CN109786980A - 一种低副瓣无栅瓣的宽带平板天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低副瓣无栅瓣的宽带平板天线，包括辐射层、谐振腔层和馈电网络层，所述谐振腔层通过一体双面设在辐射层的背面，所述馈电网络层设在谐振腔的外侧，其中：所述辐射层设有隔离栅条，隔离栅条之间的沟槽设有缝隙单元阵列，所述谐振腔层上每个谐振腔与四个缝隙单元相连组成一个辐射器，所述单个谐振腔的轮廓尺寸与四个缝隙单元的外轮廓尺寸一致，为克服因辐射缝隙间距变小而引入的强耦合以及谐振条件的改变，通过优选辐射层隔离栅条宽度W和隔离栅条边边距s的比值t、栅条高度h、缝隙长度l、缝隙宽度w等参数，实现平板天线在降低尺寸的前提下，依然保证了天线的宽频带工作特性，完全抑制了栅瓣，保持较高口径效率等目的。
Description
技术领域
本发明属于平板天线技术领域，尤其涉及采用波导网络馈电的缝隙阵列天线。
背景技术
目前，平板天线由于其低轮廓、高效率、成本低等技术特征，被广泛应用于车载卫星通信地面天线、便携站等领域。虽然研究人员在该种形式的天线的带宽拓展、副瓣抑制等诸多技术细节上做了大量的工作，但是对于卫星通信领域特别是车载平台的应用来说，该种形式的天线需要进一步的降低尺寸，同时保留宽频带、高效率、低旁瓣的特点，这对天线设计者来说是个巨大的挑战。收发双工的卫星地面站天线要求能够覆盖10.7～12.75GHz(接收)、14～14.5GHz(发射)两个频段，同时要求天线具有较低的副瓣电平(＜15dB)，且不能有栅瓣，避免伺服系统的误判。专利中CN203277633U、CN103531892A所述天线频带窄，只能工作在单发(收)状态，根据专利CN200920107793.1所披露的天线尺寸数据，其在不考虑辐射器间距的前提下其辐射器尺寸长宽分别达28.68mm、19.83mm，不仅仅结构尺寸上较大不利于移动载体，在电性能上其在低频尤其是10.7GHz附近的栅瓣情况难以预料，同时由该专利所披露的馈电网络可知，该种馈电方式将会有较高的副瓣电平(≥-13.2dB)，难以满足实际使用的需求。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷和技术问题，本发明提供了一种低副瓣无栅瓣的宽带平板天线，且具有小型化特点。
为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：一种低副瓣无栅瓣的宽带平板天线，包括辐射层、谐振腔层和馈电网络层，所述谐振腔层通过一体双面设在辐射层的背面，所述馈电网络层设在谐振腔的外侧，其中：所述辐射层设有隔离栅条，隔离栅条之间的沟槽设有缝隙单元阵列，所述缝隙单元的长度为l，述缝隙单元的宽度为k，横向和纵向的相邻缝隙单元的中心间距d相同并取值为10.7GHz变频的半波长，所述隔离栅条的宽度为W，沟槽的宽度为S，W/S的比值定义为占空比t，沟槽的深度为h；所述谐振腔层上每个谐振腔与四个缝隙单元相连组成一个辐射器(实际上谐振腔轮廓尺寸略小于相应缝隙单元总长度)，且各参数尺寸符合以下条件：
t＝1.2～1.6
h＝3.2～4.5mm
l＝12～13mm
k＝2～4mm。
作为优选，所述占空比t的取值为1.5，所述沟槽的深度为h的取值为3.93mm，馈电幅度比为0.8:1:1:0.8。
作为优选，所述辐射器的长宽厚轮廓尺寸为28mm*28mm*21mm。
作为优选，所述辐射层、谐振腔层和馈电网络层通过螺钉紧固。
有益效果：相对于现有技术，本发明具有以下优点：
1、本发明中的平板天线在降低尺寸的前提下，依然保证了天线的宽频带工作特性，完全覆盖卫星通信中10.7～12.75GHz、14～14.5GHz两个频段；
2、本发明所述平板天线在整个工作频段内完全抑制了栅瓣；
3、本发明所述平板天线在整个工作频段内保持较高口径效率(≥85％)；
4、本发明所述平板天线的锥削幅度馈电方法，可以保证在满足所需副瓣电平的基础上，降低馈电网络复杂度，从而降低设计及制造成本。
附图说明
图1为本发明实施例所述平板天线的结构示意图；
图2为本发明实施例所述辐射层的俯视图；
图3为本发明实施例所述辐射层的立体结构示意图；
图4为本发明实施例所述馈电网络层的结构示意图；
图5为本发明实施例的回波损耗频响曲线图；
图6为本发明实施例在10.7GHz下仿真、测试方向图的对比情况示意图；
图7为本发明实施例在12.7GHz下仿真、测试方向图的对比情况示意图；
图8为本发明实施例在14GHz下仿真、测试方向图的对比情况示意图
图9为本发明实施例在14.5GHz下仿真、测试方向图的对比情况示意图
其中，辐射层1、谐振腔层2、馈电网络层3、隔离栅条11、沟槽12、缝隙单元13、谐振腔21；I1、I2表示所划分区域内单元的激励幅度。
具体实施方式
下面结合附图并以具体实施例，进一步阐明本发明。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1～8所示，本发明为实现缝隙平板天线小型化的同时，保证足够大的频带宽度，避免缝隙间距减小导致耦合变强，同时使缝隙长度在宽带范围内满足谐振条件的目的，通过以下技术方案实现：天线结构分为三层，辐射层、谐振腔和馈电网络，为加工制造方便，辐射层和谐振腔放在一层双面加工，将波导馈电网络部分按波导长边的中点为中心将其一分为二，通过定位销钉和螺钉进行对准和紧固；辐射层的辐射单元为缝隙，为避免产生栅瓣以及进一步降低天线尺寸，缝隙单元间距定为14mm，对应于下边频(10.7GHz)为0.5波长，需要特别说明的是缝隙的纵向和横向间距相等，最大程度上保证整个阵面口径上场的均匀性；由于缝隙单元之间的距离减小，使得缝隙之间的耦合变强，同时缝隙长度难以在宽带范围内满足谐振条件，这两个原因使得天线的频带宽度急剧恶化，本发明采用如下方案进行克服：
首先为减少缝隙单元之间的耦合，发明人通过大量的试验摸索采用适当增大隔离栅条宽度W和相邻隔离栅条边边距离s的比值，这里定义占空比t＝W/s；同时适当增加栅条的高度，此外还需优选缝隙的宽度及谐振腔尺寸使其满足谐振条件；为压低副瓣，采用锥削幅度分布，即中间高两边低，对各辐射单元进行不等幅馈电，由于本天线体积极为受限，为加工方便，故将每两列缝隙单元作为一个幅度赋值点。为使得天线尺寸小型化，避免栅瓣，进一步减小辐射缝隙间距，缝隙横向及纵向间距d＝14mm，即10.7GHz对应的半波长。为克服因辐射缝隙间距变小而引入的强耦合以及谐振条件的改变，通过优选辐射层隔离栅条宽度W和隔离栅条边边距s的比值t、栅条高度h、缝隙长度l、缝隙宽度w等参数。其中t的取值范围1.2～1.6，h取值范围为3.2～4.5mm，缝隙长度l取值范围12～13mm、宽度取值范围2～4mm。
下面结合具体实施例对以上内容作进一步说明：本实施例采用4*8的小阵，每四个缝隙和后面的谐振腔相连构成一个辐射器，相邻两个谐振腔的中心距(横向和纵向)均为28mm，即辐射器在横向和纵向上均匀排布，，占空比t＝1.5，隔离栅高度3.93mm，馈电幅度比为0.8:1:1:0.8。仿真结合测试结果表明，实施例所述天线在整个频带范围内口面效率不低于86.5％，其副瓣电平低于-20dB，具体结果详见附图5～8。
Claims (4)
1.一种低副瓣无栅瓣的宽带平板天线，其特征在于：包括辐射层、谐振腔层和馈电网络层，所述谐振腔层通过一体双面设在辐射层的背面，所述馈电网络层设在谐振腔的外侧，其中：所述辐射层设有隔离栅条，隔离栅条之间的沟槽设有缝隙单元阵列，所述缝隙单元的长度为l，述缝隙单元的宽度为k，横向和纵向的相邻缝隙单元的中心间距d相同并取值为10.7GHz变频的半波长，所述隔离栅条的宽度为W，沟槽的宽度为S，W/S的比值定义为占空比t，沟槽的深度为h；所述谐振腔层上每个谐振腔与四个缝隙单元相连组成一个辐射器，且各参数尺寸符合以下条件：
t＝1.2～1.6
h＝3.2～4.5mm
l＝12～13mm
k＝2～4mm。
2.根据权利要求1所述低副瓣无栅瓣的宽带平板天线，其特征在于：所述占空比t的取值为1.5，所述沟槽的深度为h的取值为3.93mm，馈电幅度比为0.8:1:1:0.8。
3.根据权利要求1所述低副瓣无栅瓣的宽带平板天线，其特征在于：所述辐射器的长宽厚轮廓尺寸为28mm*28mm*21mm。
4.根据权利要求1所述低副瓣无栅瓣的宽带平板天线，其特征在于：所述辐射层、谐振腔层和馈电网络层通过螺钉紧固。
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