CN113346233A - 一种基于氧化铝陶瓷材料的紧凑型大角度扫描漏波天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于氧化铝陶瓷材料的紧凑型大角度扫描漏波天线，属于天线领域。该天线包括接地介质基板、复合左右手微带传输线和氧化铝陶瓷块三部分构成，其中复合左右手微带传输线由介质基板正面的50欧姆矩形微带线、周期性排列的矩形缝隙、短路钉匹配枝节组成。由于引入的矩形缝隙可等效为磁偶极子，其E面远场方向图具有全向性，当波束指向远离边射方向时，能够弥补增益的损失，因此具备大角度扫描特性，有效增加信号覆盖率。同时，引入的氧化铝陶瓷材料具有高介电常数、高品质因数和低损耗特性，相比于传统的漏波天线，天线尺寸大大缩小，并能够保持较高的天线的辐射效率。

Description

一种基于氧化铝陶瓷材料的紧凑型大角度扫描漏波天线
技术领域
本发明属于天线领域，涉及一种基于氧化铝陶瓷材料的紧凑型大角度扫描漏波天线。
背景技术
漏波天线属于行波天线范畴，其特点为波束具有高指向性且可随频率变化而扫描。近年来随着无线通信的迅猛发展，漏波天线应用场景大大增加，对其性能指标提出了更高的要求。一方面，设计漏波天线如同相控阵天线一样，需要获得更大的波束扫描范围以满足信号空间覆盖率的要求；另一方面是在不影响天线性能的前提下实现天线的结构紧凑，由弗洛凯周期定理可知，传统的周期性漏波天线利用高次模工作时，其单元间距不小于工作频率半波长的整数倍，因此，天线整体尺寸难以减小；而对于另一类基于复合左右手材料的准周期漏波天线，交指电容、平行板电容结构能够提供的单位长度电容量有限且辐射效率不高，同样不易实现尺寸缩减。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种基于氧化铝陶瓷材料的紧凑型大角度扫描漏波天线，它能够实现波束从前向到后向连续性大角度扫描(超过±60°)，同时具有紧凑化、高效率、结构简单等特点。
为达到上述目标，本发明解决所述技术问题的技术方案是：设计一种基于氧化铝陶瓷材料的紧凑型大角度扫描漏波天线，其特征在于，该天线包括接地介质基板、复合左右手微带传输线和氧化铝陶瓷块三部分，其中：
接地介质基板即为背面全覆铜的介质基板，支持主模为准横电磁波传播；
复合左右手微带传输线由设置在接地介质基板正面的50欧姆矩形微带线、短路钉匹配枝节组成，50欧姆矩形微带线上设置有周期性排列的矩形缝隙，矩形缝隙为沿50欧姆矩形微带线的宽度方向，矩形缝隙将50欧姆矩形微带线沿长度方向截成若干段；
在每一个矩形缝隙的上方通过导电银胶粘贴有一个氧化铝陶瓷块，氧化铝陶瓷块的中心与矩形缝隙的中心的连线垂直于接地介质基板表面；在每一个氧化铝陶瓷块的左侧前方的50欧姆矩形微带线和右侧后方的50欧姆矩形微带线上各向外延伸有一个短路钉匹配枝节，各短路钉匹配枝节均相等且均与50欧姆矩形微带线垂直；
短路钉匹配枝节为微带线，其末端设置的短路钉穿过接地介质基板且与其背面的接地面相连；左侧的两个相邻的短路钉匹配枝节之间的距离与右侧的两个相邻的短路钉匹配枝节之间的距离相等；将同一侧的两个相邻的短路钉匹配枝节及其之间的部分称为天线的一个周期单元结构；
信号从50欧姆矩形微带线的长度方向的一端输入，其另一端连接匹配负载；其中矩形缝隙的作用是提供左手电容(Cse)并实现电磁波的泄露；短路钉匹配枝节作用为提供左手电感(Lsh)。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
1、由于引入的矩形缝隙可等效为磁偶极子，其E面远场方向图具有全向性，当波束指向远离边射方向时，能够弥补增益的损失，因此具备大角度扫描的潜质。
2、氧化铝陶瓷具有高介电常数，当氧化铝陶瓷块叠放在矩形缝隙上时，可大大增加单位长度左手电容值；同时，氧化铝陶瓷块具有低损耗特性，能够有效被矩形缝隙所激励，使得漏波泄露速率得到有效提高，进而提高了漏波天线的等效口径。以上两个方面均有利于天线的紧凑化和高辐射效率。
3、氧化铝陶瓷具有高品质因数，能够有效汇聚电磁波能量，减少电磁能量在介质基板的耗散和增加矩形缝隙间的辐射隔离度，从而降低了辐射方向图的畸变。
附图说明
图1是本发明天线一种实施例的结构示意图。(图中：1-接地介质基板、2-50欧姆矩形微带线、3-矩形缝隙、4-短路钉匹配枝节、5-氧化铝陶瓷块；为了方便看到矩形缝隙，图中已去掉一个氧化铝陶瓷块)。
图2是本发明实施例1中的天线一个周期单元结构的仿真色散图。
图3是本发明实施例1中的天线在频段4.5-8GHz下的天线S参数。
图4是本发明实施例1中的天线在频率4.8GHz、5.2GHz、5.8GHz、6.9GHz和7.9GHz下天线E面共极化(Co-pol)和交叉极化(Cross-pol)辐射方向图。
具体实施方式
本发明提供一种基于氧化铝陶瓷材料的紧凑型大角度扫描漏波天线(简称天线)，其特征在于，该天线包括接地介质基板、复合左右手微带传输线和氧化铝陶瓷块三部分，其中：
接地介质基板即为背面全覆铜的介质基板，支持主模为准横电磁波传播。
复合左右手微带传输线由设置在接地介质基板正面的50欧姆矩形微带线、短路钉匹配枝节组成，50欧姆矩形微带线上设置有周期性排列的矩形缝隙，矩形缝隙为沿50欧姆矩形微带线的宽度方向，矩形缝隙将50欧姆矩形微带线沿长度方向截成若干段；在每一个矩形缝隙的上方通过导电银胶粘贴有一个氧化铝陶瓷块，氧化铝陶瓷块的中心与矩形缝隙的中心的连线垂直于接地介质基板表面。在每一个氧化铝陶瓷块的左侧前方的50欧姆矩形微带线和右侧后方的50欧姆矩形微带线上各向外延伸有一个短路钉匹配枝节，各短路钉匹配枝节均相等且均与50欧姆矩形微带线垂直；短路钉匹配枝节为微带线，其末端设置的短路钉穿过接地介质基板且与其背面的接地面相连；左侧的两个相邻的短路钉匹配枝节之间的距离与右侧的两个相邻的短路钉匹配枝节之间的距离相等。
信号从50欧姆矩形微带线的长度方向的一端输入，其另一端连接匹配负载。其中矩形缝隙的作用是提供左手电容(Cse)并实现电磁波的泄露；短路钉匹配枝节作用为提供左手电感(Lsh)。
氧化铝陶瓷块底面为正方形，叠放在矩形缝隙之上，其作用为辅助矩形缝隙，提高其左手电容值；此外氧化铝陶瓷块能够有效被矩形缝隙所激励，参与电磁辐射。
矩形缝隙的宽度为g，同一侧的两个短路钉匹配枝节之间的距离为p，即周期间隔为p，短路钉匹配枝节的其长度为l，短路钉的直径为d；氧化铝陶瓷块底面边长为a，厚度为h；为了能够在指定边射工作频率f0达到平衡条件，实现前向到后向的连续扫描，需要通过调整g和h控制左手电容值Cse，通过调整l控制左手电感值Lsh，最终达到如下表达式要求：
Figure BDA0003096175090000041
Figure BDA0003096175090000042
其中，右手电感(Lse)和右手电容(Csh)由50欧姆矩形微带线自身的分布电感、电容决定，因此只需要对左手电容(Cse)和左手电感(Lsh)值调整来满足平衡条件，具体电容、电感值正比于如下两个表达式：
Figure BDA0003096175090000043
Lsh∝tan(βl)
其中，电容公式中g为矩形缝隙的宽度，εeff是等效介电常数，它由接地介质基板的介电常数、厚度以及氧化铝陶瓷块的介电常数、高度共同决定，由于氧化铝陶瓷为高介电常数材料，因此调节氧化铝陶瓷块的高度h对改变εeff更为明显；在电感公式中l为短路钉匹配枝节的长度(小于边射工作频率的四分之一波长)，β为短路钉匹配枝节内的电磁波的相位常数(传播常数)。综上所述，左手电容(Cse)值可通过调整矩形缝隙宽度g和氧化铝陶瓷块的高度h而改变，左手电感(Lsh)值可通过调整短路钉匹配枝节的长度l而改变，最终联合调节Cse和Lsh，能够实现在指定边射工作频率达到平衡条件。
将同一侧的两个相邻的短路钉匹配枝节及其之间的部分称为天线的一个周期单元结构，考察是否满足平衡条件，可通过电磁仿真软件对一个周期单元结构进行色散图仿真，得到α/k0和β/k0随频率f的变化，其中α为衰减常数，β为电磁波的相位常数，k0为真空中的电磁波传播常数。β/k0＝0处的频率值代表边射工作频率，且在该频率附近α/k0值如果平滑过渡，则视为所设计复合左右手微带传输线达到平衡条件。另外，β/k0<1对应的频段为漏波区域，也即是漏波天线的工作频段，只有在工作频段内，天线才能对外辐射电磁波。
天线所包含的周期单元结构个数为N，通常来说希望漏波天线的总体辐射效率er不低于80％，则N需要满足
Figure BDA0003096175090000051
式中，f0为边射工作频率，α/k0选择f0处所对应值，c为真空光速；p为周期间隔，也为同一侧的两个短路钉匹配枝节之间的距离。
实施例1
本实施例提供一种基于氧化铝陶瓷材料的紧凑型大角度扫描漏波天线(简称天线，参见图1)，该天线的边射工作频率为5.8GHz，其特征在于：该天线包括接地介质基板1、复合左右手微带传输线和氧化铝陶瓷块5三部分，其中：
接地介质基板1即为背面全覆铜的介质基板，支持主模为准横电磁波传播。
复合左右手微带传输线由设置在介质基板正面的50欧姆矩形微带线2、短路钉匹配枝节4组成，50欧姆矩形微带线2上设置有周期性排列的矩形缝隙3，矩形缝隙3为沿50欧姆矩形微带线2的宽度方向，矩形缝隙3将50欧姆矩形微带线2沿长度方向截成若干段；在每一个矩形缝隙3的上方通过导电银胶粘贴有一个氧化铝陶瓷块5，氧化铝陶瓷块5的中心与矩形缝隙3的中心的连线垂直于介质基板1表面。在每一个氧化铝陶瓷块5的左侧前方的50欧姆矩形微带线2和右侧后方的50欧姆矩形微带线2上各向外延伸有一个短路钉匹配枝节4，各短路钉匹配枝节4均相等且均与50欧姆矩形微带线2垂直；短路钉匹配枝节4为微带线，其末端设置的短路钉穿过介质基板1且与其背面的接地面相连；左侧的两个相邻的短路钉匹配枝节4之间的距离与右侧的两个相邻的短路钉匹配枝节4之间的距离相等。
信号从50欧姆矩形微带线2的长度方向的一端输入，其另一端连接匹配负载。其中矩形缝隙3的作用是提供左手电容(Cse)并实现电磁波的泄露；短路钉匹配枝节4作用为提供左手电感(Lsh)。
氧化铝陶瓷块底面为正方形，叠放在矩形缝隙之上，其作用为辅助矩形缝隙，提高其左手电容值；此外氧化铝陶瓷块能够有效被矩形缝隙所激励，参与电磁辐射。
接地介质基板1选取的是背面全覆铜的Rogers4003C高频板，介电常数电路推荐值3.55，接地介质基板的尺寸是128mm×30mm×1.524mm。
复合左右手微带传输线包括：50欧姆矩形微带线2的线宽为3.4mm；矩形缝隙3的缝宽g为1.2mm；短路钉匹配枝节4的长度l为2.4mm，短路钉圆柱直径d为0.6mm。矩形缝隙3和短路钉匹配枝节4周期排列的间隔p均为8mm。
氧化铝陶瓷块的氧化铝材料掺杂纯度为96％，介电常数推荐值为9.6，其底面边长a为5mm，厚度h为3mm，叠放在矩形缝隙3之上，通过导电银胶粘贴。
将本实施例中的参数g、h和l经优化后得到相关的数据，将由优化后的数据得到天线的一个周期单元结构利用电磁仿真软件进行色散图仿真，得到图2所示的结果。由图2可见，α/k0值在边射频率5.8GHz附近平滑过渡，因此本实施例设计的复合左右手微带传输线达到平衡条件，能够实现前向到后向的连续扫描。此外，β/k0<1对应的频段为4.7-8GHz，为漏波天线工作频段。为了提高漏波天线的辐射效率，周期单元结构个数N需要满足
Figure BDA0003096175090000061
将图2中f0＝5.8GHz对应的α/k0＝0.06，周期间隔p＝8mm等参数代入上式，得到N>13.8，本实施例取N＝15，对应周期总长Np＝120mm，约为f0＝5.8GHz对应真空波长的2.3倍，相比于传统漏波天线，尺寸得到很大缩减，具备紧凑型特点。
图3为本发明实施例1所得天线在频段4.5-8GHz下的天线S参数。可见该天线在工作频段4.7-8GHz内，天线反射系数S11小于-10dB，说明输入阻抗匹配良好；同时，天线传输系数S21维持在-10dB左右，说明该天线馈入的大部分能量已辐射出去。
图4为本发明实施例1所得天线在频率4.8GHz、5.2GHz、5.8GHz、6.9GHz和7.9GHz下天线E面共极化(Co-pol)和交叉极化(Cross-pol)辐射方向图。其中，4.8GHz方向图对应后向最大波束偏转角度，为-70°；7.9GHz方向图对应前向最大波束偏转角度，为+69°，总扫描范围超过±60°，因此具备大角度扫描特性。边射方向(波束偏转角为0°)对应工作频率为5.8GHz，与预设一致。同时，天线在4.8-7.9GHz的交叉极化均小于-20dB，副瓣比大于10dB，增益范围为8.1-10.2dBi，方向图性能优良且稳定。
综上所述，本实施例设计的天线在4.8-7.9GHz实现了139°总波束扫描范围，同时天线整体尺寸仅为边射频率f0＝5.8GHz对应真空波长的2.3倍，具备紧凑型特点。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可做到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于氧化铝陶瓷材料的紧凑型大角度扫描漏波天线，其特征在于，该天线包括接地介质基板、复合左右手微带传输线和氧化铝陶瓷块三部分，其中：
接地介质基板即为背面全覆铜的介质基板，支持主模为准横电磁波传播；
复合左右手微带传输线由设置在接地介质基板正面的50欧姆矩形微带线、短路钉匹配枝节组成，50欧姆矩形微带线上设置有周期性排列的矩形缝隙，矩形缝隙为沿50欧姆矩形微带线的宽度方向，矩形缝隙将50欧姆矩形微带线沿长度方向截成若干段；
在每一个矩形缝隙的上方通过导电银胶粘贴有一个氧化铝陶瓷块，氧化铝陶瓷块的中心与矩形缝隙的中心的连线垂直于接地介质基板表面；在每一个氧化铝陶瓷块的左侧前方的50欧姆矩形微带线和右侧后方的50欧姆矩形微带线上各向外延伸有一个短路钉匹配枝节，各短路钉匹配枝节均相等且均与50欧姆矩形微带线垂直；
短路钉匹配枝节为微带线，其末端设置的短路钉穿过接地介质基板且与其背面的接地面相连；左侧的两个相邻的短路钉匹配枝节之间的距离与右侧的两个相邻的短路钉匹配枝节之间的距离相等；将同一侧的两个相邻的短路钉匹配枝节及其之间的部分称为天线的一个周期单元结构；
信号从50欧姆矩形微带线的长度方向的一端输入，其另一端连接匹配负载；其中矩形缝隙的作用是提供左手电容(Cse)并实现电磁波的泄露；短路钉匹配枝节作用为提供左手电感(Lsh)。
2.根据权利要求1所述的一种基于氧化铝陶瓷材料的紧凑型大角度扫描漏波天线，其特征在于，短路钉匹配枝节的长度小于边射工作频率的四分之一波长。
3.根据权利要求1所述的一种基于氧化铝陶瓷材料的紧凑型大角度扫描漏波天线，其特征在于，该天线实现在指定边射工作频率下达到平衡条件的方式为调整矩形缝隙宽度、氧化铝陶瓷块厚度以及短路钉匹配枝节长度，具体的，通过调整矩形缝隙宽度、氧化铝陶瓷块厚度控制左手电容值，通过调整短路钉匹配枝节长度控制左手电感值，最终达到如下表达式要求：
Figure FDA0003096175080000021
Figure FDA0003096175080000022
上述两个公式中：
Lse—右手电感；Csh—右手电容；Cse—左手电容；Lsh—左手电感
f0—指定边射工作频率；
右手电感(Lse)和右手电容(Csh)由50欧姆矩形微带线自身的分布电感、电容决定，因此只需要对左手电容(Cse)和左手电感(Lsh)值调整来满足平衡条件，具体电容、电感值正比于如下两个表达式：
Figure FDA0003096175080000023
Lsh∝tan(βl)
其中，电容公式中g为矩形缝隙的宽度；εeff是等效介电常数，它由接地介质基板的介电常数、厚度以及氧化铝陶瓷块的介电常数、高度共同决定，由于氧化铝陶瓷为高介电常数材料，因此调节氧化铝陶瓷块的高度h对改变εeff更为明显；在电感公式中l为短路钉匹配枝节的长度，β为短路钉匹配枝节内的电磁波的相位常数；联合调节左手电容(Cse)和左手电感(Lsh)，实现在指定边射工作频率达到平衡条件。
4.根据权利要求1所述的一种基于氧化铝陶瓷材料的紧凑型大角度扫描漏波天线，其特征在于，天线所包含的周期单元结构个数为N，天线的总体辐射效率为er，则有：
Figure FDA0003096175080000024
式中，f0为边射工作频率，α/k0选择f0处所对应值，c为真空光速；p为周期间隔，也为同一侧的两个短路钉匹配枝节之间的距离；α、k0分别为频率f0时天线的一个周期单元结构的衰减常数和真空中的电磁波传播常数。
5.根据权利要求4所述的一种基于氧化铝陶瓷材料的紧凑型大角度扫描漏波天线，其特征在于，频率f0时天线的一个周期单元结构的衰减常数和真空中的电磁波传播常数由电磁仿真软件仿真一个周期单元结构的色散图得到。
6.根据权利要求1-5所述的一种基于氧化铝陶瓷材料的紧凑型大角度扫描漏波天线，其特征在于，该天线的边射工作频率为5.8GHz；该天线包含15个周期单元结构，矩形缝隙的缝宽g为1.2mm，氧化铝陶瓷块的厚度h为3mm，短路钉匹配枝节的长度l为2.4mm；矩形缝隙和短路钉匹配枝节周期排列的间隔p均为8mm。
7.根据权利要求6所述的一种基于氧化铝陶瓷材料的紧凑型大角度扫描漏波天线，其特征在于，接地介质基板选取的是背面全覆铜的Rogers4003C高频板，介电常数电路推荐值3.55。
8.根据权利要求6所述的一种基于氧化铝陶瓷材料的紧凑型大角度扫描漏波天线，其特征在于，接地介质基板的尺寸是128mm×30mm×1.524mm。
9.根据权利要求6所述的一种基于氧化铝陶瓷材料的紧凑型大角度扫描漏波天线，其特征在于，50欧姆矩形微带线的线宽为3.4mm；短路钉圆柱直径d为0.6mm。
10.根据权利要求6所述的一种基于氧化铝陶瓷材料的紧凑型大角度扫描漏波天线，其特征在于，氧化铝陶瓷块的氧化铝材料掺杂纯度为96％，介电常数推荐值为9.6，其底面边长a为5mm。
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