CN111478025B - 一种宽频波束扫描贴片天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽频波束扫描贴片天线，包括底层金属大地、中间层介质基板、顶层方形金属贴片。顶层方形金属贴片上开有平行双槽，并设有一排连接底层金属大地的金属过孔。平行双槽对称分布在所述顶层方形金属贴片的两侧，金属过孔经过顶层方形金属贴片的水平中心点并与平行双槽垂直排列。相比现有的单贴片波束扫描天线，本发明存在三个不同电场分布特点的工作模式，因此拓展了天线匹配带宽以及匹配带宽内的波束扫描范围。

Description

一种宽频波束扫描贴片天线
技术领域
本发明涉及微波通信领域，尤其涉及一种宽频波束扫描贴片天线。
背景技术
具有波束扫描功能的天线能够随着频率或相位分布的变化改变波束指向。常见波束扫描天线主要分为两类。第一类是漏波天线，通过波沿着结构传播时泄露的能量实现波束扫描，波束指向随频率变化，通常需要较长尺寸才能获得波束扫描及高辐射效率。第二类是相控阵，即通过调整阵列中每个天线单元的相位来实现波束扫描，因此需要相控单元。上述两类波束扫描天线，结构庞大且复杂，如果基于单个天线单元能够获得波束扫描功能，将有利于减少系统复杂度及尺寸，并降低成本。贴片天线具有结构简单、易加工等特点，基于单个贴片天线实现波束扫描，将有利于波束扫描天线的进一步发展与应用推广。
目前基于贴片单元结构实现的波束扫描天线通过在贴片中心面引入一排金属化接地过孔实现，波束扫描主要来源于天线的两种工作模式具有不同的相位分布，分别对应不同的波束指向。由于模式数较少，天线的带宽较小约5％，并同时导致天线的波束扫描范围较窄。因此，提升天线的带宽及波束扫描范围，是单贴片波束扫描天线急需解决的问题。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种宽频波束扫描贴片天线，使得天线获得宽频匹配，并在匹配频带内获得较大的波束扫描范围。
技术方案：一种宽频波束扫描贴片天线，包括底层金属大地、中间层介质基板、顶层方形金属贴片；所述顶层方形金属贴片上开有平行双槽，并设有一排连接所述底层金属大地的金属过孔；所述平行双槽对称分布在所述顶层方形金属贴片的两侧，所述金属过孔经过所述顶层方形金属贴片的水平中心点并与所述平行双槽垂直排列；还包括连接所述顶层方形金属贴片的同轴馈线。
进一步的，所述平行双槽延伸至所述金属过孔的另一侧。
进一步的，所述平行双槽穿过所述金属过孔的位置，金属过孔与平行双槽不产生交叠。
进一步的，所述同轴馈线的内导体从底层金属大地的底部垂直穿入，落点位于所述平行双槽的中轴线上。
进一步的，通过平行双槽的长度，金属过孔的间距及顶层方形金属贴片的长度调制三个工作模式的频率。
有益效果：相对于现有技术，本发明具有如下优点：
1、顶层方形金属贴片与中心线过孔及平行双槽相结合，获得三个不同电场分布特点的工作模式，拓展了贴片天线的匹配带宽以及匹配带宽内对应的波束扫描范围。
2、平行双槽对称分布，并延伸至金属过孔的另一侧，一方面能有效获得三个模式，另一方面保证波束在E面扫描的过程中H面的方向图对称分布。
3、平行双槽在经过金属过孔时，与金属过孔保持一定的间距，避免交叠进而影响三个工作模式，同时也保证了天线的可加工性。
附图说明
图1为本实施例天线的俯视图；
图2为图1沿y平面的剖面图；
图3为实施例天线的仿真阻抗匹配和增益曲线；
图4为实施例天线在2.4GHz处的天线方向图；
图5为实施例天线在2.5GHz处的天线方向图；
图6为实施例天线在2.6GHz处的天线方向图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1、图2所示，一种宽频波束扫描贴片天线，包括底层金属大地1、中间层介质基板4、顶层方形金属贴片2以及同轴馈线5，顶层方形金属贴片2上开有平行双槽3，并设有一排连接底层金属大地1的金属过孔6。平行双槽3关于顶层方形金属贴片2的中心，对称分布在顶层方形金属贴片2的左右两侧。金属过孔6经过顶层方形金属贴片2的水平中心点并与平行双槽3垂直排列。平行双槽3延伸至金属过孔6的另一侧，平行双槽3穿过金属过孔6的位置，金属过孔6与平行双槽3不产生交叠，保持一定的间距。
同轴馈线5的内导体从底层金属大地1的底部垂直穿入，连接顶层方形金属贴片2，其落点位于平行双槽3的中轴线上。
对于上述宽频波束扫描贴片天线，信号通过同轴馈线5馈入顶层方形金属贴片2。通过在顶层方形金属贴片2引入水平中心线排列的金属过孔6及对称分布的平行双槽3，使得贴片天线额外引入了两个工作模式。其中一个模式在如图1所示的顶层方形金属贴片2由金属过孔6分为上下两部分的电场分布方向相反，幅度下半部分强，上半部分弱；另一个模式在金属贴片2上下两部分的电场分布方向相同，幅度相同。顶层方形金属贴片2自身模式为奇对称分布，在金属贴片2上下两部分的电场分布方向相反，幅度相同，该模式在加入金属过孔6及平行双槽3后依然存在。由于此三个模式存在，天线的匹配带宽将明显提升；而且三个模式电场分布的不同特点使得对应的辐射方向图获得不同的波束指向，因此能有效提升天线的波束扫描范围。三个工作模式的频率可以通过平行双槽3的长度，金属过孔6间距及贴片2的长度进行控制。天线的阻抗匹配可以通过馈电位置，平行双槽3的间距进行调整。
如图1、图2所示，本实施例采用RO4003C基板，其介电常数为3.38，损耗角为0.0027，厚度为3.048mm。天线的长度为80mm，宽度为80mm，厚度为3.116mm，即在中心频率2.5GHz时的尺寸为0.67λ0×0.67λ0×0.026λ0。其仿真的阻抗匹配及增益如图3所示，电压驻波比2.2对应的匹配带宽为11％，频带内增益范围为4.3-6.2dBi。图4-图6是本实施例天线在2.4GHz、2.5GHz、2.6GHz处的天线方向图，可见该天线具有由后到前的波束扫描功能，且波束指向为-44°～+10°。
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 (4)

1.一种宽频波束扫描贴片天线，其特征在于，包括底层金属大地(1)、中间层介质基板(4)、顶层方形金属贴片(2)；所述顶层方形金属贴片(2)上开有平行双槽(3)，并设有一排连接所述底层金属大地(1)的金属过孔(6)；所述平行双槽(3)对称分布在所述顶层方形金属贴片(2)的两侧，所述金属过孔(6)经过所述顶层方形金属贴片(2)的水平中心点并与所述平行双槽(3)垂直排列；还包括连接所述顶层方形金属贴片(2)的同轴馈线(5)；所述平行双槽(3)延伸至所述金属过孔(6)的另一侧。
2.根据权利要求1所述的宽频波束扫描贴片天线，其特征在于，所述平行双槽(3)穿过所述金属过孔(6)的位置，金属过孔(6)与平行双槽(3)不产生交叠。
3.根据权利要求2所述的宽频波束扫描贴片天线，其特征在于，所述同轴馈线(5)的内导体从底层金属大地(1)的底部垂直穿入，落点位于所述平行双槽(3)的中轴线上。
4.根据权利要求1或2所述的宽频波束扫描贴片天线，其特征在于，通过平行双槽(3)的长度，金属过孔(6)的间距及顶层方形金属贴片(2)的长度调制三个工作模式的频率。
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