本发明采用宽带对数周期结构的天线作为激励源，引入金属背腔实现对超宽带天线辐射方向图的H面波束进行控制，压窄H面的波束宽度，以减小空间电磁环境的影响或者提高其抗干扰性能。为了改善超宽带天线的辐射方向图性能和馈电处的阻抗匹配性能，本发明在金属背腔的底部加载了一薄层的微波吸波材料。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；整个微带电路板包含三层结构，顶层和底层分别放置辐射振子阵列，中间层放置微带印刷结构的超宽带微带渐变线巴伦， 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；超宽带微带渐变线巴伦位于上层和下层的金属集合线之间，为半屏蔽状态，减少了电磁干扰；超宽带微带渐变线巴伦的平衡端与高频振子相连接，实现信号的激励，连接方式采用微带印刷电路中的金属化过孔技术实现，能够保证加工精度和不同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；因此，本发明设计的超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。为了减小超宽带天线在低频段的尺寸，本发明引入了曲折线技术，采用曲折线结构的振子代替低频段的辐射振子，实现天线尺寸小型化的效果。

附图说明：

附图1(a)是本发明的整体结构示意图。

附图1(b)是本发明中对数周期天线的结构示意图。

附图1(c)是本发明中对数周期天线结构模型。

附图2(a)是本发明中对数周期天线的侧视图及参数定义。

附图2(b)是本发明中对数周期天线的俯视图及参数定义。

附图3是本发明中对数周期天线的示意图。

附图4(a)是在馈电微带线的地板一侧视角下的本发明中的对数周期天线的馈电结构示意图，附图4(b)是在馈电微带线的微带线一侧视角下的本发明中的对数周期天线的馈电结构示意图，附图4(c)是在 馈电微带线的微带线另一侧视角下的本发明中的对数周期天线的馈电结构示意图。

附图5本发明设计的超宽带微带渐变线巴伦模型。

附图6是本发明中超宽带微带渐变线巴伦的结构参数定义。

附图7是本发明中对数周期天线的回波损耗仿真结果。

附图8是本发明实施例在xoz面的增益方向图仿真结果。

附图9是本发明实施例在xoz面的轴比方向图仿真结果。

附图10是本发明实施例在yoz面的增益方向图仿真结果

附图11是本发明实施例在yoz面的轴比方向图仿真结果

附图12是本发明实施例的超宽带天线的3dB波束宽度随频率的变化曲线。

附图标记：长方形金属腔体1、微波吸波材料2、微带对数周期天线3、对数周期天线的微带介质基板4、馈电微带线的微带介质基板5、馈电微带线的金属地板6、微带对数周期天线的印刷振子7、馈电微带线的微带导体带条8、上层介质基板9、下层介质基板10、中间层介质基板11、金属过孔12。

具体实施方式：

本发明设计了一个具体的超宽带背腔式天线装置，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71.5毫米，对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2GHz～6GHz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。

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，在主波束范围内，辐射场近似为线极化。

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。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面的波束宽度得到有效的压缩，实现了方向图波束宽度的有效控制。

Claims (5)

1.一种背腔式超宽带天线装置，其特征在于设有小型化对数周期天线、金属腔体和宽带微波吸波材料层，其中小型化对数周期天线设置在金属腔体内，金属腔体内侧底部设有宽带微波吸波材料层，所述小型化对数周期天线为微带印刷电路结构，所有振子尺寸和振子之间的距离等天线构成要素都要遵循一定的比例关系，如果用τ来表示该比例系数，在这里称τ为比例因子，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”。

2.根据权利要去1所述的一种背腔式超宽带天线装置，其特征在于采用了不同的比例因子，这些比例因子表示为：

3.根据权利要去1所述的一种背腔式超宽带天线装置，其特征在于对数周期天线的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。

4.根据权利要去1所述的一种背腔式超宽带天线装置，其特征在于对数周期天线由三层介质基板组成，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；中间层选择不同的介电常数的板材，中间层的上册表面分别放置微带渐变线的巴伦的上面表面的金属结构以及微带传输线的均匀段部分；在微带渐变线的巴伦的平行双线部分，两个双线的顶部采用金属过孔分别和上层、下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。

5.根据权利要去1所述的一种背腔式超宽带天线装置，其特征在于巴伦为超宽带的微带渐变线巴伦，其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，与同轴电缆连接。