CN111224235B - 基于SSPPs的低剖面垂直极化全向/波束扫描天线 - Google Patents

基于SSPPs的低剖面垂直极化全向/波束扫描天线 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于人工表面等离激元结构的低剖面垂直极化天线单元设计及组阵后的全向阵列结构；包括微带线激励结构、单边梳状排列的SSPPs贴片传输与辐射结构、介质层、SMA接头；SMA接头用于对天线进行馈电激励；单边梳状排列的SSPPs传输与辐射结构馈电采用微带线进行耦合馈电。本发明解决了现有低频垂直极化全向天线的剖面高问题，并且该天线的可以实现波束扫描。

Description

基于SSPPs的低剖面垂直极化全向/波束扫描天线
技术领域
本发明涉及一种天线，具体地，涉及一种基于SSPPs的低剖面垂直极化全向/波束扫描天线。
背景技术
科学技术的不断进步和社会各方面与日俱增的需求，推动着无线通信技术迅速发展，天线作为无线通信系统中的重要组成部分，也渐渐受到更多的关注。在卫星、汽车、船舶等各种载体上，通讯设备也是必不可少的，对天线的要求也越来越苛刻。在保证天线性能的基础上，天线的小型化和低剖面是发展的必然趋势。
通常，端射天线都是由Vivaldi天线、喇叭天线等形式来实现，但是这类天线剖面高度一般为1/2工作频率波长，在低频时尺寸较大。本发明利用SPP理论中的波长缩短效应，实现天线的低剖面与小型化；将单片单边梳状的SSPPs天线进行组合，置于金属地板上，实现全向辐射/波束扫描效果。
申请号为201810072495.7的发明公开了一种毫米波全向扫描半球透镜多波束天线。该天线包括1个金属地板、1个聚四氟乙烯半球透镜和36个平面介质棒天线，平面介质棒天线由基片集成波导和渐变的介质棒组成；所述聚四氟乙烯半球透镜固定在金属地板的中心，平面介质棒天线由基片集成波导馈电，均匀固定在聚四氟乙烯半球透镜周围的金属地板上，平面介质棒天线的末端与聚四氟乙烯半球透镜表面距离均相同；所述36个平面介质棒天线是垂直极化的，金属地板一方面作为平面介质棒天线的镜面、另一方面作为聚四氟乙烯半球透镜的载体。本发明能够实现水平面360°的波束扫描，实现了辐射区和馈电区的有效分离，结构简单、波束对称、加工方便、成本低。但是上述专利无法实现降低天线的工作波长，从而实现小型化的目的。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于SSPPs的低剖面垂直极化全向/波束扫描天线。
根据本发明提供的一种基于SSPPs的低剖面垂直极化全向/波束扫描天线，包括微带线激励结构、地板、SSPPs传输与辐射结构以及SMA接头，其中：
SSPPs传输与辐射结构具有单边梳状；
SSPPs传输与辐射结构沿地板上的周向方向上分布；
每个SSPPs传输与辐射结构均连接有一SMA接头，SMA接头与微带线激励结构直接连接，微带线激励结构通过电磁耦合的方式对SSPPs传输与辐射结构馈电。
优选地，所述SSPPs传输与辐射结构垂直设置在底板上，且SSPPs传输与辐射结构的水平延伸方向经过所述底板的中心。
优选地，所述SSPPs传输与辐射结构包括所述SSPPs天线和介质层，其中：
SSPPs天线设置在介质层上；
介质层设置在底板上；
SSPPs天线与底板不接触。
优选地，所述SSPPs天线包括一水平馈电线和多个竖直馈电线，其中：多个竖直馈电线设置在水平馈电线上，相邻竖直馈电线之间存在间距。
优选地，沿SSPPs传输与辐射结构的水平向外延伸方向，竖直馈电线的高度先不变，再递减。
优选地，所述介质层包括FR-4介质层。
优选地，微带线激励结构能够通过SMA接头对每片SSPPs传输与辐射结构独立进行射频激励控制。
优选地，所述SSPPs传输与辐射结构设置有8个，8个SSPPs传输与辐射结构沿地板周向等间距分布，相邻的两个SSPPs传输与辐射结构之间的夹角为45°。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过结合SSPPs理论的波长缩短效应，可以有效的降低天线的工作波长，从而实现小型化的目的。
2、本发明通过单边梳状排列的SSPPs传输与辐射结构来减小天线的剖面。
3、本发明采用了SSPPs结构，可以降低单片端射天线之间的耦合，减小整个系统的体积。
4、本发明的天线主体均为PCB印刷板，结构简单容易加工。
5、本发明通过单独控制每片单边梳状的SSPPs天线的工作状态，实现天线的水平全向辐射与波束扫描的切换，并且可以对8片单边梳状的SSPPs天线的工作状态进行组合，实现方向图重构效果。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为基于人工表面等离激元结构的低剖面垂直极化全向/波束扫描天线的3D图；
图2为基于人工表面等离激元结构的低剖面垂直极化全向/波束扫描天线中的单片结构的正面图；
图3为基于人工表面等离激元结构的低剖面垂直极化全向/波束扫描天线中的单片结构的反面图；
图4为基于人工表面等离激元结构的低剖面垂直极化全向/波束扫描天线中的单片结构的的另外一种馈电形式示意图；
图5为基于人工表面等离激元结构的低剖面垂直极化全向/波束扫描天线的回波损耗图；
图6、7为单片单边梳状的SSPPs天线的方向图。
图8为基于人工表面等离激元结构的低剖面垂直极化全向/波束扫描天线所有端口同时工作产生的水平全向方向图。
图中示出：
SSPPs传输与辐射结构1
地板2
SMA接头3
SSPPs天线4
介质层5
金属微带天线6
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1至图8所述，根据本发明提供的基于SSPPs的低剖面垂直极化全向/波束扫描天线，包括地板、八片单边梳状排列的SSPPs传输与辐射结构、SMA接头；所述八片单边梳状排列的SSPPs传输与辐射结构环绕在地板中心，相邻两片单边梳状排列的SSPPs传输与辐射结构相隔45°，实现全向垂直极化电磁覆盖。所述SMA接头位于每片单边梳状排列的SSPPs传输与辐射结构的左侧，通过微带线对天线进行射频激励；单边梳状排列的SSPPs传输与辐射结构是超薄PCB印刷而成，是端射天线。所述多片单边梳状排列的SSPPs传输与辐射结构均匀环绕在地板中心，实现水平全向辐射或定向辐射(波束扫描)。该方案中天线的底部边界条件为电边界，其余边界条件为开放边界条件。图1中天线高为36mm，地板半径为400mm。SSPPs天线包括一水平馈电线和多个竖直馈电线，其中：多个竖直馈电线设置在水平馈电线上，相邻竖直馈电线之间存在间距。沿SSPPs传输与辐射结构的水平向外延伸方向，竖直馈电线的高度先不变，再递减。天线通过单边梳状的SSPPs传输线结构和辐射结构来减小天线的剖面，天线应用SPP理论下的波长缩短效应，有效减小天线的工作波长，达到天线小型化。所述用于单边梳状排列的SSPPs传输与辐射结构的介质为FR-4。天线馈电通过SMA接头对单片单边梳状的SSPPs天线进行激励，从而对八片单边梳状排列的SPP传输与辐射结构进行馈电。天线通过单边梳状排列的SSPPs传输与辐射结构来减小天线的剖面。引入高度渐变的辐射结构，提高端射的增益和辐射效率。通过SMA接头对每片单边梳状的SSPPs天线进行射频激励，可对每个天线的工作状态独立控制，实现波束扫描效果。
本发明全向的工作原理如下：如图1所示，其为本发明基于人工表面等离激元结构的低剖面垂直极化全向/波束扫描天线的3D图。如图2所示，射频激励信号SMA接头从单边梳状的SSPPs天线一侧对天线馈电，从而可以对每片端射天线单独馈电，信号经过图2的梳齿状结构将电磁波逐渐从传统的传输模式过渡到SSPPs模式下，从而有效的减小天线的尺寸，提高天线的辐射效率。
图4是本实施例的另外一种馈电方式，采用背馈结构也能实现相同的辐射效果。图5所示是本实施例的仿真得到的回波损耗图。图6、7所示是本实施例的单边梳状的SSPPs天线仿真得到的在1.5GHz的辐射方向图。图8所示是本实施例仿真得到的在1.5GHz处的全向辐射方向图。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (5)

1.一种基于SSPPs的低剖面垂直极化全向/波束扫描天线，其特征在于，包括微带线激励结构、地板、SSPPs传输与辐射结构以及SMA接头，其中：
SSPPs传输与辐射结构具有单边梳状；
SSPPs传输与辐射结构沿地板上的周向方向上分布；
每个SSPPs传输与辐射结构均连接有一SMA接头，SMA接头与微带线激励结构直接连接，微带线激励结构通过电磁耦合的方式对SSPPs传输与辐射结构馈电；
所述SSPPs传输与辐射结构包括所述SSPPs天线和介质层，其中：
SSPPs天线设置在介质层上；
介质层设置在底板上；
SSPPs天线与底板不接触；
所述SSPPs天线包括一水平馈电线和多个竖直馈电线，其中：多个竖直馈电线设置在水平馈电线上，相邻竖直馈电线之间存在间距；
所述SSPPs传输与辐射结构设置有8个，8个SSPPs传输与辐射结构沿地板周向等间距分布，相邻的两个SSPPs传输与辐射结构之间的夹角为45°。
2.根据权利要求1所述的基于SSPPs的低剖面垂直极化全向/波束扫描天线，其特征在于，所述SSPPs传输与辐射结构垂直设置在底板上，且SSPPs传输与辐射结构的水平延伸方向经过所述底板的中心。
3.根据权利要求1所述的基于SSPPs的低剖面垂直极化全向/波束扫描天线，其特征在于，沿SSPPs传输与辐射结构的水平向外延伸方向，竖直馈电线的高度先不变，再递减。
4.根据权利要求1所述的基于SSPPs的低剖面垂直极化全向/波束扫描天线，其特征在于，所述介质层包括FR-4介质层。
5.根据权利要求1所述的基于SSPPs的低剖面垂直极化全向/波束扫描天线，其特征在于，微带线激励结构能够通过SMA接头对每片SSPPs传输与辐射结构独立进行射频激励控制。
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