CN111969301A - 一种用于94GHz机载合成孔径微波辐射计的变频扫描天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于94GHz机载合成孔径微波辐射计的变频扫描天线。该天线结构包括介质板、金属地板、馈电头、传输线和周期性排列的开路短截线。周期性排列的开路短截线垂直连接于传输线同一侧，构成金属辐射体。所述金属辐射体设置于所述介质板的一侧表面，所述金属地板设置于介质板的另一侧表面。馈电接头的中心馈电探针和外导体分别与金属辐射体、金属地板连接。该天线每个周期接有两个宽度不同的等长开路短截线，即在每个周期内使用两个不同的结构，消除了天线的开阻带现象，使天线主瓣能完成后向到前向区域的连续扫描。其结构简单、易于加工，并且该天线工作于毫米波高频段，为搭载于无人机平台天线前端提供了一种可行的技术路线。

Description

一种用于94GHz机载合成孔径微波辐射计的变频扫描天线

技术领域

本发明涉及被动微波探测应用领域，具体涉及一种用于94GHz机载合成孔径微波辐射计的变频扫描天线。

背景技术

天线作为信号的出口和入口，在无线通信和微波探测领域具有不可或缺的作用。而在合成孔径的微波探测实际系统中，为了减少机械扫描设备由于震动而引进的误差，提高探测精度，往往都需要具有频率扫描特性的高增益天线作为探测前端。搭载于无人机平台的94GHz微波辐射计可以实现300米左右高度的低空对地探测，使用变频扫描天线可以在无人机飞行轨迹的垂直方向上，同时获取线状空间区域上的一系列频率信号，频率不同，主波束的空间指向不同，避免了机械扫描设备马达震动引进的误差和扫描时延，然后利用合成孔径遥感技术形成二维图像。因此，具有变频扫描固有特性的漏波天线是该设备天线前端的一种合理选择。

微带漏波天线是一类利用微带线中的行波作为主辐射源的天线，具有主波束指向随工作频率变化而变化的变频扫描特性，其能够产生窄波束故增益较强，具有馈电网络简单，剖面低等优点。由于这些优点，微带漏波天线一直是天线领域研究热点。在传统的均匀性微带漏波天线中，波束只能在前向进行扫描，若作为探测设备的前端天线使用，较难提供足够的波束覆盖范围；而在周期性微带漏波天线中，波束能从后向扫描到前向，具有更宽广的扫描范围。但周期性微带漏波天线在从后向扫描到前向的过程中，会出现开阻带现象，即主波束扫描到边射方向(天线所在平面的法线方向)时，增益会急剧衰减，从而使整个扫描过程不能连续进行。另一方面，现有微带漏波天线，大部分工作于微波频段或毫米波的低频段，工作频率在毫米波高频段94GHz大气窗口附近的漏波天线数量较少。

发明内容

为解决上述提出的开阻带问题以及符合94GHz毫米波辐射计的工作频率要求，本发明提出一种周期性加载开路短截线的微带漏波天线，其可实现边射方向衰减较小的大范围主波束变频扫描，且工作于94GHz左右的高频率段。

本发明解决其问题所采用的技术方案是：

一种周期性加载开路短截线的微带漏波天线。包括介质板、金属地板、馈电头、传输线和周期性排列的开路短截线。所述开路短截线一端与所述传输线连接，且分布于传输线同一侧，周期性排布，每个周期接有两个宽度不同的等长开路短截线，分别为第一开路短截线和第二开路短截线，形成金属辐射体。所述开路短截线与传输线相交形成的夹角为直角。所述金属辐射体设置于所述介质板的一侧表面，所述金属地板设置于介质板的另一侧表面。所述馈电接头包括外导体和中心馈电探针，所述外导体与所述金属地板连接，所述中心馈电探针与金属辐射体连接。

优选的，所述介质板的介质为固体介质。

优选的，所述介质板为长方形。

优选的，所述金属地板、传输线为平面结构，且紧贴介质板。

优选的，所述第一开路短截线和第二开路短截线的长度约为天线工作频率对应的介质中半波长长度，每个周期中两个开路短截线的间距为天线工作频率对应的介质中四分之一波长长度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供加载开路短截线的周期性微带漏波天线，其结构小巧，尺寸明显低于传统微带矩形漏波天线。结构简单，易于工业加工。且本发明通过在每个周期内设置两个不同的开路短截线，之后对开路短截线尺寸、位置进行调整，并进行阻抗匹配，消除了开阻带效应造成的边射方向天线增益大幅衰减的问题，实现了主波束从后向到前向连续扫描。其次，其工作频率在94GHz附近的毫米波频率段，满足该大气窗口频段的毫米波辐射计的设备需求，可直接作为机载合成孔径毫米波辐射计的天线使用，为该设备的天线前端提供了一条新的技术路线。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是无人机机载合成孔径微波辐射计的工作过程和成像原理；

图2是具有开阻带问题的未优化的微带漏波天线正面示意图；

图3是本发明实施例的正面示意图；

图4是本发明实施例的背面示意图；

图5是本发明实施例的侧面示意图；

图6是本发明实施例正面尺寸图；

图7是初始和优化后的本发明实施例的S₁₁反射系数曲线图；

图8是初始结构边射扫描附近的辐射方向图；

图9是优化后的本发明实施例的边射扫描附近的辐射方向图；

图10是优化后的本发明实施例在极坐标下的辐射方向图。

附图标记：介质板1、传输线2、第一开路短截线3、第二开路短截线4、外导体5、中心馈电探针6、金属地板7。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

实施例1，如图1是无人机机载合成孔径微波辐射计的工作过程和成像原理。纵向是天线主波束扫描范围，横向是无人机飞行经过的距离。自然界中所有物体任何时刻都在向外辐射电磁波，使用变频扫描天线可以在无人机飞行轨迹的垂直方向上，同时获取线状空间区域上的一系列频率信号。随着无人机向前飞行，天线不断扫描，从而获取飞行过程中宽度为扫描范围，长度为无人机飞行距离的二维空间区域信号。图中每个小方块为一个小区域的图像信息，其中纵向为天线其中一个带宽BW_n所对应的主波束扫描范围，横向为无人机在时间Δt内飞行的距离。获取各小区域内图像信息后利用合成孔径遥感技术将各区域信号合成为完整的图像信息，实现成像。

如图3、图4、图5所示，本发明提供一种在每个单元使用两个类似但不完全相同的开路短截线的微带漏波天线。该微带漏波天线包括介质板1、传输线2、每个单元内的两个开路短截线，即第一开路短截线3和第二开路短截线4、金属地板7、馈电接头。

传输线2为直线，第一开路短截线3和第二开路短截线4的一端与传输线2连接且分布在传输线2的同一侧，周期性平行排列，从而构成金属辐射体。第一开路短截线3和第二开路短截线4均与传输线2垂直相交。金属辐射体与金属地板7分别紧密贴合在介质板1的两侧。所述馈电接头包括外导体5和中心馈电探针6，外导体5与金属地板7连接，中心馈电探针6与金属辐射体连接。

在本实施例中，介质板1的形状为长方形，介质板1内部的介质为一种固体介质。本实施例中使用了Rogers(罗杰斯)5880的介质板材料。本实施例中，金属辐射体的材料选择为铜，可采用电路板印刷的方式印制。

如图2所示，是未经优化的微带漏波天线，其每个周期内仅存在一个开路短截线，此结构主波束虽然可从后向扫描到前向，但在边射方向上存在开阻带现象，天线增益急剧衰减。因此对其进行优化，得到图3发明的天线结构，具体优化过程如下：

(1)在每个周期内添加一个与第一开路短截线3长度相同，宽度略微不同的第二开路短截线4，使每个周期存在两个不同却相似的元件，以打乱原有的电磁分布。添加的第二开路短截线4宽度与第一开路短截线3宽度略微不同，因此实际操作时可将第二开路短截线4宽度在第一开路短截线3宽度附近小幅度地变化，选取对应于最佳宽度的参数。

(2)调整单个周期内两个开路短截线间的距离。其中将天线工作频段的中心频率在介质基板1中对应的波长定义为λ_g。通过多次的测试发现，两个开路短截线间距离通常约为四分之一波长

为最佳。因此实际操作可先将两开路短截线距离设置在四分之一波长，之后小范围地调试，选取最佳的距离参数。

在实施例中，一些参数与天线工作频段的中心频率所对应的波长有关。其波长计算方式如下所示。

微带线的等效介电常数计算公式如下：

其中d为介质板的厚度，W为微带传输线的宽度，ε_r为介质板的相对介电常数，ε_e为微带线的有效介电常数。因此，可知其相应的相速度v_p为：

其中c为光速。

从而得出在中心频率为f处的波长λ_g为：

如图6的正面尺寸图所示。如下给出本实例中通过优化所获得的结果较好的优选尺寸数值，但实际应用时并不局限于此，此处仅作为例子给出数值。本实施例所用介质板1为Rogers 5880，其介电常数ε_r＝2.2，介质板1厚度h＝0.254mm，其长度L＝28.9mm，宽度W＝5mm，损耗角正切为0.0009。传输线2的长度与介质板1相同，宽度W₁＝0.4mm。其上的第一开路短截线3、第二开路短截线4的长度为介质板中的半波长，经过前面公式算得，在天线工作频段中心频率为94GHz时，其波长约为λ_g＝2.2mm，因此第一开路短截线3、第二开路短截线4的长度L₁＝1.1mm。第一开路短截线3、第二开路短截线4的宽度分别为W₂＝0.1mm，W₃＝0.08mm。两开路短截线间的间距为d＝0.5mm，与四分之一个波长略微不同，通过多个实例发现，通常最优值会在四分之一波长尺寸附近，即均会接近四分之一波长。单个周期单元的长度p＝2.4mm。

通过控制两个开路短截线的长度，可以相应地控制天线工作频段的中心频率，从而使中心频率处于94GHz的高频率段。若想改变天线中心频率而变化短截线长度时，通常还会伴随着周期p、两短截线距离d、短截线宽度W₁和W₂、传输线宽度W等一系列的参数的相应调试，才能够获得较好的性能。而传输线的长度L影响天线辐射效率进而影响增益，若衰减因子α较小能量辐射缓慢时，可以增加传输线的长度L从而提升辐射效率，最后达到提高天线增益的目的。此处将传输线的长度L设置在约13倍波长。

初始模型和优化后天线的S₁₁反射系数如图7所示。初始模型在边射方向，即天线所在平面的法线方向，S₁₁的值急剧增加，远大于工程应用要求的-10dB此时大多数能量被反射，天线失配无法正常工作。改进后结构，边射方向处的S₁₁值大程度下降，从而在66GHz至124GHz的频率范围内S₁₁都能稳定保持低于-10dB，天线辐射性能良好。

由图8初始结构边射方向附近的辐射方向图可见，天线在边射方向处的增益急剧衰减，增益衰减幅度超过3dB，辐射方向图畸变。出现开阻带现象。而由图9优化后结果说明在边射方向处增益的衰减得到明显的抑制，使天线主波束可以从后向到前向区域实现连续扫描。通过图10可见，本发明实施例天线的主瓣可以从-20度扫描到44度，覆盖64度空间角的扫描范围。

上述仅为说明本发明而举的效果较佳的实例，并非对本发明的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种用于94GHz机载合成孔径微波辐射计的变频扫描天线，其特征在于包括：包括介质板(1)、传输线(2)、每个单元内的两个开路短截线，分别为第一开路短截线(3)和第二开路短截线(4)、馈电接头和金属地板(7)；传输线(2)为直线，第一开路短截线(3)和第二开路短截线(4)的一端与传输线(2)连接且分布在传输线(2)的同一侧，周期性平行排列，从而构成金属辐射体；第一开路短截线(3)和第二开路短截线(4)与传输线(2)垂直排列,金属辐射体与金属地板(7)分别紧密贴合在介质板(1)的两侧；所述馈电接头包括外导体(5)和中心馈电探针(6)，外导体(5)与金属地板(7)连接，中心馈电探针(6)与金属辐射体连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于94GHz机载合成孔径微波辐射计的变频扫描天线，其特征在于：所述介质板(1)内部的介质为固体介质。

3.根据权利要求1所述的一种用于94GHz机载合成孔径微波辐射计的变频扫描天线，其特征在于：第一开路短截线(3)和第二开路短截线(4)的长度均为传输的电磁波中心频率对应波长λ_g的一半，即

4.根据权利要求1所述的一种用于94GHz机载合成孔径微波辐射计的变频扫描天线，其特征在于：第一开路短截线(3)和第二开路短截线(4)的间距为

5.根据权利要求1所述的一种用于94GHz机载合成孔径微波辐射计的变频扫描天线，其特征在于：传输线(2)的长度设置为13倍λ_g。

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