CN109888466A - 一种新型馈电的超低剖面表面波天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高增益的、端射性能优良的新型馈电结构的超低剖面表面波天线。该表面波天线包括金属接地板、介质条、金属辐射杆、圆形金属平板、金属接地针和SMA同轴接头。SMA同轴接头连接金属接地板和金属辐射杆，作为天线的输入端；金属辐射杆顶端接圆形金属平板，金属平板边缘用金属接地针与金属接地板连接；介质条在圆形金属平板和金属接地板中间，金属辐射杆和金属接地针分别穿过介质条。在天线输入端的激励下，利用表面波天线的辐射原理和天线由金属辐射杆、圆形金属平板和金属接地针组成的特有馈电结构的优良阻抗匹配，达到抑制天线边缘散射，提高天线辐射效率和端射方向性的目的。

Description

一种新型馈电的超低剖面表面波天线

技术领域

本发明涉及微波技术领域，特别是涉及一种高天线辐射效率和良好端射方向性的超低剖面表面波天线，可适用于多种飞行器的侧面天线，特别适用于飞行器系统低剖面、高增益、强方向性的应用场景。

背景技术

随着现代科学技术的迅速发展，各种新型先进的飞行器所搭载的功能越来越多、越来越复杂，飞行器对于各种信息的精度要求也是越来越高。因此，飞行器上一般都有几副甚至十几副天线，以达到对复杂精细信息的接受和发射需求。这些天线只有极少部分安装在机身内部，绝大部分都突出在机身外部，为了安装天线而增加的飞行器结构无疑极大的提升了天线的动力学设计和隐身性能等方面设计的复杂性和难度。而且为了保护天线不受气流影响，还要用更大的天线罩进行保护，这些都对飞机的气动特性有不利的影响，还会增大飞机的雷达散射截面，对飞机的隐身性能来讲，这是非常致命的影响。

而目前现有的天线技术，在金属反射面存在时，有波束上翘的缺陷，并且难以形成高增益和宽扫描。同时金属地板的存在，导致电磁波被地板反射形成波束上翘；现有的馈电和辐射结构导致天线的剖面高度较高。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明针对存在金属反射面时，有波束上翘的缺陷，并且难以形成高增益和扫描的问题，提供了一种新型馈电的表面波天线，拥有高天线辐射效率和良好端射方向性，从而低剖面、高增益、强方向性的应用场景需求。

本发明完整的技术方案包括：

本发明的新型馈电表面波天线包括金属接地板、介质条、金属辐射杆、圆形金属平板、金属接地针和SMA同轴接头。SMA同轴接头连接金属接地板和金属辐射杆，作为天线的输入端；金属辐射杆顶端接圆形金属平板，金属平板边缘用金属接地针与金属接地板连接，形成阻抗匹配的辐射结构；介质条在圆形金属平板和金属接地板中间，金属辐射杆和金属接地针分别穿过介质条。介质条的基板厚度为天线工作电磁波在介质所采用材料中的波长的四分之一,长度为天线工作电磁波在介质所采用材料中的波长的7倍到9倍，宽度为天线工作电磁波在介质所采用材料中的波长的四分之三到1个波长。金属辐射杆的高度为天线工作电磁波波长的十分之一。圆形金属板的半径为天线工作电磁波波长的十四分之一到十二分之一。在实际应用中，可以通过实际天线的工作频率所对应的波长和介质的材料种类，选用本发明中的与工作波长和介质材料对应的尺寸，实现天线的高天线辐射效率和良好端射方向性。

本发明相对于现有技术的改进为：输出端口的辐射杆通过与圆形金属平板和接地针连接，形成了电容性的辐射馈电结构，实现了天线的阻抗匹配和低剖面，从而在超低剖面的情况下实现了高增益；通过对天线中介质条的尺寸设计，天线能实现宽扫描角度的性能。

附图说明：

图1是本发明实施例的新型馈电的表面波天线结构示意图。

图2是图1所示实施例中的新型馈电的表面波天线的分解结构示意图。

图3是图1所示实施例中的新型馈电的表面波天线的侧面结构示意图。

图4是图1所示实施例中的新型馈电的表面波天线的主视尺寸示意图。

图5是图1所示实施例中的新型馈电的表面波天线的侧面尺寸示意图。

图6是具体实施方式总的实施例中的新型馈电的表面波天线的回波损耗示意图。

图7是具体实施方式总的实施例中的新型馈电的表面波天线垂直截面真实增益示意图。

图8是不同结构的金属辐射杆示意图。

图9是不同结构的金属辐射杆的仿真结果。

图10为不同介质的三维方向图。

图中：1-金属接地板，2-同轴SMA接头，3-介质条，4-金属圆盘，5-金属辐射杆，6-金属接地针。

具体实施方式

以下结合实例对本发明做进一步阐述，但本发明并不局限于具体实施例。

本发明设计了一种新型馈电的超低剖面表面波天线。如图1、图2和图3所示的表面波天线不同视图的结构中，金属接地板1通过金属接地针6和金属圆盘4相连，并且金属接地板1和同轴SMA接头2外沿连接接地，金属辐射杆5连接金属圆盘4的圆心和同轴SMA接头2的内芯，被金属辐射杆5和金属接地针穿过的介质条3附着在金属接地板1上。

本发明的表面波天线可以工作在GHz数量级频率的频段，介质材料为拥有较大介电常数的绝缘材料，如图4和图5所示，本发明的表面波天线的结构参数由具体的天线工作频率决定，介质条的基板厚度H为天线工作电磁波在介质中的波长的四分之一,介质条长度L为天线工作电磁波在介质中的波长的7倍到9倍，介质条的基板宽度W为天线工作电磁波在介质所采用材料中的波长的四分之三到1个波长。金属辐射杆和金属接地针的高度Pin_h为天线工作电磁波波长的十分之一。圆形金属板的半径CR为天线工作电磁波波长的十四分之一到十二分之一。金属辐射杆的半径和与之相连的同轴SMA接头内芯半径相同，金属接地针的半径Pin_r为0.55mm。

本发明的表面波天线的金属接地板在实际应用中一般为实际物体中起反射作用的金属表面，其长度可略长于介质条的长度，宽度一般没有具体的要求。通过对本发明中描述的结构尺寸的范围内微调，即可实现天线的高天线辐射效率和良好端射方向性。

本发明的实现过程的实施例如下：

如图4、5尺寸所示，制作中心工作频率在6GHz的表面波天线。在尺寸为125mm×122.96mm的金属铜板上贴上122.96mm×14.8mm×3.81mm的Rogers TMM10i(介电常数9.8)介质条，距离介质条短边4.25mm处取馈电点，由馈电点的同轴SMA接头内芯伸出高5mm半径为0.635mm的金属铜辐射针，辐射针顶部接半径为4.12mm的金属铜圆盘，距离圆盘圆心4.25mm处连接半径为0.55mm的金属铜接地针与金属铜地板相连。

如图6所示，由天线的回波损耗图可知，采用上述设计的表面波天线的带宽为5.91GHz—6.31GHz，包含天线设定的工作频率6GHz。如图7所示，天线的主辐射方向是水平端射方向，同时具有较高的增益。即本发明是一种高增益的、端射性能优良的超低剖面表面波天线，明显优于采用传统方法设计的天线。

下面通过具体的分析对本发明的表面波天线的结构和参数选择进行阐述：

(1)天线结构

根据要应用的场景，即飞行器侧面表面的天线，选择介质平板类的表面波天线作为原始的天线单元。选择长条形的介质，并在介质下方建立了远宽于长条形介质的金属板，以模拟实际的超大反射面的情况。

调整金属辐射杆的结构，其实就是调整天线的阻抗匹配的问题，天线的匹配好坏将直接影响天线的驻波比和增益。通过一系列的尝试与仿真，发现将金属辐射杆改变为容性结构对于增强天线的阻抗匹配和降低天线的剖面高度都有很好的作用，于是设计了三种容性结构的辐射结构，分别为圆形电容结构、方形电容结构和锥形电容结构，如图8所示，包括(a)圆形(b)方形(c)锥形三种不同结构的金属辐射杆，仿真结果见图9，从真实增益的仿真结果图来看，无论是哪种结果，都能很好的实现天线端射的性能要求，即最大增益的3dB带宽完美的包含了θ＝90°(水平辐射角度)，更进一步的表明了表面波天线的辐射机理是非常适合来设计和制作所需求的低剖面端射天线。同时，从图中可以看出，形状为锥形的金属辐射杆的总体真实增益明显低于方形和圆形结构的金属辐射杆，即体型结构的增益效果远不如二维面型结构的增益效果，而二维面型结构本身又拥有剖面低易于加工的优势，所以经过综合考虑后，应该在表面波天线上使用二维面型的金属辐射杆结构。最后，从三种金属辐射杆的结构的回波损耗的仿真结果图来看，圆形金属辐射杆的阻抗匹配是最好的，方形金属辐射杆的阻抗匹配比较差，锥形金属辐射杆虽然匹配略好于方形的，但是由于其在之前的讨论中，已经明显的出现了真实增益远低于平面辐射结构方案，所以综合考虑，本发明将采用既拥有可靠增益又能够较为完美的匹配的圆形平板辐射杆结构的表面波聚束共形天线。

(2)介质种类对表面波天线辐射的影响

在前面分析中，发明人采用了理想化的表面波天线模型，来初步验证了通过表面波聚束共形天线，可以实现高增益下的水平端射要求。但是，在这样的一个过程当中，所用的介质是用的人为设置参数的理想介质，这种理想介质的介电常数ε高达19，在现实存在的自然介质和人工介质中，要达到如此高的介电常数是非常困难的。因此，本发明人使用三种不同的天然或人工介质进行设计和仿真分析，进一步的研究表面波聚束共形天线的辐射与不同介质之间的关系，并选取一种介质作为本发明表面波聚束共形天线的单元介质。

首先直接将经过初步调整的表面波天线单元模型的介质材料直接分别设置为Rogers TMM10i(ε＝9.8)、RT/duroid 5880(ε＝2.2)和diamond(ε＝16.5)，其方向图的仿真结果如图10所示，图10(a)为Rogers TMM10i，图10(b)为RT/duroid 5880，图10(c)为diamond，从图中可以明显的看出介质为“RT/duroid 5880”和“diamond”的三维方向图与端射的“Rogers TMM10i”相比，已经发生了非常明显的畸变。可见要满足本发明中的天线水平方向端射的设计要求，介质材料种类的改变和其他的某些参数的改变是相关联的(在这里是介质厚度与介质材料种类的共同影响)，并不能仅仅简单的改变介质材料就可以提高天线的辐射效率。

从图10的仿真结果我们可以看出，在其他参数不改变的情况下，介质类的改变产生了至少三种的辐射方式，即以“Rogers TMM10i”代表的端射，以“RT/duroid 5880”为代表的类似于单极子天线的环辐射和以“diamond”为代表的垂直方向产生了干涉。于是发明人将介质的厚度固定，只改变介质的介电常数ε，通过对不同介电常数的仿真，进一步研究介质对表面波天线辐射机理的影响。当介电常数ε范围从2到10的由小到大开始依次递增的时候，研究发现，随着介电常数的增加，天线的增益也随之增加。当介电常数ε范围从10到20的由小到大开始依次递增的时候，不再像介电常数2到10一样呈现出递增的规律性。并且可以发现仅当介电常数为10时，天线的增益曲线是最好的，一旦当介电常数大于10之后，天线的增益图就出现了畸变，并且当介电常数达到20时呈现出了最差的增益图。

介质的介电常数的改变，将直接影响电磁波在介质中传播的介质中的波长，所以根据仿真结果来看，可以得出本发明的表面波聚束共形天线的辐射方向图的方向和增益，是由介质中的波长与介质的高度共同影响的。

(3)介质厚度对表面波天线辐射的影响

对不同介质厚度的模型进行了仿真分析，当介质厚度由2mm增加到5mm时，得到在这样的一个范围中，随着介质厚度的增加，天线的增益也随之增加。当介质厚度范围从5mm到8mm的由小到大开始依次递增的时候，得到的结果表明，在介质厚度大于5mm之后，不再像2mm到5mm一样呈现出递增的规律性。并且可以明显的发现仅当介质厚度5mm时，天线的增益曲线是最好的，一旦当介质厚度大于5mm之后，天线的增益图就出现了畸变，并且随着介质厚度的增加而越来越差。

这时候，发明人发现，当改变介质厚度的时候，产生的结果，和改变介质种类的研究结果惊人的吻合，即都是先在一点的范围内，随着研究参数的增加，天线的增益图越来越好，然后一旦跨越过某一个值，就会像经历了“雪崩”一样，增益图产生畸变，并且越来越差。因此，发明人想到，影响表面波聚束共形天线辐射的因素，在这里其实是同一种因素。要同时体现出介质种类和介质厚度的影响，那么这种影响因素就是介质中的波长。

(4)介质中波长对表面波天线辐射的影响

由基本电磁场与电磁波理论可知，电磁波的波长等于电磁波的传播速度和频率的比值，即：

而电磁波在介质中的传播速度与介质的介电常数和真空磁导率有关，即：

本发明研究的不同介质的真空磁导率的值都为1，设λ为激励源频率所对应的真空中的波长，那么结合式1和2我们可以得到本发明中电磁波在介质中的波长：

在前面的仿真实验中，设置的激励源的频率是4.7GHz，其在真空中的波长由式2.1可以计算得到λ＝63.83mm。在研究介质厚度对表面波天线辐射影响时，所采用的介质材料是Rogers TMM10i(ε＝9.8)，通过式2.3可以得到其介质中波长为λ_c＝20.38mm，在仿真结果中得到的最好的增益图是介质高度为5mm时的结果，约为介质中波长的四分之一。

将前述研究介质种类对表面波天线辐射影响的参数列出来如表2所示，在前述的仿真实验中，介质的厚度为5.08mm(0.2英寸)。从表中可以发现，同样是在1/4介质中波长与介质高度吻合时，得到了最好的辐射增益图。

表1介质中的波长

分别对四分之一介质中波长与介质厚度的三种关系(大于、小于和等于)进行进一步的仿真，得到其电场分布。从电场分布分析得出：当四分之一介质中波长大于等于介质厚度的时候，天线电场还是沿着介质条传播的，基本上还是表面波端射模式的，只是当四分之一介质中波长较大时，四周的漏波现象比较严重呈现出了如图10(b)RT/duroid 5880辐射三维增益图类型的类似于单极子天线的三维增益图。其实，这个时候，由于四分之一介质中波远大于介质厚度，所以天线基本上可以等效于一个以金属辐射杆为单极子的单极子天线，符合我们之前的仿真结果。当四分之一介质中波长小于介质厚度的时候，可以发现介质中出现了多个谐振点，并共同向垂直方向形成了辐射，这样就会导致出现很严重的干涉现象，即出现如图10(c)diamond中那种干涉型的三维增益图。综上所述，在设计表面波聚束共形天线时，为了达到良好的端射性能和较高的增益，应该将介质条的高度设计成目标激励频率电磁波的介质中的波长的四分之一。

(5)介质长度对表面波天线辐射的影响

在辐射源实现端射的基本理论中，普通端射线源随着线源长度的增加，其方向性系数D呈现出近似线性的增长趋势，称为普通端射阵的方向性系数，对此有近似计算公式：

从上式可以看出，增加天线阵列线源长度可以起到增加天线增益的作用。但是在实际设计仿真实验中，本发明的表面波聚束共形天线的电磁波在介质中传播时，并不是没有衰减的，不能直接套用理想线源的公式结论，而是在一定的范围内，可以看作是理想线源来利用普通端射阵的方向性系数来进行天线的设计。因此，发明人通过仿真实验分析来得到达到设计目标的介质长度。

将介质条的长度从50mm到350mm以50mm为步长进行了仿真分析，得到的其最终增益图结果表明，本表面波天线的最高增益随着介质条长度的增加，先从7.5dB左右开始增加，然后稳定在10dB左右的水平，当介质长度大于250mm之后开始衰减。同时，从介质长度为150mm开始，辐射主方向的旁瓣增益也越来越接近主瓣，旁瓣数量也逐渐增加。

综合上述仿真结果发现，适当的增加介质条的长度可以提高本发明中表面波聚束共形天线的增益，但是一旦超过了某个极限值，普通端射阵的方向性系数条件将不再适用。因此，在设计加工天线之前应该先求出这个极限值。

(6)介质宽度对表面波天线辐射的影响

改变介质条宽度从8mm到20mm的仿真结果表明：介质宽度的改变几乎不改变天线的最大增益值，只是让天线的增益图有一定的平移。同时，天线的增益图的副瓣随着介质宽度的增加而增加，当介质条的宽度达到20mm时，副瓣和主瓣的增益已经非常接近了。而在本发明中，我们所设计的表面波聚束共形天线的技术指标要求实现高增益的端射，所以根据仿真数据来看，天线介质条的宽度不宜过宽。介质条的宽度还会对天线的水平扫描宽度有所影响，我们将在接下来进行仿真实验和讨论分析。

利用上述的模型再次仿真，得到了水平方向的增益仿真结果。从仿真结果可以看出在介质宽度由小变大的过程当中，其增益大小是呈现出先变大后变小的规律的，即随着介质宽度的增加，天线的增益将出现一个极大值。同时，随着天线宽度的增加，天线的水平增益的扫描角度如介质长度变化一样呈现出越来越窄的变化情况。

在设计表面波聚束共形天线时，应该首先根据技术指标要求满足增益的设计要求。然后通过适当的减小介质的宽度，能在减小尽量少的增益的情况下，拓宽天线的水平扫描角度。

(7)辐射杆高度对表面波天线扫描角度宽度的影响

金属辐射杆高度从4mm到5.5mm仿真结果表明：其高度的变化仅仅造成了水平方向的增益曲线的上下平移，扫描宽度几乎是没变的。同时可以看出在一定范围内金属辐射杆高度的提升有一定的提升增益的作用，因此，在设计表面波聚束共形天线的时候，我们可以在指标允许的范围内尽量的将金属辐射杆设计得高一点。

(8)介质长度对表面波天线扫描角度宽度的影响

在前面已经研究了介质条长度对表面波天线增益的影响，这里直接利用前面的模型再次仿真，得到了水平方向的增益仿真结果。从仿真结果中可以看出，随着介质长度的增加，天线的水平扫描角度不断的减小，并且在介质长度达到150mm的时候，天线的增益不再随着介质长度的增加而继续增加了，但是天线的水平扫描角度却仍然在继续减小。因此，在设计表面波聚束共形天线时，首先根据技术指标要求满足增益的设计要求。然后根据本节的仿真结果可以知道，通过适当的减小介质的长度，能在减小尽量少的增益的情况下，拓宽天线的水平扫描角度。

根据前面的仿真分析和结果讨论，以原始的表面波天线作为蓝本，采用平面圆盘的辐射结构，并且选取6GHz为激励源频率，选取Rogers TMM10i为介质条的材料，并且通过前面得到的表面波天线设计准则，选取3.81mm(0.15英寸)作为介质的厚度。在这样的一个基础上面，通过改变介质长度和介质宽度，参数扫描得到一个增益的极大值。再依据前面的结论，通过适当的调整介质的长度和宽度，增加天线的水平扫描角度。得到本发明中的新型馈电的超低剖面表面波天线，并进行了仿真分析。仿真的结果如图6-7所示，结果表明天线工作在5.91～6.31GHz的频率范围之间，最大增益在θ＝76°处，为10.03dB。最大端射真实增益是9.13dB，端射方向在天线增益的3dB带宽内。天线的3dB水平扫描宽度为70.50°～109.52°。可见天线的带宽优秀，方向性非常好，增益也相当的高。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种新型馈电的超低剖面表面波天线，其特征在于，该表面波天线包括金属接地板、介质条、金属辐射杆、圆形金属平板、金属接地针和SMA同轴接头，所述SMA同轴接头连接金属接地板和金属辐射杆，作为天线的输入端；所述金属辐射杆顶端接圆形金属平板，金属平板边缘用金属接地针与金属接地板连接；介质条在圆形金属平板和金属接地板中间，金属辐射杆和金属接地针分别穿过介质条。

2.如权利要求1所述的新型馈电的表面波天线，其特征在于，天线的输出端口的辐射杆通过与圆形金属平板和接地针连接，形成电容性的辐射馈电结构。

3.如权利要求1-2所述的新型馈电的表面波天线，其特征在于，所述介质条的基板厚度为天线工作电磁波在介质所采用材料中的波长的1/4。

4.如权利要求1-3所述的新型馈电的表面波天线，其特征在于，所述介质条的基板长度为天线工作电磁波在介质所采用材料中的波长的7～9倍。

5.如权利要求1-4所述的新型馈电的表面波天线，其特征在于，所述介质条的基板宽度为天线工作电磁波在介质所采用材料中的波长的3/4～1倍。

6.如权利要求1-5所述的新型馈电的表面波天线，其特征在于，所述金属辐射杆的高度为天线工作电磁波波长的1/10。

7.如权利要求1-6所述的新型馈电的表面波天线，其特征在于，所述圆形金属板的半径为天线工作电磁波波长的1/14到1/12。