CN114336004A - 一种12GHz频率的60°锥状波束天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种12GHz频率的60°锥状波束天线，包括置于第一介质基板表层的加载圆环缝隙的圆形贴片天线、贯穿整个第一介质基板的金属柱子和置于第一介质基板底层的馈源和金属地，置于第二介质基板顶层的微带圈和置于第二介质基板底板的金属地，所述第一介质基板和第二介质基板平行且圆心正对。本发明结构简单、体积合适，工作频率合适，角度大，增益高，便于后期的设计和调试。
Description
技术领域
本发明属于锥状波束天线技术领域，具体为一种12GHz频率的60°锥状波束天线。
背景技术
锥状波束天线是一类波瓣图和极化方向径向对称的天线,它在孔径的法线方向上没有辐射,最大辐射方向在与法线成一定倾角的锥面上。锥状波束在电子系统中有许多应用,例如在高性能无线局域网中,要求采用倾角为60°的锥状波束；在地面车辆和卫星的通信中要求采用30°-70°的锥状波束；在移动通信中要求采用不同频率对应不同倾角的锥状波束。随着上述应用领域的迅速发展,锥状波束天线的研究越来越受到重视,是近年来国内外的一个研究热点。
在锥状波束的实现上,已报导了许多结构,有微带印刷单元结构、微带阵列结构、介质谐振器结构、波导结构、结构、左右手材料结构、缝隙阵列结构、单极子阵列结构、透镜天线结构、环形回路结构、磁电偶极子阵列结构等。虽然目前己经有了各种形式的锥状波束天线,但是它们各有优缺点。由于本发明是基于平面印刷式的天线，所以就简要介绍一下发展现状。1984年，学者J.Huang提出采用圆形贴片的高次模TMn1模式实现圆极化锥状波束天线。所采用的TMn1模式实现的锥状波束天线的带宽仅有4％。由于圆形贴片的TMn1模式在口径上的场分布并不是完全呈周向对称的，因此用来实现锥状波束，其方位面波纹都较大。随后，有学者利用圆形贴片上的TM02模式实现了周向对称的锥状波束天线。该天线采用偏离中心的探针馈电，工作频率为5.2GHz，天线増益为4.2dB。还有文献中报道了利用圆形贴片的TM01模式实现的锥状波束天线，天线工作于5.8GHz，采用探针中心馈电，在0.787mm厚度的介质基板上可以实现1.5％的阻抗带宽，当介质基板厚度增至3mm时，可实现阻抗带宽为5％。总之，现在的锥状波束天线在工作方面有诸多限制，在确保一方面的性能的同时，可能在天线的其他性能方面就要做出妥协，无法满足其在众多应用领域的需求。
发明内容
本发明旨在提供一种12GHz频率的60°锥状波束天线，以解决现有技术在设计锥状波束结构复杂，增益不高的问题，并进一步减小系统尺寸。
实现本发明目的的技术方案为：一种12GHz频率的60°锥状波束天线，包括置于第一介质基板表层的加载圆环缝隙的圆形贴片天线、贯穿整个第一介质基板的金属柱子和置于第一介质基板底层的馈源和金属地，置于第二介质基板顶层的微带圈和置于第二介质基板底板的金属地，所述第一介质基板和第二介质基板平行且圆心正对。
优选地，所述馈源探针由设置在第一介质基板圆心的孔中穿出并焊在圆形贴片天线上。
优选地，所述金属柱子等间距设置在同一圆周上。
优选地，所述金属柱子的个数为8个，且设置在半径为25mm的圆周上。
优选地，所述圆环缝隙的内径为2mm，宽度为0.2mm。
优选地，所述圆形贴片天线的半径为7.8mm。
优选地，第一介质基板背面的金属地半径为30mm。
优选地，所述微带圈为14个圆环，内外半径依次为r1＝9mm、R1＝11mm、r2＝19.5mm、 R2＝20.5mm、r3＝29mm、R3＝31mm、r4＝39mm、R4＝41mm、r5＝48.5mm、R5＝51.5mm、r6＝58mm、 R6＝62mm、r7＝68.5mm、R7＝71.5mm、r8＝78.5mm、R8＝81.5mm、r9＝88.5mm、R9＝91.5mm、 r10＝98.5mm、R10＝101.5mm、r11＝108.5mm、R11＝111.5mm、r12＝118.5mm、R12＝121.5mm、 r13＝128.5mm、R13＝131.5mm、r14＝138.5mm、R14＝141.5mm。
优选地，所述第二介质基板背面的金属地半径为170mm。
优选地，所述第一介质基板和第二介质基板之间的距离为h1＝33mm。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1、本发明中加载圆环缝隙的圆形贴片天线工作模式的选择让天线以较小的尺寸达到了目标性能，同时周围创新的选择安装8个金属柱子更好的促进了天线方向图的形成，同时天线上的环形缝隙让天线有了更好的匹配，达到了设计的目的。
2、本发明第二介质基板上采用圆环结构成功的对天线方向图的相位进行了调节，初步让天线的相位在60°方向上保持一致，达到了设计的初衷。
3、本发明中第一介质基板和第二介质基板分别固定在金属底座上，中间再用其他方式链接起来，方便组装调试，拆分后也更方便携带。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明12GHz频率的60°锥状波束天线的整体示意图。
图2是本发明12GHz频率的60°锥状波束天线的上部分示意图。
图3是本发明12GHz频率的60°锥状波束天线的下部分示意图。
图4是图2中圆形贴片天线尺寸示意图。
图5是图3中反射板尺寸示意图。
图6是本发明12GHz频率的60°锥状波束天线的单独圆形贴片天线S11仿真图。
图7是本发明12GHz频率的60°锥状波束天线的单独天线方向图仿真。
图8是本发明12GHz频率的60°锥状波束天线的反射板相位调节仿真。
图9是本发明12GHz频率的60°锥状波束天线的反射系数仿真。
图10是本发明12GHz频率的60°锥状波束天线的方向图仿真。
具体实施方式
如图1所示，一种12GHz频率的60°锥状波束天线，由反射板反射加载圆环缝隙的圆形贴片天线的方向图从而达到所需角度，主要是由上下部分两种不同介质基板组成，两种基板圆心相对，上部分主要是由置于第一介质基板表层的加载圆环缝隙的圆形贴片天线、贯穿整个第一介质基板的圆形金属柱子和置于第一介质基板底层的馈源和金属地组成，下部分主要是由包括置于第二介质基板顶层的微带圈和置于第二介质基板底层的金属地。
如图2所示，进一步的实施例中，所述馈源探针由设置在第一介质基板圆心的孔中穿出并焊在圆形贴片天线上。
优选地，第一介质基板材料为罗杰斯RO4003,其介电常数3.55，其厚度为1.524mm，半径为30mm。
优选地，所述金属柱子等间距设置在同一圆周上，个数为8个，金属柱子高度h1＝4mm，直径d1＝4mm，每个柱子之间角度为phi＝45°，其距离圆心距离l1＝25mm。
优选地，所述圆环缝隙的内径为2mm，宽度为0.2mm。
优选地，所述圆形贴片天线的半径为7.8mm。
如图3所示，进一步的实施例中，所述第二介质基板材料为罗杰斯5880，其介电常数2.2，厚度为0.508mm，整个介质基板的半径为170mm。
所述微带圈为14个圆环，内外半径依次为r1＝9mm、R1＝11mm、r2＝19.5mm、R2＝20.5mm、 r3＝29mm、R3＝31mm、r4＝39mm、R4＝41mm、r5＝48.5mm、R5＝51.5mm、r6＝58mm、R6＝62mm、 r7＝68.5mm、R7＝71.5mm、r8＝78.5mm、R8＝81.5mm、r9＝88.5mm、R9＝91.5mm、r10＝98.5mm、 R10＝101.5mm、r11＝108.5mm、R11＝111.5mm、r12＝118.5mm、R12＝121.5mm、r13＝128.5mm、 R13＝131.5mm、r14＝138.5mm、R14＝141.5mm。
优选地，所述第二介质基板背面的金属地半径为170mm。
本发明的工作原理为：
首先，对位于第一介质基板上的加载圆环缝隙的圆形微带贴片天线馈电，由其产生初始的天线方向图，经过金属柱子的影响，该天线方向图初步具有锥状波束的特征。然后，将加载圆环缝隙的圆形微带贴片天线所产生的方向图照射到一定距离上的具有多个不同粗细的同心圆环微带的介质基板上，由这些不同粗细的同心圆环微带来进行下一步天线方向图相位的调节，经过这些不同粗细的同心圆环微带的调节后，天线的相位在 60°上达成了一致。最终，加载圆环缝隙的圆形微带贴片天线所产生的初始方向图在经过具有多个不同粗细的同心圆环微带的介质基板的相位调节后，达到了所设想的锥状波束方向图。接下来就是对于各种部件的尺寸进行进一步的优化调整。
图6是利用HFSS仿真软件，单独仿真谐振频率在12GHz处，本发明实施例中加载圆环形裂缝圆形微带天线的反射系数S11。由图可知，此时天线在11GHz～12.54GHz范围内的S11均小于-10dB，符合一般的应用需求，其中在频率11.96GHz处达到最低点，为 -32dB。图7为单独天线方向图的仿真结果，由图可知，此时天线的最大增益方向在59°，且其在该角度上的增益为4.2dB，同时从0°和90°两条线可以看出，天线方向图的对称性很好。
图8～10为联合仿真，将天线上下两部分放在一个工程里在HFSS里仿真，所得的结果。由图8可知，此时天线在11.03GHz～12.59GHz范围内的反射系数S11均小于-10dB，符合一般的应用需求，其中在频率12.02GHz处达到最低点，为-30dB。图9为整体天线方向图的仿真结果，由图可知，此时天线的最大增益方向在58°，且其在该角度上的增益为7.9dB，同时从0°和90°两个方向上可以看出，天线方向图的对称性很好。相较于单独天线的仿真结果，增益大了3dB，效果显著，可见方法的可行性。图10为整体天线在60°线上的相位变化，由此可见，在天线的有效范围内，天线的相位整体呈现出一条水平的直线，这样的变化说明利用微带圆环来改变相位的可行性。
Claims (10)
1.一种12GHz频率的60°锥状波束天线，其特征在于，包括置于第一介质基板表层的加载圆环缝隙的圆形贴片天线(1)、贯穿整个第一介质基板的金属柱子(2)和置于第一介质基板底层的馈源(3)和金属地(4)，置于第二介质基板顶层的微带圈(5)和置于第二介质基板底板的金属地(6)，所述第一介质基板和第二介质基板平行且圆心正对。
2.根据权利要求1所述的12GHz频率的60°锥状波束天线，其特征在于，所述馈源探针由设置在第一介质基板圆心的孔中穿出并焊在圆形贴片天线(1)上。
3.根据权利要求1所述的12GHz频率的60°锥状波束天线，其特征在于，所述金属柱子等间距设置在同一圆周上。
4.根据权利要求1～3任一所述的12GHz频率的60°锥状波束天线，其特征在于，所述金属柱子的个数为8个，且设置在半径为25mm的圆周上。
5.根据权利要求1所述的12GHz频率的60°锥状波束天线，其特征在于，所述圆环缝隙的内径为2mm，宽度为0.2mm。
6.根据权利要求1所述的12GHz频率的60°锥状波束天线，其特征在于，所述圆形贴片天线(1)的半径为7.8mm。
7.根据权利要求1所述的12GHz频率的60°锥状波束天线，其特征在于，第一介质基板底层的金属地半径为30mm。
8.根据权利要求1所述的12GHz频率的60°锥状波束天线，其特征在于，所述微带圈(5)为14个圆环，内外半径依次为r1＝9mm、R1＝11mm、r2＝19.5mm、R2＝20.5mm、r3＝29mm、R3＝31mm、r4＝39mm、R4＝41mm、r5＝48.5mm、R5＝51.5mm、r6＝58mm、R6＝62mm、r7＝68.5mm、R7＝71.5mm、r8＝78.5mm、R8＝81.5mm、r9＝88.5mm、R9＝91.5mm、r10＝98.5mm、R10＝101.5mm、r11＝108.5mm、R11＝111.5mm、r12＝118.5mm、R12＝121.5mm、r13＝128.5mm、R13＝131.5mm、r14＝138.5mm、R14＝141.5mm。
9.根据权利要求1所述的12GHz频率的60°锥状波束天线，其特征在于，所述第二介质基板背面的金属地半径为170mm。
10.根据权利要求1所述的12GHz频率的60°锥状波束天线，其特征在于,所述第一介质基板和第二介质基板之间的距离为h1＝33mm。
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