CN108258398A - 一种宽带天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种宽带天线，包括介质基板(200)、设置在介质基板(200)正面的周期性金属贴片单元(100)以及设置在介质基板(200)反面的地平面(300)，所述周期性金属贴片单元(100)由多个金属贴片周期性间隔排列而成，构成所述宽带天线的辐射体，所述地平面(300)上开设有耦合缝隙(400)和共面波导馈线(500)，构成所述宽带天线的馈电网络，所述耦合缝隙(400)以共面波导馈线(500)为轴中心对称。与现有技术相比，本发明具有结构紧凑、体积小、增益高、满足宽带需求等优点，适用于采用宽带信号调制或多频点协同工作的浅表层穿透雷达系统。

Description

一种宽带天线

技术领域

本发明涉及一种天线，尤其是涉及一种宽带天线，适用于采用宽带信号调制或多频点协同工作的浅表层穿透雷达系统或者是其它宽带需求的无线系统。

背景技术

随着雷达技术的迅速发展，浅表层探测雷达在反恐侦测、灾害救援和地层探测等领域应用广泛。此类雷达运用电磁学和数字信号处理技术采用非侵入式的方式，对介质层下的目标进行探测、成像，不破坏物体表面，安全高效，可以广泛应用于公安、武警、海关和消防等领域。

天线作为浅表层探测雷达的最前端部件，影响着整个系统的性能。由于待探测介质层内部结构复杂，探测目标深度不一，所以雷达系统对天线的定向辐射性能和增益要求较高，并且由于浅表层探测雷达多采用宽频带方式调制或多频点协同工作，宽带天线已经成为了该类雷达不可或缺的一部分。

为了实现雷达应用中要求的高增益天线，常常采用天线组阵方式，然而，这样的方式会造成体积大、笨重等问题，妨碍其在低频率(<10GHz)便携式雷达探测器中的应用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服现有技术存在的缺陷而提供一种结构紧凑、体积小、增益高、满足宽带需求的宽带天线，适用于采用宽带信号调制或多频点协同工作的浅表层穿透雷达系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种宽带天线，包括介质基板、设置在介质基板正面的周期性金属贴片单元以及设置在介质基板反面的地平面，所述周期性金属贴片单元由多个金属贴片周期性间隔排列而成，构成所述宽带天线的辐射体，所述地平面上开设有耦合缝隙和共面波导馈线，构成所述宽带天线的馈电网络，所述耦合缝隙以共面波导馈线为轴中心对称。

进一步，所述金属贴片在介质基板表面的分布规则为：

在横向或纵向上，相邻金属贴片之间间距相等，在横向上金属贴片是偶数或奇数分布，在纵向上金属贴片是偶数分布。

进一步，所述金属贴片形态为正方形或长方形或其他多边形结构。

进一步，整个所述周期性金属贴片单元所覆盖面积由工作频段所确定。

进一步，所述介质基板为具有一定厚度的单层绝缘电介质板。

进一步，所述地平面的覆盖面大于所述周期性金属贴片单元的覆盖面。

进一步，所述耦合缝隙的中心位于由周期性金属贴片单元构成的天线辐射体的中心的正下方。

进一步，所述耦合缝隙为中心对称锥形渐变终端矩形加载结构、中心对称矩形结构、中心对称哑铃型结构或中心对称领结型结构。

进一步，所述耦合缝隙优选为中心对称锥形渐变终端矩形加载结构。

进一步，所述共面波导馈线包括中间带状线和开设在所述中间带状线周围并与所述耦合缝隙连通的馈线缝隙，所述中间带状线与外部端接的SMA接头焊接，所述共面波导馈线与地平面配合实现馈电。

进一步，所述共面波导馈线的特性阻抗为50欧姆。

进一步，该宽带天线的相对带宽大于10％。

进一步，该宽带天线的增益大于7dBi。

进一步，所述周期性金属贴片单元、耦合缝隙和共面波导馈线均采用印刷电路板技术方式实现。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明的宽带天线基于单层介质基板，体积小，加工成本低；

(2)本发明采用周期性金属矩形贴片单元构成辐射面，结构简单，实现方便，使天线具有边射辐射特性，激励相邻的两种模态，有利于带宽实现，且各金属贴片之间具有容性缝隙，使得腔体的谐振Q值大大降低，有利于频带的展宽；

(3)本发明采用共面波导激励缝隙耦合的方式构成宽带馈电网络，天线的相对带宽大于10％，满足宽带需求；

(4)本发明天线的定向性能好，天线增益大于7dBi，增益高；

(5)本发明将耦合缝隙和共面波导馈线均开设于地平面上，起到调谐与匹配的作用，使得耦合的强度在较宽的频带内有较高的水平。

附图说明

图1为本发明的平面结构示意图，其中，(1a)为正面示意图，(1b)为反面示意图；

图2为一种耦合馈电方式结构示意图，其中，(2a)为正面示意图，(2b)为反面示意图，(2c)为侧面示意图；

图3为耦合缝隙的结构示意图，其中，(3a)为中心对称矩形结构，(3b)为中心对称哑铃型结构，(3c)为中心对称领结型结构；

图4为本发明的优选实施例的结构示意图，其中，(4a)为侧面示意图，(4b)为正面示意图，(4c)为反面示意图；

图5为本发明的优选实施例的S11仿真和实测图；

图6为本发明的优选实施例的方向图的仿真和实测图，其中，(6a)工作于5.2GHz，(6b)工作于5.5GHz，(6c)工作于5.8GHz。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例提供一种宽带天线，包括介质基板200、设置在介质基板200正面的周期性金属贴片单元100以及设置在介质基板200反面的地平面300，所述周期性金属贴片单元100由多个金属贴片周期性间隔排列而成，构成所述宽带天线的辐射体，所述地平面300上开设有耦合缝隙400和共面波导馈线500，构成所述宽带天线的馈电网络，所述耦合缝隙400以共面波导馈线500为轴中心对称，周期性金属贴片单元100、耦合缝隙400和共面波导馈线500均采用印刷电路板技术实现。整个所述周期性金属贴片单元100所覆盖面积由工作频段所确定，地平面300的覆盖面大于所述周期性金属贴片单元100的覆盖面。地平面300具有两个作用：一个是与共面波导馈线共同实现馈电；另一个是作为天线辐射所需的地板。该宽带天线的相对带宽大于10％，增益大于7dBi。

1、周期性金属单元

如图4所示，周期性金属贴片单元100由多个金属贴片周期性间隔排列而成，是采用印刷电路技术刻蚀在介质基板200上，金属贴片在介质基板表面的分布规则为：在横向(y轴)或纵向(x轴)上，相邻金属贴片之间间距相等，为了使中间的缝隙结构与背板的缝隙结构相互耦合，在纵向上金属贴片是偶数分布，而横向上没有这样的要求，所以在横向上金属贴片是偶数或奇数分布。周期性金属贴片单元100可以是2×2、4×4等形式。所述金属贴片形态可以为正方形或长方形或其他多边形结构。

如图4所示，在本发明优选实施例中，周期性金属贴片单元100是厚度t为35微米的金属铜材料，为4×4结构，金属贴片为正方形结构。其中单个金属贴片单位的长Lp和宽Wp，在横向(y轴)和纵向(x轴)上的间隔均为G。由周期性金属贴片单元100形成的整个辐射体与介质基板200反面的地平面300构建成一个腔体结构，等效成传统的微带矩形贴片。辐射体所覆盖面积的长度和宽度决定了工作频率范围，同时，这样的周期性表面结构可以激励起两个谐振模态TM10和TM20模，使天线实现了边射的辐射方向。更重要的是，这两个相邻的谐振模态比较接近，有利于宽带实现。此外，矩形贴片之间的容性缝隙，使得腔体的谐振Q值大大降低，有利于频带的展宽。

2、介质基板

本发明中，介质基板200为具有一定厚度的单层绝缘电介质板。如图4所示，所述介质基板200采用相对介电常数ε为3.66、正切损耗角tanδ为0.0037、厚度h为1.524毫米的碳氢化合物陶瓷材料。本实施例中，介质基板的长W和宽L均为60毫米。相较于如图2所示的采用两层介质基板201、202的方式，本发明体积更小，加工成本更低。

3、耦合缝隙

如图1所示，耦合缝隙400是通过电路印刷技术在介质基板200所铺铜表面(即在地平面300上)进行刻蚀，它可以是图3中的矩形401，类似电偶极子的互补形态，也可以是基于该形态的优化变形结构，如左右终端加载结构，以哑铃型402为代表；自中心向终端增宽形式，以领结型403为代表。以上不同形式的缝隙结构都可以作为与天线辐射体发生能量耦合的作用，都可以作为本发明中辐射体的耦合激励结构；以矩形缝隙结构401为参考，哑铃型402与领结型403存在着更多的场分布上的不连续性，因此与介质基板200上表面辐射体的耦合强度变强。但是，这种耦合作用要呈现出宽带特性。因此，在缝隙结构长度的选取上决定该耦合方式为非谐振式耦合，而优选实例中在缝隙结构的中段位置采用锥形渐变结构404，如图4所示，长度为Wd，靠近中部开口宽度为Lg，靠近终端开口宽度为Ld，终端为矩形缝隙加载结构，长度为Ld，宽度为Wt，为非谐振式耦合，即

2×Wt+Wd>1/2×λ₀

式中，λ₀表示为中心工作频率下的波长，优选实例为5.5GHz，一般缝隙结构长度与二分之一工作波长相当，容易激发谐振，为谐振式，如果不满足，则为非谐振式，上述公式左边表示缝隙结构长度。通过上述设置，使得耦合的强度在较宽的频带内有较高的水平。

4、共面波导馈线

如图4所示，在本发明中的优选实例中，共面波导结构是由有限大小的地平面300和中间的带状线构成。本优选实例中，共面波导馈线用于激励缝隙结构，它相比图2有着很大的优势。图2中，有两层介质基板201和202，微带传输线501与位于中间地板301的矩形缝隙401进行耦合，进而可以将能量耦合到上表面的辐射体。共面波导结构的地板可以充当天线辐射体的背部地板，大大减少了工程的复杂度，同时保证了激励缝隙结构的功能。在本发明的优选实施例中，如图4所示，所述地平面300覆盖在介质基板200的反面，为厚度t为35微米的金属铜，并且，所述共面波导馈线500同样开在地平面300上，包括中间带状线和开设在所述中间带状线周围并与所述耦合缝隙连通的馈线缝隙，所述中间带状线与外部端接的SMA接头焊接，所述共面波导馈线500与地平面300配合实现馈电。共面波导馈线500的特性阻抗为50欧姆，并且，将天线的输入阻抗匹配至50欧姆，其尺寸为：Gl为波导面缝隙宽度，Wl为带状型宽度，Lt为开路枝节长度，小于中心频率的四分之一波长，起到调谐与匹配。上述耦合缝隙400和共面波导馈线500构成了本发明的优选实施例的宽带馈电网络。

5、优选实例整体参数和性能

本发明的优选实例的工作频段在C波段范围内，即4～8GHz，图4展示的优选实例结构图中的具体尺寸参数列于表1中。

表1优选实例图4中尺寸参数单位：mm

在本发明的优选实施例中，图5是所述天线S11的实测和仿真结果，其实测S11带宽小于-10dB约为600MHz，相对带宽大于10％，图6是所述天线归一化方向图的实测和仿真结果，选取5.2GHz，5.5GHz和5.8GHz，实测天线增益大于7dBi，这三个频点表明该宽带天线的高增益特点在S11带宽内具有普遍性。同时，该宽带天线的增益峰值达到9.8dBi。

需要说明的是，上述对各个结构的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种宽带天线，其特征在于，包括介质基板(200)、设置在介质基板(200)正面的周期性金属贴片单元(100)以及设置在介质基板(200)反面的地平面(300)，所述周期性金属贴片单元(100)由多个金属贴片周期性间隔排列而成，构成所述宽带天线的辐射体，所述地平面(300)上开设有耦合缝隙(400)和共面波导馈线(500)，构成所述宽带天线的馈电网络，所述耦合缝隙(400)以共面波导馈线(500)为轴中心对称。

2.根据权利要求1所述的宽带天线，其特征在于，所述金属贴片单元(100)在介质基板(200)表面的分布规则为：

在横向或纵向上，相邻金属贴片单元(100)之间间距相等，在横向上金属贴片单元(100)是偶数或奇数分布，在纵向上金属贴片单元(100)是偶数分布，并且，所述金属贴片单元(100)的形态为正方形、长方形或其他多边形结构，整个所述周期性金属贴片单元(100)所覆盖面积由工作频段确定。

3.根据权利要求1所述的宽带天线，其特征在于，所述介质基板(200)为具有一定厚度的单层绝缘电介质板。

4.根据权利要求1所述的宽带天线，其特征在于，所述地平面(300)的覆盖面大于所述周期性金属贴片单元(100)的覆盖面。

5.根据权利要求1所述的宽带天线，其特征在于，所述耦合缝隙(400)的中心位于由周期性金属贴片单元(100)构成的天线辐射体的中心的正下方。

6.根据权利要求1所述的宽带天线，其特征在于，所述耦合缝隙(400)为中心对称锥形渐变终端矩形加载结构、中心对称矩形结构、中心对称哑铃型结构或中心对称领结型结构。

7.根据权利要求1所述的宽带天线，其特征在于，所述共面波导馈线(500)包括中间带状线和开设在所述中间带状线周围并与所述耦合缝隙(400)连通的馈线缝隙，所述中间带状线与外部端接的SMA接头焊接，所述共面波导馈线(500)与地平面(300)配合实现馈电。

8.根据权利要求1所述的宽带天线，其特征在于，所述共面波导馈线(500)的特性阻抗为50欧姆。

9.根据权利要求1所述的宽带天线，其特征在于，该宽带天线的相对带宽大于10％。

10.根据权利要求1所述的宽带天线，其特征在于，该宽带天线的增益大于7dBi。