CN106252862A - 边射天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种边射天线。所述边射天线包括：第一介质基板，设有缺口，包括相对的第一表面和第二表面；金属贴片，排列贴设于所述第一表面；接地板，设有槽孔，贴设于所述第二表面；第二介质基板，与所述接地板平行设置，包括相对的第三表面和第四表面，所述第二介质基板在所述接地板上的投影的部分区域位于所述缺口内；磁偶极子，贴设于所述第三表面；激励源，贴设于所述第四表面；以及同轴电缆，穿设于所述槽孔并连接于所述激励源。本公开所公开的边射天线具有低剖面特性，以及良好的端射辐射特性，通过加载EBG技术，所述边射天线不仅具有良好的边射辐射特性，而且有着极宽的波束宽度，解决了现有的天线剖面较高、辐射效率较低等问题。

Description

边射天线
技术领域
本公开涉及天线领域，具体地，涉及一种应用于相控阵的宽波束低剖面边射天线。
背景技术
相控阵是一种由多个天线单元组成的，可以通过控制阵元间相对相位进行波束扫描的天线阵列。这种阵列具有高增益，低旁瓣，高功率等优势，可以广泛地运用在雷达，航空航天，遥感遥测等领域。飞行器一般都装载有平面相控阵天线，该天线由普通微带天线单元构成，是飞行器感知周边环境的重要设备。但是由于天线单元的局限，平面相控阵天线的扫描范围很窄，极大地限制了相控阵的空间搜索区域。
为了突破这一局限，大角度扫描相控阵天线应运而生，它可以极大地拓宽天线波束覆盖范围，在更广的范围内全面接收来自地面和太空的信号，因此得以广泛应用于地面防空系统和星载探索系统中，而大角度扫描相控阵的关键就是具有宽波束特性的天线单元。但是，现有的天线单元剖面较高，辐射效率较低，而且结构复杂，还不能广泛应用。
发明内容
本公开的目的是提供一种边射天线，该边射天线用以解决现有的天线单元剖面较高，结构较复杂，辐射效率较低的问题。
为了实现上述目的，本公开提供一种边射天线，包括：
第一介质基板，设有缺口，包括相对的第一表面和第二表面；
金属贴片，排列贴设于所述第一表面；
接地板，设有槽孔，贴设于所述第二表面；
第二介质基板，与所述接地板平行设置，包括相对的第三表面和第四表面，所述第二介质基板在所述接地板上的投影的部分区域位于所述缺口内；
磁偶极子，贴设于所述第三表面；
激励源，贴设于所述第四表面；以及
同轴电缆，穿设于所述槽孔并连接于所述激励源。
可选地，所述第一介质基板为半椭圆形，所述缺口为半圆形，所述半椭圆形的圆心与所述半圆形的圆心重合。
可选地，所述磁偶极子包括组成圆环结构的两个半圆环金属片，两个所述半圆环金属片的端部之间有一间隙；每个半圆环金属片的端部形成有朝向该半圆环圆心延伸的金属枝节，所述第二介质基板为与所述磁偶极子同心设置的圆形板。
可选地，所述第二介质基板的半径为16mm至18mm，所述第二介质基板的厚度为0.5mm至0.9mm。
可选地，所述半圆环金属片的外径为14mm至17mm，所述半圆环金属片的内径为12mm至14mm；所述金属枝节为矩形金属条，所述矩形金属条带的长度为6mm至7mm，所述矩形金属条带的宽度为0.2mm至0.4mm，两个所述矩形金属条带之间的距离0.3mm至0.8mm。
可选地，所述第一介质基板的厚度为0.5mm至1mm；所述半椭圆形的长半轴为42mm至44mm，所述半椭圆形的短半轴为36mm至39mm；所述半圆形的半径为18mm至21mm。
可选地，所述金属贴片为等间距排列的矩形金属片，所述矩形金属片的长和宽均为3mm至7mm，所述矩形金属片之间的间距为0.2mm至4mm。
可选地，所述接地板为中间蚀刻有矩形沟槽的矩形金属板。
可选地，所述矩形金属板的长为85mm至88mm，所述矩形金属板的宽为54mm至58mm；所述矩形沟槽的长为68mm至72mm，所述矩形沟槽的宽为0.5mm至1.5mm。
可选地，所述激励源包括并行贴设于所述第二介质基板的第四表面的两个矩形金属条带；
所述矩形金属条带包括位于所述第二介质基板中央的内侧端和相对于所述内侧端的外侧端；所述同轴电缆的内、外芯分别连接于两个矩形金属条带的内侧端。
可选地，所述金属条带的长度为15mm至17mm，所述金属条带的宽度为0.4mm至0.9mm。
本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
1)具有低剖面特性，剖面高度可以为3.98％λ0，适合紧贴于坦克，卫星等移动物体表面，使得在高速运行时不影响空气动力学性能。
2)通过加载EBG技术，所述边射天线不仅具有良好的边射辐射特性，而且有着极宽的波束宽度，在谐振频点处，所述边射天线正上方辐射方向增益可以达到1.90dBi，前后比可以为16.52dB，ZOX面的半功率波束宽度可以为251°(-125°～126°)，ZOY面的半功率波束宽度可以为198°(-109°～89°)，使得所述边射天线可以应用于大角度相控阵扫描和基站系统中。
3)具有高辐射效率，在谐振频点处，辐射效率能够达到85.57％，且天线结构紧凑，易于制造加工。
本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
图1是根据一示例性实施例示出的一种边射天线的结构示意图。
图2是根据一示例性实施例示出的一种边射天线包括的第一介质基板和磁偶极子的俯视图。
图3是根据一示例性实施例示出的一种边射天线的激励源的仰视图。
图4是根据一示例性实施例示出的一种边射天线的接地板的俯视图。
图5是根据一示例性实施例示出的一种边射天线的S参数曲线图。
图6是根据一示例性实施例示出的一种边射天线的E平面、H平面的辐射场方向图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
图1是根据一示例性实施例示出的一种边射天线的结构示意图，如图1所示，所述边射天线包括：
第一介质基板1，设有缺口，包括相对的第一表面和第二表面；
金属贴片3，排列贴设于所述第一表面；
接地板4，设有槽孔，贴设于所述第二表面；
第二介质基板2，与所述接地板4平行设置，包括相对的第三表面和第四表面，所述第二介质基板2在所述接地板4上的投影的部分区域位于所述缺口内；
磁偶极子5，贴设于所述第三表面；
激励源6，贴设于所述第四表面；以及
同轴电缆7，穿设于所述槽孔并连接于所述激励源6。
请参考图1和图2，图2是根据一示例性实施例示出的一种边射天线包括的第一介质基板和磁偶极子的俯视图。如图1和图2所示，所述第一介质基板1可以为半椭圆形，所述缺口可以为半圆形，所述半椭圆形的圆心与所述半圆形的圆心重合。所述第一介质基板1的材料可以为The Rogers Duroid5880(罗杰斯5880)，其相对介电常数为2.2，相对磁导率为1.0，损耗角正切为0.0009。
如图1和图2所示，所述第一介质基板1的厚度为4mm至6mm；所述半椭圆形的长半轴L1为42mm至44mm，所述半椭圆形的短半轴W5为36mm至39mm；所述半圆形的半径R4为18mm至21mm。可选地，所述第一介质基板1的厚度为5mm；所述半椭圆形的长半轴L1为43mm，所述半椭圆形的短半轴W5为39mm；所述半圆形的半径R4为20mm。
如图1和图2所示，所述第一介质基板1的第一表面和第二表面分别贴设有所述金属贴片3和所述接地板4，进而构成了EBG(Electromagnetic Band Gap；电磁带隙)结构，进而通过加载EBG技术，使得本公开的所述边射天线不仅具有良好的边射辐射特性，而且有着极宽的波束宽度。
如图2所示，所述金属贴片3为等间距排列的矩形金属片，所述矩形金属片的长和宽可以均为3mm至7mm，所述矩形金属片之间的间距W4可以为0.2mm至4mm。可选地，所述矩形金属片的长和宽可以均为5.5mm，所述矩形金属片之间的间距W4为2mm。
请参照图4，图4是根据一示例性实施例示出的一种边射天线的接地板的俯视图。如图4所示，所述接地板4为中间蚀刻有矩形沟槽40的矩形金属板。
如图4所示，所述矩形金属板的长L3为85mm至88mm，所述矩形金属板的宽W8为54mm至58mm；所述矩形沟槽40的长L4为68mm至72mm，所述矩形沟槽的宽W9为0.5mm至1.5mm。可选地，所述矩形金属板的长L3为86mm，所述矩形金属板的宽W8为56mm；所述矩形沟槽40的长L4为70mm，所述矩形沟槽的宽W9为1mm。
如图1和图2所示，所述磁偶极子5包括组成圆环结构的两个半圆环金属片51，两个所述半圆环金属片51的端部之间有一间隙；每个所述半圆环金属片51的端部形成有朝向该半圆环圆心延伸的金属枝节52，所述第二介质基板2为与所述磁偶极子5同心设置的圆形板。
如图1和图2所示，所述半圆环金属片51的外径R2为14mm至17mm，所述半圆环金属片51的内径R3为12mm至14mm；所述金属枝节52为矩形金属条，所述矩形金属条的长度为6mm至7mm，所述矩形金属条的宽度W1为0.2mm至0.4mm，两个所述矩形金属条带之间的距离为0.3mm至0.8mm。
可选地，所述半圆环金属片51的外径R2为16mm，所述半圆环金属片51的内径R3为13.5mm。两个所述半圆环金属片51的相对的端部的距离为0.5mm。所述矩形金属条的长度为11.5mm，所述矩形金属条的宽度W1为0.3mm。
如图1和图2所示，所述第二介质基板2的半径R1为16mm至18mm，所述第二质基板2的厚度为0.5mm至0.9mm。可选地，所述第二介质基板2的半径R1为17mm，厚度为0.787mm。所述第二介质基板2的材料可以选用The Rogers Duroid 5880，相对介电常数为2.2，相对磁导率为1.0，损耗角正切为0.0009。
可选地，如图1所示，所述第二介质基板2的下表面与所述第一介质基板1的上表面之间错开一高度，即第四表面与第一表面之间有一错开高度，第四表面与第一表面之间的距离可以为0.26mm至2mm。可选地，第四表面与第一表面之间的距离可以为1mm。
图3是根据一示例性实施例示出的一种边射天线的激励源的仰视图，如图1和图3所示，所述激励源6与所述磁偶极子5均为厚度相同的覆铜薄膜。所述激励源6包括并行贴设于所述第二介质基板2的第四表面的两个矩形金属条带。所述矩形金属条带与所述金属枝节52在所述第二介质基板2的厚度方向上可以对齐，也可以在所述介质基板2的厚度方向上处于不对齐的状态。
如图3所示，所述矩形金属条带包括位于所述第二介质基板2中央的内侧端和相对于所述内侧端的外侧端；所述同轴电缆7的内、外芯分别连接于两个矩形金属条带的内侧端。
如图3所示，所述矩形金属条带的长度L2为15mm至17mm，所述矩形金属条带的宽度W6为0.4mm至0.9mm，两个矩形金属条带之间的距离W7为1.1mm至1.5mm。可选地，所述矩形金属条带的长度L2为16mm，所述矩形金属条带的宽度W6为0.6mm，两个矩形金属条带之间的距离W7为1.3mm。
完成上述的初始设计之后，使用高频电磁仿真软件HFSS13.0进行仿真分析，经过仿真优化之后得到各项参数尺寸如下表所示：
表1本公开各参数最佳尺寸表
参照图2、图3和图4，L1代表所述半椭圆形的长半轴，L2代表所述矩形金属条带的长度，L3代表所述矩形金属板的长度，L4代表所述矩形沟槽40的长度，W1代表所述矩形金属条的宽度，W2代表两个所述矩形金属条之间距离加上两个W1的和，W3代表所述矩形金属片的长和宽，W4代表所述矩形金属片之间的间距，W5所述半椭圆形的短半轴，W6代表所述矩形金属条带的宽度，W7代表两个矩形金属条带之间的距离，W8代表所述矩形金属板的宽，W9代表所述矩形沟槽的宽，R1代表所述第二介质基板2的半径，R2代表所述半圆环金属片51的外径，R3代表所述半圆环金属片51的内径，R4代表所述半圆形的半径。
依照上述参数，使用HFSS对所设计的应用于无线功率传输系统的端射低剖面惠更斯源天线的反射系数|S11|特性参数进行仿真分析，其分析结果如下：
图5是根据一示例性实施例示出的一种边射天线的S参数曲线图，如图5所示，本公开的边射天线的谐振频点为1.755GHz，反射损耗值为-12.14dB。图6是根据一示例性实施例示出的一种边射天线的E平面、H平面的辐射场方向图，从图6中可以看出，本公开的边射天线在谐振频点处，天线正上方辐射方向增益达到1.90dBi，前后比16.52dB，辐射效率87.57％，ZOX面的半功率波束宽度为251°(-125°～126°)，ZOY面的半功率波束宽度为198°(-109°～89°)。可见本公开的边射天线有着良好的辐射性能，且具有宽波束特性，与此同时，天线剖面低，结构紧凑。
本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
1)具有低剖面特性，剖面高度可以为3.98％λ0，适合紧贴于坦克，卫星等移动物体表面，使得在高速运行时不影响空气动力学性能。
2)通过加载EBG技术，所述边射天线不仅具有良好的边射辐射特性，而且有着极宽的波束宽度，在谐振频点处，所述边射天线正上方辐射方向增益可以达到1.90dBi，前后比可以为16.52dB，ZOX面的半功率波束宽度可以为251°(-125°～126°)，ZOY面的半功率波束宽度可以为198°(-109°～89°)，使得所述边射天线可以应用于大角度相控阵扫描和基站系统中。
3)具有高辐射效率，在谐振频点处，辐射效率能够达到87.57％，且天线结构紧凑，易于制造加工。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (11)

1.一种边射天线，其特征在于，包括：
第一介质基板，设有缺口，包括相对的第一表面和第二表面；
金属贴片，排列贴设于所述第一表面；
接地板，设有槽孔，贴设于所述第二表面；
第二介质基板，与所述接地板平行设置，包括相对的第三表面和第四表面，所述第二介质基板在所述接地板上的投影的部分区域位于所述缺口内；
磁偶极子，贴设于所述第三表面；
激励源，贴设于所述第四表面；以及
同轴电缆，穿设于所述槽孔并连接于所述激励源。
2.根据权利要求1所述的边射天线，其特征在于，所述第一介质基板为半椭圆形，所述缺口为半圆形，所述半椭圆形的圆心与所述半圆形的圆心重合。
3.根据权利要求2所述的边射天线，其特征在于，所述磁偶极子包括组成圆环结构的两个半圆环金属片，两个所述半圆环金属片的端部之间有一间隙；每个半圆环金属片的端部形成有朝向该半圆环圆心延伸的金属枝节，所述第二介质基板为与所述磁偶极子同心设置的圆形板。
4.根据权利要求3所述的边射天线，其特征在于，所述第二介质基板的半径为16mm至18mm，所述第二介质基板的厚度为0.5mm至0.9mm。
5.根据权利要求3所述的边射天线，其特征在于，所述半圆环金属片的外径为14mm至17mm，所述半圆环金属片的内径为12mm至14mm；所述金属枝节为矩形金属条，所述矩形金属条带的长度为6mm至7mm，所述矩形金属条带的宽度为0.2mm至0.4mm，两个所述矩形金属条带之间的距离0.3mm至0.8mm。
6.根据权利要求2所述的边射天线，其特征在于，所述第一介质基板的厚度为4mm至6mm；所述半椭圆形的长半轴为42mm至44mm，所述半椭圆形的短半轴为36mm至39mm；所述半圆形的半径为18mm至21mm。
7.根据权利要求1所述的边射天线，其特征在于，所述金属贴片为等间距排列的矩形金属片，所述矩形金属片的长和宽均为3mm至7mm，所述矩形金属片之间的间距为0.2mm至4mm。
8.根据权利要求1所述的边射天线，其特征在于，所述接地板为中间蚀刻有矩形沟槽的矩形金属板。
9.根据权利要求8所述的边射天线，其特征在于，所述矩形金属板的长为85mm至88mm，所述矩形金属板的宽为54mm至58mm；所述矩形沟槽的长为68mm至72mm，所述矩形沟槽的宽为0.5mm至1.5mm。
10.根据权利要求1所述的边射天线，其特征在于，所述激励源包括并行贴设于所述第二介质基板的第四表面的两个矩形金属条带；
所述矩形金属条带包括位于所述第二介质基板中央的内侧端和相对于所述内侧端的外侧端；所述同轴电缆的内、外芯分别连接于两个矩形金属条带的内侧端。
11.根据权利要求10所述的边射天线，其特征在于，所述金属条带的长度为15mm至17mm，所述金属条带的宽度为0.4mm至0.9mm。
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