CN109687125B - 一种基于多模融合的超低剖面双频宽波束微带天线 - Google Patents

一种基于多模融合的超低剖面双频宽波束微带天线 Download PDF

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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种基于多模融合的超低剖面双频宽波束微带天线；矩形辐射微带与矩形寄生微带附着于介质基板，位于天线的最上层；介质基板位于基于多模融合的超低剖面双频宽波束微带天线的中间层；金属底板位于介质基板的下层；矩形辐射微带与矩形寄生微带之间有一缝隙用以辐射线极化电磁波；介质基板上沿矩形辐射微带与矩形寄生微带的边缘打金属通孔；金属底板位于整个天线的最下方，安装射频接头。本发明采解决了传统微带天线的低剖面条件下实现天线宽波束的需求；在保证天线高性能的同时，可以最大程度减小天线对载体的外形的影响；有助于获得高性能的宽角扫描相控阵列天线。

Description

一种基于多模融合的超低剖面双频宽波束微带天线
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种基于多模融合的超低剖面双频宽波束微带天线。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：低剖面天线以其轮廓低、风阻小、易于实现与载体共形等特点在现代无线通信技术中得到越来越多的应用。像微带天线，平面螺旋天线这种，比如如果天线安装在飞行器表面的时候，低剖面天线能和飞行器表面很好的共形，天线不会对飞行器本身产生额外的空气动力学效应。微带天线因其自身有很多优点，从1980年以来就被广泛应用于军用和民用领域中。微带天线的波束宽度一般能够达到70°～100°，已经具有宽波束的效果。但是随着移动通信系统的不断发展，对于移动通信来说，这个波束宽度还是不够宽。所以近年来具有宽波束的微带天线逐渐发展成一个热点。传统的微带天线受地板的边界条件限制，3dB波束宽度大约为±45°左右，为了展宽微带天线单元的波束宽度，可通常采用高次模工作单元、金属短路柱，或设计多层微带等方法。现有技术一二维大角度扫描平面相控阵列”通过高次模工作单元，实现对天线单元的波束展宽，3dB波束宽度为±60°左右。现有技术二实现宽波束的低剖面圆极化微带天线”通过添加金属短路柱的方法拓宽波束，3dB波束宽度为134°，剖面大于0.1λ但是这种方式不利于加工。现有技术三海事卫星通信终端宽波束天线装置”通过采用双层微带的方式展宽波束宽度，3dB波束宽度为140°，但剖面0.2λ。成本高，用的材料多，加工难度大，现有技术能够实现一定程度的宽波束特性，但与此同时天线的剖面高度会升高，如技术一、技术三；加工难度会增加，如技术二、技术三；以上两点决定了天线的成本升高，在保持低剖面、加工复杂度低的的情况下，实现天线的宽波束特性，可以使宽波束天线的应用范围更加广泛。
上述天线虽然达到微带天线宽波束特性，但是天线的制造成本都较高，阻碍了天线在超低剖面通信系统中的应用。因此，设计出结构简单低剖面微带宽波束天线是天线技术领域亟需解决的问题，具有较大的实用意义。
本发明剖面仅0.03λ，明显低于上述现有的技术剖面，缩小了天线的物理尺寸，降低天线的成本；而且本技术可以实现双频带特性，可在两个频带范围内工作，大大拓展了该宽波束天线的应用条件，为实现天线的多频段工作提供了可能。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于多模融合的超低剖面双频宽波束微带天线。
本发明是这样实现的，一种基于多模融合的超低剖面双频宽波束微带天线，所述基于多模融合的超低剖面双频宽波束微带天线设置有矩形辐射微带、矩形寄生微带、介质基板以及金属底板；
矩形辐射微带与矩形寄生微带附着于介质基板，位于天线的最上层；介质基板位于基于多模融合的超低剖面双频宽波束微带天线的中间层；金属底板位于介质基板的下层；
所述矩形辐射微带与矩形寄生微带之间有一缝隙用以辐射线极化电磁波；
所述介质基板上沿矩形辐射微带与矩形寄生微带的边缘打金属通孔；
所述金属底板位于整个天线的最下方，安装射频接头。
进一步，所述矩形辐射微带是天线的辐射单元，通过同轴探针进行馈电；矩形辐射微带的长宽分别为0.68λ、017λ；矩形辐射微带上靠近辐射缝隙一侧沿中心对称位置开两条横缝，调整天线的谐振点，缝长0.07λ；在同轴馈电位置远离辐射缝隙一侧，开一条纵缝，调整天线的阻抗匹配，缝长0.10λ。
进一步，所述矩形寄生微带是天线的寄生单元；矩形寄生微带的长宽分别为0.68λ、0.17λ；矩形寄生微带上靠近辐射缝隙一侧沿中心对称位置开两条横缝，用来调整天线的谐振点，缝长0.07λ；通过调整矩形辐射微带与矩形寄生微带上的四条横缝实现基于多模融合的超低剖面双频宽波束微带天线的双频带特性。
进一步，所述矩形辐射微带与矩形寄生微带之间有一宽度为0.04λ的缝隙用以辐射线极化电磁波，且线极化电磁波具有宽波束的特性。
进一步，所述介质基板位于天线的中间层；基于基片集成波导的形成原理，在介质基板上沿矩形辐射微带与矩形寄生微带的边缘打金属通孔，介质基板厚度小于0.03λ，实现天线的低剖面特性。
进一步，所述射频接头置于金属底板的下侧，所述射频接头的同轴探针穿过所述介质基板，与辐射微带贴片进行焊接，所述射频接头的外皮与金属底板连接。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于多模融合的超低剖面双频宽波束微带天线的无线通信系统。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于多模融合的超低剖面双频宽波束微带天线的飞行器。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于多模融合的超低剖面双频宽波束微带天线的移动通信系统综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明矩形寄生微带的长宽分别为0.68λ、0.17λ；矩形寄生微带上靠近辐射缝隙一侧沿中心对称位置开两条横缝，用来调整天线的谐振点，缝长0.07λ；通过调整矩形辐射微带与矩形寄生微带上的四条横缝实现基于多模融合的超低剖面双频宽波束微带天线的双频带特性；矩形辐射微带与矩形寄生微带之间有一宽度为0.04λ的缝隙用以辐射线极化电磁波，且线极化电磁波具有宽波束的特性；介质基板位于天线的中间层；基于基片集成波导的形成原理，在介质基板上沿矩形辐射微带与矩形寄生微带的边缘打金属通孔，以缩小天线的剖面尺寸，介质基板厚度小于0.03λ，实现天线的低剖面特性；
本发明的矩形辐射微带是天线的辐射单元，通过同轴探针进行馈电；矩形辐射微带的长宽分别为0.68λ、0.17λ；矩形辐射微带上靠近辐射缝隙一侧沿中心对称位置开两条横缝，用来调整天线的谐振点，缝长0.07λ；在同轴馈电位置远离辐射缝隙一侧，开一条纵缝，调整天线的阻抗匹配，缝长0.10λ；矩形寄生微带是天线的寄生单元；矩形寄生微带的长宽分别为0.68λ、0.17λ；矩形寄生微带上靠近辐射缝隙一侧沿中心对称位置开两条横缝，用来调整天线的谐振点，缝长0.07λ；通过调整矩形辐射微带与矩形寄生微带上的四条横缝实现基于多模融合的超低剖面双频宽波束微带天线的双频带特性；矩形辐射微带与矩形寄生微带之间有一宽度为0.04λ的缝隙用以辐射线极化电磁波，且线极化电磁波具有宽波束的特性；介质基板位于天线的中间层；基于基片集成波导的形成原理，在介质基板上沿矩形辐射微带与矩形寄生微带的边缘打金属通孔，以缩小天线的剖面尺寸，实现天线的低剖面特性。
本发明的基于多模融合的超低剖面双频宽波束微带天线，采用单点馈电，辐射线极化电磁波；整个天线具有低剖面特性，天线的整体尺寸0.68λ×0.41λ，天线的厚度小于0.03λ，这一天线剖面尺寸明显小于传统宽波束微带天线，实现低剖面特性的原理是：通过在介质基板的边缘打金属通孔，其边缘等效为理想电壁，使得电磁波在介质上下表面和通孔之间的腔体传播，缩小了天线的剖面尺寸。本发明天线可以实现双频带特性，频带范围为2.55GHz—2.78GHz(8.6％)，4.28GHz—4.37GHz(3.9％)，实现双频带特性的原理：矩形辐射微带可以分别在高频与低频分别产生一个谐振频点。通过添加微带寄生贴片，可以在上述双谐振点附近再产生一对谐振频点。另外，通过调整矩形辐射微带与矩形寄生微带上的四条横缝，可以降低高频双谐振模的谐振频点，且改善天线的高频阻抗匹配特性(对低频没有影响)，从而形成了双频四谐振的端口反射系数曲线，使得双频的带内带宽得到增加。本发明天线在对应的两个频带范围内还具有宽波束特性，在低频2.62GHz，天线E面半功率波束宽度为149°，高频4.31GHz，天线E面半功率波束宽度为150°，形成宽波束的原理是：根据腔模理论可知，该天线的主模为TM01模，电场在矩形辐射微带与矩形寄生微带中间的缝隙最大，该缝隙可等效为一个磁流元，因此在上半空间表现为全向辐射特性，波束宽度变宽。
综上所述，针对现有的移动通信中实现天线单元宽波束，剖面较高以及难以实现多频带特性的问题。本发明采用在微带贴片上开槽以及在介质基板上打金属通孔的方式；同时实现天线的宽波束特性以及双频特性，解决了传统微带天线的低剖面条件下实现天线宽波束的问题。本发明采用在微带贴片上开槽以及在介质基板上打金属通孔的方式；同时实现天线的宽波束特性以及双频特性，解决了传统微带天线的低剖面条件下实现天线宽波束的需求。本发明在保证天线高性能的同时，可以最大程度减小天线对载体的外形的影响。此外，本发明天线技术也可作舰载和机载的相控阵列单元，有助于获得高性能的宽角扫描相控阵列天线。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于多模融合的超低剖面双频宽波束微带天线的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的基于多模融合的超低剖面双频宽波束微带天线的剖面图。
图3是本发明实施例提供的基于多模融合的超低剖面双频宽波束微带天线端口的反射系数曲线图。
图4是本发明实施例提供的基于多模融合的超低剖面双频宽波束微带天线在低频2.62GHz的Phi＝0°(H)面方向图和Phi＝90°(E)面方向图。
图5是本发明实施例提供的基于多模融合的超低剖面双频宽波束微带天线在低频2.75GHz的Phi＝0°(H)面方向图和Phi＝90°(E)面方向图。
图6是本发明实施例提供的基于多模融合的超低剖面双频宽波束微带天线在高频4.32GHz的Phi＝0°(H)面方向图和Phi＝90°(E)面方向图。
图7是本发明实施例提供的基于多模融合的超低剖面双频宽波束微带天线在高4.32GHz的Phi＝0°面方向图和Phi＝90°面方向图。
图8是本发明实施例提供的基于多模融合的超低剖面双频宽波束微带天线端口的增益变化。
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。
针对现有的天线制造成本都较高，阻碍了天线在超低剖面通信系统中的应用的问题。本发明在保证天线高性能的同时，可以最大程度减小天线对载体的外形的影响。此外，本发明天线技术也可作舰载和机载的相控阵列单元，有助于获得高性能的宽角扫描相控阵列天线。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的基于多模融合的超低剖面双频宽波束微带天线包括：
如图1和图2所示，本发明实施例提供的基于多模融合的超低剖面双频宽波束微带天线包括(1)矩形辐射微带1，矩形辐射微带1位于天线的最上层，矩形辐射微带1采用印刷电路工艺制造，印刷在介质基板的5上；在矩形辐射微带1上，在纵向的中心位置打一个通孔，用来穿过同轴探针8，通过同轴探针8给矩形辐射微带1馈电；在矩形辐射微带1上沿中心对称位置开两个横槽6，用以调整谐振；在矩形辐射微带1上同轴馈电位置远离辐射缝隙一侧，开一条纵缝7，调整天线的阻抗匹配；(2)矩形寄生微带2，矩形寄生微带2位于天线的最上层，矩形寄生微带2采用印刷电路工艺制造，印刷在介质基板的5上；在矩形寄生微带2上沿中心对称位置开两个横槽6，用以调整谐振；(3)介质基板5，介质基板5位于整个天线的中间层，在介质基板5上沿矩形辐射微带1与矩形寄生微带2的边缘打金属通孔3，以缩小天线的剖面尺寸；(4)金属底板4，金属底板4位于天线的最下方；射频接头的同轴探针8穿过金属底板4与介质基板5，在介质基板5中的通孔与矩形辐射微带3焊接，射频接头的同轴探针8的外皮与金属底板4连接。
本发明实现低剖面特性的原理是：通过在介质基板5的边缘打金属通孔3，介质基板5边缘等效为理想电壁，使得电磁波在介质上下表面和金属通孔3之间的腔体传播，缩小了天线的剖面尺寸。实现双频带特性的原理：矩形辐射微带1可以分别在高频与低频分别产生一个谐振频点。通过添加微带寄生贴片2，可以在上述双谐振点附近再产生一对谐振频点。另外，通过调整矩形辐射微带1与矩形寄生微带2上的四条横缝，可以降低高频双谐振模的谐振频点，且改善天线的高频阻抗匹配特性(对低频没有影响)，从而形成了双频四谐振的端口反射系数曲线，使得双频的带内带宽得到增加。本发明天线在对应的两个频带范围内还具有宽波束特性，形成宽波束的原理是：根据腔模理论可知，该天线的主模为TM01模，电场在矩形辐射微带1与矩形寄生微带2中间的缝隙最大，该缝隙可等效为一个磁流元，因此在上半空间表现出全向辐射特性，波束宽度变宽。
下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。
1、仿真内容
请参考图3至图8。利用仿真软件对上述实施例天线的端口反射系数、天线方向图及增益进行了仿真。
2、仿真结果
图3是对实施例天线仿真得到的端口反射系数随工作频率变化的曲线。可以看到，端口表现出良好的双宽带特性。端口反射系数低于-10dB的频段为2.55GHz—2.78GHz(8.6％)，4.28GHz—4.37GHz(3.9％)很好地实现了天线双频带的特性，且带内均有两个谐振点，该频带特性可满足移动通信对带宽需求。
图4、图5是对实施例天线仿真得到的Phi＝0°面方向图和Phi＝90°面方向图，分别在低频2.62GHz和2.75GHz获得。可以看到，天线在不同频点都可以在E面获宽波束线极化方向图。2.62GHz时，方向图Phi＝90°面3dB波束宽度为149°，方向图Phi＝0°面交叉极化低于-35dB。2.75GHz时，方向图Phi＝90°面3dB波束宽度为145°，方向图Phi＝0°面交叉极化低于-30dB；较宽的波束宽度可以使天线覆盖范围更大。
图6、图7是对实施例天线仿真得到的Phi＝0°面方向图和Phi＝90°面方向图，分别在高频4.32GHz和4.35GHz获得。可以看到，天线在不同频点都可以在E面获宽波束线极化方向图。4.32GHz时，方向图Phi＝90°面3dB波束宽度为150°。2.75GHz时，方向图Phi＝90°面3dB波束宽度为142°，方向图Phi＝0°面交叉极化变得不规则。
图8是本发明实施例天线仿真得到的增益随频率变化曲线图，增益在2.50Ghz—2.81GHz以及4.22GHz—4.39GHz内大于5dBi,实现明显的双频带特性，且增益符合天线尺寸。
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 (8)

1.一种基于多模融合的超低剖面双频宽波束微带天线，其特征在于，所述基于多模融合的超低剖面双频宽波束微带天线设置有矩形辐射微带、矩形寄生微带、介质基板以及金属底板；
矩形辐射微带与矩形寄生微带附着于介质基板，位于天线的最上层；介质基板位于基于多模融合的超低剖面双频宽波束微带天线的中间层；金属底板位于介质基板的下层；
所述矩形辐射微带与矩形寄生微带之间有一缝隙用以辐射线极化电磁波；
所述介质基板上沿矩形辐射微带与矩形寄生微带的边缘打金属通孔；
所述金属底板位于整个天线的最下方，安装射频接头；
所述矩形辐射微带是天线的辐射单元，通过同轴探针进行馈电；矩形辐射微带的长宽分别为0.68λ、0.17λ；矩形辐射微带上靠近辐射缝隙一侧沿中心对称位置开两条横缝，调整天线的谐振点，缝长0.07λ；在同轴馈电位置远离辐射缝隙一侧，开一条纵缝，调整天线的阻抗匹配，缝长0.10λ。
2.如权利要求1所述的基于多模融合的超低剖面双频宽波束微带天线，其特征在于，所述矩形寄生微带是天线的寄生单元；矩形寄生微带的长宽分别为0.68λ、0.17λ；矩形寄生微带上靠近辐射缝隙一侧沿中心对称位置开两条横缝，用来调整天线的谐振点，缝长0.07λ；通过调整矩形辐射微带与矩形寄生微带上的四条横缝实现基于多模融合的超低剖面双频宽波束微带天线的双频带特性。
3.如权利要求1所述的基于多模融合的超低剖面双频宽波束微带天线，其特征在于，所述矩形辐射微带与矩形寄生微带之间有一宽度为0.04λ的缝隙用以辐射线极化电磁波，且线极化电磁波具有宽波束的特性。
4.如权利要求1所述的基于多模融合的超低剖面双频宽波束微带天线，其特征在于，所述介质基板位于天线的中间层；基于基片集成波导的形成原理，在介质基板上沿矩形辐射微带与矩形寄生微带的边缘打金属通孔，介质基板厚度小于0.03λ，实现天线的低剖面特性。
5.如权利要求1所述的基于多模融合的超低剖面双频宽波束微带天线，其特征在于，所述射频接头置于金属底板的下侧，所述射频接头的同轴探针穿过所述介质基板，与辐射微带贴片进行焊接，所述射频接头的外皮与金属底板连接。
6.一种应用权利要求1所述基于多模融合的超低剖面双频宽波束微带天线的无线通信系统。
7.一种应用权利要求1所述基于多模融合的超低剖面双频宽波束微带天线的飞行器。
8.一种应用权利要求1所述基于多模融合的超低剖面双频宽波束微带天线的移动通信系统。
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