CN110247168A - 介质空气孔加载的高增益渐变槽线天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种介质空气孔加载的高增益渐变槽线天线，包括介质基板，介质基板的正面设置有两片金属贴片，两片金属贴片之间形成一个喇叭形开口的渐变槽线，且喇叭形开口的两端分别位于介质基板相对的一组侧边上，喇叭形开口的最小端为槽线端，喇叭形开口的最大端为辐射末端，槽线端与辐射末端之间形成的中间缝隙宽度变化区域为辐射段，所述槽线端上设置有微带馈电结构，辐射段中段延伸至辐射末端处沿着金属贴片的边缘，设置有若干空气孔单元构成的介质空气孔结构，本发明的介质空气孔结构，可以改善天线辐射末端处的相位分布，抑制渐变槽线天线在高频段的主瓣分裂现象，提高天线增益和整体辐射性能。

Description

介质空气孔加载的高增益渐变槽线天线
技术领域
本发明属于天线制造技术领域，特别涉及一种介质空气孔加载的高增益渐变槽线天线。
背景技术
随着现代无线通信系统大容量、高速率的发展需求，天线作为无线通信系统中不可或缺的前端器件，也要求具有超宽带、高增益、辐射稳定等特性。渐变槽线天线是一种常见的端射行波天线，具有阻抗频带宽、时域特性好、增益高、易于平面集成等优点，既可以作为收发天线单独使用，也可以作为单元构成天线阵列，在宽带相控阵天线系统、超宽带通信系统等领域应用较为广泛。但是，渐变槽线天线在阻抗频带的高频部分工作时，有效口径较大，口径面上电磁场的相位分布不均匀，导致天线方向性图的主瓣会出现凹陷甚至零点，产生主瓣分裂现象。主瓣分裂将导致渐变槽线天线在主辐射方向上的增益显著降低，副瓣电平剧烈抬升，限制了天线的增益带宽和方向性图带宽，进而制约了渐变槽线天线的实际工作带宽。在渐变槽线天线的辐射区域设计加载介质空气孔，可以有效调节电磁波通过天线辐射段时的波程，使天线辐射口径上的电磁场相位分布更均匀，从而抑制天线在高频部分的主瓣分裂现象，提高天线的增益带宽。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术中的问题，本发明提出一种介质空气孔加载的高增益渐变槽线天线，该天线可以实现在高频带工作时辐射口径上的电磁场相位分布更均匀，从而抑制高频时的主瓣分裂现象，提高天线的增益带宽。同时加载的空气孔对天线的低频辐射特性影响较小，有利于提高渐变槽线天线的整体辐射性能。
技术方案：为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种介质空气孔加载的高增益渐变槽线天线，包括介质基板1，所述介质基板1的正面设置有两片金属贴片2，两片金属贴片2之间形成一个喇叭形开口的渐变槽线，且喇叭形开口的两端分别位于介质基板1相对的一组侧边上，喇叭形开口的最小端为槽线端6，喇叭形开口的最大端为辐射末端8，所述槽线端6与辐射末端8之间形成的中间缝隙宽度变化区域为辐射段7，所述槽线端6上设置有微带馈电结构3，所述辐射段7中段延伸至辐射末端8处沿着金属贴片2的边缘设置有若干空气孔单元5构成的介质空气孔结构4。
进一步的，所述空气孔单元5为贯穿介质基板1的通孔。空气孔单元5的半径、数目和间距会影响所加载介质基板的等效介电常数，从而影响电磁波在所加载介质基板中的传播速度。
进一步的，所述介质空气孔结构4自辐射段7中段延伸至辐射末端8处的空气孔单元5数量逐渐减少。渐变槽线横向轴线方向上不设置空气孔单元5。
进一步的，所述空气孔单元5为圆形、三角形或菱形。
进一步的，所述两片金属贴片2形成喇叭形开口的两条曲线为指数形曲线、斜线、二次曲线或分段复合函数曲线，且两条曲线以喇叭形开口的中轴线为轴相互对称设置。
进一步的，所述微带馈电结构3包括印制在介质基板1反面的微带馈线的导带9，微带馈线的导带9的一端位于介质基板1边缘，是天线的馈电端10，微带馈线的导带9的另一端在介质基板1反面跨过槽线端6的槽线，是微带馈线的末端11，所述微带馈线的导带9和槽线端6槽线的空间交叉处是微带到槽线的过渡端12。
进一步的，所述微带馈电结构3的接地面是一片金属贴片2，所述微带到槽线的过渡端12为微带-槽线-短路针过渡结构，微带馈线的末端11通过短路针13在槽线边缘与连接另一片金属贴片2。
进一步的，所述微带到槽线的过渡端12为扇形微带-圆形槽线的过渡结构，槽线端6的开路端为圆形槽线末端14，微带馈线的末端11为扇形。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明中所提出的介质空气孔加载的高增益渐变槽线天线，可以实现在高频频带工作时辐射口径上的电磁场相位分布更均匀，抑制高频时的主瓣分裂现象，提高天线的增益带宽。同时加载的空气孔结构对天线的低频辐射特性影响较小，有利于提高渐变槽线天线的整体辐射性能。
附图说明
图1是本发明中实施例1的结构示意图；
图2是本发明中实施例2的结构示意图；
图3是原始渐变槽线天线和介质空气孔加载的渐变槽线天线在主辐射方向上的增益曲线对比图；
其中：1-介质基板，2-金属贴片，3-微带馈电结构，4-介质空气孔结构，5-空气孔单元，6-槽线端，7-辐射段，8-辐射末端，9-微带馈线的导带，10-天线的馈电端，11-微带馈线的末端，12-微带到槽线的过渡端，13-短路针，14-圆形槽线末端。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1-2所示，一种介质空气孔加载的高增益渐变槽线天线，包括介质基板1，所述介质基板1的正面设置有两片金属贴片2，两片金属贴片2之间形成一个喇叭形开口的渐变槽线，且喇叭形开口的两端分别位于介质基板1相对的一组侧边上，喇叭形开口的最小端为槽线端6，槽线端6有一定长度，其一端是开路端，另一端接辐射段7，所述槽线端6的开路端设置有微带馈电结构3，所述槽线端6的开路端处设置有微带馈电结构3，通过微带到槽线的过渡端12实现电磁波从微带馈线到槽线的耦合。喇叭形开口的最大端为辐射末端8，所述槽线端6与辐射末端8之间形成的中间缝隙宽度变化区域为辐射段7，所述槽线端6上设置有微带馈电结构3，所述辐射段7中段延伸至辐射末端8处沿着金属贴片2的边缘，设置有若干空气孔单元5构成的介质空气孔结构4。所述空气孔单元5为贯穿介质基板1的通孔。介质空气孔结构4由若干穿透介质基板1的空气孔单元5构成，从渐变槽线边缘向渐变槽线轴线方向空气孔单元的数目逐渐减少。沿渐变槽边缘分布的空气孔单元5数目最多，使得电磁波沿渐变槽线天线边缘的传播速度最快；朝向渐变槽线轴线方向空气孔数目逐渐减少，渐变槽线轴线方向上没有空气孔，使得电磁波在渐变槽线轴线方向上传播速度最慢，从而可以改善由于波程差导致的相位分布差异，实现在天线的辐射末端处相位分布较均匀，抑制渐变槽线天线在高频段的主瓣分裂现象，提高天线的增益和整体辐射性能。空气孔单元5的半径、数目和间距会影响所加载介质基板的等效介电常数，从而影响电磁波在所加载介质基板中的传播速度。优选地，槽线端6的两片金属贴片之间缝隙的边缘平行。
所述介质空气孔结构4自辐射段7中段延伸至辐射末端8处的空气孔单元5数量逐渐减少。渐变槽线横向轴线方向上不设置空气孔单元5。具体地讲，沿着渐变槽横向轴线方向至辐射末端8的方向，每行空气孔单元5的数目逐渐减少，渐变槽横向轴线方向上没有空气孔。优选地，所述空气孔单元5为圆形、三角形或菱形。
所述两片金属贴片2形成喇叭形开口的两条曲线为指数形曲线、斜线、二次曲线或分段复合函数曲线，且两条曲线以喇叭形开口的中轴线为轴相互对称设置。两片金属贴片2的靠近介质基板1边缘的边缘曲线，可以为与介质基板边缘重合的直线，也可以设计为锯齿边、梳状边等。
优选地，微带馈电结构3采用微带馈电方式，以一片金属贴片2为接地面，微带馈线的导带9印制在介质基板1的反面，微带馈线的导带9的一端位于介质基板1边缘，是天线的馈电端10，微带馈线的导带9的另一端在介质基板1反面跨过槽线端6的槽线，是微带馈线的末端11，所述微带馈线的导带9和槽线端6槽线的空间交叉处是微带到槽线的过渡端12。
所述微带馈电结构3的接地面是一片金属贴片2，所述微带到槽线的过渡端12为微带-槽线-短路针过渡结构，短路针13贯穿介质基板1，短路针13一端在介质基板1反面连接微带馈线的末端11，短路针13的另一端在介质基板1正面的槽线边缘与另一片金属贴片2连接。
所述微带到槽线的过渡端12为扇形微带-圆形槽线的过渡结构，槽线端6的开路端为圆形槽线末端14，微带馈线的末端11为扇形。
具体地讲，微带到槽线的过渡端，可以采用微带-槽线-短路针过渡结构，微带馈线的导带在槽线端的介质基板1反面跨过槽线，通过短路针在槽线边缘与另一片金属贴片连接，通过调节短路针的位置实现阻抗匹配调节；微带到槽线的过渡端也可以采用扇形微带-圆形槽线的过渡结构，微带馈线的导带在槽线端的介质基板1反面跨过槽线，并形成扇形的微带馈线的末端11，槽线端的开路端为圆形，通过调节微带末端扇形尺寸和槽线末端圆形尺寸，可以调节两种传输线的阻抗匹配。
在制造上，该介质空气孔加载的高增益渐变槽线天线的制造工艺可以采用半导体工艺、陶瓷工艺、激光工艺或印刷电路工艺。其中金属贴片2和微带馈电结构3的导带由导电性能良好的导体材料构成，分别位于介质基板1的正反两个表面。微带馈电结构3的短路针13贯穿介质基板，由导电性能良好的导体材料构成，形式上可以为金属柱或金属化过孔。介质空气孔结构4中的空气孔单元5，可直接在介质基板1上蚀刻空气孔，也可以制造为介电常数低于介质基板介电常数的其他介质。
无加载结构的原始渐变槽线天线，其上传输的电磁波在到达天线的辐射末端处时，沿渐变槽线轴线方向的传播距离最短，沿渐变槽线两侧边缘的传播距离最长，不同的波程使电磁波在天线的辐射末端处相位分布不均匀。所述的介质空气孔结构，可以降低加载后介质基板的等效介电常数，从而提高电磁波在该加载区域的传播速度。沿渐变槽线边缘分布的空气孔阵列数目最多，使得电磁波沿渐变槽线天线边缘的传播速度最快；朝向渐变槽线轴线方向空气孔数目逐渐减少，渐变槽线轴线方向上没有空气孔，使得电磁波在渐变槽线轴线方向上传播速度最慢，从而可以改善由于波程差导致的相位分布差异，实现在天线的辐射末端处相位分布较均匀，改善渐变槽线天线在高频段的主瓣分裂现象，提高天线的增益和整体辐射性能。改变空气孔的半径、间距和空气孔阵列的形状等，可以有效调节加载空气孔的介质基板在不同方向上的等效介电常数，从而调节加载天线的增益提高值。
实施例1
如图1所示，微带馈电结构3为微带-槽线-短路针过渡结构。
实施例2
如图2所示，微带馈电结构3为扇形微带-圆形槽线的过渡结构。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种介质空气孔加载的高增益渐变槽线天线，包括介质基板（1），其特征在于：所述介质基板（1）的正面设置有两片金属贴片（2），两片金属贴片（2）之间形成一个喇叭形开口的渐变槽线，且喇叭形开口的两端分别位于介质基板（1）相对的一组侧边上，喇叭形开口的最小端为槽线端（6），喇叭形开口的最大端为辐射末端（8），所述槽线端（6）与辐射末端（8）之间形成的中间缝隙宽度变化区域为辐射段（7），所述槽线端（6）上设置有微带馈电结构（3），所述辐射段（7）中段延伸至辐射末端（8）处，沿着金属贴片（2）的边缘设置有若干空气孔单元（5）构成的介质空气孔结构（4）。
2.根据权利要求1所述的介质空气孔加载的高增益渐变槽线天线，其特征在于：所述空气孔单元（5）为贯穿介质基板（1）的通孔。
3.根据权利要求1所述的介质空气孔加载的高增益渐变槽线天线，其特征在于：所述介质空气孔结构（4）自辐射段（7）中段延伸至辐射末端（8）处的空气孔单元（5）数量逐渐减少。
4.根据权利要求1所述的介质空气孔加载的高增益渐变槽线天线，其特征在于：所述空气孔单元（5）为圆形、三角形或菱形。
5.根据权利要求1所述的介质空气孔加载的高增益渐变槽线天线，其特征在于：所述两片金属贴片（2）形成喇叭形开口的两条曲线为指数形曲线、斜线、二次曲线或分段复合函数曲线，且两条曲线以喇叭形开口的中轴线为轴相互对称设置。
6.根据权利要求1所述的介质空气孔加载的高增益渐变槽线天线，其特征在于：所述微带馈电结构（3）包括印制在介质基板（1）反面的微带馈线的导带（9），微带馈线的导带（9）的一端位于介质基板（1）边缘，是天线的馈电端（10），微带馈线的导带（9）的另一端在介质基板（1）反面跨过槽线端（6）的槽线，是微带馈线的末端（11），所述微带馈线的导带（9）和槽线端（6）槽线的空间交叉处是微带到槽线的过渡端（12）。
7.根据权利要求6所述的介质空气孔加载的高增益渐变槽线天线，其特征在于：所述微带馈电结构（3）的接地面是一片金属贴片（2），所述微带到槽线的过渡端（12）为微带-槽线-短路针过渡结构，微带馈线的末端（11）通过短路针（13）在槽线边缘与另一片金属贴片（2）相连接。
8.根据权利要求6所述的介质空气孔加载的高增益渐变槽线天线，其特征在于：所述微带到槽线的过渡端（12）为扇形微带-圆形槽线的过渡结构，槽线端（6）的开路端为圆形槽线末端（14），微带馈线的末端（11）为扇形。
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