CN109742531A - 一种用于辐射场测量的微带介质延伸型圆极化天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于辐射场测量的微带介质延伸型圆极化天线，包括微带介质基板、表面金属贴片、接地金属板和馈电同轴传输线，所述馈电同轴传输线包括内导体探针、金属外壳和填充于所述内导体探针和金属外壳之间的支撑介质，其中，所述金属外壳与所述接地金属板固定连接，所述内导体探针穿过所述微带介质基板与所述表面金属贴片固定连接，所述接地金属板的尺寸小于所述微带介质基板的尺寸，所述表面金属贴片的形状、大小以及馈电点可调，以产生两个谐振频率相近、幅度相等和相位差为90°的简并模。本发明能够有效解决常规线极化天线易极化失配和常规圆极化天线波束较窄、轴比偏大等缺陷，大幅提高微波辐射场的测量精度。

Description

一种用于辐射场测量的微带介质延伸型圆极化天线

技术领域

本发明属于微波辐射场测量设备技术领域，尤其是涉及一种用于辐射场测量的微带介质延伸型圆极化天线。

背景技术

微波是指频率在300MHz到3THz的电磁波，即波长在0.1mm-1m的电磁波，其主要利用天线将接收到的电磁辐射信号转换为传输线上的导行波，是评估来波信号频率、功率、时域等参数的重要手段。随着国民经济的不断发展和通信技术的日新月异，日常生活环境已被不同频率、不同体制、不同极化、方向未知的各种电磁波所充斥，因此进行准确的辐射场测量对于电磁辐射监测和开展电磁防护等方面具有重要的意义。常见的电磁辐射和移动通信，一般均采用垂直极化的传播方式。这是由于电磁波信号传播的特性，水平极化传播的信号在贴近地面时会在大地表面产生极化电流，极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减，而垂直极化方式则不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了通信信号的有效传播。

天线是将接收到的空间辐射信号转换为传输线上的导行波的重要微波器件。线极化天线具有结构简单、设计加工方便等特点，因此被广泛用作辐射场测量天线，但其极化方向为固定方向，当与待测辐射场信号极化方向存在一定偏角θ时，会出现极化失配，使得接收功率出现较大偏差。当偏角θ＝90°时，即极化方向正交时，则会出现完全极化失配，导致天线接收不到信号。可见，采用线极化天线进行微波辐射场测量存在较大不确定性，难以准确评估电磁环境水平。

其中，圆极化天线在航空航天、卫星通信、遥测遥控和电子战等领域有着广泛的应用，其相比线极化天线具有众多的优势：可以降低云、雨对信号传输的影响；可以减小电离层法拉第旋转效应引起的极化畸变；可以侦察各种线极化和椭圆极化的信号；可以适用于剧烈摆动或滚动的空中平台上信号的接收。现有技术中，常规波导型圆极化天线多采用介质片作为圆极化器，其波束宽度一般在几十度，轴比指标一般在1dB-3dB之间，无法满足在较宽角度范围内的高精度测量要求，对其进行组阵虽然可以降低轴比，但同时也会带来波束变窄、馈电网络复杂和体积庞大等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于辐射场测量的微带介质延伸型圆极化天线，能够有效解决常规线极化天线易极化失配和常规圆极化天线波速较窄、轴比偏大等缺陷，大幅提高微波辐射场的测量精度。

本发明实施例提供的一种用于辐射场测量的微带介质延伸型圆极化天线，包括微带介质基板、表面金属贴片、接地金属板和馈电同轴传输线，所述馈电同轴传输线包括内导体探针、金属外壳和填充于所述内导体探针和金属外壳之间的支撑介质，其中，所述金属外壳与所述接地金属板固定连接，所述内导体探针穿过所述微带介质基板与所述表面金属贴片固定连接，所述接地金属板的尺寸小于所述微带介质基板的尺寸，所述表面金属贴片的形状、大小以及馈电点可调，以产生两个谐振频率相近、幅度相等和相位差为90°的简并模。

进一步地，所述微带介质基板的形状为圆形。

进一步地，所述表面金属贴片的形状为椭圆形、矩形切角形、圆形开槽形或梯形。

进一步地，所述微带介质延伸型圆极化天线还包括设置于所述表面金属贴片处的微扰结构。

进一步地，所述接地金属板的形状为圆形。

进一步地，所述金属外壳与所述接地金属板之间的固定连接方式为焊接。

进一步地，所述内导体探针穿过所述微带介质基板与所述表面金属贴片焊接于一体。

进一步地，所述微带介质延伸型圆极化天线的工作频率位于所述两个谐振频率之间，所述简并模中的一个模等效阻抗相角超前45°，另一个模等效阻抗相角滞后45°。

进一步地，所述微带介质延伸型圆极化天线适用于微波波段。

综上所述，本发明通过所述金属外壳与所述接地金属板固定连接，所述内导体探针穿过所述微带介质基板与所述表面金属贴片固定连接，所述接地金属板的尺寸小于所述微带介质基板的尺寸，以将所述表面金属贴片与微带介质基板的辐射场叠加，从而使得所述微带介质延伸型圆极化天线在各个方向产生较为均匀的辐射，实现宽波束和低轴比的特性，大幅提高微波辐射场的测量精度。另外，所述表面金属贴片的形状、大小以及馈电点可调，以产生两个谐振频率相近、幅度相等和相位差为90°的简并模，使得所述微带介质延伸型圆极化天线满足圆极化辐射条件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应该看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施例提供的一种用于X波段辐射场测量的微带介质延伸型圆极化天线的立体结构透视图。

图2是本发明实施例提供的一种用于X波段辐射场测量的微带介质延伸型圆极化天线的前视结构示意图。

图3是本发明实施例提供的一种用于X波段辐射场测量的微带介质延伸型圆极化天线的后视结构示意图。

图4是发明实施例提供的一种用于X波段辐射场测量的微带介质延伸型圆极化天线的回波损耗图。

图5是发明实施例提供的一种用于X波段辐射场测量的微带介质延伸型圆极化天线的方向图。

图6是发明实施例提供的一种用于X波段辐射场测量的微带介质延伸型圆极化天线的轴比方向图。

图标：

微带介质基板100；表面金属贴片200；接地金属板300；馈电同轴传输线400；

内导体探针401；金属外壳402；支撑介质403。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-图3所示，本发明实施例提供的一种用于辐射场测量的微带介质延伸型圆极化天线主要适用于微波波段，例如X波段、S波段和Ku波段等。本实施例中，所述微带介质延伸型圆极化天线可以包括微带介质基板100、表面金属贴片200、接地金属板300和馈电同轴传输线400等。其中，所述馈电同轴传输线400主要包括内导体探针401、金属外壳 402和填充于所述内导体探针401和金属外壳402之间的支撑介质403。

优选地，所述微带介质基板100的形状可以为圆形。所述表面金属贴片200的形状可以为椭圆形、矩形切角形、圆形开槽形或梯形，也可以为引入微扰结构的其它形状。所述接地金属板300的形状可以为圆形。

本实施例中，所述金属外壳402与所述接地金属板300固定连接，所述内导体探针401 穿过所述微带介质基板100与所述表面金属贴片200固定连接。实施时，所述金属外壳402 与所述接地金属板300之间的固定连接方式为焊接。以及所述内导体探针401穿过所述微带介质基板100与所述表面金属贴片200焊接于一体。

需要说明的是，所述微带介质延伸型圆极化天线的设计主要包括圆极化形成和波束展宽两个环节。本实施例中，将所述表面金属贴片200与微带介质基板100的辐射场叠加，从而使得所述微带介质延伸型圆极化天线在各个方向产生较为均匀的辐射，实现宽波束和低轴比的特性，大幅提高微波辐射场的测量精度。

其中，圆极化形成环节主要通过调整所述表面金属贴片200的形状或者引入微扰结构实现圆极化辐射，而不需要任何外加的功分器或者移相网络。具体地，所述表面金属贴片 200的形状、大小以及馈电点可调，以产生两个谐振频率相近、幅度相等和相位差为90°的简并模。实施时，所述微带介质延伸型圆极化天线的工作频率位于所述两个谐振频率之间，所述简并模中的一个模等效阻抗相角超前45°，另一个模等效阻抗相角滞后45°。如此，使得所述微带介质延伸型圆极化天线满足圆极化辐射条件。

另外，波束展宽环节主要采用介质延伸的方式进行实现。由于传统的微带圆极化天线的金属接地板与介质基板的尺寸相同，其主要依靠金属贴片进行辐射，波束展宽较窄，为几十度。本实施例中，所述接地金属板300的尺寸小于所述微带介质基板100的尺寸。实施时，所述微带介质基板100中的电磁波在微带介质基板100和空气分界面不断反射，最终在微带介质基板100的终端辐射出去。同时，所述表面金属贴片200在法向上的辐射最强，而所述微带介质基板100在切向上的辐射最强，所述微带介质延伸型圆极化天线的辐射包括表面金属贴片200的辐射和微带介质基板100的辐射，使得所述微带介质延伸型圆极化天线在各个方向上产生较为均匀的辐射，从而达到展宽波束的目的。

下面将以微波波段中的X波段为例给出验证结果。其中，所述微带介质基板100的形状为圆形，其介电常数为3.38，半径R1为12.25mm，厚度为1.524mm。所述表面金属贴片200的形状为椭圆形，其厚度为0.035mm，长轴半径R0a为4.40mm，短轴半径R0b为3.37mm。所述支撑介质403的介电常数为2.06。所述表面金属贴片200的馈电点位置(x0,y0)为 (1.45mm，-1.45mm)。而所述接地金属板300的形状为圆形，其厚度为0.035mm，半径R2 为6.98mm。

请参阅图4-图6所示，首先，X波段的微带介质延伸型圆极化天线在9.7GHz时，回波损耗小于-10dB，增益约为5.8dB，而其3dB波束宽度可达约100°，因此可以实现较宽角度范围内的信号监测。其次，X波段的微带介质延伸型圆极化天线在9.7GHz时，其轴比约为0dB，可以理解的是，所述微带介质延伸型圆极化天线的主轴正对轴比接近于0dB，表示若来波信号为极化方向未知的线极化波时，即使旋转一周，测量值也基本不变，因此测量精度较高。再次，所述微带介质延伸型圆极化天线在9.7GHz时，3dB轴比波束宽度大于 200°，高达200°的轴比波束宽度，使得所述微带介质延伸型圆极化天线在较宽角度范围内对极化方向未知的线极化波仍然保持有一定的测量精度。最后，所述微带介质延伸型圆极化天线的微带介质基板100直径约为25mm，天线厚度小于2mm，高度(含同轴接头)小于13mm，整个天线表面积小于5平方厘米，较小的尺寸非常适用于系统集成。另外，还可以根据实际应用需求，改变所述微带介质基板100的种类和尺寸，以提高功率容量。

综上所述，本发明通过所述金属外壳402与所述接地金属板300固定连接，所述内导体探针401穿过所述微带介质基板100与所述表面金属贴片200固定连接，所述接地金属板300的尺寸小于所述微带介质基板100的尺寸，以将所述表面金属贴片200与微带介质基板100的辐射场叠加，从而使得所述微带介质延伸型圆极化天线在各个方向产生较为均匀的辐射，实现宽波束和低轴比的特性，大幅提高微波辐射场的测量精度。另外，所述表面金属贴片200的形状、大小以及馈电点可调，以产生两个谐振频率相近、幅度相等和相位差为90°的简并模，使得所述微带介质延伸型圆极化天线满足圆极化辐射条件。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于辐射场测量的微带介质延伸型圆极化天线，其特征在于，包括微带介质基板、表面金属贴片、接地金属板和馈电同轴传输线，所述馈电同轴传输线包括内导体探针、金属外壳和填充于所述内导体探针和金属外壳之间的支撑介质，其中，所述金属外壳与所述接地金属板固定连接，所述内导体探针穿过所述微带介质基板与所述表面金属贴片固定连接，所述接地金属板的尺寸小于所述微带介质基板的尺寸，所述表面金属贴片的形状、大小以及馈电点可调，以产生两个谐振频率相近、幅度相等和相位差为90°的简并模。

2.根据权利要求1所述的用于辐射场测量的微带介质延伸型圆极化天线，其特征在于，所述微带介质基板的形状为圆形。

3.根据权利要求1所述的用于辐射场测量的微带介质延伸型圆极化天线，其特征在于，所述表面金属贴片的形状为椭圆形、矩形切角形、圆形开槽形或梯形。

4.根据权利要求1所述的用于辐射场测量的微带介质延伸型圆极化天线，其特征在于，所述微带介质延伸型圆极化天线还包括设置于所述表面金属贴片处的微扰结构。

5.根据权利要求1所述的用于辐射场测量的微带介质延伸型圆极化天线，其特征在于，所述接地金属板的形状为圆形。

6.根据权利要求1所述的用于辐射场测量的微带介质延伸型圆极化天线，其特征在于，所述金属外壳与所述接地金属板之间的固定连接方式为焊接。

7.根据权利要求1所述的用于辐射场测量的微带介质延伸型圆极化天线，其特征在于，所述内导体探针穿过所述微带介质基板与所述表面金属贴片焊接于一体。

8.根据权利要求1所述的用于辐射场测量的微带介质延伸型圆极化天线，其特征在于，所述微带介质延伸型圆极化天线的工作频率位于所述两个谐振频率之间，所述简并模中的一个模等效阻抗相角超前45°，另一个模等效阻抗相角滞后45°。

9.根据权利要求1-8任一项所述的用于辐射场测量的微带介质延伸型圆极化天线，其特征在于，所述微带介质延伸型圆极化天线适用于微波波段。