CN112688058A - 一种基于类销钉形单极子的宽波束天线 - Google Patents

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冀璐阳
金娇
李建瀛
张麟兮
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Abstract

本发明涉及一种基于类销钉形单极子的宽波束天线，属于天线技术领域。包括两层介质基板、蚀刻有U型缝隙的矩形微带贴片、两组销钉形单极子、金属地板；上层介质基板中心位置印制有矩形微带贴片，贴片上蚀刻有U型缝隙，在矩形贴片两侧各有三个等间距分布的销钉形单极子，单极子下方是用于支撑的介质基板；金属地板位于上层介质基板的下表面；天线通过同轴探针方式馈电。相比传统微带天线，本发明所设计的微带天线其E面3dB波束宽度为170°。

Description

一种基于类销钉形单极子的宽波束天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种基于类销钉形单极子的宽波束天线。工作频带为5.06～5.33GHz，E面3dB波束宽度为170°。
背景技术
近些年，以微带天线为单元组成的相控阵克服了传统机械扫描阵列天线的缺点，具有扫描速度快、精度高、成本低、重量轻、剖面低和易于集成等优势，成为了相控阵天线设计的主流。
由于受到阵元之间互耦的影响以及微带单元本身扫描范围的限制，微带相控阵天线扫描到大角度时，有源反射系数增加，会引起全反射而出现扫描盲点。微带相控阵天线有效扫描范围一般在±45°范围内。但是对于机载和星载探测系统，有限的搜索区域会出现通信盲区而严重影响相控阵天线的工作效果。因此，拓展相控阵扫描范围，并在扫描范围内保持天线的稳定电性能成为了近几十年来的研究热点。
目前，国内外学者对于大角度扫描的研究主要集中在天线单元本身和阵列排布这两方面。比较常用的展宽扫描角度方法可以归纳为三类：第一种是设计具有宽波束特性的天线单元(王茂泽.二维宽带宽角扫描相控阵天线研究.西安电子科技大学,2014)，第二种是采用单元方向图可重构技术(Panneer Selvam Y,Kanagasabai M,Alsath G N,et al.ALow Profile Frequency and Pattern Reconfigurable Antenna.IEEE Antennas andWireless Propagation Letters,2017:1-1)，第三种是采用宽角阻抗匹配技术(郑学誉,万长宁.宽带宽角扫描相控阵天线.电波科学学报,1995(z1):33-38)。根据方向图乘积原理，阵列天线的远场方向图是单元方向图与阵因子的乘积。在特定的阵列天线排布方式下，阵因子在空间的分布是固定的，此时，单元方向图对阵列天线波束扫描特性起着重要的作用。目前，大部分实现相控阵天线宽角扫描特性技术的本质为构造宽波束天线单元。
平面相控阵天线扫描角度有限是制约相控阵技术发展的瓶颈，也是近年来相控阵研究领域亟待攻克的难点。通常认为平面相控阵的有效扫描角域为其阵面法线的±45°。超越此角域，相控阵的扫描波束增益会急剧降低、扫描旁瓣电平会升高甚至出现栅瓣、波束分辨率会持续恶化。如何克服上述缺陷，发展宽角扫描平面相控阵就成了相控阵研究领域亟待推进的重要研究方向。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于类销钉形单极子的宽波束天线。用以改变微带天线辐射场分布特性，从而使微带天线实现宽波束辐射特性。
技术方案
一种基于类销钉形单极子的宽波束天线，其特征在于包括上层介质基板、下层介质基板、蚀刻有U型缝隙的矩形微带贴片、销钉形单极子、金属地板；所述的上层介质基板的上表面中心位置印制矩形微带贴片，下表面印制金属地板；在矩形微带贴片宽边两侧各有三个等间距对称分布的销钉形单极子，销钉形单极子下方是用于支撑的下层介质基板；矩形微带贴片通过同轴探针方式馈电。
本发明技术方案进一步的说：所述的销钉形单极子包括上部金属柱和下部立方体，金属柱穿过上层介质基板和立方体，放置于用于支撑的下层介质基板上。
本发明技术方案进一步的说：所述的上层介质基板为Rogers RO4003，相对介电常数为3.55，长度W0、宽度L0和厚度H0分别为23mm、22mm和1.6mm。
本发明技术方案进一步的说：所述的下层介质基板为Rogers RO4003，相对介电常数为3.55，长度W0、宽度L0和厚度H0分别为23mm、22mm和1.6mm。
本发明技术方案进一步的说：所述的微带贴片的长Wp和宽Lp分别为17.3mm、14.5mm。
本发明技术方案进一步的说：所述的构成U型缝隙的两个平行矩形缝隙的长Sx为0.7mm，宽Sy为11mm，垂直矩形缝隙的长由Uy和Uy构成，值分别为7.4mm、0.7mm。
本发明技术方案进一步的说：所述的立方体边长c为1.8mm，金属柱H1和直径d分别为14mm、1mm。
有益效果
本发明提出的一种基于类销钉形单极子的宽波束天线。相比传统微带天线，本发明所设计的微带天线其E面3dB波束宽度为170°。本发明采用U型缝隙天线作为主辐射贴片，并加载对称的两组销钉形单极子，可以使波束显著变宽，并且增益变化十分平坦。
在本发明中，在微带贴片周围加载销钉形单极子，从而使微带贴片辐射的能量耦合至单极子结构上，使电场能量在空域上分部更加均匀，天线在低仰角方向的辐射能量分布得到了增强，提高了天线波束的覆盖范围，从而实现宽波束辐射特性。在本发明中，销钉形单极子的辐射特性与微带贴片综合作用，两者的方向图叠加后可以实现上半辐射空间的宽角度覆盖。
文献(郑万清,杨杰,庄露,欧阳骏.一种新型微带天线及其宽角扫描特性研究.电子科技大学学报,2020,49(05):690-694)中为了扩展天线的波束宽度，在天线两侧加载了垂直的金属板，波束宽度为140°。而本发明引入了销钉形单极子，并将其插入上下层介质基板和金属地板，不仅天线结构更加稳定，而且E面3dB波束宽度也优于文献(郑万清,杨杰,庄露,欧阳骏.一种新型微带天线及其宽角扫描特性研究.电子科技大学学报,2020,49(05):690-694)。
与文献(G.Yang,J.Li,D.Wei and R.Xu,"Study on Wide-Angle ScanningLinear Phased Array Antenna,"in IEEE Transactions on Antennas andPropagation,vol.66,no.1,pp.450-455,Jan.2018,doi:10.1109/TAP.2017.2761999)中的天线单元相比，本发明的E面3dB波束宽度与其基本相同，但E面增益变化更加平缓，且后瓣更小。
附图说明
图1为本发明所述天线结构示意图。(图1A是宽波束微带天线的俯视图，图1B是该宽波束微带天线的侧视图)；
图2为本发明所示天线反射系数图；
图3为本发明所述天线E面辐射方向图。
图4为单极子天线、U型缝隙微带天线及本发明所述天线的E面辐射方向图的对比图。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
一种基于类销钉形单极子的宽波束天线，包括两层介质基板、蚀刻有U型缝隙的矩形微带贴片、两组销钉形单极子、金属地板；上层介质基板中心位置印制有矩形微带贴片，贴片上蚀刻有U型缝隙，在矩形贴片两侧各有三个等间距分布的销钉形单极子，单极子下方是用于支撑的介质基板；金属地板位于上层介质基板的下表面；天线通过同轴探针方式馈电。
所述的销钉形单极子包括：上部金属柱和下部立方体，金属柱的底端插入到金属立方体中，整体形状与销钉结构类似；立方体置于下层介质基板上。
如图1所示，图1A是一种基于类销钉形单极子的宽波束天线的俯视图，图1B是该宽波束微带天线的左视图。结合图1A、图1B对本发明作进一步说明：
一种基于类销钉形单极子的宽波束天线，其特征是：包括矩形微带贴片1、U型缝隙2、介质基板4、金属地板5、销钉形单极子6；上层介质基板4-1的上表面印制矩形微带贴片1，蚀刻U型缝隙2，下表面为金属地板5；矩形微带贴片5宽边两侧分布有两组对称的销钉形单极子6，单极子的金属柱6-1穿过上层介质板4-1、金属地板5及立方体6-2，放置于用于支撑的下层介质基板4-2上；矩形微带贴片1和金属地板5通过同轴馈电3连接。
所述的介质基板材料为Rogers RO4003(tm)，相对介电常数为3.55，长度W0、宽度L0和厚度H0分别为23mm、22mm和1.6mm；微带贴片的长Wp和宽Lp分别为17.3mm、14.5mm；构成U型缝隙的两个平行矩形缝隙的长Sx为0.7mm，宽Sy为11mm，连接上述两个平行缝隙的矩形缝隙的尺寸由Ux和Uy构成，值分别为7.4mm、0.7mm；销钉形形单极子金属立方体边长c为1.8mm，金属柱高度H1和直径d分别为14mm、1mm。
矩形微带贴片1为介质基板4-1上表面刻蚀后的覆铜体，通过改变矩形微带贴片1的长宽尺寸可以调整天线谐振频率。
金属地板5为介质基板4-1下表面刻蚀后的覆铜体，地板5的长宽尺寸与介质基板4相同。
天线同轴馈电3通过同轴探针与矩形微带贴片1相连。
如图1B所示，所述的销钉形单极子6包括：金属柱6-1和下方金属立方体6-2，整体结构类似于销钉；通过在介质板4-1和金属地板5上打孔将金属圆柱6-1插入其中。
销钉形单极子分布在矩形贴片1宽边两侧，靠近介质基板4-1边缘处，两侧对称各分布有3个单极子，围绕矩形微带贴片1宽边中心等间距分布。
图2为天线反射系数随频率变化曲线。天线的10dB S11工作频带为5.06GHz～5.33GHz。
图3给出了天线在5.2GHz的E面辐射方向图，3dB波束宽度为170°。
图4给出了单极子天线、U型缝隙微带天线及本发明所述天线的E面辐射方向图的对比图。由图所示，单独的单极子天线和U型缝隙微带天线的波束宽度较窄，尤其是在低仰角方向；但当在U型缝隙微带天线周围对称地加载了本发明中所示的单极子后，波束宽度明显展宽，而且增益变化也更加平坦。

Claims (7)

1.一种基于类销钉形单极子的宽波束天线，其特征在于包括上层介质基板(4-1)、下层介质基板(4-2)、蚀刻有U型缝隙(2)的矩形微带贴片(1)、销钉形单极子(6)、金属地板(5)；所述的上层介质基板(4-1)的上表面中心位置印制矩形微带贴片(1)，下表面印制金属地板(5)；在矩形微带贴片(1)宽边两侧各有三个等间距对称分布的销钉形单极子(6)，销钉形单极子(6)下方是用于支撑的下层介质基板(4-2)；矩形微带贴片(1)通过同轴探针方式馈电。
2.根据权利要求1所述的一种基于类销钉形单极子的宽波束天线，其特征在于所述的销钉形单极子(6)包括上部金属柱(6-1)和下部立方体(6-2)，金属柱(6-1)穿过上层介质基板(4-1)和立方体(6-2)，放置于用于支撑的下层介质基板(4-2)上。
3.根据权利要求1所述的一种基于类销钉形单极子的宽波束天线，其特征在于所述的上层介质基板(4-1)为Rogers RO4003，相对介电常数为3.55，长度W0、宽度L0和厚度H0分别为23mm、22mm和1.6mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于类销钉形单极子的宽波束天线，其特征在于所述的下层介质基板(4-2)为Rogers RO4003，相对介电常数为3.55，长度W0、宽度L0和厚度H0分别为23mm、22mm和1.6mm。
5.根据权利要求1所述的一种基于类销钉形单极子的宽波束天线，其特征在于所述的微带贴片的长Wp和宽Lp分别为17.3mm、14.5mm。
6.根据权利要求1所述的一种基于类销钉形单极子的宽波束天线，其特征在于所述的构成U型缝隙的两个平行矩形缝隙的长Sx为0.7mm，宽Sy为11mm，垂直矩形缝隙的长由Uy和Uy构成，值分别为7.4mm、0.7mm。
7.根据权利要求1所述的一种基于类销钉形单极子的宽波束天线，其特征在于所述的立方体(6-2)边长c为1.8mm，金属柱(6-1)H1和直径d分别为14mm、1mm。
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