CN112271445B - 一种高增益低剖面大带宽的表面波天线 - Google Patents

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Abstract

为了解决表面波天线加工难的问题，本发明公开一种高增益低剖面大带宽的表面波天线，包括微带线、第一导电板、介质板和若干金属贴片，所述的第一导电板呈条状，分别对称设置在介质板的上表面的两侧，第一导电板与介质板连接；所述的微带线设置在介质板的上表面的一端，微带线与介质板连接；所述的金属贴片设置在第一导电板之间，金属贴片与介质板连接；所述的第一导电板朝向金属贴片的边缘开设有若干过孔，所述的过孔组成渐变腔体。本发明采用了共面波导以及介质板集成技术，有效减小了天线剖面；解决了传统表面波天线加工难的问题，具有易集成、低剖面和易加工的特点，实现了高增益，大3dB增益带宽的端射辐射。

Description

一种高增益低剖面大带宽的表面波天线
技术领域
本发明涉及天线领域，更具体地，涉及一种高增益低剖面大带宽的表面波天线。
背景技术
在行波天线中，由于漏波天线具有频率扫描特性，在端射部分的范围通常过窄，因此常用表面波天线实现高增益端射天线。现有的基于电介质的表面波天线主要有介质棒和介质平板两种结构，逐渐减小介质棒沿着传播方向的结构参数或者逐渐减少介质平板的厚度，可以使得表面波天线获得较好的辐射性能。但是，这种渐变结构在实际工程上不易加工。常用的高增益端射天线实现方案有：1、渐变介质厚度表面波天线；2、挖纵向窄缝隙的漏波天线；3、准TEM导波结构漏波天线；4、基片集成渐变宽度表面波天线。
上述现有技术1需要逐渐减小介质波导的厚度，这种结构是不容易加工的；技术2由于上述现有色散系数比较大，本质上仍具有频率扫描特性，因此在端射方向上的增益带宽比较窄；上述现有技术3需要空气作为媒介，因此在实际工程中不易加工；上述现有技术4用基片集成方法实现表面波天线，该天线易集成且加工简单，但天线的剖面仍较高。
发明内容
为克服上述现有技术与方法的不足，本发明提出了一种高增益低剖面大带宽的表面波天线。本发明
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种高增益低剖面大带宽的表面波天线，包括微带线、第一导电板、介质板和若干金属贴片，其中，
所述的第一导电板呈条状，分别对称设置在介质板的上表面的两侧，第一导电板与介质板连接；
所述的微带线设置在介质板的上表面的一端，微带线与介质板连接；
所述的金属贴片设置在第一导电板之间，金属贴片与介质板连接；
所述的金属贴片、微带线和第一导电板处于同一水平面上；
所述的第一导电板朝向金属贴片的边缘开设有若干过孔，所述的过孔组成渐变腔体。
本发明采用了共面波导以及介质板集成技术，有效减小了天线剖面；解决了传统表面波天线加工难的问题，具有易集成、低剖面和易加工的特点，实现了高增益，大3dB增益带宽的端射辐射。
在一种优选的方案中，所述的过孔的孔内表面覆铜。
在一种优选的方案中，所述的过孔的直径是1mm；所述的过孔之间的距离是1.5mm。
在一种优选的方案中，所述的微带线具有沿着信号传播方向渐变宽度的特性，使得表面波天线的输入阻抗等于连接的信号传输线的阻抗。
在一种优选的方案中，所述的微带线的长度为16mm，渐变宽度从4.78mm 至12mm。
在一种优选的方案中，所述的金属贴片从微带线沿着介质板的轴向向介质板的另一端设置，且金属贴片的宽度沿着信号传播方向具有单调递减的特性。
在一种优选的方案中，所述的金属贴片的长度沿着信号传播方向具有指数递减的特性。
在一种优选的方案中，所述的指数系数是0.98；所述的每块金属贴片的起始长度是7.8mm；所述的金属贴片之间的距离是0.5mm。
在一种优选的方案中，所述的表面波天线还包括接地板，所述的接地板设置在介质板的下表面，接地板与介质板连接。
在一种优选的方案中，所述的渐变腔体始端的宽边为16mm，末端的宽边为 8mm。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明采用了共面波导以及介质板集成技术，有效减小了天线剖面；解决了传统表面波天线加工难的问题，具有易集成、低剖面和易加工的特点，实现了高增益，大3dB增益带宽的端射辐射。
附图说明
图1为实施例的透视图。
图2为实施例的俯视图。
图3为实施例的侧试图。
图4为实施例的加工成品图。
图5为实施例的反射系数和总效率图。
图6为实施例的峰值增益图。
图7为实施例工作在10GHz，phi＝0°的滚动角平面上的辐射方向图。
图8为实施例工作在11GHz，phi＝0°的滚动角平面上的辐射方向图。
图9为实施例工作在12GHz，phi＝0°的滚动角平面上的辐射方向图。
图10为实施例工作在13GHz，phi＝0°的滚动角平面上的辐射方向图。
附图标号说明：
标号 名称 标号 名称
1 介质板 2 微带馈电线
3 上层周期金属贴片 4 短路过孔
5 上层金属板 6 金属地板
L<sub>a</sub> 渐变腔体长边 L<sub>g</sub> 介质板长边
L<sub>x1</sub> 第一个小金属贴片长度 Lm 微带馈电线总长度
W<sub>g</sub> 介质板宽边 W<sub>1</sub> 渐变腔体始端宽边
W<sub>2</sub> 渐变腔体末端宽边 Wm 微带馈电线宽度
d 短路过孔直径 s 短路过孔间距
g 小贴片之间的间距 h 介质板厚度
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；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例
如图1～图4所示，一种高增益低剖面大带宽的表面波天线，包括微带馈电线2，上层金属板5，上层金属贴片3，金属地板6，介质板1，短路过孔4；微带馈电线2，上层金属板5以及上层金属贴片3位于介质板1的上表面，金属地板6位于介质板的下表面；上层金属贴片3位于上层表面的中间，金属贴片由5 列小贴片组成；上层金属板5位于金属贴片3的两边；短路过孔4沿着上层金属板5的边缘排列，形成渐变的腔体；天线通过微带馈电2线进行馈电。
在本实施例中，如图2所示，上层金属贴片3，金属贴片由5列小贴片组成，小贴片长度沿传播方向呈指数减少，指数系数为C，第一个贴片的长度为Lx1，贴片之间的间距为g。
在本实施例中，如图2所示，所述上层金属贴片3与上层金属板5之间的间隔为gs；短路过孔4沿上层金属板5边缘排列，形成渐变腔体；短路过孔4内表面覆铜。渐变腔体始端的宽边为W1，末端的宽边为W2。
在本实施例中，如图2所示，短路过孔4的直径：d，每两个相邻的短路过孔的间距：s。
在本实施例中，如图2所示，微带馈电线长度为Lm,宽度变换从Wm至W1-2gs。
进一步的，介质板1为固体电介质。
在本实施例中，如图2所示，介质板1的长边：Lg，宽边：Wg，厚度为h。
在本实施例中，所述金属地板6与介质板1的横截面的维度一致。
为了达到低剖面，易集成的效果，微带馈电线2，上层周期金属贴片3和上层金属板5为同一平面且与金属地板6均为平面结构，且都紧贴介质板1。
更进一步的，该表面波天线采用印刷电路板技术制作而成。
测试环境：
天线装配在介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为1.5mm的电介质层上；渐变腔体的始端的宽边的长度为16mm,末端的宽边的长度为8mm，长边的长度为240mm，第一个小贴片的长度为7.8mm，指数系数为0.98，介质板的长边的长度为256mm，宽边的长度为30mm。短路过孔的直径为1mm，相邻短路过孔间隔为1.5mm。微带馈电线的长度为16mm，渐变宽度从4.78mm至12mm。
图5是本发明的反射系数曲线和总效率图，从图5中可以看出在频带 8GHz-13.6GHz时，|S11|<-10dB，且测量的结果和电磁仿真(ANSYS HFSS)的结果比较吻合。
图6是本发明的峰值增益图，从图6可以看出，仿真结果显示，天线的最大峰值增益有16.5dBi,且天线的3dB带宽范围在9.4GHz-13.6GHz。最终的测量结果显示，天线的最大峰值增益为15.3dBi，且天线的3dB带宽范围在 9.6GHz-13.6GHz天线的峰值增益最大能达到20.4dBi。图5中的总效率图显示，在天线的3dB增益带宽内，天线的总辐射效率都超过80％。
图7是本发明分别工作在10GHz，11GHz，12GHZ，13GHz，phi＝0°的滚动角平面上的辐射方向图。从图中方向图可以看出，该天线具有良好的端射性能，旁边电平小于-8dB，交叉极化可以忽略，且测量的结果和电磁仿真(ANSYS HFSS) 的结果比较吻合。
在上述具体实施方式的具体内容中，各技术特征可以进行任意不矛盾的组合，为使描述简洁，未对上述各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；例如实施例中离子电导率的计算公式并不仅限于实施例中举例的公式，不同的种类的离子电导率的计算公式各不相同。上述的是实施例的限定并不能理解为对本专利的限制。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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。

Claims (8)

1.一种高增益低剖面大带宽的表面波天线，其特征在于，包括微带线、第一导电板、介质板和若干金属贴片，其中，
所述的第一导电板呈条状，分别对称设置在介质板的上表面的两侧，第一导电板与介质板连接；
所述的微带线设置在介质板的上表面的一端，微带线与介质板连接；
所述的金属贴片设置在第一导电板之间，金属贴片与介质板连接；
所述的金属贴片、微带线和第一导电板处于同一水平面上；
所述的第一导电板朝向金属贴片的边缘开设有若干过孔，所述的过孔组成渐变腔体；
若干金属贴片由5列周期性交错排列的金属贴片组成；
所述的金属贴片从微带线沿着介质板的轴向向介质板的另一端设置，且金属贴片的宽度沿着信号传播方向具有单调递减的特性；
所述的金属贴片的长度沿着信号传播方向具有指数递减的特性。
2.根据权利要求1所述的表面波天线，其特征在于，所述的过孔的孔内表面覆铜。
3.根据权利要求2所述的表面波天线，其特征在于，所述的过孔的直径是1mm；所述的过孔之间的距离是1.5mm。
4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的表面波天线，其特征在于，所述的微带线具有沿着信号传播方向渐变宽度的特性，使得表面波天线的输入阻抗等于连接的信号传输线的阻抗。
5.根据权利要求4所述的表面波天线，其特征在于，所述的微带线的长度为16mm，渐变宽度从4.78mm至12mm。
6.根据权利要求5所述的表面波天线，其特征在于，指数系数是0.98；所述的每块金属贴片的起始长度是7.8mm；所述的金属贴片之间的距离是0.5mm。
7.根据权利要求1、2、3、5或6所述的表面波天线，其特征在于，所述的表面波天线还包括接地板，所述的接地板设置在介质板的下表面，接地板与介质板连接。
8.根据权利要求7所述的表面波天线，其特征在于，所述的渐变腔体始端的宽边为16mm，末端的宽边为8mm。
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