CN110034417A - 一种具有宽带定波束特性的平面微带贴片天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有宽带定波束特性的平面微带贴片天线，包括弧形渐变金属地、阶梯馈电金属条带和周期方形贴片单元组成的贴片阵列；所述弧形渐变金属地作为反射器，可以确保天线背向馈电一侧的双向定波束特性；所述阶梯馈电金属条带中心对称，实现超宽阻抗匹配带宽；所述周期方形贴片单元组成的贴片阵列，能够改善天线的辐射特性，实现较好的天线增益和方向特性。本发明采用CPW侧面馈电实现对平面天线的有效激励，馈电形式简单，完成了在极宽工作带宽下的双定波束特性，在未来无人机、导弹、卫星通信等系统中具有潜在应用价值。

Description

一种具有宽带定波束特性的平面微带贴片天线
技术领域
本发明涉及一种微带天线，尤其是一种具有宽带定波束特性的平面微带贴片天线。
背景技术
在现有的通信系统中，为适应信号传播环境，天线一般具有边射的辐射特点。然而，在卫星通信、飞行器、列车自动控制系统等实际应用中，常常需要使用可与载体共面，并且辐射方向与天线平面具有一定倾角的定波束天线。
通信卫星是位于赤道平面的同步卫星，在南北半球进行卫星通信时都会有一个俯仰角，当我们进行固定卫星的固定通信或者小范围的移动通信时，我们可以认为这个俯仰角是不变的。现有系统一般采用抛物面天线、卡塞格伦天线进行对准通信。然而抛物面天线、卡塞格伦天线等面天线结构笨重，成本也很高。
在高速列车迅速发展的今天，列车自动控制系统对天线的设计要求更高。定波束天线更有益于车-地通信中车载天线的共形同面的需求。
在以上的两种情况下，要有效提高通信容量，研究低成本易共形的定偏角波束天线就显得十分有意义。
如何设计实现上述性能的天线，成为新的关注点。虽然可以采用不同的方法实现定波束天线，但是既要保证结构的紧凑性，又要实现宽带特性，对天线设计提出了苛刻的要求。特别是要实现天线的宽带性能，既要保证匹配带宽，又要保证结构紧凑易加工，成为了天线工程师们难以兼顾的难题。
发明内容
发明目的：一种具有宽带定波束特性的平面微带贴片天线，以解决上述问题。
技术方案：一种具有宽带定波束特性的平面微带贴片天线，包括弧形渐变金属地、阶梯馈电金属条带和周期方形贴片单元组成的贴片阵列；
上述结构均置于一块介质板上固定，位置分布具体为：所述弧形渐变金属地对称地置于介质板的上下两边，由左至右渐变；所述梯形馈电金属条带位于整个介质板的中心位置，由左向右延伸；所述周期方形贴片单元组成的贴片阵列连接在所述阶梯馈电金属条带后方，并在介质板的上下表面对称铺设。
所述梯状馈电条带与所述周期方形贴片单元组成的贴片阵列中间刻有镂空缝隙，从而利用缝隙耦合实现馈电；结合上下两侧设置的所述弧形渐变金属地，可以实现CPW侧面馈电，确保天线背向馈电一侧的双向定波束特性，完成对平面天线的有效激励。
根据本发明的一个方面，所述介质板为单层介质基片，长度为125mm，宽度为60mm，厚度为1.5mm。
根据本发明的一个方面，所述弧形渐变金属地的长为77mm，宽为28.55mm；且所述弧形渐变金属地的弧线形状满足抛物弧线公式，具体如下：
X(_t)＝0.001*(exp(44*_t)-1)
Y(_t)＝_t
Z(_t)＝0
Start_t＝0
End_t＝0.217
式中，X(_t)，Y(_t)，Z(_t)是曲线在X，Y，Z三个轴方向的轨迹公式，它们的共同变量为_t，_t得的取值范围从0到0.217。
根据本发明的一个方面，所述阶梯馈电金属条带从左至右可以分为三段，第一段长40mm，宽2.6mm；第二段长13mm，宽3.2mm；第三段长12mm，宽3.8mm。
根据本发明的一个方面，所述周期方形贴片单元组成的贴片阵列中，微带贴片均为正方形，边长为4mm，贴片的个数共18个，在所述介质板的上下表面各9个，周期尺寸为4.6mm。
根据本发明的一个方面，所述阶梯馈电金属条带与所述弧形渐变金属地之间存在缝隙，缝隙宽带为0.15mm。
根据本发明的一个方面，所述阶梯馈电金属条带与所述周期方形贴片单元组成的贴片阵列在上表面的第一个贴片之间的缝隙宽度为0.3mm。
有益效果：本发明设计实现了一款单层介质板反馈的宽带定波束天线，结构简单，易加工实现，具有辐射方向固定、天线安装位置灵活的特点，在无人机、导弹、卫星通信等系统中具有潜在的应用价值。具体将在下文描述。
附图说明
图1为具有宽带定波束特性的平面微带贴片天线的三维整体结构图。
图2为具有宽带定波束特性的平面微带贴片天线的俯视图。
图3为具有宽带定波束特性的平面微带贴片天线的侧视图。
图4为具有宽带定波束特性的平面微带贴片天线的周期贴片单元的色散曲线。
图5为馈电微带起始点与渐变地缝隙尺寸与反射曲线关系图。
图6为具有宽带定波束特性的平面微带贴片天线的反射曲线图。
图7为具有宽带定波束特性的平面微带贴片天线的定波束面主极化方向图。
图8为具有宽带定波束特性的平面微带贴片天线的定波束面交叉极化方向图。
标号说明：1表示中间介质基片、2表示上层弧形渐变金属地贴片、3表示上层阶梯馈电金属条带、4表示周期方形单元组成的贴片阵列、5表示阶梯馈电金属条带第一条带，6表示阶梯馈电金属条带第二条带、7表示阶梯馈电金属条带第三条带、8表示周期贴片阵列的方形单元。
具体实施方式
如图1所示，本发明基于具有宽带定波束特性的平面微带贴片天线，包括弧形渐变金属地、阶梯馈电金属条带和周期方形贴片单元组成的贴片阵列。
本发明具有紧凑型结构，在介质板上固定上述结构：所述弧形渐变金属地对称地置于介质板的上下两边，由左至右渐变；所述梯形馈电金属条带位于整个介质板的中心位置，由左向右延伸；所述周期方形贴片单元组成的贴片阵列连接在所述阶梯馈电金属条带后方，并在介质板的上下表面对称铺设。
所述梯状馈电条带与所述周期方形贴片单元组成的贴片阵列中间刻有镂空缝隙，从而利用缝隙耦合实现馈电；结合上下两侧设置的所述弧形渐变金属地，可以实现CPW侧面馈电，确保天线背向馈电一侧的双向定波束特性，完成对平面天线的有效激励。
在进一步的实施例中，所述介质板为单层介质基片，长度为125mm，宽度为60mm，厚度为1.5mm。
在进一步的实施例中，采用所述弧形渐变金属地一方面，可以实现很宽的频带范围的阻抗匹配；另一方面，天线辐射主波束在很宽的范围内依然可以实现定波束特性。
如图2所示，所述弧形渐变金属地的长为77mm，宽为28.55mm；且所述弧形渐变金属地的弧线形状满足抛物弧线公式，具体如下：
X(_t)＝0.001*(exp(44*_t)-1)
Y(_t)＝_t
Z(_t)＝0
Start_t＝0
End_t＝0.217
式中，X(_t)，Y(_t)，Z(_t)是曲线在X，Y，Z三个轴方向的轨迹公式，它们的共同变量为_t，_t得的取值范围从0到0.217。
在进一步的实施例中，所述阶梯馈电金属条带从左至右可以分为三段，第一段长40mm，宽2.6mm；第二段长13mm，宽3.2mm；第三段长12mm，宽3.8mm。
在进一步的实施例中，所述周期方形贴片单元组成的贴片阵列中，微带贴片均为正方形，边长为4mm，贴片的个数共18个；如图3所示，在所述介质板的上下表面各9个，周期尺寸为4.6mm。
通过采用周期方形的金属贴片辐射阵列，可以控制辐射单元的频移相位特性，实现在较宽的带宽范围内，依然控制相移色散相对平稳，进而保证了宽带的定波束性能。
在进一步的实施例中，所述阶梯馈电金属条带与所述弧形渐变金属地之间存在缝隙，缝隙宽带为0.15mm。
在进一步的实施例中，所述阶梯馈电金属条带与所述周期方形贴片单元组成的贴片阵列在上表面的第一个贴片之间的缝隙宽度为0.3mm。
在更进一步的实施例中，本发明的天线工作时，所述弧形渐变金属地采用共面波导CPW侧面反馈的方式进行激励。
能量由50Ω同轴探针输入，同轴探针的内部芯层连接所述弧形渐变金属地的一侧条带，所述弧形渐变金属地的共面地与同轴探针的外部芯层连接。能量通过所述阶梯馈电金属条带向另一侧传输和辐射，另一端是所述周期方形贴片单元组成的贴片阵列，由上下两列各9个方形贴片单元组成。位于中心的所述阶梯馈电金属条带，通过缝隙耦合将能量传输到所述周期方形贴片单元组成的贴片阵列中。
如图4所示，所述周期方形贴片单元组成的贴片阵列为主辐射结构，对单元结构(上下方形贴片)进行色散参数提取，并将其与空气线的色散曲线进行对比，可以看出，该单元结构色散曲线在2.5GHz到27.5GHz的频带范围内均处于快波区域，可以实现辐射，且该频段的色散曲线在2.5GHz到25GHz范围内，相移变化不大，为实现定波束特性奠定了基础。
一方面，如图5所示，所述阶梯微带馈线与弧形渐变金属地，可以改善天线的阻抗匹配，大大展宽天线的阻抗带宽，从而实现平面宽带定波束性能。二者之间的缝隙起始点是需要重点优化的参数，从图中三条曲线可以看出，优化值取0.15mm。从图6可以看出，匹配良好的工作频段覆盖了2.5GHz到27.5GHz的频带范围。
另一方面，结合图7和图8可见，共面地同时起到反射面的作用，影响定波束的偏角值，可以确保天线最大辐射方向为背向馈电一侧，从而保证实际架设安装的天线馈电部分不会影响到最大辐射方向的辐射特性，能够实现较好的天线增益和方向特性。
总之，本发明具有以下优点：通过50Ω同轴探针实现对平面天线的有效激励，使得微带贴片天线具有极简单的馈电形式，加工焊接、固定测试非常简便；弧形渐变的金属地结构设计除了可以大大增加调节阻抗匹配的自由度等优势之外，还具有结构简单、带宽优异等特性；周期方形贴片单元组成的天线阵列，能够改善天线的辐射特性，一方面可以提高天线的辐射增益，方向性得到增强，另一方面能够保证天线的定波束特性。本发明具有辐射方向固定、天线安装位置灵活的特点，在无人机、导弹、卫星通信等系统中具有潜在的应用价值。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (7)

1.一种具有宽带定波束特性的平面微带贴片天线，其特征在于，包括弧形渐变金属地、阶梯馈电金属条带和周期方形贴片单元组成的贴片阵列；
上述结构均置于一块介质板上固定，位置分布具体为：所述弧形渐变金属地对称地置于介质板的上下两边，由左至右渐变；所述梯形馈电金属条带位于整个介质板的中心位置，由左向右延伸；所述周期方形贴片单元组成的贴片阵列连接在所述阶梯馈电金属条带后方，并在介质板的上下表面对称铺设；
所述梯状馈电条带与所述周期方形贴片单元组成的贴片阵列中间刻有镂空缝隙，从而利用缝隙耦合实现馈电；结合上下两侧设置的所述弧形渐变金属地，可以实现CPW侧面馈电，确保天线背向馈电一侧的双向定波束特性，完成对平面天线的有效激励。
2.根据权利要求1所述的一种具有宽带定波束特性的平面微带贴片天线，其特征在于，所述介质板为单层介质基片，长度为125mm，宽度为60mm，厚度为1.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种具有宽带定波束特性的平面微带贴片天线，其特征在于，所述弧形渐变金属地的长为77mm，宽为28.55mm；且所述弧形渐变金属地的弧线形状满足抛物弧线公式，具体如下：
X(_t)＝0.001*(exp(44*_t)-1)
Y(_t)＝_t
Z(_t)＝0
Start_t＝0
End_t＝0.217
式中，X(_t)，Y(_t)，Z(_t)是曲线在X，Y，Z三个轴方向的轨迹公式，它们的共同变量为_t，_t得的取值范围从0到0.217。
4.根据权利要求1所述的一种具有宽带定波束特性的平面微带贴片天线，其特征在于，所述阶梯馈电金属条带从左至右可以分为三段，第一段长40mm，宽2.6mm；第二段长13mm，宽3.2mm；第三段长12mm，宽3.8mm。
5.根据权利要求1所述的一种具有宽带定波束特性的平面微带贴片天线，其特征在于，所述周期方形贴片单元组成的贴片阵列中，微带贴片均为正方形，边长为4mm，贴片的个数共18个，在所述介质板的上下表面各9个，周期尺寸为4.6mm。
6.根据权利要求1所述的一种具有宽带定波束特性的平面微带贴片天线，其特征在于，所述阶梯馈电金属条带与所述弧形渐变金属地之间存在缝隙，缝隙宽带为0.15mm。
7.根据权利要求1所述的一种具有宽带定波束特性的平面微带贴片天线，其特征在于，所述阶梯馈电金属条带与所述周期方形贴片单元组成的贴片阵列在上表面的第一个贴片之间的缝隙宽度为0.3mm。
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