CN112421236B - 一种沿载体表面定向辐射的共面天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种沿载体表面定向辐射的共面天线，属于天线技术领域。包括：介质基板，有源辐射器贴片、引向器贴片、反射器贴片、金属短路销钉和射频电缆插座。有源辐射器贴片、引向器贴片和反射器贴片均附着在介质基板的一侧(载体表面朝外一侧)；介质基板另一侧整面覆铜，射频电缆插座焊接在这一侧，并位于有源辐射器贴片的背面，从底部给有源辐射器贴片馈电，馈电位置在贴片中心，本发明的沿载体表面定向辐射的共面天线可嵌入载体表面与载体共面设计。

Description

一种沿载体表面定向辐射的共面天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种沿载体表面定向辐射的共面天线，在沿载体表面的切线方向上形成垂直极化(垂直于载体表面)定向辐射。
背景技术
在高速移动的载体上往往需要安装具有不同功能的多个天线，例如导航、通信、雷达、测高天线等。目前这些天线多为外露式天线，不仅会影响载体气动性能，且在装配位置上会发生冲突，存在物理遮挡和电磁兼容问题。共面天线解决上述问题具有独特优势。
共面天线可以与形态各异的复杂载体共面设计，并成为其表面的一部分且不对其气动性能造成影响，具有较好的电磁兼容性。共面天线由于其自身的独特优势，例如：与载体结构外形紧密结合，不改变载体的气动性能，减少天线对载体的影响；共面天线可以广泛的应用在飞行器、舰船和车辆等表面上，可以有效减少外露式天线的数目，解决物理遮挡、电磁兼容等问题，特别是在缩减雷达散射截面(RCS)方面发挥作用。
在民用通信系统中，对移动通信天线提出更苛刻的要求，在体积方面要求小型化、低剖面、易安装等，共面天线就是在当代移动通信提出了更高的要求下逐步发展起来的。
对于沿载体表面定向辐射的天线通常采用引向天线的形式实现，传统形式是由垂直于载体表面的单极子天线或偶极子天线构成，在实现沿载体表面定向辐射时，由于单极子天线和偶极子天线是一种谐振式工作的天线，其工作需要一定的电长度，如偶极子需要0.5个工作波长的谐振长度。
在现有技术中，有利用顶加载技术降低单极子天线高度，实现低剖面设计，但是天线的高度和结构依然存在难以共面设计的问题，并且具有较大的尺寸。本发明采用的微带天线形式本身具有平面结构。现有技术中还有利用主模工作的微带天线作为单元构成定向辐射的技术，但是利用主模工作的微带天线构成的定向辐射天线在金属地板较大时波束上翘明显，水平面内增益较低。近年来，等效为磁流辐射的单元被应用于解决上述技术问题，但是依然存在尺寸较大，反射器缺乏灵活设计的问题，因而提出一种沿载体表面定向辐射的共面天线就有了很大的实际应用价值。
发明内容
要解决的技术问题
为了解决垂直极化定向辐射天线沿载体表面的共面设计问题，本发明提出了以小型化基摸(或静态摸)工作的微带贴片天线为单元构成定向天线，天线极化为垂直极化(极化方向与载体表面垂直)，且在沿载体表面的切线方向(垂直于载体表面法线的方向)上形成定向辐射。
技术方案
一种沿载体表面定向辐射的共面天线，其特征在于包括：介质基板、有源辐射器贴片、引向器贴片、反射器贴片和金属短路销钉，所述介质基板的一面覆有源辐射器贴片、引向器贴片、反射器贴片，另一面整体为金属覆层；所述有源辐射器贴片上加载有多个金属短路销钉，且均匀分布在以贴片中心为圆心的一定半径的圆周上；所述引向器贴片上加载有多个金属短路销钉，且一个位于引向器贴片中心，其余均匀分布在以贴片中心为圆心的一定半径的圆周上；所述反射器贴片上加载有多个金属短路销钉，且有一个位于反射器贴片中心，其余均匀分布在以贴片中心为圆心的一定半径的圆周上；所述射频电缆插座置于所述介质基板下表面，位于有源辐射器贴片背面，且与有源辐射贴片相连。
本发明方案更进一步的说：所述的有源辐射器贴片、引向器贴片、反射器贴片均为平面结构，可为圆形、椭圆形、或多边形。
本发明方案更进一步的说：所述的有源辐射器贴片、引向器贴片、反射器贴片为金属材质。
本发明方案更进一步的说：所述的有源辐射器贴片、引向器贴片、反射器贴片为铜。
本发明方案更进一步的说：所述的引向器贴片对电磁波辐射起引向作用，直径为有源辐射器贴片直径的0.8～0.95倍，数量可为一个或多个，且位于有源辐射器贴片一侧的一条直线上，间距为0.3到0.5个波长，排列成一条直线。
本发明方案更进一步的说：所述的反射器贴片置于有源辐射器贴片相对于引向器贴片的另一侧，对电磁波辐射起反射作用，直径为有源辐射器贴片的1～1.2倍，数量可为一个或多个，与有源辐射贴片的间距为0.3到0.6个波长，排列形式可与有源辐射贴片和引向贴片在一条直线上，也可垂直于有源辐射贴片和引向器贴片的连线。
本发明方案更进一步的说：所述的引向器贴片上加载3～5个金属短路销钉。
本发明方案更进一步的说：所述的反射器贴片上加载3～5个金属短路销钉。
本发明方案更进一步的说：所述的射频电缆插座外导体法兰与地板相连，射频电缆插座芯线穿过介质基板与有源辐射贴片中心相连。
本发明方案更进一步的说：所述的金属短路销钉为圆柱或圆管，其直径远远小于工作波长，且金属短路销钉穿过介质基板将上表面贴片与下表面地板相连。
有益效果
本发明提出的一种沿载体表面定向辐射的共面天线，解决了两个问题：一是解决了垂直极化天线与载体表面共面设计问题；二是解决了共面天线沿载体表面定向辐射的问题。
本发明应用从底部中心馈电的圆形微带贴片天线，解决了垂直极化定向辐射天线沿载体表面的共面设计问题，实现了垂直极化定向辐射天线沿载体表面的共面设计，提供了一种沿载体表面定向辐射的共面天线，可实现沿载体表面的切线方向(垂直于载体表面法线的方向)上定向辐射的天线设计。具有结构简单，隐蔽性好，不影响载体外型气动力特性，电性能稳定、可靠及易于批量生产的优点。
附图说明
图1为本发明技术实施例天线1的整体结构图：(a)介质基板上表面；(b)介质基板下表面；
图2为本发明技术实施例天线1的结构装配图1；
图3为本发明技术实施例天线1的结构装配图2；
图4为本发明技术实施例天线2的整体结构图：(a)介质基板上表面；(b)介质基板下表面；
图5为本发明技术实施例天线2的结构装配图1；
图6为本发明技术实施例天线2的结构装配图2；
图7为本发明技术实施例天线1的电压驻波比；
图8为本发明技术实施例天线1的ZOX方向图；
图9为本发明技术实施例天线1的XOY方向图；
图10为本发明技术实施例天线2的电压驻波比；
图11为本发明技术实施例天线2的ZOX方向图；
图12为本发明技术实施例天线2的XOY方向图。
说明标记说明：1-介质基板、2-有源辐射器贴片、3-引向器贴片、4-反射器贴片、5-金属短路销钉、6-射频电缆插座、101-介质基板的上表面、102-介质基板的下表面。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明提出的沿载体表面定向辐射的共面天线，包括以下部分：
介质基板；
有源辐射器贴片，所述有源辐射器贴片覆于介质基板上表面；
引向器贴片，所述引向器贴片覆于介质基板上表面；
反射器贴片，所述反射器贴片覆于介质基板上表面；
金属短路销钉，所述金属短路销钉分布在介质基板上表面贴片与下表面金属覆层(地板)之间；
射频电缆插座，所述射频电缆插座置于所述介质基板下表面。
在所述方案中，所述介质基板一面覆有源辐射器贴片、引向器贴片、反射器贴片，另一面整体为金属覆层，其厚度、介电常数可根据需求选择。
在所述方案中，所述有源辐射器贴片、引向器贴片、反射器贴片为金属材质(例如：铜)，其结构为平面结构。
在所述方案中，所述有源辐射器贴片用于激励电磁波。
在所述方案中，所述引向器贴片对电磁波辐射起引向作用，直径为有源辐射器贴片直径的0.8～0.95倍，数量可为一个或多个，置于有源辐射器贴片的一侧，间距为0.3到0.5个波长，排列成一条直线。其数量、间距可根据增益与方向图的需求选择。
在所述方案中，所述反射器贴片置于有源辐射器贴片相对于引向器贴片的另一侧，对电磁波辐射起反射作用，直径为有源辐射器贴片的1～1.2倍，数量可为一个或多个，与有源辐射贴片的间距为0.3到0.6个波长，排列形式可与有源辐射贴片和引向贴片在一条直线上，也可垂直于有源辐射贴片和引向器贴片的连线，其数量、间距和排列形式可根据增益与方向图的需求选择。
在所述方案中，所述射频电缆插座连接有源辐射器贴片中心与介质基板背面地板，起馈电作用。
在所述方案中，所述有源辐射器贴片中心一定半径位置均匀加载金属短路销钉的数量可是一个或多个，一般为3～5个。
在所述方案中，所述引向器贴片、反射器贴片中心加载金属销钉短路。
在所述方案中，所述引向器贴片、反射器贴片中心一定半径位置均匀加载金属销钉短路的数量可是一个或多个，一般为3～5个。
实施例天线1：
请参考图1-图3，为本发明一种沿载体表面定向辐射的共面天线实施例天线1，其包括6个部分：介质基板1、有源辐射器贴片的2、引向器贴片3、反射器贴片4、金属短路销钉5和射频电缆插座6。
介质基板1采用介电常数2.2的双面覆铜板加工而成；介质基板1厚度为0.04个波长；介质基板1一面整体覆铜，另一面覆有有源辐射器贴片2、引向器贴片3和反射器贴片4。
有源辐射器贴片2为圆形平面金属贴片，中心与射频电缆插座6相连，三个金属短路销钉501、502、503均匀分布在有源辐射器贴片2中心一定半径的圆周上。
引向器贴片3为圆形平面金属贴片，置于有源辐射器贴片2的一侧，尺寸小于有源辐射器贴片2，三个金属短路销钉504、505、506均匀分布在引向器贴片3中心一定半径的圆周上，金属短路销钉507位于引向器贴片3的圆心位置。
反射器贴片4为圆形平面金属贴片，尺寸大于有源辐射器贴片2，置于有源辐射器贴片2另一侧，三个金属短路销钉508、509、510位于反射器贴片4中心一定半径的圆周上，金属短路销钉511位于反射器贴片4的圆心位置。
射频电缆插座6置于介质基板整体覆铜面的一侧，芯线与有源辐射器贴片2的圆心位置焊接相连，法兰与介质基板1的整体覆铜面焊接相连。
所述的一种沿载体表面定向辐射的共面天线的实施例天线1的整体结构如图1所示，高频电流从射频电缆插座6馈入有源辐射器贴片2辐射电磁波，产生垂直极化全向辐射，其辐射可以等效为单极子天线辐射，引向器贴片3上感应出的电流的相位滞后于有源辐射器贴片2上电流的相位，反射器贴片4上感应出的电流的相位超前于有源辐射器贴片2上电流的相位。与单极子构成的引向天线类似，引向器贴片3、有源辐射器贴片2、反射器贴片4，构成了定向辐射特性。采用该方法可设计出一种沿载体表面定向辐射的共面天线。
实施例天线2：
请参考图4-图6，为本发明一种沿载体表面定向辐射的共面天线的实施例天线2，其包括6个部分：介质基板1、有源辐射器贴片的2、引向器贴片301、302、反射器贴片401、402、403、金属短路销钉5和射频电缆插座6。
介质基板1采用介电常数2.2的双面覆铜板加工而成；介质基板1厚度为0.04个波长；介质基板1一面整体覆铜，另一面覆有有源辐射器贴片2、引向器贴片301、302 和反射器贴片401、402、403。
有源辐射器贴片2为圆形平面金属贴片，中心与射频电缆插座6相连，三个金属短路销钉501、502、503均匀分布在有源辐射器贴片2中心一定半径的圆周上。
引向器贴片301为圆形平面金属贴片，置于有源辐射器贴片2的一侧，直径略小于有源辐射器贴片2，三个金属短路销钉504、505、506均匀分布在引向器贴片301 中心一定半径的圆周上，金属短路销钉507位于引向器贴片301的圆心位置；引向器贴片302结构与引向器贴片301类似，置于引向器贴片301远离有源辐射器贴片2一侧，与引向器贴片301和有源辐射器贴片2构成一条直线。三个金属短路销钉508、 509、510均匀分布在引向器贴片302中心一定半径的圆周上，金属短路销钉511位于引向器贴片302的圆心位置；
反射器贴片402为圆形平面金属贴片，直径略大于有源辐射器贴片2，置于有源辐射器贴片2相对于引向器贴片301的另一侧，三个金属短路销钉512、513、514位于反射器贴片402中心一定半径的圆周上，金属短路销钉515位于反射器贴片402的圆心位置；反射器贴片401、403结构与反射器贴片402类似，与反射器贴片402一起位于有源辐射器贴片2一侧，反射器贴片401、403连线垂直于反射器贴片402、有源辐射器2连线。
射频电缆插座6置于介质基板整体覆铜面的一侧，芯线与有源辐射器贴片2的圆心位置焊接相连，法兰与介质基板1的整体覆铜面焊接相连。
所述的一种沿载体表面定向辐射的共面天线的实施例天线2整体结构如图4所示，高频电流从射频电缆插座6馈入有源辐射器贴片2辐射电磁波，产生垂直极化全向辐射，其辐射可以等效为单极子天线辐射。引向器贴片302上感应电流相位滞后于引向器贴片301上电流相位，引向器贴片301上感应电流相位滞后于有源辐射器贴片2上电流相位；反射器贴片401、402和403上感应电流相位均超前于有源辐射器贴片2 上电流相位。与单极子构成的引向天线类似，反射器贴片401、402和403、有源辐射器贴片2、引向器贴片301、302，构成了定向辐射特性。采用该方法可设计出沿载体表面定向辐射的共面天线。
通过仿真对本发明的实施例的效果做进一步说明：
1.仿真内容：
请参考图7-图12，利用仿真软件对上述实施例天线1、2的电压驻波比、方向图及增益特性进行了仿真计算。
2.仿真结果：
图7是对实施例天线1仿真得到的电压驻波比随工作频率变化的特性，从图7可以看出，本发明的实施例天线1工作在K频段，可实现4.2％相对阻抗带宽。
从图8-图9是为本发明天线的实施例天线1相关方向图，本发明天线的实施例天线1在无限大地面上工作时水平面(XOY面)内最大增益10.8dBi，水平面内波瓣宽度95°，水平面内前后比为9.0dB。
图10是对实施例天线2仿真得到的电压驻波比随工作频率变化的特性，从图10中可以看出，本发明的实施例天线2工作在K频段，可实现3.1％相对阻抗带宽。
从图10一-图10二是为本发明技术实施例天线2相关方向图，本发明天线的实施例天线2在无限大地面上工作时水平面(XOY面)内最大增益12.2dBi，水平面内波瓣宽度70°，水平面内前后比为18.4dB。
仿真结果表明，不同数目的引向器贴片和反射器贴片均可实现沿载体表面定向辐射的辐射特性，也可实现与载体表面平面化设计，本发明实施例天线具有与载体表面共面的外型轮廓，可满足沿载体表面定向辐射的共面天线的设计需求。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种沿载体表面定向辐射的共面天线，其特征在于包括：介质基板、有源辐射器贴片、引向器贴片、反射器贴片、金属短路销钉和射频电缆插座，所述介质基板的一面覆有源辐射器贴片、引向器贴片、反射器贴片，另一面整体为金属覆层；所述有源辐射器贴片上加载有多个金属短路销钉，且均匀分布在以贴片中心为圆心的一定半径的圆周上；所述引向器贴片上加载有多个金属短路销钉，且一个位于引向器贴片中心，其余均匀分布在以贴片中心为圆心的一定半径的圆周上；所述反射器贴片上加载有多个金属短路销钉，且有一个位于反射器贴片中心，其余均匀分布在以贴片中心为圆心的一定半径的圆周上；所述射频电缆插座置于所述介质基板下表面，位于有源辐射器贴片背面，且与有源辐射贴片相连；所述的引向器贴片对电磁波辐射起引向作用，直径为有源辐射器贴片直径的0.8～0.95倍，数量可为一个或多个，且位于有源辐射器贴片一侧的一条直线上，间距为0.3到0.5个波长，排列成一条直线；所述的反射器贴片置于有源辐射器贴片相对于引向器贴片的另一侧，对电磁波辐射起反射作用，直径为有源辐射器贴片的1～1.2倍，数量可为一个或多个，与有源辐射贴片的间距为0.3到0.6个波长，排列形式可与有源辐射贴片和引向贴片在一条直线上，也可垂直于有源辐射贴片和引向器贴片的连线。
2.根据权利要求1所述的一种沿载体表面定向辐射的共面天线，其特征在于：所述的有源辐射器贴片、引向器贴片、反射器贴片均为平面结构。
3.根据权利要求1所述的一种沿载体表面定向辐射的共面天线，其特征在于：所述的有源辐射器贴片、引向器贴片、反射器贴片为金属材质。
4.根据权利要求3所述的一种沿载体表面定向辐射的共面天线，其特征在于：所述的有源辐射器贴片、引向器贴片、反射器贴片为铜。
5.根据权利要求1所述的一种沿载体表面定向辐射的共面天线，其特征在于：所述的引向器贴片上加载3～5个金属短路销钉。
6.根据权利要求1所述的一种沿载体表面定向辐射的共面天线，其特征在于：所述的反射器贴片上加载3～5个金属短路销钉。
7.根据权利要求1所述的一种沿载体表面定向辐射的共面天线，其特征在于：所述的射频电缆插座外导体法兰与地板相连，射频电缆插座芯线穿过介质基板与有源辐射贴片中心相连。
8.根据权利要求1所述的一种沿载体表面定向辐射的共面天线，其特征在于：所述的金属短路销钉为圆柱或圆管，其直径远远小于工作波长，且金属短路销钉穿过介质基板将上表面贴片与下表面地板相连。
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