CN112054307B - 一种周期性加载寄生贴片增益稳定的微带漏波天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种周期性加载寄生贴片增益稳定的微带漏波天线，包括介质板、金属传输带、金属地板、馈电接头、阻抗匹配部分、寄生贴片，介质板上下层分别与金属传输带和金属地板紧密贴合，寄生贴片周期性加载于介质板上表面；金属传输带沿着其长度向周期性地蚀刻若干组三叉槽，两两三叉槽之间设置附加小槽；金属钉与三叉槽分别位于金属传输带相对的两边侧，附加小槽与三叉槽位于金属传输带相同的边侧，寄生贴片分布于靠近金属传输带上三叉槽的一侧。本发明克服了通过引入寄生贴片，与金属传输带相互补偿，改善了天线辐射性能。实际操作中可根据不同情况，调整所述寄生贴片的形状、大小，以及与所述金属传输带的位置，达到最佳辐射性能。

Description

一种周期性加载寄生贴片增益稳定的微带漏波天线
技术领域
本发明涉及无线通信应用领域，特别是一种周期性加载寄生贴片增益稳定的微带漏波天线。
背景技术
近几年内，科学技术得到不断的创新与发展，无线通信技术也产生了质的飞跃，在移动通信、雷达探测等领域中得到了广泛的应用，人民生活水平因此得到显著的提升。天线在无线电设备中，被用于辐射和接收无线电波，为发射机或接收机与传播无线电波的媒质之间提供所需要的耦合，在无线通信领域具有重要的地位。随着通信技术的革新，5G时代的到来，对天线的性能提出了更高的要求。相关领域人员因此进行了大量的研究，设计出了多种性能优良，分别适用于不同工作需求的天线。
微带漏波天线因其具有的低剖面、易于加工制造、高方向性、高增益等优点以及固有的波束扫描特性，受到了人们广泛的关注。周期性微带漏波天线扫描范围较广，具有一定的研究价值。
传统的周期性微带漏波天线能够实现前向和后向两个象限的扫描，但当波束扫描到边射方向时，天线内各结构阻抗失配。各反射波相互叠加形成开阻带，侧边增益急剧衰减，使天线无法实现从后向到前向的连续波束扫描，天线性能受到极大的限制。同时，工作范围内主波束增益的稳定性也是限制天线性能的另一重要因素。因此，需要进行一定的设计，改进天线结构，改善天线的辐射性能，使天线能够实现从后向到前向的连续波束扫描，并在此过程中，保持增益的稳定性。
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周期性加载寄生贴片增益稳定的微带漏波天线。
本发明通过以下技术方案予以实现：
一种周期性加载寄生贴片增益稳定的微带漏波天线，包括介质板、金属传输带、金属地板、馈电接头、阻抗匹配部分、寄生贴片，介质板上下层分别与金属传输带和金属地板紧密贴合，金属地板、金属传输带为平面结构，阻抗匹配部分位于金属传输带首尾两侧，馈电接头位于介质板的首尾两侧，寄生贴片周期性加载于介质板上表面；金属传输带沿着其长度向周期性地蚀刻若干组三叉槽，两两三叉槽之间设置附加小槽，金属传输带上设置若干组金属钉，金属钉贯穿介质板上下层；金属钉与三叉槽分别位于金属传输带相对的两边侧，附加小槽与三叉槽位于金属传输带相同的边侧，寄生贴片分布于靠近金属传输带上三叉槽的一侧。
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的夹角相等，且两条斜向槽长度相同。
进一步地，横直槽设置于两两相邻两个金属钉的中线位置，横直槽的长度设置为四分之一波长，且其波动范围为±0.5mm；斜向槽长度与横直槽的相等，其宽度为横直槽宽度的三分之一。
进一步地，附加小槽与对应的金属钉在纵向上有1mm至3mm的偏移。
进一步地，寄生贴片与金属传输带边侧相距0.8mm至1.2mm，除最右侧位置的其他寄生贴片的右侧边缘正对附加小槽。
进一步地，周期性微带漏波天线周期数设置为14，即三叉槽与寄生贴片的数量均为14。
进一步地，馈电接头包括外导体以及中心馈电探针，外导体与金属地板连接，中心馈电探针与金属传输带连接；在馈电接头与金属传输带之间设置阻抗匹配部分。
与现有技术相比，本发明有益效果包括：
1.本发明提供的周期性加载寄生贴片的微带漏波天线属于平面结构，具有低剖面，易于加工制造，波束指向性较强，波束增益高。
2.本发明通过在所述金属传输带中开槽、引入短路钉，消除了传统周期性漏波天线存在的开阻带问题，使主波束侧边增益较高，可实现从后向到前向的连续波束扫描，扫描范围大，辐射性能良好。
3.本发明通过引入周期性分布的寄生贴片，与所述金属传输带上蚀刻的槽和金属钉相互作用，维持了工作范围内主波束增益的稳定性。
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是本发明实施例的侧面示意图；
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-金属钉，5-横直槽，6-斜向槽，7-附加小槽，8-寄生贴片，9-外导体，10-中心馈电探针，11-金属地板。
在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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所示的各方向结构示意图，一种周期性加载寄生贴片增益稳定的微带漏波天线，包括介质板1、金属传输带2、金属地板11、馈电接头、阻抗匹配部分3、寄生贴片8，介质板1上下层分别与金属传输带2和金属地板11紧密贴合，金属地板11、金属传输带2为平面结构，阻抗匹配部分3位于金属传输带2首尾两侧，馈电接头位于介质板1的首尾两侧，寄生贴片8周期性加载于介质板1上表面，其与金属传输带2相互影响，产生感应电荷，形成感应电场，对远场电磁波产生影响，实现较好的远场方向图。
具体地，介质板1为长方体，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沿着其长度向周期性地蚀刻若干组三叉槽，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。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的夹角相等，且两条斜向槽6长度相同。金属传输带2上设置若干组金属钉4，金属钉4贯穿介质板1上下层，使金属传输带2与金属地板11连通。
横直槽5设置于两两相邻两个金属钉4的中线位置，横直槽5的长度设置为四分之一波长，实际操作时，长度在四分之一波长附近允许有0.5mm的幅度波动；斜向槽6长度与横直槽5的相等，其宽度为横直槽5宽度的三分之一。
金属钉4与三叉槽分别位于金属传输带2相对的两边侧，附加小槽7与三叉槽位于金属传输带2相同的边侧，附加小槽7与金属钉4在纵向上有一个1mm至3mm的偏移，具体偏移量需根据天线开阻带的抑制情况进行选取。实际操作中，通过调节斜向槽6与横直槽5之间的夹角，以及附加小槽7与金属钉4在纵向上的偏移量，选取最佳参数，实现消除开阻带的效果。
寄生贴片8分布于靠近金属传输带2上三叉槽的一侧，寄生贴片8与金属传输带2边侧相距0.8mm至1.2mm，除最右侧位置的其他寄生贴片8的右侧边缘正对附加小槽7，与天线辐射部分产生相互作用，对天线主波束增益产生一定影响。根据天线所处环境不同，选择合适的参数，可实现从后向到前向连续无衰减的波束扫描，扫描范围较大，且能保证主波束增益的稳定性。
具体实施中，周期性微带漏波天线周期数设置为14，即三叉槽与寄生贴片8的数量均为14。
馈电接头包括外导体9以及中心馈电探针10，外导体9与金属地板11连接，中心馈电探针10与金属传输带2连接。为减少回波损耗，影响天线辐射性能，在馈电接头与金属传输带2之间设置阻抗匹配部分3，将微带漏波天线阻抗匹配到50欧姆，与馈电接头相匹配，达到较好的辐射性能。
图4是本实施例的S11曲线图。由图4中可看出，在7.45GHz至10GHz的频率范围内，S11值稳定保持在-10dB以下，达到工业生产所需的标准，具有良好的性能。虽然在8.9GHz处的开阻带处，S11值发生小幅度的上升，但仍旧维持在一个较低水平，开阻带得到了一定的抑制。
漏波天线具有固有的频率扫描特性，具体为主波束指向角会随着工作频率的变化而变化。为说明该特性，引入漏波天线的主波束角度表达式。
漏波天线主波束角度表达式为
Figure GDA0003868203080000051
其中θ(f)为主波束与侧边方向的夹角，β(f)为相位常数，k0(f)k0是自由空间中的波数，上述3个变量均是频率f的函数。随着频率的变化，变量β(f)/k0(f)的值也随之变化，因此，主波束指向的角度也发生变化，从而发生频率扫描现象。
图5是本实施例在工作范围内的辐射方向图，横坐标为主波束指向角度。图5中波束对应频率从左到右依次增加，展现了在7.45GHz至10GHz的工作频率内主波束的变化情况，体现了本实施例的频率扫描特性。在整个工作范围内，增益展现了较高的稳定性，增益幅度波动范围较小；另一方面，在主波束指向角为0°的位置处，增益没有发生衰减，开阻带被成功消除。
图6是本实施例在工作范围内主波束指向角随频率变化的曲线图。从图6中可以，随着频率变化纵轴的主波束指向角也随着频率相应地变化。在工作频率范围内，可实现92.5°(-49.5°至43°)的扫描角范围。
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)

1.一种周期性加载寄生贴片增益稳定的微带漏波天线，其特征在于：包括介质板（1）、金属传输带（2）、金属地板（11）、馈电接头、阻抗匹配部分（3）、寄生贴片（8），所述介质板（1）上下层分别与所述金属传输带（2）、所述金属地板（11）紧密贴合，所述金属地板（11）、所述金属传输带（2）为平面结构，所述阻抗匹配部分（3）位于所述金属传输带（2）首尾两侧，所述馈电接头位于介质板（1）的首尾两侧，所述寄生贴片（8）周期性加载于所述介质板（1）上表面；所述金属传输带（2）沿着其长度向周期性地蚀刻若干组三叉槽，两两所述三叉槽之间设置附加小槽（7），所述金属传输带（2）上设置若干组金属钉（4），所述金属钉（4）贯穿介质板（1）上下层；所述金属钉（4）与所述三叉槽分别位于所述金属传输带（2）相对的两边侧，所述附加小槽（7）与所述三叉槽位于所述金属传输带（2）相同的边侧，所述寄生贴片（8）分布于靠近所述金属传输带（2）上所述三叉槽的一侧；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；所述横直槽（5）设置于两两相邻两个金属钉（4）的中线位置。
2.根据权利要求1所述的周期性加载寄生贴片增益稳定的微带漏波天线，其特征在于：所述横直槽（5）的长度设置为四分之一波长，且其波动范围为±0.5mm；所述斜向槽（6）长度与所述横直槽（5）的相等，所述斜向槽（6）宽度为所述横直槽（5）宽度的三分之一。
3.根据权利要求1所述的周期性加载寄生贴片增益稳定的微带漏波天线，其特征在于：所述附加小槽（7）与对应的所述金属钉（4）在纵向上有1mm至3mm的偏移。
4.根据权利要求1所述的周期性加载寄生贴片增益稳定的微带漏波天线，其特征在于：所述寄生贴片（8）与所述金属传输带（2）边侧相距0.8mm至1.2mm，除最右侧位置的其他所述寄生贴片（8）的右侧边缘正对所述附加小槽（7）。
5.根据权利要求1所述的周期性加载寄生贴片增益稳定的微带漏波天线，其特征在于：所述三叉槽与所述寄生贴片（8）的数量均为14。
6.根据权利要求1所述的周期性加载寄生贴片增益稳定的微带漏波天线，其特征在于：所述馈电接头包括外导体（9）以及中心馈电探针（10），所述外导体（9）与所述金属地板（11）连接，所述中心馈电探针（10）与所述金属传输带（2）连接；在所述馈电接头与所述金属传输带（2）之间设置所述阻抗匹配部分（3）。
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