CN108879076A - 一种宽带缝隙振子天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带缝隙振子天线，其结构由天线罩、安装板、缝隙振子、馈电板和射频连接器共同组成。其中通过设置中心对称开缝的矩形金属导体缝隙振子结构，缝隙振子与安装板垂直紧固，馈电板为单面光刻特殊形状金属印制线的复合基板，其光板面在偏置位置处与缝隙振子正交、贴合，射频连接器紧固于安装板背面，其射频连接器探针贯穿安装板与馈电板印制线一端相连，可有效解决现有遥测系统天线方向图“干涉”、带宽窄、低仰角增益低的缺点，同时其具有较好的结构强度，尤其适用于飞行器上遥测系统。

Description

一种宽带缝隙振子天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种宽带缝隙振子天线。

背景技术

通信、雷达电子系统原理上都是电磁波的发射和接收过程，结构上都包含了天线、发射机、接收机、信号处理器等。系统中通信频率受天线带宽的限制，若超过天线带宽，天线的方向图就会变劣，性能就会下降，对通信质量造成不利的影响。

航天雷达系统中为考核飞行器等待测目标的性能参数，需通过遥测天线实时将待测目标飞行过程中的各项参数下传至分布在飞行轨迹两侧的地面遥测综合站。为了控制待测飞行器的飞行过程，其飞行过程中的数据需要完整下传采集，而且一般待测目标的飞行速度较快对地的仰角变化大，为保证整个飞行轨迹过程中的遥测数据完整下传，同时适应待测目标的飞行速度较快对地的仰角变化大的情况，需要选用工作在微波频段宽带宽、方向图仰角范围大、结构强度大的遥测天线。

目前遥测系统中，通常采用双微带天线贴片和倒F振子形式天线作为遥测天线进行发射接收，一般是圆柱形结构目标采用双微带天线贴片利用微带天线半球形的方向图分别朝向地面遥测综合站，异形结构目标则选用倒F振子形式的天线。

采用双微带天线贴片的方案中，双微带贴片天线一般安装在待测目标两侧，通过带有导体接地板的介质基片上附加导体贴片而构成的天线实现信号发射接收，因为双天线工作时存在电磁“干涉”可能导致某些角度无法满足增益要求，从而难以保证遥测数据的完整性，而且其采用微带天线贴在两侧，其结构强度可能无法满足飞行器处于恶劣环境下的要求；另外，微带天线在温度高于200°时易变形，会导致天线结构发生变化，使得天线传输精度受到影响甚至导致天线损坏。更为重要的是，如果要求较宽的工作频带则需将多个微带天线进行组合，上述难以保证遥测数据的完整性、强度不足等缺陷会更突出。

在采用倒F振子形式天线的方案中，其波束宽度通常能够满足单遥测通道的使用要求，但是，大量的目标同时工作时需遥测天线具有较宽带宽以供多信道划分，而倒F振子天线工作频段并不能实现宽频段的工作要求；而且，由于倒F天线各个部件是通过焊接工艺连接的，焊接的零件由于热影响区的急冷，在碳含量较高的条件下，容易产生淬火马氏体，容易产生裂纹削弱承载能力，不能满足飞行器处于恶劣环境下的要求；而倒F天线扩大方向图工作范围则会导致带宽更窄，无法同时满足宽带宽大高低仰角都能工作的要求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种宽带缝隙振子天线，其中通过对其中关键组件的结构及其设置方式的改进，有效解决现有遥测系统天线方向图“干涉”、带宽窄、低仰角增益低的缺点，同时其具有较好的结构强度，尤其适用于飞行器上的遥测系统。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种宽带缝隙振子天线，其特征在于，该天线包括天线罩、缝隙振子、馈电板、馈电探针、安装板和射频连接器，其中，所述安装板作为安装的基板，所述天线罩罩设在安装板上方，所述天线罩与所述安装板形成的中空部分用于容纳所述缝隙振子、馈电板和馈电探针，

其中，所述缝隙振子设置在所述安装板上，所述缝隙振子对称中心处设置有辐射缝隙，所述馈电板贴合在所述缝隙振子表面，所述馈电板上的金属印制线与所述辐射缝隙正交，所述馈电探针竖直向上贯穿所述安装板，其针头与馈电板上的刻蚀图案电连接，所述馈电探针底端与设置在安装板下方的射频连接器上电连接，通过调整所述馈电板与辐射缝隙的偏置距离达到最佳匹配阻抗状态，使得所述射频连接器传导的射频电流通过馈电探针和印制线传导到所述辐射缝隙处产生谐振，从而传播出所需的电磁波信号。

作为本发明的进一步改进，所述缝隙振子包括振子本体以及设置在振子本体一端并垂直凸出与该本体的缝隙振子法兰，通过该缝隙振子法兰将缝隙振子与安装板固定连接。

作为本发明的进一步改进，所述馈电板包括第一板体和第二板体，两板体垂直布置形成T形结构，其中第一板体两端端部设置有安装孔，第二板体上设置有所述金属印制线，辐射缝隙(4)正交，其一端与第一板体中部连接固定，另一端端部设置有安装孔，通过第一板体和第二板体上的安装孔，将馈电板固定在缝隙振子上。

作为本发明的进一步改进，所述馈电板的第二板体上对称的两表面上开设有两个凹槽，其与振子本体表面上的辐射缝隙对应，所述凹槽的两侧边设置有开孔用于焊锡，通过锡焊进一步固定馈电板和缝隙振子，以防高力学过载、高温冲击等恶劣环境下馈电板从缝隙振子上松动或者掉落从而影响天线的性能。

作为本发明的进一步改进，所述安装板上设置有呈正方形分布的孔，射频连接器通过上述孔安装在固定安装板底部，所述安装板的凸台上还设置有圆孔，用于馈电探针穿过后与射频连接器连接。

作为本发明的进一步改进，所述缝隙振子的长宽厚尺寸为60mm×12mm×1.2mm～100mm×26mm×3mm，优选表面镀银处理。

作为本发明的进一步改进，所述辐射缝隙(4)的长宽尺寸为50mm×1.0mm～80mm×3.5mm。

作为本发明的进一步改进，所述馈电板(3)的介电常数被设定为1～3.5，且其长宽厚的规格尺寸依次为40mm×40mm×0.5mm～60mm×60mm×2.5mm。

作为本发明的进一步改进，所述缝隙振子(2)的材质为铝且表面镀银。

作为本发明的进一步改进，所述宽带缝隙振子天线正常工作频段为2.3GHz～3.69GHz。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、本发明中的振子天线通过对其关键组件包括缝隙振子、馈电板和辐射缝隙的结构及其设置方式的优化设计，实现馈电板与缝隙振子的耦合馈电，同时通过馈电板和缝隙振子的相对位置、缝隙振子长度、宽度、高度来实现宽带宽及高低仰角增益，适用于大量目标同时工作的场景，同时也解决了低仰角增益低使得部分遥感数据无法及时传输的问题。

2、本发明中的振子天线由于采用缝隙振子耦合形式，其天线主体均为金属结构，馈电印制板通过螺钉、金属过孔能够可靠的紧固至缝隙振子的金属结构，通过与缝隙振子一体的法兰结构使得结构更加紧固，能运用在高力学过载、高温冲击等恶劣环境，尤其适用于飞行器上遥测、安控、数据链系统的运用场合。

附图说明

图1是本发明优选实施例中的宽带缝隙振子天线结构示意图；

图2是本发明优选实施例中的宽带缝隙振子天线安装板结构示意图；

图3是本发明优选实施例中的宽带缝隙振子天线缝隙振子的结构示意图；

图4是本发明优选实施例中的宽带缝隙振子天线馈电板的结构示意图；

图5是本发明优选实施例中的宽带缝隙振子天线的驻波图；

图6是本发明优选实施例中的宽带缝隙振子天线的增益频率响应图；

图7是本发明优选实施例中的宽带缝隙振子天线工作在2.4GHz的增益示意图；

在所有附图中，同样的附图标记用来表示相同的元件或结构，具体为：1-天线罩、2-缝隙振子、3-馈电板、4-辐射缝隙、5-馈电探针、6-安装板、7-射频连接器、8-馈电板紧固螺钉、9-馈电板紧固焊接锡、10-缝隙振子法兰。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明优选实施方式所构建的宽带缝隙振子天线的结构原理示意图。图2是本发明优选实施例中的宽带缝隙振子天线安装板结构示意图。如图1-2所示，本实施例的宽带缝隙振子天线包括天线罩1、缝隙振子2、馈电板3、辐射缝隙4、馈电探针5、安装板6、射频连接器7和馈电板紧固螺钉8。安装板6作为安装的基板用于安装各种元件，天线罩1、缝隙振子2、馈电板3、辐射缝隙4、馈电探针5设置在该安装板6上。

如图2所示，安装板6优选呈方条板体，其四角设置有开孔用于固定待测目标，其上表面设置有凸台，凸台的四角设置有开孔，用于固定天线罩。

天线罩1架设在安装板6的凸台上，以用于封盖安装板6上的天线组件(缝隙振子2、馈电板3、辐射缝隙4、馈电探针5等)。如图1和2所示，缝隙振子2设置在安装板6上，优选安装在安装板6的凸台中线上，例如可以是在安装板6凸台的中线上设置开孔，缝隙振子2通过该开孔垂直固定在安装板6上。

图3是本发明优选实施例中的宽带缝隙振子天线缝隙振子的结构示意图。如图3所示，缝隙振子2为L形板体结构，优选为一体成型，其中缝隙振子2包括振子本体以及设置在振子本体一端并垂直凸出与该本体的缝隙振子法兰10，通过该缝隙振子法兰10将缝隙振子2与安装板固定连接。例如，缝隙振子法兰10上设置多个开孔，其可以与安装板6凸台的中线上设置的开孔对应，从而实现两者通过该开孔的固定。缝隙振子本体的中部设置有长条形缝隙作为辐射缝隙4，缝隙振子本体上还设置有用于固定馈电板3的开孔，例如可以是在振子本体上开设的多个安装孔，对应地馈电板上也开设有相应的安装孔，通过固定件穿过上述安装孔将馈电板与振子本体2固定。

图4是本发明优选实施例中的宽带缝隙振子天线馈电板的结构示意图。如图4所示，馈电板3优选为T形板体结构，包括第一板体和第二板体，两板体垂直布置形成T形结构，其中第一板体两端端部设置有安装孔，第二板体上设置有所述金属印制线，辐射缝隙(4)正交，其一端与第一板体中部连接固定，另一端端部设置有安装孔，通过第一板体和第二板体上的安装孔，将馈电板3固定在缝隙振子2上，如图2所示为固定于缝隙振子2的振子本体表面。馈电板3第二板体上对称的两表面上开设有两个凹槽，其与振子本体表面上的辐射缝隙4对应。凹槽的上方和下方设置有开孔用于焊锡，通过馈电板紧固焊接锡可进一步固定馈电板3和缝隙振子2，以防高力学过载、高温冲击等恶劣环境下馈电板3从缝隙振子2上松动或者掉落从而影响天线的性能。

馈电板3正面设置有馈电印制线，其优选是光刻形成，馈电印制线与馈电板的T形结构匹配，即优选是T形结构，包括位于第一板体上的一部分馈电印制线和第二板体上的另一部分馈电印制线，两者相互垂直形成T形。

馈电探针5一端连接在安装板6下方的射频连接器7上，馈电探针5另一端则穿过安装板6后通过焊锡固定在第二板体上的馈电印制线的下端。安装板6的凸台上设置有呈正方形分布的孔(优选是多个，例如四个或其他数量)，射频连接器7通过上述孔安装在固定安装板底部。安装板6的凸台上还设置有圆孔，用于馈电探针5穿过后与射频连接器7连接，安装板6的凸台上还的圆孔与馈电探针5之间的缝隙处优选填充有隔离介质以防短路。

本发明优选实施例中的宽带缝隙振子天线结构紧固，能运用在高力学过载、高温冲击等恶劣环境，尤其适用于飞行器上遥测、安控、数据链系统的运用场合。

宽带缝隙振子天线工作时，射频连接器7传导的射频电流通过馈电探针5和印制线传导到辐射缝隙4处产生共振从而传播出所需的电磁波信号，同时印制线位于辐射缝隙4上的部位即为天线的匹配阻抗，调整印制板与辐射缝隙的偏置距离到最佳匹配阻抗，以使得射频电流可以最大的转化为所需的电磁波信号。辐射缝隙的长度与天线的最低工作频率成反比，即增加缝隙振子宽度和与之匹配的馈电板印制线的线宽就可以增加一定带宽，同时，辐射缝隙4的高度越大则天线的有效增益越向低仰角区域分布。

一个优选实施例中，缝隙振子2的长宽厚的规格尺寸依次为60mm×12mm×1.2mm～100mm×26mm×3mm，表面镀银处理，辐射缝隙4的长宽的规格尺寸依次为50mm×1.0mm～80mm×3.5mm，馈电板3的介电常数被设定为1～3.5，且其长宽厚的规格尺寸依次为40mm×40mm×0.5mm～60mm×60mm×2.2mm，天线罩的介电常数被设定为2.2～4.6，且其长宽高厚的规格尺寸依次为70mm×70mm×17mm×1mm～110mm×110mm×30mm×4mm，为使宽带缝隙振子天线各元件耦合匹配达到最佳工作状态以上各元件尺寸和介电常数选择可依据所需的工作频率以及工作带宽等参数进行相应的调整。

在一个更优选实施例中，缝隙振子2的材质为铝(优选表面镀银)，其长宽厚的规格尺寸优选依次为82mm×16mm×2.2mm；辐射缝隙4的规格尺寸优选依次为72mm×1.8mm，辐射缝隙4距安装板6的水平高度优选为5mm，馈电板3偏置缝隙中心距离优选为18.2mm；馈电板3的介电常数优选为2.55，其长宽厚的规格尺寸优选依次为39mm×16mm×1mm；安装板6的规格尺寸优选依次为90mm×90mm×5mm；天线罩1的介电常数优选为4，且其长宽高厚的规格尺寸优选依次为90mm×90mm×20mm×3mm。

由于本技术方案中缝隙振子天线通过馈电板印制线对缝隙振子进行耦合馈电的方式，测试表明其具有较宽带宽和较高的低仰角增益特性，图5是本发明优选实施例中的宽带缝隙振子天线的驻波图。如图5所示，图中横轴为工作频道段1.8GHz～3GHz，竖轴为驻波VSWR，优选的宽带缝隙振子天线的正常工作频段为1.9GHz～2.65GHz，即在1.9GHz～2.65GHz驻波VSWR小于2，频带宽度为750MHz。图6是本发明优选实施例中的宽带缝隙振子天线的增益频率响应图。如图6所示，图中横轴为工作频道段1.8GHz～2.8GHz，竖轴为增益(单位为dB)，优选的宽带缝隙振子天线的增益频率响应图表明在工作频带1.9GHz～2.65GHz内，随着频率升高增益逐步增大，且方向图具有较好的一致性。图7是本发明优选实施例中的宽带缝隙振子天线工作在2.4GHz的增益示意图。如图7所示，横轴为仰角theta，竖轴为增益(单位为dB)，优选的宽带缝隙振子天线在主波束范围内(剖面角度phi＝0°～+45°及135°～+180范围)的仰角theta(-90°～-10°)∪(+10°～+90°)角度范围内增益大于-4dB，3dB波束宽度约130°。因此，本发明优选的宽带缝隙振子天线可实现高带宽工作频率且高低仰角增益高，同时结构紧固，尤其适用于飞行器上遥测系统。

本发明的宽带缝隙振子天线除了适用于飞行器上遥测系统之外，还可适用于安控、数传等通信系统，具备广阔的运用前景。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种宽带缝隙振子天线，其特征在于，该天线包括天线罩(1)、缝隙振子(2)、馈电板(3)、馈电探针(5)、安装板(6)和射频连接器(7)，其中，

所述安装板(6)作为安装的基板，所述天线罩(1)罩设在安装板(6)上方，所述天线罩(1)与所述安装板(6)形成的中空部分用于容纳所述缝隙振子(2)、馈电板(3)和馈电探针(5)，

其中，所述缝隙振子(2)设置在所述安装板(6)上，所述缝隙振子(2)对称中心处设置有辐射缝隙(4)，所述馈电板(3)贴合在所述缝隙振子(2)表面，所述馈电板(3)上的金属印制线与所述辐射缝隙(4)正交，所述馈电探针(5)竖直向上贯穿所述安装板(6)，其针头与馈电板(3)上的刻蚀图案电连接，所述馈电探针(5)底端与设置在安装板(6)下方的射频连接器(7)上电连接，通过调整所述馈电板(3)与辐射缝隙(4)的偏置距离以达到最佳匹配阻抗状态，使得所述射频连接器(7)传导的射频电流通过馈电探针(5)和印制线传导到所述辐射缝隙(4)处产生谐振，从而传播出所需的电磁波信号。

2.根据权利要求1所述的宽带缝隙振子天线，其特征在于，所述缝隙振子(2)包括振子本体以及设置在振子本体一端并垂直凸出与该本体的缝隙振子法兰(10)，通过该缝隙振子法兰(10)将缝隙振子(2)与安装板(6)固定连接。

3.根据权利要求1或2所述的宽带缝隙振子天线，其特征在于，所述馈电板(3)包括第一板体和第二板体，两板体垂直布置形成T形结构，其中第一板体两端端部设置有安装孔，第二板体上设置有所述金属印制线，并与所述辐射缝隙(4)形成正交，其一端与第一板体中部连接固定，另一端端部设置有安装孔，通过第一板体和第二板体上的安装孔，将馈电板(3)固定在缝隙振子(2)上。

4.根据权利要求3所述的宽带缝隙振子天线，其特征在于，所述馈电板(3)的第二板体上对称的两表面上开设有两个凹槽，其与振子本体表面上的辐射缝隙(4)对应，所述凹槽的两侧边设置有开孔用于焊锡，通过锡焊进一步固定馈电板(3)和缝隙振子(2)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的宽带缝隙振子天线，其特征在于，所述安装板(6)上设置有呈正方形分布的孔，射频连接器(7)通过上述孔安装在固定安装板底部，所述安装板(6)的凸台上还设置有圆孔，用于馈电探针(5)穿过后与射频连接器(7)连接。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的宽带缝隙振子天线，所述缝隙振子(2)的长宽厚尺寸为60mm×12mm×1.2mm～100mm×26mm×3mm，优选表面镀银处理。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的宽带缝隙振子天线，其特征在于，所述辐射缝隙(4)的长宽尺寸为50mm×1.0mm～80mm×3.5mm。

8.根据权利要求1或2所述的宽带缝隙振子天线，其特征在于，所述馈电板(3)的介电常数被设定为1～3.5，且其长宽厚的规格尺寸依次为40mm×40mm×0.5mm～60mm×60mm×2.5mm。

9.如权利要求7所述的宽带缝隙振子天线，其特征在于，所述缝隙振子(2)的材质为铝且表面镀银。

10.如权利要求1至8中任一项所述的宽带缝隙振子天线，其特征在于，所述宽带缝隙振子天线正常工作频段为2.3GHz～3.69GHz。