CN109786937A - 一种小型超宽波束背腔双层微带天线及其宽角扫描阵列 - Google Patents

Abstract

本发明属于天线技术领域，公开了一种小型超宽波束背腔双层微带天线及其宽角扫描阵列；寄生介质基板位于小型超宽波束背腔双层微带天线的上层；所述金属背腔位于小型超宽波束背腔双层微带天线的最下层；所述金属背腔为一矩形形式的金属腔体，紧密包围辐射介质基板与寄生介质基板。本发明采用单点馈电，辐射线极化电磁波；由于圆形的微带贴片尺寸小、结构紧凑，整个天线的边长小于0.46λ，天线厚度小于0.16λ，天线阻抗带宽达到14％以上，E面半功率波束宽度可以达到190°。将该天线组成多元的直线阵列，单元间距小于0.44λ，在其E面±82°的扫描范围内，增益仅下降3dB。本发明亦可构成双线极化和圆极化工作模式。

Description

一种小型超宽波束背腔双层微带天线及其宽角扫描阵列

技术领域

本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种小型超宽波束背腔双层微带天线及其宽角扫描阵列。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：在天线的发展历程中，对于高定向性和快速可变波束的性能有了越来越高的要求。在相控阵天线出现之前传统的机械扫描天线只能通过机械的转动实现天线的扫描，而相控阵天线由于其能够高速、准确的实现波束扫描，从其一出现便引起了广泛的应用。一般而言，相控阵天线的极限扫描角度在±60°左右。不论是雷达系统还是电子对抗系统，为了扩大自身的目标搜索范围、提高其生存能力和作战能力，期望将平面相控阵的波束扫描范围扩展至全半球域(±90°)或准半球域空间。平面相控阵的典型波束扫描范围在(±50°)范围内，并且伴随着4－5dB的增益下降。因此，如何最大程度扩大扫描相控阵天线的波束扫描范围，成为了目前学术及工程研究的热点和难点之一。相控阵天线的波束扫描范围受限，其主要有两个原因，一是相控阵天线单元的阵中波束宽度有限，导致扫描到低仰角方向阵列增益下降过大；二是天线单元的端口输入阻抗与扫描角相关，扫描范围越大，扫描时天线单元输入端口越难实现阻抗匹配，导致相控阵天线的效率降低。因此，宽角扫描相控阵天线要求天线单元具有较宽的阵中波束宽度以及较好的宽角阻抗匹配性能。微带天线是平面天线的一种，其简单的加工方式使其成为目前主流的天线类型。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，通常采用减小天线的口径面积(技术一)，或设计三维地板(技术二)等方法。现有技术一通过减小天线的辐射口径面积以及增加微带贴片天线的介质基板厚度，实现对天线单元的波束展宽，3dB波束宽度为±60°左右。天线的辐射口径越小，波束宽度就越宽。另外天线的方向性系数与其等效辐射口径面积正相关，当天线的等效辐射口径面积减小时，它的方向性系数就会随之降低，因此整个空间的辐射场会更加均匀分布，低仰角区域的辐射能量也会增强。根据微带天线的设计原理可知，当频率给定时，减小天线的辐射面积最简单易实现的方法就是采用介电常数较高的介质基板，故选取合适的介质基板也可以适当展宽微带天线的波束宽度。但与此同时使用高介电常数的地板增加了天线的使用成本如使用陶瓷材料，且使微带贴片的尺寸过于减小。

现有技术二通过对地板进行优化设计拓宽波束，该技术设计三维的地板用来对电磁波在空间进行重新的排布，以此来增加低仰角方向的增益。三维地板距离微带贴片有一定的距离，使用时增加了天线的剖面高度且这种方式不利于加工。

综上所述，现有技术存在的问题是：现有移动通信中在天线高度受到限制，尺寸限定时，天线波束宽度较窄。一般天线的最大辐射方向位于天顶方向，随着照射角度的增加，天线的增益就会下降，低仰角增益就会很低，从而天线的波束宽度变窄。在限定的条件下，解决微带天线的宽波束问题具有较大的现实意义。

解决上述技术问题的难度和意义：

解决天线单元波束较窄的问题，应用于相控阵列，使相控阵列的扫描范围变大，不仅节约了经济成本，也会使相控阵列的适用领域不断扩大。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种小型超宽波束背腔双层微带天线及其宽角扫描阵列。

本发明是这样实现的，一种小型超宽波束背腔双层微带天线，所述小型超宽波束背腔双层微带天线设置有辐射介质基板、寄生介质基板；

所述寄生介质基板位于小型超宽波束背腔双层微带天线的上层；所述金属背腔位于小型超宽波束背腔双层微带天线的最下层；

所述金属背腔为一矩形形式的金属腔体，紧密包围辐射介质基板与寄生介质基板，高度为小于0.16λ。

进一步，所述辐射介质基板位于该小型超宽波束背腔双层微带天线的中间层；

所述辐射介质基板上采用圆形的微带辐射元进行辐射；圆形的微带辐射元位于辐射介质基板的中心，微带辐射元辐射线极化电磁波，用于馈电的通孔；

所述寄生介质基板上采用圆形的微带寄生元作为天线的寄生单元；该圆形的微带寄生元位于寄生介质基板的中心；寄生介质基板与辐射介质基板之间为空气层，间距为小于0.12λ。

进一步，金属底板位于整个天线的最下方，上安装射频接头。

进一步，其特征在于，辐射元是圆形的微带辐射元，圆形的微带辐射元通过同轴探针进行馈电；圆形的微带辐射元的半径为小于0.17λ。

进一步，所述寄生单元是一个圆形的微带寄生元，圆形的微带寄生元的半径为小于0.14λ。

进一步，同轴探针的上端插入所述辐射介质基板的馈电通孔中并与圆形的微带辐射元焊接；同轴探针的下端位于射频接头当中。

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辐射介质基板，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包含所述小型超宽波束背腔双层微带天线的宽角扫描阵列，所述宽角扫描阵列为多元的直线相控阵，单元间距为0.44λ。由于阵列单元的长度(0.46λ)大于所述阵列单元之间间距(0.44λ)，所述宽角扫描阵列的金属腔体会有一部分重合，重合部分不影响宽角扫描阵列的性能。.

进一步，所述宽角扫描阵列还可以将该线阵组成二维面阵进行扫描，亦可在较大角度范围内实现宽角扫描特性。

进一步，所述小型超宽波束背腔双层微带天线，将该天线单元在原来馈电位置的垂直方向添加一个馈电点，可构成双线极化形式，该形式也可用于组成线阵进行扫描；在两个双端口下方添加馈电网络可实现圆极化特性。以上两种形式均包含在本发明范围拓展以内。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述小型超宽波束背腔双层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小型超宽波束背腔双层微带天线的雷达。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：采用单点馈电，辐射线极化电磁波；由于圆形的微带贴片尺寸小、结构紧凑，整个天线的边长仅0.46λ，天线厚度小于0.16λ，天线阻抗带宽达到14％以上，E面半功率波束宽度可以达到190°；线极化特性良好，并且具有较宽的波束宽度。并将该天线组成多元的直线相控阵，单元间距为0.44λ，在其E面±82°的扫描范围内，增益仅下降3dB。将该天线单元在原来馈电位置的垂直方向添加一个馈电点，可构成双线极化形式，该形式也可用于组成线阵进行扫描；在两个双端口下方添加馈电网络可实现圆极化特性。以上两种形式均包含在本发明范围拓展以内。

本发明实现宽波束特性主要从以下两个方面实现：其一，添加金属腔体的缘故，圆形的辐射单元上的电流会产生沿金属腔体的感应电流，该电流辐射的电磁波会在天顶方向与螺旋本身辐射的电磁波相互抵消，而在低仰角方向由于波程差的缘故相互叠加，从而使天线的低仰角增益变大。其二，添加金属背腔，圆形的寄生单元边缘的金属背腔会产生另一种模式，在低仰角方向与圆形辐射单元的模式进行叠加，拓展波束宽度。

综上所述，由于采用了金属背腔，本发明天线实现了天线的宽波束特性，解决了传统天线的技术难题。本发明天线可用于高速移动载体的高性能无线通信终端，包括车载、机载、船载无线通信，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和空气动力学指标的影响。

附图说明

图1是本发明实施例提供的小型超宽波束背腔双层微带天线的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的小型超宽波束背腔双层微带天线金属背腔透视示意图；

图中：1、寄生介质基板；2、辐射介质基板；3、寄生微带单元；4、辐射微带单元；5、金属背腔；6、金属底板；7、同轴探针。

图3是本发明实施例提供的小型超宽波束背腔双层微带天线1×8直线相控阵结构示意图。

图4是本发明实施例提供的小型超宽波束背腔双层微带天线双极化形式的结构示意图。

图5是本发明实施例提供的小型超宽波束背腔双层微带天线端口的电压驻波比曲线图。

图6是本发明实施例提供的小型超宽波束背腔双层微带天线的辐射效率曲线图。

图7是本发明实施例提供的小型超宽波束背腔双层微带天线在9.5GHz的E面(Phi＝90°)面增益方向图(图(a))和H面(Phi＝0°)面增益方向图(图(b))。

图8是本发明实施例提供的小型超宽波束背腔双层微带天线在10GHz的E面(Phi＝90°)面增益方向图(图(a))和H面(Phi＝0°)面增益方向图(图(b))。

图9是本发明实施例提供的小型超宽波束背腔双层微带天线在10.5GHz的E面(Phi＝90°)面增益方向图(图(a))和H面(Phi＝0°)面增益方向图(图(b))。

图10是本发明实施例提供的小型超宽波束背腔双层微带天线1×8直线相控阵扫描方向图(金属背腔透视)。

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。

现有移动通信中在天线高度受到限制，尺寸限定时，天线波束宽度较窄。本发明天线厚度小于0.16λ，天线阻抗带宽达到14％以上，E面半功率波束宽度可以达到190°；线极化特性良好，并且具有较宽的波束宽度。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1和图2所示，本发明实施例提供的小型超宽波束背腔双层微带天线包括：寄生介质基板1、辐射介质基板2、寄生微带单元3、辐射微带单元4、金属背腔5、金属底板6、同轴探针7。

辐射介质基板2位于天线的中间层，辐射介质基板2采用印刷电路工艺制造，在辐射介质基板2上印刷一个圆形的辐射微带单元4；在辐射基板2上，圆形的辐射微带单元4的偏移中心的位置打一个通孔，用来穿过同轴探针7，通过同轴探针7给圆形的辐射微带单元4馈电；寄生介质基板1位于天线的中间层，寄生介质基板1采用印刷电路工艺制造，在寄生介质基板1上印刷一个圆形的寄生微带单元3；金属背腔5高度约为0.16λ，紧密包围辐射介质基板2与寄生介质基板1，通过调节金属腔体的高度来调节天线的波束宽度，金属腔体要高出上层寄生介质基板一定高度，约为0.05λ，可显著地增加天线的波束宽度；其中金属背腔5以及金属底板6为一个整体，可进行一体加工；射频接头的同轴探针穿7过金属底板6与辐射介质基板2，在辐射介质基板2下端通孔与圆形的辐射微带单元4焊接，射频接头7的外皮与金属底板6连接。参考图3，本发明实施例的一种小型超宽波束背腔双层微带天线单元及其宽角扫描阵列多元直线相控阵列(以1×8阵列为例)，单元间距0.44λ。如图4所示，本发明实施例提供的小型超宽波束背腔双层微带天线双极化形式的结构示意图。

本发明天线的厚度小于0.17λ，横向尺寸小于0.46λ，同时天线还具有宽波束的线极化特性；组成直线相控阵列，可以实现超宽角度的扫描。

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

如图4-图9所示。利用仿真软件对上述实施例天线的电压驻波比、辐射效率、方向图进行了仿真。

2、仿真结果

图5是对实施例天线仿真得到的电压驻波比随工作频率变化的曲线。可以看到，端口表现出良好的宽带特性，并且曲线的一致性非常高。从9.43GHz到10.76GHz，电压驻波比都小于2，相对带宽大于14％。本发明天线在该尺寸下获得了一般的宽带特性，该频带可满足移动通信对带宽需求。

图6是对实施例天线仿真得到的辐射效率随工作频率变化的曲线。结果表明，在频带范围9.44～10.71GHz内辐射效率均大于90％。这样的效率可确保天线最高效的发射和接收，在相同输入功率下可获得高的信号强度，满足通信行业节能减排和绿色低碳的发展需求。

图7、图8、图9是对实施例天线仿真得到的Phi＝0°面方向图(图(a))和Phi＝90°面方向图(图(a))，分别在9.5GHz、10GHz和10.5GHz获得。可以看到，天线在不同频点都可以获得一致的方向图，并具有较宽的波束宽度。9.5GHz时，方向图E面(Phi＝90°)面3dB波束宽度为227°，H面(Phi＝0°)面3dB波束宽度为117°，交叉极化都低于-30dB。10GHz时，方向图E面(Phi＝90°)面3dB波束宽度为192°，H面(Phi＝0°)面3dB波束宽度为70°。10.5GHz时，方向图E面(Phi＝90°)面3dB波束宽度为160°，H面(Phi＝0°)面3dB波束宽度为60°。三个频点的前后比分别为8.8dB、9.9dB与11.9dB，并非全向辐射。在频段范围内可以覆盖整个上半空间，较宽的波束宽度可以使天线覆盖范围更大。

图10是对实施例天线仿真得到的1×8的直线相控阵的扫描增益方向图，天线整体的扫描增益在±82°的范围内变化不大，扫描到±60°时会出现明显扫描增益的抬升，是因为天线单元波束为“马鞍形”，在接近±60°时具有最大的增益。数据统计如表2所示，E面扫描时，0°方向增益13.91dB，-82°扫描时增益为10.94dB。增益下降2.97dB，对应的扫描角为-82°--82°，该天线阵列实现了超宽角扫描的特性。

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)

1.一种小型超宽波束背腔双层微带天线，其特征在于，所述小型超宽波束背腔双层微带天线设置有辐射介质基板、寄生介质基板；

所述寄生介质基板位于小型超宽波束背腔双层微带天线的上层；所述金属背腔位于小型超宽波束背腔双层微带天线的最下层；

所述金属背腔为一矩形形式的金属腔体，紧密包围辐射介质基板与寄生介质基板，高度小于0.16λ。

2.如权利要求1所述的小型超宽波束背腔双层微带天线，其特征在于，所述辐射介质基板位于该小型超宽波束背腔双层微带天线的中间层；

所述辐射介质基板上采用圆形的微带辐射元进行辐射；圆形的微带辐射元位于辐射介质基板的中心，微带辐射元辐射线极化电磁波，用于馈电的通孔；

所述寄生介质基板上采用圆形的微带寄生元作为天线的寄生单元；该圆形的微带寄生元位于寄生介质基板的中心；寄生介质基板与辐射介质基板之间为空气层，间距小于0.12λ。

3.如权利要求1所述的小型超宽波束背腔双层微带天线，其特征在于，金属底板位于整个天线的最下方，上安装射频接头。

4.如权利要求1所述的小型超宽波束背腔双层微带天线，其特征在于，辐射元是圆形的微带辐射元，圆形的微带辐射元通过同轴探针进行馈电；圆形的微带辐射元的半径小于0.17λ。

5.如权利要求1所述的小型超宽波束背腔双层微带天线，其特征在于，所述寄生单元是一个圆形的微带寄生元，圆形的微带寄生元的半径小于0.14λ。

6.如权利要求1所述的小型超宽波束背腔双层微带天线，其特征在于，同轴探针的上端插入所述辐射介质基板的馈电通孔中并与圆形的微带辐射元焊接；同轴探针的下端位于射频接头当中。

7.如权利要求6所述的小型超宽波束背腔双层微带天线，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辐射介质基板，所述射频接头的外皮与金属底板连接。

8.一种包含权利要求1所述小型超宽波束背腔双层微带天线的宽角扫描阵列，其特征在于，所述宽角扫描阵列为直线阵列，单元间距为小于0.44λ，相邻阵元的金属腔有一公共部分，形成金属栅。

9.一种包含权利要求1所述小型超宽波束背腔双层微带天线的宽角扫描阵列，其特征在于，所述宽角扫描阵列还可以将该线阵组成二维面阵进行扫描，亦可在较大角度范围内实现宽角扫描特性。

10.一种包含权利要求1所述小型超宽波束背腔双层微带天线的宽角扫描阵列，其特征在于，所述小型超宽波束背腔双层微带天线，将该天线单元在原馈电位置的垂直方向添加一个馈电点，可构成双线极化形式，该形式也可用于组成双线极化的宽角扫描阵列；在两个双端口下方添加馈电网络可实现圆极化及其阵列。以上两种形式均包含在本发明范围拓展以内。