CN111509392A - 一种基于微带线结构的波束高扫描率天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微带线结构的波束高扫描率天线，包括：介质板，包括顶层的第一表面和底层的第二表面；主微带线结构，设置于介质板的第一表面上面，包括多个相同结构的金属微带线周期单元延伸平行排列，即周期单元的中心位于同一条直线上；底层金属薄片，介质板的第二表面覆盖所述底层金属薄片；本发明的天线不仅具有较高的波束扫描率（可以达到103°/GHz），还具有抑制扫描波束开阻带的效应，从而使天线的波束扫描可以从后向向前向连续扫描。从天线的辐射效率上面看，该天线具有较高的辐射效率，在较宽的频带上面辐射效率可以达到90%以上，天线远场方向图的旁瓣也很小，达到很好的性能。

Description

一种基于微带线结构的波束高扫描率天线

技术领域

本发明属于微波技术与天线领域，具体地讲，是涉及到一种基于微带线结构的波束高扫描率天线。

背景技术

天线作为信号收发的最前端器件，其性能直接决定着后端射频电路以及信号处理的复杂程度。

随着无线通信技术的快速发展，移动终端需要发送和接收的信息量呈指数增长。传统的单输入和单输出通信模式越来越难以满足未来5G通信系统中用于高速传输的大量信息的需求。5G移动通信时代为了进一步提升信道容量和数据传输率，提出了毫米波技术。但由于毫米波在自由空间中的高衰减，弱绕射的特点，使得5G毫米波在移动终端设备上的应用存在巨大的局限性。

漏波天线因自有的波束扫描特性而使其备受关注，其无需任何复杂的馈电网络，利用导波结构边辐射边传播。漏波天线是在导波结构上传播的行波以特定的传播方式辐射电磁波的一种天线。由于其基于频率的波束控制能力，漏波天线可以用作时空变换器，其中时域-频域被转换为空间域。具有此功能的天线在雷达，微波成像，频谱图分析和通信中具有潜在的应用。经过多年的研究发展，已经提出了不同类型的漏波天线，且通过不同的分析方法和结构使漏波天线的应用领域变得十分广泛。与典型的相控阵相比，LWA不需要复杂且昂贵的馈送网络。由于其基于频率的波束控制能力，漏波天线可以用作时空变换器，其中时域-频域被转换为空间域。具有此功能的天线在雷达，微波成像，频谱图分析和通信中具有潜在的应用。针对不同的材料及结构，漏波天线的形式包括但不限于介质波导，凹槽波导，矩形波导，微带线，共面波导（CPW），集成基片波导（SIW）等各种拓扑结构。近年来，在漏波天线的研究中引入超材料结构也成为热点。

根据工作模式分类，漏波天线可以分为准均匀型/均匀型漏波天线和周期型漏波天线。然而，准均匀型/均匀型的漏波天线只支持波束的宽边（broadside）到端射（endfire）的扫描，而且带宽通常较宽。周期型漏波天线却能够实现波束从后向扫描到前向。其通过开一些周期型细槽、加载周期型传输线或者周期型的贴片来产生周期扰动，在周期性结构中形成快波传播。抑制开放阻带和提高天线的扫描率一直是周期型漏波天线的研究热点之一。

发明内容

本发明的目的主要针对现有波束扫描的漏波天线波束扫描效率低和存在开放阻带的问题，提出了一种基于微带线结构的一维平面，宽扫描角度范围的高扫描率波束扫描天线。具体技术方案如下：

一种基于微带线结构的波束高扫描率天线，它包括：

介质基板，介质板顶层的第一表面和介质板底层的第二表面；

表层金属微带线设置于介质板的第一表面上面，它包括多个相同结构的金属微带线周期单元平行延伸排列，即周期单元的中心位于同一条直线上；包括

介质板下表面覆盖的底层的金属层，也就是第二表面，单元的介质板形状相同，微带线的大小与尺寸以及底板的金属层均相同，周期单元顶层的微带线为规则的矩形，垂直于天线导行波传播方向与平行于天线导行波传播方向，这两种形式的微带线交叉排列且首尾相互接触；更重要的是，周期单元的顶层微带线排列中间有一个两条垂直于天线导行波传播方向的两条微带线形成了gap沟槽，这个结构可以等效为一个平行板电容的效应，它具有提升天线波束扫描率的作用。单元结构关于单元中心并且垂直于天线导行波传播方向对称，单元的中心为gap沟槽。在顶层微带线垂直于天线导行波传播的方向的两侧设置有金属短截线，它的目的是为了改善天线的阻抗匹配，提高天线的效率。

上述基于微带线结构的一维平面周期型漏波天线采用周期单元制作，可以实现所述平面一维漏波天线主波束从后向到前向的连续扫描，并且提出的微带线天线具有较大的波束扫描范围，提出的该天线的基本模式为慢波，慢波不能辐射，但是周期单元会激发高次空间谐波，形成快波，从而天线可以将能量辐射出去，天线的设计结构简单，基于微带线结构的天线，辐射效率高，在其工作频带内天线的辐射效率可以达到90%以上。

周期单元包括介质板顶层第一表面的金属微带线，介质板，介质板底层的第二表面上的金属层组成。

在其中的一个实施例子中，所述天线的周期单元包括顶层规则的金属微带线，所述的金属微带线结构关于周期单元的中心且垂直于天线导行波传播方向对称，并且单元的排列向同一方向延伸，单元的中心位于同一条直线上面。

在其中的一个实施例子中周期单元的顶层金属微带线结构为规则的矩形拼接而成，且单元上表面的中心为两条垂直于天线导行波传播方向的两条平行微带线构成的一个间隙，形成一个类似于平行板电容的gap结构。

在其中的一个实施例子中周期单元的顶层金属微带线结构垂直于天线导行波传播方向，且在主微带线的两侧分布有两种规格的规则矩形金属贴片，设置金属贴片的目的是为了改善天线的阻抗匹配，降低天线的反射系数，提升天线的电压驻波比。

在其中的一个实施例子中，天线的馈电结构部分为金属微带线结构，端口阻抗的微带线的阻抗设置为50欧姆，做好天线的端口阻抗匹配，馈电部分的端口微带线为矩形金属贴片，紧接着矩形贴片的是一个过渡梯形金属贴片，其目的是为了改善天线的阻抗匹配。

在其中的一个实施例子中，整个天线的介质板为规则的矩形，天线的最底层，也就是介质板的第二平面为规则的矩形金属层，其大小与介质板的大小完全一致。

在其中的一个实施例子中，天线关于天线的中心且沿垂直于天线导行波传播方向的对称。

附图说明

图1a是本发明波束高扫描率天线的顶层结构示意图；

图1b是本发明波束高扫描率天线的底层结构示意图；

图2是本发明波束高扫描率天线的馈电部分的结构和天线周期单元的示意图；

图3是本发明的波束高扫描率天线的仿真和实际测试的S参数结果；

图4是本发明的波束高扫描率天线仿真得到的辐射效率结果；

图5是本发明的波束高扫描率天线仿真的得到的远场方向图；

图中附图标记含义：1.介质板；2.矩形金属贴片；3.主微带线结构；4.矩形金属贴片；5.底层金属薄片；6.梯形过渡金属贴片；7.端口矩形金属贴片；8.第一微带线；9.第二微带线；10.第四微带线；11.中心缝隙；12.第三微带线。

具体实施方式

下面结合附图用具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1a和1b所示，本发明的基于微带线结构的波束高扫描率天线包括底层金属薄片5，位于中间层的介质板1，介质板1上的主微带线结构3，和主微带线结构3上的矩形金属贴片2和矩形金属贴片4，设置矩形金属贴片2和矩形金属贴片4的目的是为了改善天线的阻抗匹配问题，主微带线结构3具有天线周期单元与馈电单元。

如图2所示，主微带线结构3包括端口矩形金属贴片7、梯形过渡金属贴片6、天线周期单元的第一段微带线8、第二段微带线9、第四段微带线10、中心缝隙11和第三微带线12。其中，端口矩形金属贴片7用于连接SMA连接头，与外部的信号源相接，馈电单元的梯形过渡金属贴片6，是为了改善天线在宽频带上的阻抗匹配问题；天线周期单元的第一段微带线8与天线的导行波方向平行，天线周期单元的第二段微带9与天线的导行波方向垂直，且与周期单元的第一段微带线8的末端相接，天线周期单元的第三段微带线12与天线的导行波方向平行，且与周期单元的第二段微带线9的末端相接，天线周期单元的第四段微带10与天线的导行波方向垂直，且与周期单元的第三段微带线12的末端相接，相邻两条垂直于天线导行波传播方向的第四段微带10之间设有中心缝隙11，其等效为平行板电容，目的是为了提高天线的扫描率。

本发明的微波谐振器设计在三维电磁仿真软件CST环境进行的；其中介质板选取的高频板F4B_2.65，介电常数2.65，厚度为1mm，电介质损耗0.009。

如图3所示，仿真结果显示天线在5.8GHz–7.3GHz的宽频带下的反射系数都低于-10dB，表现出了很好的传输性能，实测结果显示，天线在6GHz–7.5GHz的频段内天线的反射系数均低于-10dB，存在的偏差宽的原因可能是加工与测试的误差，但是并不影响天线的性能。

如图4所示是本发明的波束扫描天线仿真得到的辐射效率，结果上面显示，天线在工作频带内显示出了较好的辐射效率，可以达到90%以上。

如图5所示是的波束扫描天线的远场方向图，随着频率的改变，天线的波束也发生相应的变化，具体地讲，随着频率的增加，天线的波束扫描角逐渐从后向向前向扫描，此外，天线波束的旁瓣很小，辐射出去的能量主要集中在主瓣上，表现出了很好的波束扫描和远场方向性能。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于微带线结构的波束高扫描率天线，包括：

介质板（1），包括顶层的第一表面和底层的第二表面；

主微带线结构（3），设置于介质板的第一表面上，包括多个相同结构的金属微带线周期单元延伸平行排列，即周期单元的中心位于同一条直线上；

底层金属薄片（5），介质板（1）的第二表面覆盖所述底层金属薄片（5）；

其特征在于：所述金属微带线周期单元包括端口矩形金属贴片（7）、梯形过渡金属贴片（6）、天线周期单元的第一段微带线（8）、第二段微带线（9）、第四段微带线（10）、中心缝隙（11）和第三微带线（12），其中，所述端口矩形金属贴片（7）用于连接SMA连接头，与外部的信号源相接，天线周期单元的第一段微带线（8）与天线的导行波方向平行，天线周期单元的第二段微带（9）与天线的导行波方向垂直，且与周期单元的第一段微带线（8）的末端相接，天线周期单元的第三段微带线（12）与天线的导行波方向平行，且与周期单元的第二段微带线（9）的末端相接，天线周期单元的第四段微带（10）与天线的导行波方向垂直，且与周期单元的第三段微带线（12）的末端相接，相邻两条垂直于天线导行波传播方向的第四段微带（10）之间设有中心缝隙（11），其等效为平行板电容。

2.如权利要求1所述的基于微带线结构的波束高扫描率天线，其特征在于：

所述金属微带线周期单元关于垂直于天线导行波方向周期单元中心对称，并且周期单元的排列向同一方向延伸，周期单元的中心位于同一条直线上面。

3.如权利要求1或2所述的基于微带线结构的波束高扫描率天线，其特征在于：

所述主微带线结构（3）的两侧分布有两种规格的矩形金属贴片。

4.如权利要求1或2所述的基于微带线结构的波束高扫描率天线，其特征在于：所述端口矩形金属贴片（7）和梯形过渡金属贴片（6）相连组成端口微带线。

5.如权利要求1或2所述的基于微带线结构的波束高扫描率天线，其特征在于：

所述介质板（1）为规则的矩形，所述底层金属薄片（5）大小与介质板的大小一致。

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