CN109742520A - 一种基于加载变容二极管的复合左右手微带漏波天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于加载变容二极管的复合左右手微带漏波天线，属于微波天线工程技术领域。该微带漏波天线由若干串行排列的微带贴片单元、短路枝节以及一系列并联电控变容二极管组成。当一定频率的电磁波从左侧端口馈入天线，沿着微带线传播时，由于特殊的微带贴片单元作用从而激发出具有一定辐射角度的空间波。与此同时，从天线左侧端口随电磁波一起馈入的直流电压，在每个贴片单元的短路枝节上连接的变容二极管两端提供可调节的偏置电压。变容二极管在不同的电压作用下表现出不同的电容效应，使得激发出的空间波束角度发生改变，甚至产生后向辐射，从而实现了左右手区域内的电控扫描。

Description

一种基于加载变容二极管的复合左右手微带漏波天线

技术领域

本发明涉及一种基于加载变容二极管的复合左右手微带漏波天线，适用于航空航天通信及新一代相控阵雷达天线，属于微波天线工程技术领域。

背景技术

左手材料，又称为负折射率材料，是一种新颖的人工复合电磁材料，由于其不同寻常的电磁特性在电磁学、光学、材料科学以及应用物理学领域内获得愈来愈多的关注，在2003年美国科学年会上被宣布为该年度的世界十大科学发现之一。与普通介质相比，负折射材料具有一系列反常的电磁特性，如负折射特性、后向波特性、双负特性等。正是由于这些特性，负折射材料可以显著改善天线等器件的性能。复合左右手材料，即为能够同时具备左手区域和右手区域属性的介质材料，应用在天线设计中能够极大改善辐射性能。

漏波天线是一种行波天线，具有随着馈入的电磁波频率的变化，天线主瓣方向也会变化的频率扫描特性。近些年基于印刷电路板(PCB)技术的平面漏波天线的出现给漏波天线的研究带来了新的生机与活力。平面漏波天线具有天线剖面低、加工周期短、添加馈电方便等优势，而且利于集成，在微波集成通信系统中拥有巨大的优势，同时平面漏波天线依然具备传统漏波天线的波束扫描能力，在需要波束扫描的场合，平面漏波天线具有无可比拟的优势，具有巨大的发展空间。

在漏波天线上加载带有电控元件的贴片单元，通过控制加载在电控元件两端的电压，能够激发出辐射介质的左右手特性，实现对天线辐射角度的控制，将漏波天线原有的频扫特性变为电扫特性；同时，利用左右手材料的性质，激发后向波，实现后向辐射，能够扩展漏波天线的辐射方向。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于加载变容二极管的复合左右手微带漏波天线，解决传统漏波天线只能实现在一定频段内的频率扫描和辐射角度，基本局限在右手方向(即前向辐射)的问题。

本发明的技术解决方案是：一种基于加载变容二极管的复合左右手微带漏波天线，所述微带漏波天线为由贴片天线、介质基板、铜箔地构成的微带传输线结构；将电磁波传输方向定义为横向，垂直于传输方向定义为纵向，贴片天线包括N个沿横向重复排列的贴片天线单元，每个贴片天线单元包括矩形贴片和短路枝节，相邻的矩形贴片之间通过直连微带线和电容连接，直连微带线与电容呈并联关系，电容连接两相邻矩形贴片的相邻纵向边的中间部位，直连微带线靠近矩形贴片横向的一条边；所述短路枝节由第一微带线、第二微带线和变容二极管组成，第一微带线的一端与矩形贴片横向的另一条边中部连接，另一端连接变容二极管，变容二极管的另一端连接第二微带线的一端，第二微带线的另一端通过通孔穿过介质基板连接到底部铜箔地层，N大于等于1。

所述矩形贴片的长度和宽度的取值范围为：λ_g/8～λ_g/4，λ_g为微带漏波天线所需要传输的电磁波中心频率在介质基板中对应的波长。

所述短路枝节的纵向宽度为第一微带线、第二微带线和变容二极管的纵向总宽度，横向长度为第一微带线的横向长度；第一微带线、第二微带线横向长度相等，短路枝节的纵向宽度W3为2.5mm～3mm。

所述连接相邻矩形贴片的电容的容值范围为：0.1pF～1.5pF。

所述贴片天线的横向两端分别是特征阻抗为50Ω的输入输出端口，输入端可以同时馈入直流电和电磁波信号。

所述直连微带线的作用是能够把从端口馈入的直流电分别引入到每个微带贴片单元上，所述直连微带线的横向长度L2在0.2mm～1mm之间，纵向宽度W2在0.2～1mm之间。

所述变容二极管型号为Skyworks公司的SMV1430。

所述贴片天线(1)的贴片天线单元数目N大于10。

所述介质基板(2)为罗杰斯板。

所述贴片天线(1)的材料为铜。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明采用了微带贴片天线单元的结构进行漏波辐射，解决了传统方案仅采用微带线传输的电磁波辐射量不够的问题，从而增加了天线增益。

(2)、本发明采用了在相邻矩形贴片之间放置一定容值的电容连接，解决了电磁波在贴片单元之间有效传输的同时，为整个天线的等效电路提供了左手方向的电容效应，从而为电磁波实现左手方向(即后向)的传输提供了可能。

(3)、本发明创新性的采用直连微带线将相邻贴片单元连接，使得从端口馈入的直流电压能够到达每个微带贴片单元并作用在变容二极管上，经过通孔最终耦合回流到接地层面。这种整体供电的方式，免去了每个贴片单独设计供电的复杂网络，提高了工作效率，减小了加工难度。

(4)、本发明采用在短路枝节微带线上放置变容二极管的方式，不同的电压作用下变容二极管的等效电容不同，从而短路枝节的等效电路参数会发生变化，实现了左右手方向的辐射角度变化，即实现了电扫特性。

(5)、本发明相较相控阵天线而言成本低廉，加工方便。利用普通的PCB印刷技术便能够进行加工，适合大批量低成本生产。

(6)、本发明适用于航空航天通信及新一代相控阵雷达天线等领域。

附图说明

图1为本发明实施例漏波天线的整体结构示意图；

图2为本发明实施例漏波天线侧视图；

图3为本发明实施例局部结构示意图；

图4为本发明实施例贴片单元尺寸示意图；

图5为本发明实施例频率f0＝5.8GHz时微带漏波天线在不同电压值下的散射参数S11的曲线；

图6为本发明实施例频率f0＝5.8GHz时微带漏波天线在不同电压值下的散射参数S21的曲线；

图7为本发明实施例频率f0＝5.8GHz时微带漏波天线在不同电压值下的主瓣波束方向扫描角度曲线；

图8为本发明实施例频率f0＝5.8GHz时微带漏波天线在不同电压值下的增益变化曲线。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

如图1和图2所示，本发明提供了一种基于加载变容二极管的复合左右手微带漏波天线，该微带漏波天线为由贴片天线1、介质基板2、铜箔地3构成的微带传输线结构。所述介质基板2的上方放置贴片天线1，下层覆铜箔地3。电磁波和直流电压共同从左侧端口馈入天线。沿电磁波传输方向定义为横向，垂直于传输方向定义为纵向。

贴片天线1左右两端分别设有长度为λ_g/2的50Ω馈电端口线，λ_g为微带漏波天线所需要传输的电磁波中心频率在介质基板2中对应的波长，中间部分包括N个沿横向重复排列的贴片天线单元，每个贴片天线单元包括矩形贴片和短路枝节，相邻的矩形贴片之间通过直连微带线和电容连接，直连微带线与电容呈并联关系，电容连接两相邻矩形贴片中间部位，直连微带线靠近矩形贴片横向的一条边；所述短路枝节由第一微带线、第二微带线和变容二极管组成，第一微带线的一端与矩形贴片横向的另一条边中部连接，另一端连接变容二极管，变容二极管的另一端连接第二微带线的一端，第二微带线的另一端通过通孔4穿过介质基板2连接到底部铜箔地层3，N大于等于1。

本发明所述的一种基于加载变容二极管的复合左右手微带漏波天线传输的电磁波形式为行波，在实际具体设计中，最好使用大于10个天线贴片单元的排列形式，在有限的空间中排列越多的贴片单元，能够辐射出的空间波就越多，天线的增益就会越高。

作为优选方案，所述矩形贴片的横向长度L1和纵向宽度W1的取值范围为：λ_g/8～λ_g/4，λ_g为微带漏波天线所需要传输的电磁波中心频率在介质基板2中对应的波长。

短路枝节的纵向宽度为第一微带线、第二微带线和变容二极管的纵向总宽度，横向长度为第一微带线的横向长度；第一微带线、第二微带线横向长度相等，短路枝节的纵向宽度W3为2.5mm～3mm。

所述连接相邻矩形贴片的电容的容值范围为：0.1pF～1.5pF。

所述直连微带线的横向长度L2在0.2mm～1mm之间，纵向宽度W2在0.2～1mm之间。

所述变容二极管型号为Skyworks公司的SMV1430，0402封装。

所述介质基板2为罗杰斯板。

所述贴片天线1的材料为铜。

本发明的工作原理为：当电磁波和直流电压沿着左侧端口50Ω传输线馈入整个天线后，此时电磁波在微带天线内传输为行波模式，天线贴片单元连同短路枝节一起，组成了特殊的等效传输模型，使得部分电磁波从贴片的缝隙中激发出来并形成具有一定辐射方向的空间波束。天线贴片单元和短路枝节在变容二极管的调节下呈现出复合左右手传输线性质，当加载在变容二极管两端的电压变化时，会引起二极管呈现出不同的电容特性，从而整个单元会表现出不同的左右手特性，这会引起空间波的辐射角度变化：当天线的等效模型呈右手特性时，辐射角度为前向，当等效模型呈左手特性时，辐射角度为后向。经过参数优化后的微带漏波天线，当天线的等效电路模型达到左手特性和右手特性平衡的时候，其辐射方向图能够在特定频点上实现随电压变化的波束扫描，且扫描角度能够覆盖前向和后向区域。这就实现了电扫和覆盖左手区域的目标。

实施例1：

如图3、图4所示，本发明的某一具体实施例，该实施例为15个天线贴片单元排列组成的微带漏波天线。101是矩形贴片，102是直连微带线，作用是连接相邻的两个101结构，103为短路枝节的第一微带线，104为短路枝节的第二微带线，第一第二微带线由变容二极管相连接，短路枝节的第二微带线104另一端经由通孔4连接到底部铜箔地3。

本实施例贴片天线单元各部分尺寸标注如图4所示，矩形贴片101的横向长L1纵向宽W1的范围在λg/8～λg/4之间，直连微带线102的横向长L2为0.5mm,纵向宽W2为0.3mm，短路枝节的第一微带线103位于矩形贴片101长边的居中位置，第一微带线103的纵向宽度W4为1.3mm，短路枝节的第一微带线103和第二微带线104的横向长度相同，横向长度L3为0.6mm，103和104的纵向总宽W3为2.8mm，短路枝节第二微带线104一端放置变容二极管SMV1430，另一端经由通孔4连接到底层铜箔地，通孔4的直径D为0.5mm。

本实施例中，所述贴片天线1和底层的铜箔地3材料为铜，厚度0.035mm。

所述中间层的介质基板2材料为Rogers5880，介电常数2.2，厚度1mm。所述介质基板2和铜箔地3的尺寸为123.75mm*14mm。

本实施例能够工作在C波段范围，选用Skyworks公司的SMV1430，0402封装的变容二极管，直流电压范围在1V～30V之间变化时，微带漏波天线在特定频点的电扫描角度能够覆盖-30°～30°范围，扫描波束增益能够达到5dB以上。以中心频率f₀＝5.8GHz为例，建立三维电磁仿真模型，得到具有15个天线贴片单元连接的微带漏波天线，该天线散射参量S11和S21参数仿真结果分别如图5和图6所示。S参数表明本发明所述天线能够以漏波形式工作在C波段范围。图7表示本发明所述天线在直流电压从1V～30V变化时的主瓣波束方向角度曲线，角度扫描几乎覆盖了-30°到30°，在一个固定频点上实现了左右手区域扫描特性。图8表示本发明所述天线在上述不同电压下的天线增益变化，扫描波束增益均大于5dB。

本说明书未进行详细描述部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种基于加载变容二极管的复合左右手微带漏波天线，其特征在于所述微带漏波天线为由贴片天线(1)、介质基板(2)、铜箔地(3)构成的微带传输线结构；将电磁波传输方向定义为横向，垂直于传输方向定义为纵向，贴片天线(1)包括N个沿横向重复排列的贴片天线单元，每个贴片天线单元包括矩形贴片和短路枝节，相邻的矩形贴片之间通过直连微带线和电容连接，直连微带线与电容呈并联关系，电容连接两相邻矩形贴片的相邻纵向边的中间部位，直连微带线靠近矩形贴片横向的一条边；所述短路枝节由第一微带线、第二微带线和变容二极管组成，第一微带线的一端与矩形贴片横向的另一条边中部连接，另一端连接变容二极管，变容二极管的另一端连接第二微带线的一端，第二微带线的另一端通过通孔(4)穿过介质基板(2)连接到底部铜箔地层(3)，N大于等于1。

2.根据权利要求1所述的一种基于加载变容二极管的复合左右手微带漏波天线，其特征在于所述矩形贴片的长度和宽度的取值范围为：λ_g/8～λ_g/4，λ_g为微带漏波天线所需要传输的电磁波中心频率在介质基板(2)中对应的波长。

3.根据权利要求1所述的一种基于加载变容二极管的复合左右手微带漏波天线，其特征在于短路枝节的纵向宽度为第一微带线、第二微带线和变容二极管的纵向总宽度，横向长度为第一微带线的横向长度；第一微带线、第二微带线横向长度相等，短路枝节的纵向宽度W3为2.5mm～3mm。

4.根据权利要求1所述的一种基于加载变容二极管的复合左右手微带漏波天线，其特征在于所述连接相邻矩形贴片的电容的容值范围为：0.1pF～1.5pF。

5.根据权利要求1所述的一种基于加载变容二极管的复合左右手微带漏波天线，其特征在于所述贴片天线(1)的横向两端分别是特征阻抗为50Ω的输入输出端口，输入端可以同时馈入直流电和电磁波信号。

6.根据权利要求1所述的一种基于加载变容二极管的复合左右手微带漏波天线，其特征在于所述直连微带线的作用是能够把从端口馈入的直流电分别引入到每个微带贴片单元上，所述直连微带线的横向长度L2在0.2mm～1mm之间，纵向宽度W2在0.2～1mm之间。

7.根据权利要求1所述的一种基于加载变容二极管的复合左右手微带漏波天线，其特征在于所述变容二极管型号为Skyworks公司的SMV1430。

8.根据权利要求1所述的一种基于加载变容二极管的复合左右手微带漏波天线，其特征在于贴片天线(1)的贴片天线单元数目N大于10。

9.根据权利要求1所述的一种基于加载变容二极管的复合左右手微带漏波天线，其特征在于所述介质基板(2)为罗杰斯板。

10.根据权利要求1所述的一种基于加载变容二极管的复合左右手微带漏波天线，其特征在于所述贴片天线(1)的材料为铜。