CN112332081B - 基于微带结构的宽波瓣互补源天线 - Google Patents

基于微带结构的宽波瓣互补源天线 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于微带结构的宽波瓣互补源天线，包括介质基板、底层的金属地板，顶层的两端接地的条形微带线以及微带线两侧加载的金属柱阵列；条形微带线分为n份，每份对应一个金属柱，在条形微带线的长边两侧边缘上下交错设置并均匀分布，金属柱穿过介质基板与金属地板连接，金属柱与条形微带线的连接处均存在一个避让圆环；馈电探针从底层垂直穿过介质基板与条形微带线相连。本发明利用寄生加载使微带线产生有效辐射，与寄生单极子共同组成了互补源阵列，利用互补源天线能够构造特殊辐射方向图的特点，结合特殊的激励相位，实现了具有E面宽波束特点的阵列方向图。本发明的特点是高增益，宽波束，设计紧凑，工艺简单，易于集成，成本低。

Description

基于微带结构的宽波瓣互补源天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，是一种基于微带传输线的宽波瓣直线阵列天线。
背景技术
微带传输线由于其简单的结构，较低的损耗，被广泛地应用在了各种微波、毫米波系统中。由于微带线两侧的电场具有完美的对称分布，因此两侧缝隙的辐射场在远场去将会互相抵消，从而保持其电磁能量能够束缚在微带线周围，形成导波模式，并且场分布沿传输方向具有周期重复性。破坏微带线两侧电场分布的对称性，保留同相分布的场分布，能够使得微带线实现有效的辐射，从而实现由传输线向天线的转变。通过以二分之一波导波长为周期地交替地将微带线的边缘接地，抑制掉该处的电场，从而形成一种串联的腔体天线。在谐振状态时，这些腔体开放边的场具有同相特性，而每一个腔体其辐射均可等效为一个磁偶极子辐射，这使得整体能够等效为一个同相辐射的磁流阵列，具有指向法向方向的高增益主波束。
在微带线两侧交替地加载垂直的单极子，寄身单极子使得微带线的场分布不再平衡，从而微带线可以实现有效辐射；而单极子本身也会产生辐射，且本质为电流源辐射，这就和微带辐射(等效磁流源辐射)组合则形成了互补源辐射，而交替加载的模型则为串联的互补源阵列模型。相较于传统的通过交替接地形成的磁流阵相比，这类互补源阵列，将拥有更宽的E面波束方向图。理论上互补源单元的方向图会指向垂直于电流源和磁流源的方向，而阵列中磁流阵列是同相的，而电流源阵列是交替反向的，因此阵列中的单元辐射主方向会交替地指向阵列两侧，从而合成的阵列方向图将在垂直于阵列切面将(E面)具有宽波束特点。互补源阵列同样保持了馈电结构于辐射结构高度一体化的特点，因此结构相当简单，而且可以很容易地就实现串联组阵，从而同时实现高增益和宽波束性能。这种特殊的辐射特性可有着众多的应用场景。例如在汽车通信雷达系统中，即希望能有良好的覆盖角度，这需要天线具有较宽的波束，而又希望探测距离足够远，这就要求天线有更好的增益。
发明内容
本文发明的主要内容旨在克服目前设计方法的不足，提出一种基于微带传输线的宽波瓣直线阵列天线。
该天线基于通过对对微带线交替地周期性地利用金属柱(工作模式为单极子天线模式)寄生加载，从而破坏微带传输线自身两侧的场对称性，使得微带线产生有效的辐射，并且微带线同时也会为寄生的单极子阵列馈电，从而微带线本身和寄生单极子共同组成了互补源阵列，阵列中磁流源阵列(微带线辐射)是同相的，而电流源阵列(寄生单极子阵列辐射)是交替反相的，因而阵列中的互补源单元方向图会交替地指向阵列两侧，从而合成的阵列方向图具有E面宽波束特点。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种基于微带结构的宽波瓣互补源天线，包括介质基板1、介质基板1下方的金属地板6，介质基板1上设有垂直于介质基板1的金属柱3形成的阵列，介质基板1、条形微带线2、金属地板6共同构成PCB板，条形微带线2印刷在介质基板1的上表面；金属地板6印刷在介质基板1的下表面；
条形微带线2上分为n个天线单元8，n为≥3的奇数，天线单元关于条形微带线2长度方向的中点左右对称设置，条形微带线2为包括两长边和两短边的矩形，其总长度为L，金属柱3在条形微带线2的长边两侧边缘上下交错设置并均匀分布，每个金属柱3位于其所在天线单元的长边边缘中点处，上下相邻两个金属柱3之间的横向距离d为L/n；金属柱3穿过介质基板与金属地板6连接，每一个金属柱3的辐射模式为单极子天线模式，所有金属柱3与条形微带线2的连接处均存在一个避让圆环7，避让圆环7为和金属柱3同心设置的无覆铜层的圆环，避免金属柱3与上层微带线2直接接触；条形微带线2的两短边边缘通过金属化过孔4接地，馈电探针5垂直穿过介质基板1和金属地板6，馈电探针5与条形微带线22相连。
作为优选方式，馈电探针5位于条形微带线2的长边中心处。以保证两侧阵列馈电的平衡性。通过中心馈电，可以保证两侧天线单元等幅激励，避免波束指向偏移以及过高的副瓣电平。
作为优选方式，介质基板1的厚度hs大于0.03个波长。这样能保证足够的辐射效率。
作为优选方式，金属柱3顶端伸出PCB板上表面的距离hp为0.1-0.25个波长。
作为优选方式，馈电探针5在条形微带线2短边方向上和短边中心点之间留有距离，用于可以在一定程度上调节阻抗匹配。
作为优选方式，整个天线高度为6.5mm，其中PCB板的厚度hs为1.5mm，介质基板1采用介电常数为2.2的聚四氟乙烯F4B-M板材。
作为优选方式，金属柱顶端伸出PCB板上表面的距离hp为5mm，金属柱直径0.8mm，避让圆环7的外径为1.6mm。
作为优选方式，所述金属柱3为铜柱。
本发明的有益效果为：本发明通过对微带线交替地周期性地使用单极子寄生加载，使得微带线产生有效的辐射，与寄生单极子共同组成了互补源阵列，利用互补源天线能够构造特殊辐射方向图的特点，结合特殊的激励相位，实现在阵列中磁流源阵列(微带线辐射)是同相的，而电流源阵列(寄生单极子阵列辐射)是交替反相的，从而合成具有E面宽波束特点的阵列方向图。本发明的特点是高增益，宽波束，设计紧凑，工艺简单，易于集成，成本低。
附图说明
图1是本发明的三维视图；
图2是本发明的俯视图；
图3是本发明的侧视图；
图4是典型微带传输线的电场及等效磁流分布；
图5是单极子阵列交替周期加载的微带传输线的电场、等效磁流及电流分布图，其中(a)俯视图，(b)侧视图；
图6是天线的反射系数及增益曲线；
图7是天线的增益方向图；
1为介质基板，2为条形微带线，3为金属柱，4为金属化过孔，5为馈电探针，6为金属地板，7为避让圆环，8为天线单元。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
如图1至图3所示，本实施例提供一种基于微带结构的宽波瓣互补源天线，包括介质基板1、介质基板1下方的金属地板6，介质基板1上设有垂直于介质基板1的金属柱3形成的阵列，介质基板1、条形微带线2、金属地板6共同构成PCB板，条形微带线2印刷在介质基板1的上表面；金属地板6印刷在介质基板1的下表面；
条形微带线2上分为n个天线单元8，n为≥3的奇数，天线单元关于条形微带线2长度方向的中点左右对称设置，条形微带线2为包括两长边和两短边的矩形，其总长度为L，金属柱3在条形微带线2的长边两侧边缘上下交错设置并均匀分布，每个金属柱3位于其所在天线单元的长边边缘中点处，上下相邻两个金属柱3之间的横向距离d为L/n；金属柱3穿过介质基板与金属地板6连接，每一个金属柱3的辐射模式为单极子天线模式，所有金属柱3与条形微带线2的连接处均存在一个避让圆环7，避让圆环7为和金属柱3同心设置的无覆铜层的圆环，避免金属柱3与上层微带线2直接接触；条形微带线2的两短边边缘通过金属化过孔4接地，馈电探针5垂直穿过介质基板1和金属地板6，馈电探针5与条形微带线22相连。
馈电探针5位于条形微带线2的长边中心处。以保证两侧阵列馈电的平衡性。
介质基板1的厚度hs大于0.03个波长。
金属柱3顶端伸出PCB板上表面的距离hp为0.1-0.25个波长。
馈电探针5在条形微带线2短边方向上和短边中心点之间留有距离，用于可以在一定程度上调节阻抗匹配。
具体的，本实施例中：整个天线高度为6.5mm，其中PCB板的厚度hs为1.5mm，介质基板1采用介电常数为2.2的聚四氟乙烯F4B-M板材。金属柱顶端伸出PCB板上表面的距离hp为5mm，金属柱直径0.8mm，避让圆环7的外径为1.6mm。条状微带结构2长118mm，宽9mm；
所述金属柱3为铜柱。
图4描述了典型微带结构场分布，显然微带线两侧场具有对称性，沿微带线方向具有周期性。微带线两侧的电场可等效为平行于微带边缘的磁流，因此两侧磁流(图4中黑色和灰色箭头)具有等幅反相的特点，其辐射场在远场区完全抵消，因而无法实现有效的辐射。
图5描述了周期交替地加载了寄生单极子的微带结构场分布，显然微带线两侧场的对称性遭到破坏，沿微带线方向同样具有周期性。微带线两侧的等效磁流(图5(a)中黑色虚线和灰色虚线箭头)幅度不在相等，其辐射场在远场区无法完全抵消。总的来说黑色虚线箭头阵列的幅度明显大于灰色虚线箭头，因而黑色虚线箭头所代表的磁流阵列占辐射主导位置，可以实现良好的辐射特性。从图5(b)可以看出，加载的寄生单极子上的电流是交替反相的，这与同相的磁流阵(图5(a)黑色虚线箭头)完全不同。这表明互补源单元的方向图会交替地指向阵列两侧，从而实现宽波束的方向图特性(互补源单元包括一个磁流源(图5(a)黑色虚线箭头)和一个所在位置对应的电流源(图5(b)黑色实线箭头))。
图6是天线的增益曲线和反射系数曲线，由图可以看出，天线中心频率为7.2GHz，具有1.8％的10-dB阻抗带宽；带内天线增益性能良好，最高增益达到10.5dBi。
图7是天线在中心频点7.2GHz的E面和H面方向图。由图可以看出，天线在H面方向图具有典型同相阵列方向图特点，一级副瓣电平为-15.5dB，较典型的均匀直线阵的-13.6dB一级副瓣电平更低，这说明阵列中幅度存在一定的锥楔分布。E面方向图呈现突出的宽波瓣特性，3-dB波瓣宽度超过180°，这归功于本发明中引入的互补源阵列。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种基于微带结构的宽波瓣互补源天线，其特征在于：包括介质基板(1)、介质基板(1)下方的金属地板(6)，介质基板(1)上设有垂直于介质基板(1)的金属柱(3)形成的阵列，介质基板(1)、条形微带线(2)、金属地板(6)共同构成PCB板，条形微带线(2)印刷在介质基板(1)的上表面；金属地板(6)印刷在介质基板(1)的下表面；
条形微带线(2)分为n个天线单元(8)，n为≥3的奇数，天线单元关于条形微带线(2)长度方向的中点左右对称设置，条形微带线(2)为包括两长边和两短边的矩形，其总长度为L，金属柱(3)在条形微带线(2)的长边两侧边缘上下交错设置并均匀分布，每个金属柱(3)位于其所在天线单元的长边边缘中点处，上下相邻两个金属柱(3)之间的横向距离d为L/n；金属柱(3)穿过介质基板与金属地板(6)连接，每一个金属柱(3)的辐射模式为单极子天线模式，所有金属柱(3)与条形微带线(2)的连接处均存在一个避让圆环(7)，避让圆环(7)为和金属柱(3)同心设置的无覆铜层的圆环，避免金属柱(3)与条形微带线(2)直接接触；条形微带线(2)的两短边边缘通过金属化过孔(4)接地，馈电探针(5)垂直穿过介质基板(1)和金属地板(6)，馈电探针(5)与条形微带线(22)相连。
2.根据权利要求1所述的基于微带结构的宽波瓣互补源天线，其特征在于：馈电探针(5)位于条形微带线(2)的长边中心处。
3.根据权利要求1所述的基于微带结构的宽波瓣互补源天线，其特征在于：介质基板(1)的厚度hs大于0.03个波长。
4.根据权利要求1所述的基于微带结构的宽波瓣互补源天线，其特征在于：金属柱(3)顶端伸出PCB板上表面的距离hp为0.1-0.25个波长。
5.根据权利要求1所述的基于微带结构的宽波瓣互补源天线，其特征在于：馈电探针(5)在条形微带线(2)短边方向上和短边中心点之间留有距离，用于调节阻抗匹配。
6.根据权利要求1所述的基于微带结构的宽波瓣互补源天线，其特征在于：整个天线高度为6.5mm，其中PCB板的厚度hs为1.5mm，介质基板(1)采用介电常数为2.2的聚四氟乙烯F4B-M板材。
7.根据权利要求1所述的基于微带结构的宽波瓣互补源天线，其特征在于：金属柱顶端伸出PCB板上表面的距离hp为5mm，金属柱直径0.8mm，避让圆环(7)的外径为1.6mm。
8.根据权利要求1所述的基于微带结构的宽波瓣互补源天线，其特征在于：所述金属柱(3)为铜柱。
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