CN112054306B - 一种增益稳定的周期型微带漏波天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种增益稳定的周期型微带漏波天线，包括介质板、金属传输带、阻抗匹配部分、金属化通孔、寄生金属条带、馈电头、金属地板；金属传输带、金属地板分别覆盖于介质板上下层表面；金属传输带的一边缘周期性地开有若干组三叉槽、另一边缘周期性地引入金属化通孔，两两三叉槽之间设置附加小槽；寄生金属条带加载于介质板上层表面一开放边界处，在寄生金属条带内引入一排紧密分布的金属过孔，寄生金属条带位于介质板上层靠近三叉槽的一边侧。本发明可解决传统周期性漏波天线侧边增益衰减的问题，实现从后向到前向无衰减的波束扫描。在整个工作范围内，可保证较大的扫描范围，主波束增益稳定，辐射特性良好，有较高的应用前景。

Description

一种增益稳定的周期型微带漏波天线
技术领域
本发明属于无线通信应用领域，具体涉及一种增益稳定的周期型微带漏波天线。
背景技术
随着社会科学技术的高速发展，现今人们已经处于信息化的时代。无线通信技术的迅速发展，使人们交流变得更加便利以及多样，也对通信系统提出了更高速率、大容量传输的要求。天线作为通信系统的重要组成部分，承担着发射和接收电磁波的工作，是能量从有线传输过渡到无线传输的中间纽带。
漏波天线是一类行波辐射器，具有简单的馈电网络、良好的频扫特性、较强的方向性和高增益，已被用于各种研究，如多点通信、监视系统。早期的漏波天线通过沿传输线加载连续分布的辐射单元来实现，这类漏波天线仅可辐射前向扫描波束，扫描范围受到极大的限制。近年来，辐射单元具有周期型分布的漏波天线，即周期型漏波天线，因其能实现后向和前向的波束扫描，已受到了人们广泛的关注。传统周期型漏波天线存在开阻带，无法辐射出由开阻带抑制的侧边波束。在开阻带处，由辐射单元引起的所有反射波都同相叠加，从而导致较大的回拨损耗，从而无法实现从后向到前向的连续波束扫描。因此，传统周期型存在一定的局限性，已无法满足现今人们的需求。
另一方面，天线增益是否稳定，是评判天线性能好坏的又一标准。现阶段设计大多数周期型漏波天线在消除开阻带的前提下，无法保证增益的稳定，增益变化幅度过大，影响天线性能。
发明内容
针对现有技术中的不足与难题，本发明旨在提供一种增益稳定的周期型微带漏波天线。
本发明通过以下技术方案予以实现：
一种增益稳定的周期型微带漏波天线，该漏波天线包括介质板、金属传输带、阻抗匹配部分、金属化通孔、寄生金属条带、馈电头、金属地板；金属传输带、金属地板分别覆盖于介质板上下层表面，金属地板、金属传输带均为平面结构，馈电头位于介质板的首尾两侧，金属传输带与馈电头连接部分设置有阻抗匹配部分；金属传输带的一边缘周期性地开有若干组三叉槽、另一边缘周期性地引入金属化通孔，两两三叉槽之间设置附加小槽；寄生金属条带加载于介质板上层表面一开放边界处，在寄生金属条带内引入一排紧密分布的金属过孔，寄生金属条带位于介质板上层靠近三叉槽的一边侧。
进一步地，每组三叉槽包括一条横直槽、两条分别与横直槽两侧相交的斜向槽；两条斜向槽以横直槽中线为对称轴相互对称，使得两条斜向槽与横直槽形成相同的夹角，且两条斜向槽长度相同；三叉槽位于相邻两个金属化通孔连线的中线位置。
进一步地，横直槽和两个相互交叉的斜向槽等长，长度均为四分之一工作波长，且其波动范围为±0.5mm；横直槽的宽度是斜向槽宽度的三倍。
进一步地，附加小槽与金属化通孔分别分布于金属传输带两侧，两者位置在正对的基础上，调节附加小槽使其与金属化通孔在纵向上产生一个偏移量，偏移量范围在1mm至2.5mm。
进一步地，寄生金属条带与金属传输带边侧相距1.6mm至2.2mm。
进一步地，两两金属过孔之间的间距小于金属过孔直径的3倍。
进一步地，阻抗匹配部分设置有矩形和直角梯形的匹配结构，并位于金属传输带与馈电头的连接处。
与现有技术相比，本发明有益效果包括：
1.本发明解决了传统周期型微带漏波天线存在的开阻带问题，侧边增益辐射效果好，波束能够实现从后向到前向无衰减地波束扫描。
2.本发明在工作频率范围内可实现82°的扫描范围，扫描范围大，辐射性能良好，适用于多个工作领域。
3.本发明增益稳定，在整个工作频率范围内，主波束增益变化较小，结构简单，易于工业生产。
附图说明
图1是本发明实施例正面结构示意图；
图2是本发明实施例背面结构示意图；
图3是本发明实施例侧面结构尺寸图；
图4是本发明实施例S参数曲线；
图5是本发明实施例在工作范围内的辐射方向图；
图6是本发明实施例在工作范围内主波束指向角随频率变化的曲线图。
图示说明：1-介质板，2-金属传输带，3-阻抗匹配部分，4-金属化通孔，5-横直槽，6-斜向槽，7-附加小槽，8-金属过孔，9-寄生金属条带，10-外导体，11-中心馈电探针，12-金属地板。
在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“直”、“横”、“内”、“外”、“斜”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接、可拆卸连接、一体地连接；可以是机械连接、电连接；可以是直接相连、中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作进一步地说明。
如图1、图2、图3所示的结构示意图，一种增益稳定的周期型微带漏波天线，该漏波天线包括介质板1、金属传输带2、阻抗匹配部分3、金属化通孔4、寄生金属条带9、馈电头、金属地板12。
具体地，介质板1为长方体，其厚度在1.5mm至2mm，其内部为固体介质，本实施例使用了Rogers 5880的介质板材料，其相对介电常数εr＝2.2，介质损耗角正切值tanδ＝0.0009。
金属传输带2、金属地板12分别覆盖于介质板1上下层表面，金属地板12、金属传输带2均为平面结构，阻抗匹配部分3位于金属传输带2首尾两侧，馈电头位于介质板1的首尾两侧。
寄生金属条带9加载于介质板1上层表面一开放边界处，且与金属传输带2边侧相距1.6mm至2.2mm；在寄生金属条带9内引入一排紧密分布的金属过孔8，形成金属壁，抑制开放边界的能量泄露，从而稳定天线的辐射增益。两两金属过孔8之间的间距小于金属过孔8直径的3倍。
金属传输带2的一边缘周期性地开有若干组三叉槽、另一边缘周期性地引入金属化通孔4，两两三叉槽之间设置附加小槽7，天线能量于上述槽处泄漏，构成辐射体；金属化通孔4将上下两层金属层(金属传输带2和金属地板12)互相可靠连通。寄生金属条带9位于介质板1上层靠近三叉槽的一边侧。金属传输带2呈周期性分布，周期数设置为14，即三叉槽数量为14组。
每组三叉槽包括一条横直槽5、两条分别与横直槽5两侧相交的斜向槽6，两条斜向槽6以横直槽5中线为对称轴相互对称，使得两条斜向槽6与横直槽5形成相同的夹角，且两条斜向槽6长度相同。横直槽5和两条相互交叉的斜向槽6位于相邻两个金属化通孔4连线的中线位置。
其中，横直槽5和两个相互交叉的斜向槽6等长，长度均为四分之一波长，横直槽5的宽度是斜向槽6宽度的三倍。
附加小槽7与金属化通孔4分别分布于金属传输带2两侧，两者位置在正对的基础上，调节附加小槽7使其与金属化通孔4在纵向上产生一个偏移量，偏移量范围在1mm至2.5mm。在实际操作中，需调节横直槽5和斜向槽6之间的夹角、附加小槽7与金属化通孔4的偏移量，改变天线内部的结构分布，达到消除开阻带的作用。
实际操作中，需要配合上述横直槽5和斜向槽6之间的夹角、附加小槽7与金属化通孔4的偏移量的值，综合调节，在实现从后向到前向连续波束扫描的基础上，调节主波束增益的大小，最终实现主波束增益的稳定。
馈电头包括外导体10、中心馈电探针11，外导体10与金属地板12连接，中心馈电探针11与金属传输带2连接。金属传输带2与馈电头连接部分设置有阻抗匹配部分3，以减小回波损耗对天线性能的影响。阻抗匹配部分3设置有矩形和直角梯形的匹配结构，并位于金属传输带2与馈电头的连接处。
如图4是本发明实施例的S参数曲线，为便于后续的数据分心，首先通过公式叙述S参数的定义。
在N端口网络中，通过散射矩阵([S]矩阵)将入射到端口的电压波与来自端口的反射波联系起来，其中设
Figure BDA0002638374920000051
是入射到n端口的电压振幅，
Figure BDA0002638374920000052
是自n端口反射的电压波振幅。散射矩阵由这些入射和反射电压波之间的联系确定，用矩阵表示如下
Figure BDA0002638374920000053
或
[V-]＝[S][V+]
[S]矩阵元可确定为
Figure BDA0002638374920000054
换言之，通过使用入射波
Figure BDA0002638374920000055
激励j端口并测量i端口出来的反射波
Figure BDA0002638374920000056
可按上式得出Sij，同时要求除j端口外的所有其他端口上的入射波设置为零，即其他所有端口应端接匹配负载以避免出现反射。
图4中的S11由下式可算得
Figure BDA0002638374920000057
上式与反射系数的式子相同，因此可通过S11观察回拨损耗。S11值越低，回波损耗越小，天线性能越优良。
通常但S11的值低于-10dB时，可认为回波损耗已不影响天线的工作。由图4可观察到，在7.55GHz至10.15GHz的频率范围内，S11的值始终处于-10dB以下。侧边波束对应的频率为9GHz，从图中可观察到，S11值较低，开阻带成功被抑制。
图5是本发明实施例在工作范围内(7.55GHz至10.15GHz)的辐射方向图，横轴θ为主波束指向的角度。随着频率的增大，天线主波束方向逐渐从后向变化到前向，实现了从后向到前向无衰减的连续波束扫描，再一次显示了天线的开阻带已经被成功抑制。此外，从图5中还可观察到，在整个工作范围内，主波束增益保持了较高的稳定性。工作范围内的大部分范围增益基本保持平稳，仅在边缘部分有轻微的下降。
图6是本发明实施例在工作范围内主波束指向角随频率变化的曲线图。在工作范围内，主波束实现了82°(从-46°到35.5°)的扫描角度，扫描范围广，整体上，辐射性能较好。
以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种增益稳定的周期型微带漏波天线，其特征在于：包括介质板（1）、金属传输带（2）、阻抗匹配部分（3）、金属化通孔（4）、寄生金属条带（9）、馈电头、金属地板（12）；所述金属传输带（2）、所述金属地板（12）分别覆盖于所述介质板（1）上下层表面，所述金属地板（12）、所述金属传输带（2）均为平面结构，所述馈电头位于介质板（1）的首尾两侧，所述金属传输带（2）与所述馈电头连接部分设置有所述阻抗匹配部分（3）；所述金属传输带（2）的一边缘周期性地开有若干组三叉槽、另一边缘周期性地引入金属化通孔（4），两两所述三叉槽之间设置附加小槽（7）；所述寄生金属条带（9）加载于介质板（1）上层表面一开放边界处，在所述寄生金属条带（9）内引入一排紧密分布的金属过孔（8），所述寄生金属条带（9）位于所述介质板（1）上层靠近所述三叉槽的一边侧；每组所述三叉槽包括一条横直槽（5）、两条分别与所述横直槽（5）两侧相交的斜向槽（6），两条所述斜向槽（6）以所述横直槽（5）中线为对称轴相互对称，使得两条所述斜向槽（6）与所述横直槽（5）形成相同的夹角，且两条所述斜向槽（6）长度相同；所述三叉槽位于相邻两个所述金属化通孔（4）连线的中线位置。
2.根据权利要求1所述的一种增益稳定的周期型微带漏波天线，其特征在于：所述横直槽（5）和两个相互交叉的斜向槽（6）等长，其长度均为四分之一工作波长，且其波动范围为±0.5mm；所述横直槽（5）的宽度是斜向槽（6）宽度的三倍。
3.根据权利要求1所述的一种增益稳定的周期型微带漏波天线，其特征在于：所述附加小槽（7）与所述金属化通孔（4）分别分布于所述金属传输带（2）两侧，两者位置在正对的基础上，调节所述附加小槽（7）使其与所述金属化通孔（4）在纵向上产生一个偏移量，偏移量范围在1mm至2.5mm。
4.根据权利要求1所述的一种增益稳定的周期型微带漏波天线，其特征在于：所述寄生金属条带（9）与所述金属传输带（2）边侧相距1.6mm至2.2mm。
5.根据权利要求1所述的一种增益稳定的周期型微带漏波天线，其特征在于：两两所述金属过孔（8）之间的间距小于所述金属过孔（8）直径的3倍。
6.根据权利要求1所述的一种增益稳定的周期型微带漏波天线，其特征在于：所述阻抗匹配部分（3）设置有矩形和直角梯形的匹配结构，并位于所述金属传输带（2）与所述馈电头的连接处。
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