CN109687136A - 一种基于缝隙加载的宽波束锥削槽天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于缝隙加载的宽波束锥削槽天线，至少包括：辐射体、微带传输线、介质基板，辐射体和微带传输线分别刻蚀在双面赋铜介质基板两面，辐射体包括：锥削槽、2个波束扩展缝隙、传输槽线和圆孔形阻抗匹配器；锥削槽、2个波束扩展缝隙、传输槽线和圆孔形阻抗匹配器刻蚀在长方形介质基板的正面，两条波束扩展缝隙，分别位于传输槽线的左右两侧，其一端接近锥削槽的底部，另一端水平贯穿辐射体；锥削槽是由介质基板赋铜面刻蚀成的倒等腰三角形左右对称结构。本发明具有简单易行、天线在较宽的频率范围内，同时具有E面和H面宽波束辐射特性。

Description

一种基于缝隙加载的宽波束锥削槽天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种基于缝隙加载的宽波束锥削槽天线。
背景技术
宽波束天线是指天线辐射波束覆盖角度范围宽的天线，天线工程中通常要求其半功率波束宽度大于120°。宽频带宽波束天线是指天线在宽频带范围内具有宽波束辐射特性。
锥削槽天线是一种端射式行波天线。该类型天线天生具有频带宽、重量轻、平面结构且易于与微波电路集成等优点，因此一直以来受到人们的广泛研究与关注。然而，锥削槽天线具有高增益窄波束的固有特性，因此锥削槽天线通常无法满足宽波束覆盖的技术应用需求。
根据行波天线经典理论，锥削槽天线结构尺寸与增益和方向图波束宽度对应关系曲线如图2所示。
由图2中的曲线可知，锥削槽天线方向图波束宽度随长度尺寸增加而减小。常规锥削槽天线半功率波束宽度小于60°~80°。由于上述固有特性，锥削槽天线广泛应用于宽频带、高增益及定向辐射等技术要求的应用场合。如天线测量领域中最常用的脊喇叭天线便是锥削槽天线的一种。
锥削槽天线波束较窄的原因是天线的辐射能量主要分布在其端射方向附近，使其具有良好定向辐射特性。本专利针对削缝隙天线波束较窄的问题，提出了一种应用于该天线的波束扩展缝隙，设计了一种基于缝隙加载的宽波束锥削槽天线。
发明内容
本发明针对常规锥削槽天线辐射波束宽度窄的固有缺点，提供一种简单易行、天线在较宽的频率范围内，同时具有E面和H面宽波束辐射特性，适应于导航天线、宽扫描相控阵天线阵元的基于缝隙加载的宽波束锥削槽天线。
本发明的目的是这样实现的，一种基于缝隙加载的宽波束锥削槽天线，至少包括：辐射体、微带传输线、介质基板，辐射体和微带传输线分别刻蚀在双面赋铜介质基板两面，辐射体包括：锥削槽、2个波束扩展缝隙、传输槽线和圆孔形阻抗匹配器；锥削槽、2个波束扩展缝隙、传输槽线和圆孔形阻抗匹配器刻蚀在长方形介质基板的正面，两条波束扩展缝隙，分别位于传输槽线的左右两侧，其一端接近锥削槽的底部，另一端水平贯穿辐射体；锥削槽是由介质基板赋铜面刻蚀成的倒等腰三角形左右对称结构；倒等腰三角形顶部中心一直向下至下面圆孔形阻抗匹配器，与圆孔形阻抗匹配器相通，圆孔形阻抗匹配器在辐射体下三分之二的位置；倒等腰三角形顶部中心一直向下连通至圆孔形阻抗匹配器的刻蚀线为传输槽线。
所述的微带传输线包括： 50Ω微带传输线、70.7Ω微带传输线、110Ω微带传输线和扇形阻抗匹配器；50Ω微带传输线、70.7Ω微带传输线、110Ω微带传输线和扇形阻抗匹配器为介质基板覆铜面刻蚀的覆铜体，50Ω微带传输线由介质基板底部向上为一等宽体的垂直线，70.7Ω微带传输线为宽度小于50Ω微带传输线，且为直角刻蚀覆铜体；110Ω微带传输线为宽度小于70.7Ω微带传输线的水平刻蚀的覆铜体；扇形阻抗匹配器为刻蚀扇形结构的覆铜体；扇柄与110Ω微带传输线一端为一体，110Ω微带传输线另一端与110Ω微带传输线一端为一体。
所述的扇形阻抗匹配器的扇面中心在传输槽线上。
所述的微带传输线整体位于介质基板左下侧。
所述的锥削槽的张角可选择25°~35°。
所述的波束扩展缝隙宽度应小于其长度1/10。
所述的介质基板长宽比范围1~1.5。
所述的圆孔形阻抗匹配器的周长设定为天线中心频率所对应的二分之一介质波长。
本发明的优点是：通过在锥削槽天线上加载一定结构尺寸的金属缝隙，并调节金属缝隙的位置至锥削槽始端附近，从而有效改变锥削槽天线表面电流分布，克服了锥削槽天线辐射波束宽度窄的固有缺点。
本发明的技术原理是：当加载金属缝隙之后，天线辐射特性由锥削槽与加载缝隙共同决定。其中锥削槽主要决定端射方向辐射特性，而加载的一对波束扩展缝隙除了对天线端射方向辐射有贡献之外，主要影响宽角方向的辐射特性，因此所设计天线在宽角范围内的辐射能力得到加强，实现了宽波束辐射特性。
本发明馈电单元采用微带线至槽线交叉耦合馈电方式馈电，其中微带线与槽线耦合端的特性阻抗设计为110Ω；为确保良好的阻抗匹配特性，微带线末端为扇形枝节结构；槽线末端连通圆孔形阻抗匹配器结构。
附图说明
下面结合实施例附图对本发明作进一步说明：
图1A和图1B为锥削槽天线前后面结构示意图；
图2 行波天线增益和半功率波瓣宽度；
图3给出了锥削槽天线加载波束扩展缝隙前后其表面工作电流的分布情况；
图4 天线电压驻波系数随频率变化曲线关系；
图5 F=7.3GHz天线Φ=0°面（H面）辐射方向图；
图6 F=7.3GHz天线Φ=90°面（E面）辐射方向图；
图7 F=9.0GHz天线Φ=0°面（H面）辐射方向图；
图8 F=9.0GHz天线Φ=90°面（E面）辐射方向图；
图9 F=10.8GHz天线Φ=0°面（H面）辐射方向图；
图10 F=10.8GHz天线Φ=90°面（E面）辐射方向图。
图中标号：1、辐射体；1-1、锥削槽；1-2、波束扩展缝隙；1-3、传输槽线；1-4、圆孔形阻抗匹配器；2、微带传输线；2-1、50Ω微带传输线；2-2、70.7Ω微带传输线；2-3、110Ω微带传输线；2-4、扇形阻抗匹配器；3、介质基板。
具体实施方式
如图1A和图1B所示，一种基于缝隙加载的宽波束锥削槽天线，至少包括：辐射体1、微带传输线2、介质基板3，辐射体1和微带传输线2分别刻蚀在双面赋铜介质基板3两面，辐射体1包括：锥削槽1-1、2个波束扩展缝隙1-2、传输槽线1-3和圆孔形阻抗匹配器1-4；锥削槽1-1、2个波束扩展缝隙1-2、传输槽线1-3和圆孔形阻抗匹配器1-4刻蚀在长方形介质基板3的正面，两条波束扩展缝隙1-2，分别位于传输槽线1-3的左右两侧，其一端接近锥削槽1-1的底部，另一端水平贯穿辐射体1。锥削槽1-1是由介质基板赋铜面刻蚀成的倒等腰三角形左右对称结构；倒等腰三角形顶部中心一直向下至下面圆孔形阻抗匹配器1-4，与圆孔形阻抗匹配器1-4相通，圆孔形阻抗匹配器1-4在辐射体1下三分之二的位置；倒等腰三角形顶部中心一直向下连通至圆孔形阻抗匹配器1-4的刻蚀线为传输槽线1-3；
所述的微带传输线2包括： 50Ω微带传输线2-1、70.7Ω微带传输线2-2、110Ω微带传输线2-3和扇形阻抗匹配器2-4；50Ω微带传输线2-1、70.7Ω微带传输线2-2、110Ω微带传输线2-3和扇形阻抗匹配器2-4为介质基板覆铜面刻蚀的覆铜体，50Ω微带传输线2-1由介质基板底部向上为一等宽体的垂直线，70.7Ω微带传输线2-2为宽度小于50Ω微带传输线2-1，且为直角刻蚀覆铜体；110Ω微带传输线2-3为宽度小于70.7Ω微带传输线2-2的水平刻蚀的覆铜体；扇形阻抗匹配器2-4 为刻蚀扇形结构的覆铜体；扇柄与110Ω微带传输线2-3一端为一体，110Ω微带传输线2-3另一端与110Ω微带传输线2-3一端为一体。
所述的扇形阻抗匹配器2-4的扇面中心在传输槽线1-3上。
所述的微带传输线2整体位于介质基板3左下侧。
倒等腰三角形锥削槽的张角为30°。
2个波束扩展缝隙1-2宽度设计为0.4mm，长度为9.5mm。
介质基板材料为聚四氟乙烯，相对介电常数为2.65。
介质基板尺寸为24mm（长）×20mm（宽）×0.6mm（厚）。
圆孔形阻抗匹配器1-4的半径设计为1.7mm。
由图3可以看出，加载缝隙前，天线表面电流主要集中在锥削槽附近，而在加载缝隙后，天线表面电流除了分布在锥削槽附近，还分布在加载缝隙附近。由此可以判定，加载缝隙之后，有效改变了锥削槽天线表面电流分布，从而显著增强了天线在宽角区域辐射特性。
本发明的天线特性通过如下仿真进一步体现：
由仿真设计结果可知，基于加载缝隙的锥削槽天线在7.3~10.8GHz频率范围内，具有宽波束辐射特性。
7.3~10.8GHz频率范围内，天线Φ=0°面（E面）与Φ=90°面（H面）两个正交面内，天线方向图半功率波束宽度皆大于116°；在7.3GHz处，天线半功率波束宽度达到230°因此，所设计缝隙加载锥削槽天线在7.3~10.8GHz频率范围内具有宽波束特性。
天线电特性仿真分析结果
采用ANSYS Electronics Desktop对所设计的宽频带宽波束锥削缝隙天线进行电特性仿真分析，可以得到如下仿真分析计算结果。
1、天线电压驻波系数（VSWR）仿真分析结果
由图4可知，天线在5.7GHz~13.9GHz频率范围内，天线电压驻波系数VSWR≤2.0。
2、天线辐射方向图仿真分析结果
图5~图10分别给出了天线在7.3GHz、9.0GHz和10.8GHz频率处的辐射方向图，图中天线主极化方向图用实线表示，天线交叉极化方向图用虚线表示。
图5和图6中，F=7.3GHz时，天线Φ=0°面辐射方向图半功率波束宽度为230°，天线Φ=90°面辐射方向图半功率波束宽度为154°。由交叉电平可知，天线具有良好的线极化特性。
图7和图8中，F=9.0GHz时，天线Φ=0°面辐射方向图半功率波束宽度为167°，天线Φ=90°面辐射方向图半功率波束宽度为116°。由交叉电平可知，天线具有良好的线极化特性。
图9和图10中，F=10.8GHz时，天线Φ=0°面辐射方向图半功率波束宽度为138°，天线Φ=90°面辐射方向图半功率波束宽度为133°。由交叉电平可知，天线具有良好的线极化特性。

Claims (8)

1.一种基于缝隙加载的宽波束锥削槽天线，其特征是：至少包括：辐射体（1）、微带传输线（2）、介质基板（3），辐射体（1）和微带传输线（2）分别刻蚀在双面赋铜介质基板（3）两面，辐射体（1）包括：锥削槽（1-1）、2个波束扩展缝隙（1-2）、传输槽线（1-3）和圆孔形阻抗匹配器（1-4）；锥削槽（1-1）、2个波束扩展缝隙（1-2）、传输槽线（1-3）和圆孔形阻抗匹配器（1-4）刻蚀在长方形介质基板（3）的正面，两条波束扩展缝隙（1-2），分别位于传输槽线（1-3）的左右两侧，其一端接近锥削槽（1-1）的底部，另一端水平贯穿辐射体（1）；锥削槽（1-1）是由介质基板赋铜面刻蚀成的倒等腰三角形左右对称结构；倒等腰三角形顶部中心一直向下至下面圆孔形阻抗匹配器（1-4），与圆孔形阻抗匹配器（1-4）相通，圆孔形阻抗匹配器（1-4）在辐射体（1）下三分之二的位置；倒等腰三角形顶部中心一直向下连通至圆孔形阻抗匹配器（1-4）的刻蚀线为传输槽线（1-3）。
2.根据权利要求1所述的一种基于缝隙加载的宽波束锥削槽天线，其特征是：所述的微带传输线（2）包括： 50Ω微带传输线（2-1）、70.7Ω微带传输线（2-2）、110Ω微带传输线（2-3）和扇形阻抗匹配器（2-4）；50Ω微带传输线（2-1）、70.7Ω微带传输线（2-2）、110Ω微带传输线（2-3）和扇形阻抗匹配器（2-4）为介质基板覆铜面刻蚀的覆铜体，50Ω微带传输线（2-1）由介质基板底部向上为一等宽体的垂直线，70.7Ω微带传输线（2-2）为宽度小于50Ω微带传输线（2-1），且为直角刻蚀覆铜体；110Ω微带传输线（2-3）为宽度小于70.7Ω微带传输线（2-2）的水平刻蚀的覆铜体；扇形阻抗匹配器（2-4）为刻蚀扇形结构的覆铜体；扇柄与110Ω微带传输线（2-3）一端为一体，110Ω微带传输线（2-3）另一端与110Ω微带传输线（2-3）一端为一体。
3.根据权利要求2所述的一种基于缝隙加载的宽波束锥削槽天线，其特征是：所述的扇形阻抗匹配器（2-4）的扇面中心在传输槽线（1-3）上。
4.根据权利要求1所述的一种基于缝隙加载的宽波束锥削槽天线，其特征是：所述的微带传输线（2）整体位于介质基板（3）左下侧。
5.根据权利要求1所述的一种基于缝隙加载的宽波束锥削槽天线，其特征是：所述的锥削槽的张角可选择25°~35°。
6.根据权利要求1所述的一种基于缝隙加载的宽波束锥削槽天线，其特征是：所述的波束扩展缝隙（1-2）宽度应小于其长度1/10。
7.根据权利要求1所述的一种基于缝隙加载的宽波束锥削槽天线，其特征是：所述的介质基板（3）长宽比范围1~1.5。
8.根据权利要求1所述的一种基于缝隙加载的宽波束锥削槽天线，其特征是：所述的圆孔形阻抗匹配器（1-4）的周长设定为天线中心频率所对应的二分之一介质波长。
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