CN106374196B - 基于人工电磁材料的高增益低剖面环槽天线 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于人工电磁材料的高增益低剖面环槽天线，主要解决传统环槽天线剖面偏高，不易与载体共形的缺点。其包括辐射单元(1)、上介质板(2)、巴仑(3)、下介质板(5)和金属地板(6)；辐射单元和巴仑分别位于上介质板的上下表面上，金属地板位于下介质板的下表面上，其中辐射单元(1)采用矩形金属板，其上开有对称的开环状结构，两个开环状结构之间通过矩形槽连接；在下介质板的上表面上均匀排列m×n个正方形单元，构成贴片层(4)。本发明具有宽频带，高增益和低剖面的优点，可用于机载平台下的雷达系统。

Description

基于人工电磁材料的高增益低剖面环槽天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别涉及一种高增益低剖面环槽天线，适用于需要与载体共形的雷达系统。

背景技术

在机载雷达系统中，为了不影响载体平台本身的气动特性与隐身特性，天线需要与载体平台共形，而这就要求天线具有较低的剖面高度。而另一方面，为了增加雷达的探测距离，所采用的天线单元必须具有高增益的特性。环槽天线因为其宽频带、高增益的特点可以适用于雷达系统中。但是传统环槽天线为双向辐射，若要实现其定向辐射必须增加反射板。传统环槽天线的反射板多为平面金属反射板，当天线辐射电磁波相位与反射相位相同时，辐射方向场强最大，此时天线呈定向高增益特性。然而天线与反射板之间距离相对较远，造成了天线的剖面偏高，不易与载体共形，难以直接应用于机载共形天线阵列中。所以，如何在保证环槽天线辐射特性不受影响的前提下，设计具有低剖面的高增益环槽天线单元，对于机载平台下的雷达系统有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于针对上述传统环槽天线的不足，提供一种基于人工电磁材料的高增益低剖面环槽天线，以减小天线与反射板之间的距离，在保证环槽天线辐射特性不受影响的前提下，提高低剖面天线的增益。

为实现上述的目的，本发明包括辐射单元、上介质板、巴仑、下介质板和金属地板，辐射单元和巴仑分别位于上介质板的上下表面上，金属地板位于下介质板的下表面上，其特征在于：

辐射单元采用开有对称开环状结构的矩形金属板，两个开环状结构之间通过矩形缝隙连接；

在下介质板的上表面上，印制有贴片层。

作为优选，所述对称开环状结构，包括两个对称的四分之三圆槽、一个凹字形槽和一个等腰梯形槽，该凹字形槽的高为L1，凹入边长W3与四分之三圆槽的半径R1相等，且凹入边W3与四分之三圆槽的外边缘相切，凹入底边W2＝W1-2W3，该等腰梯形槽的高为H，上底边长为W4，下底长度W1与凹字形槽的下底长度相等且二者重合。

作为优选，所述的贴片层是由m行n列正方形单元均匀排布构成，m≥7，n≥8。

作为优选，所述的巴仑由阶梯阻抗变换器与金属扇形相接组成。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1)本发明由于辐射单元采用开有由矩形缝隙连接的对称开环状结构，提高了天线的增益，展宽了天线的带宽，其工作频段可覆盖X波段。

2)本发明由于采用了印制有贴片层的反射板，因此在天线获得定向性和高增益的同时，减小了天线与反射板之间的距离，使该天线仅有八分之一到十分之一波长的低剖面高度。

附图说明

图1是本发明的整体结构图；

图2是本发明的剖面结构图；

图3是本发明中的辐射单元结构示意图；

图4是本发明中的巴仑结构示意图；

图5是本发明中的贴片层结构示意图；

图6是本发明的S参数曲线图；

图7是本发明x-z面和y-z面的增益方向图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明天线作进一步描述。

参照图1和图2，本发明包括辐射单元1、上介质板2、巴仑3、贴片层4、下介质板5和金属地板6。其中，上介质板2是介电常数为4.4，厚度为h0，长边为L0，短边为W0的矩形介质材料；辐射单元1位于上介质板2的上表面上，巴仑3位于上介质板2的下表面上；下介质板5是介电常数为4.4，厚度为h00，长边为L00，短边为W00的矩形介质材料；贴片层4位于下介质板5的上表面上，金属地板6位于下介质板5的下表面上，且其形状与尺寸和下介质板5相同；上介质板2与下介质板5平行相距H0，H0等于X波段中心波长的十分之一。

本实例采用但不限于，h0＝1mm，L0＝20mm，W0＝11mm，h00＝1mm，L00＝25.4mm，W00＝19.8mm，H0＝3mm。

参照图3，所述辐射单元1，包括开有对称开环状结构11的矩形金属板，这两个开环状结构之间通过矩形槽114连接。该矩形金属板的形状与大小和上介质板2相同，该对称开环状结构11包括两个对称的四分之三圆槽111、一个凹字形槽112和一个等腰梯形槽113，该凹字形槽112的高为L1，凹入边长W3与四分之三圆槽111的半径R1相等，且凹入边W3与四分之三圆槽111的外边缘相切，凹入底边为W2＝W1-2W3，该等腰梯形槽113的高为H，上底边长为W4，下底边长W1与凹字形槽112的下底长度相等，且二者重合，该矩形槽114的长边为L2，短边W4与等腰梯形的上底边长相等且重合。

以上参数通过优化得到最优值，其中R1的取值范围为1.2～3mm，W1的取值范围为3～10mm，W3的取值范围为0.8～3.6mm，W4的取值范围为0.2～1.6mm，H的取值范围为0.1～1mm，L1的取值范围为5～12mm，L2的取值范围为1～5mm。

本实例采用但不限于R1＝1.8mm，W1＝6.8mm，W3＝1.8mm，W2＝W1-2W3＝3.2mm，W4＝0.8mm，H＝0.5mm，L1＝7.1mm，L2＝3.8mm。

参照图4，巴仑3由阶梯阻抗变换器31与金属扇形32相接组成。其中阶梯阻抗变换器中第一节传输线宽W5的取值范围为2.5～3mm，线长L4的取值范围为2～4mm，第二节传输线宽W6的取值范围为0.5～2mm，线长L5的取值范围为1.5～3mm，扇形的半径R2的取值范围为2.5～3mm，开扇角度θ的取值范围为50～70°。

本实例采用但不限于W5＝2.8mm，W6＝0.6mm，L4＝3.5mm，L5＝2.1mm，R2＝2.7mm，θ＝60°。

参照图5，贴片层4由m×n个正方形单元41组成，m≥7，n≥8；这些正方形单元在下介质板5的上表面上均匀排列，单元之间设有缝隙gap，每个正方形单元的边长L6取值范围为1.5～3mm，缝隙gap的取值范围为0.1～0.5mm，本实例采用但不限于L6＝2.6mm，m＝7，n＝9，gap＝0.2mm。

本发明的优点可通过以下仿真进一步说明：

1、仿真内容

1.1)利用商业仿真软件ANSYS HFSS v15.0对上述实例的S参数在7.0-13.0GHz范围内进行仿真计算，结果如图6所示。

从图6可见，本发明天线可以工作在8GHz-12GHz的X波段，在X波段的全频段中该天线的回波损耗S₁₁小于-10dB，保持了缝隙天线的宽频带特性。

1.2)利用商业仿真软件ANSYS HFSS v15.0对上述实例在8.0GHz，10.0GHz和12.0GHz的x-z面和y-z面的辐射方向图进行仿真计算，结果如图7所示。其中：

图7(a)是本实例在8.0GHz的x-z面和y-z面的辐射方向图

图7(b)是本实例在10.0GHz的x-z面和y-z面的辐射方向图

图7(c)是本实例在12.0GHz的x-z面和y-z面的辐射方向图。

从图7可见，本发明天线最大辐射方向始终在天线法线方向，工作在8GHz，10GHz，12GHz时，最大辐射方向的增益分别为8.1dB，8.3dB，7.3dB。而天线的剖面高度仅有3mm，即约为X波段中心频率波长的十分之一，表明本发明天线可以在保证良好辐射性能的前提下，实现高增益天线的低剖面特性。

以上描述和实施例，仅为本发明的优选实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和设计原理后，都可能在基于本发明的原理和结构的情况下，进行形式上和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于人工电磁材料的高增益低剖面环槽天线，包括辐射单元(1)、上介质板(2)、巴仑(3)、下介质板(5)和金属地板(6)，辐射单元(1)和巴仑(3)分别位于上介质板(2)的上下表面上，金属地板(6)位于下介质板(5)的下表面上，其特征在于：

辐射单元(1)，采用开有对称开环状结构(11)的矩形金属板，两个开环状结构之间通过矩形槽(114)连接；

在下介质板(5)的上表面上，印制有贴片层(4)；

所述对称开环状结构(11)，包括两个对称的四分之三圆槽(111)、一个凹字形槽(112)和一个等腰梯形槽(113)，该凹字形槽(112)的高为L1，凹入边长W3与四分之三圆槽(111)的半径R1相等，且凹入边W3与四分之三圆槽(111)的外边缘相切，凹入底边W2＝W1-2W3，该等腰梯形槽(113)的高为H，上底边长为W4，下底长度W1与凹字形槽(112)的下底长度相等且二者重合。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于贴片层(4)是由m行n列正方形单元(41)均匀排布构成，m≥7，n≥8。

3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于所述巴仑(3)由阶梯阻抗变换器(31)与金属扇形(32)相接组成。