CN107204518B - 一种宽带高效率平板天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种宽带高效率平板天线，涉及通信和雷达平板天线领域，本发明的宽带高效率平板天线由4×4组2×2子阵组成，每个2×2子阵包含馈电层、谐振层和辐射缝隙层，馈电层的馈电网络采用多级T‑型结构E面波导级联方式，馈电层末端为一对位于谐振层的谐振腔体，谐振腔体中加入T型隔板形成C型腔体谐振结构，辐射缝隙层中的辐射体为矩形方孔形的宽缝结构，本发明在谐振腔中加入T型隔板使得天线的带宽更宽，谐振腔中加入T型隔板突破谐振腔中截止波长的限制，使得低频可以工作，减小谐振腔尺寸，馈电网络使用E‑面波导T‑型节级联的方式，T‑型节中需要加入台阶减小波导窄边尺寸从而增加波导波阻抗实现阻抗匹配。

Description

一种宽带高效率平板天线
技术领域
本发明涉及通信和雷达平板天线领域，尤其是一种平板天线。
背景技术
随着现代无线通信事业的发展，对卫星通信天线的要求也越来越高，要求卫星通信天线具备重量轻、剖面低、性能高、便携性等特点。传统的抛物面天线由于其自身结构特点，不可能做到体积很小，而且抛物面天线由于其精度要求较高，因此对于抛物面天线，不可能将其天线面拆分成很多部分，而且这对于操作人员的技术要求比较高，如果装配精度不达标，也会导致天线性能不达标，于是平板天线便应运而生了，平板天线相比于反射面天线，具有良好的机械强度性能，紧凑的天线结构，易于与射频前段进行组合等优势，以其尺寸小，重量轻，轮廓低，高效率，携带方便等优点，也越来越广泛地应用到卫星、飞机、车辆及个人背负通信及雷达系统中。
然而市面上平板天线带宽普遍较窄，在通信和雷达系统中的应用受到了限制。
发明内容
为了克服现有技术的不足，针对目前平板天线带宽窄的不足，本发明提供了一种宽带高效率平板天线。
本发明的宽带高效率平板天线由4×4组2×2子阵组成，其中每个2×2子阵包含馈电层、谐振层和辐射缝隙层，其中馈电层的馈电网络采用多级T-型结构E面波导级联方式，馈电主波导末端为同轴波导转换结构，每个T型结构都存在台阶和凹槽结构，凹槽宽度与T型结构的波导宽度相同，每个T型结构中的台阶位于T型结构主波导两侧，台阶关于主波导中心线相对称，台阶初始为是一级台阶，当阻抗匹配无法满足指标要求时，使用两级台阶，如两级台阶仍不能满足天线指标要求，增加为三级，依次类推，直至多级台阶满足天线指标，每个T型结构的凹槽位于T型结构主波导口面正对的分支波导壁上，馈电层末端为一对位于谐振层的谐振腔体，谐振腔体的中心线上有一个高度可调的隔板，馈电层末端谐振腔体的宽度与耦合缝隙的宽度相同，同时耦合缝隙的中心线和馈电层末端谐振腔体的中心线相对应，谐振腔中加入T型隔板形成C型腔体谐振结构，两个谐振腔底部共用一个耦合缝隙，并与馈电层相接，耦合缝隙中心线和一对谐振腔体中心线相对应，辐射缝隙层中的辐射体为矩形方孔形的宽缝结构，宽缝结构以2×2的排布组成一个单元，并与它对应的谐振层和馈电层共同组成一个2×2子阵。
所述的宽带高效率平板天线的2×2子阵中辐射缝隙层的矩形方孔形的宽缝结构的长度为0.6λ-0.85λ，宽度为0.35λ-0.5λ，其中λ为波长。
所述宽带高效率平板天线的谐振腔中T型隔板的“T”型的横向长度为0.5λ-0.65λ，T型隔板与横向垂直的纵向长度为0.25λ-0.33λ。
所述宽带高效率平板天线的耦合缝隙的长度为0.55λ-0.72λ，宽度为0.3λ-0.4λ。
本发明的有益效果是在谐振腔中加入T型隔板可以使得天线的带宽更宽，提高带宽可达30％以上；谐振腔中加入T型隔板可以突破谐振腔中截止波长的限制，使得低频可以工作，减小谐振腔尺寸；馈电网络使用E-面波导T-型节级联的方式，T-型节中需要加入台阶减小波导窄边尺寸从而增加波导波阻抗实现阻抗匹配；该设计中没有斜面结构，更方便与普通机床加工，降低加工成本。
附图说明
图1本发明结构组成示意图。
图2为本发明分层结构示意图。
图3为本发明辐射缝隙层俯视图。
图4为本发明谐振腔体层俯视图。
图5为本发明耦合缝隙结构示意图。
图6为本发明网络连接结构示意图。
图7为本发明2×2子阵单元示意图。
图8为本发明驻波比仿真结果图。
其中，1-辐射缝隙，2-谐振腔体，3-耦合缝隙，4-馈电网络，5-T型隔板，6-调谐隔板，7-同轴波导转换台阶，8-同轴波导转换凹槽，9-同轴波导转换结构，10-E面波导T型结构，11-辐射缝隙层，12-谐振腔体耦合缝隙馈电网络层，13-馈电网络层，14-波导馈电口。
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。
本发明的宽带高效率平板天线由4×4组2×2子阵组成，其中每个2×2子阵包含馈电层、谐振层和辐射缝隙层，其中馈电层的馈电网络采用多级T-型结构E面波导级联方式，馈电主波导末端为同轴波导转换结构，每个T型结构都存在台阶和凹槽结构，凹槽宽度与T型结构的波导宽度相同，每个T型结构中的台阶位于T型结构主波导两侧，台阶关于主波导中心线相对称，台阶初始为是一级台阶，当阻抗匹配无法满足指标要求时，使用两级台阶，如两级台阶仍不能满足天线指标要求，增加为三级，依次类推，直至多级台阶满足天线指标，每个T型结构的凹槽位于T型结构主波导口面正对的分支波导壁上，馈电层末端为一对位于谐振层的谐振腔体，谐振腔体的中心线上有一个高度可调的隔板，馈电层末端谐振腔体的宽度与耦合缝隙的宽度相同，同时耦合缝隙的中心线和馈电层末端谐振腔体的中心线相对应，谐振腔中加入T型隔板形成C型腔体谐振结构，两个谐振腔底部共用一个耦合缝隙，并与馈电层相接，耦合缝隙中心线和一对谐振腔体中心线相对应，辐射缝隙层中的辐射体为矩形方孔形的宽缝结构，宽缝结构以2×2的排布组成一个单元，并与它对应的谐振层和馈电层共同组成一个2×2子阵。
所述的宽带高效率平板天线的2×2子阵中辐射缝隙层的矩形方孔形的宽缝结构的长度为0.6λ-0.85λ，宽度为0.35λ-0.5λ，其中λ为波长。
所述宽带高效率平板天线的谐振腔中T型隔板的“T”型的横向长度为0.5λ-0.65λ，T型隔板与横向垂直的纵向长度为0.25λ-0.33λ。
所述宽带高效率平板天线的耦合缝隙的长度为0.55λ-0.72λ，宽度为0.3λ-0.4λ。
本发明所提供的平板天线采用2×2子阵为一个设计单元及三层结构的方案。
如图1所示，此宽带平板天线阵列自上而下包括：辐射缝隙层，带有T型隔板的谐振腔体，耦合缝隙和馈电网络。馈电网络末端有隔板进行阻抗匹配，前端有同轴波导转换。同轴波导转换结构中含有台阶和凹槽结构满足宽带宽需求。
如图2所示，实际加工中，天线包含三层，自上而下分别为：第一层辐射缝隙层，第二层包括谐振腔体层，耦合缝隙层和馈电层，第三层为馈电网络层。
如图3所示，辐射缝隙层为矩形的方孔，2×2个组成一个单元，与图4中的谐振腔体层相对应。
谐振腔体层中两个矩形腔体组成一个单元，中心线和2×2矩形缝隙中心线对应。谐振腔体层中有T型隔板将矩形腔体转变为C型谐振腔体。
两个谐振腔体层的底部对应一个耦合缝隙，如图5所示，耦合缝隙中心线和一对谐振腔体中心线相对应。
耦合缝隙对应下面一个馈电结构，如图6所示，耦合缝隙宽度和馈电网络末端宽度相同。
馈电网络末端有一个挡板用于阻抗匹配，同时馈电网络波导宽度相对于末端要窄一些用于阻抗匹配。
如图7所示，每个单元的馈电口在侧面，通过一个波导弯接头相连。图8为该平板阵列的仿真驻波图，可以看出该天线可以覆盖10.7-14.5GHz的频带范围，相对带宽可达30％。
馈电网络前端，有一个同轴波导转换结构，将波导馈电转化为SMA同轴馈电。同轴波导转换结构中有一个台阶和凹槽结构进行宽带阻抗匹配。

Claims (4)

1.一种宽带高效率平板天线，其特征在于：
宽带高效率平板天线由4×4组2×2子阵组成，其中每个2×2子阵包含馈电层、谐振层和辐射缝隙层，其中馈电层的馈电网络采用多级T型结构E面波导级联方式，馈电主波导末端为同轴波导转换结构，每个T型结构都存在台阶和凹槽结构，凹槽宽度与T型结构的波导宽度相同，每个T型结构中的台阶位于T型结构主波导两侧，台阶关于主波导中心线相对称，每个T型结构的凹槽位于T型结构主波导口面正对的分支波导壁上，馈电层末端为一对位于谐振层的谐振腔体，谐振腔体的中心线上有一个高度可调的隔板，馈电层末端谐振腔体的宽度与耦合缝隙的宽度相同，同时耦合缝隙的中心线和馈电层末端谐振腔体的中心线相对应，谐振腔中加入T型隔板形成C型腔体谐振结构，两个谐振腔底部共用一个耦合缝隙，并与馈电层相接，辐射缝隙层中的辐射体为矩形方孔形的宽缝结构，宽缝结构以2×2的排布组成一个单元，并与它对应的谐振层和馈电层共同组成一个2×2子阵。
2.根据权利要求1所述的宽带高效率平板天线，其特征在于：
所述的宽带高效率平板天线的2×2子阵中辐射缝隙层的矩形方孔形的宽缝结构的长度为0.6λ-0.85λ，宽度为0.35λ-0.5λ，其中λ为波长。
3.根据权利要求1所述的宽带高效率平板天线，其特征在于：
所述宽带高效率平板天线的谐振腔中T型隔板的“T”型的横向长度为0.5λ-0.65λ，T型隔板与横向垂直的纵向长度为0.25λ-0.33λ，其中λ为波长。
4.根据权利要求1所述的宽带高效率平板天线，其特征在于：
所述宽带高效率平板天线的耦合缝隙的长度为0.55λ-0.72λ，宽度为0.3λ-0.4λ， 其中λ为波长。
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