CN114843761A - 一种基于圆极化机载微波辐射计天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于圆极化机载微波辐射计天线。该天线结构包括馈电结构、介质基板、金属地板、传输线和辐射体结构，其中辐射体结构是由周期性排列的直角三角形金属贴片平行，旋转置于传输线上侧。馈电结构是由金属探针和外导体构成。所述辐射体结构、金属地板分别在介质基板的上表面和下表面。所述的金属探针与辐射结构相连、外导体与金属地板相连。该天线每个周期接有四个直角三角形贴片，中间一对直角三角形贴片，用于产生一对垂直辐射孔径，实现圆极化。另外引入一对等长不同宽度的直角三角形金属贴片，消除内部反射，从而实现了天线主波束在边射方向无衰减扫描。其结构简单、易于集成，为实现机载平台天线前端提供了一种可观的前景。

Description

一种基于圆极化机载微波辐射计天线
技术领域
本发明涉及被动微波探测应用领域，更具体地，涉及一种基于圆极化机载微波辐射计天线。
背景技术
天线作为信号转接，在微波探测和移动通信领域中具有重要的作用。为了保证在合成孔径的微波探测的复杂恶劣的实际环境下，收发不同方向上的波束，提高信号的质量，因此需要具有波束扫描特性的圆极化天线作为系统的前端。应用于无人机平台的圆极化机载微波辐射计天线，可以在复杂环境探测飞行中，实现信号的高质量传播。而波束扫描天线可以在飞行器的移动过程中，接受不同角度范围内的频率信号，随着带宽频率范围内的波动，主波束会发生偏转，避免了由于不同角度的变化而引进的信号的失配和扫描时延。因此，圆极化漏波天线成为微波探测系统中的一种最佳的优选。
与传统的微带漏波天线相比，周期性微带漏波天线具有从后向前的扫描特性，实现一定范围的波束覆盖。然而对周期性微带天线而言，解决开阻带问题，即可实现边射方向(θ＝0°)的无衰减扫描。随着近几年来，对周期性微带漏波天线研究的深入，具有多特性的周期性漏波天线也越来越多，圆极化微带漏波天线随即成为越来越多人的关注。圆极化微带漏波天线具有波束角度随频率发生改变的频扫特性，能够产生波束窄，增益较高，带宽较大的圆极化波天线，其馈电结构简单，易共形等特点，在现代通信领域中备受研究。
发明内容
本发明针对周期漏波天线存在的开阻带问题以及设计一种满足圆极化特性的漏波天线，提出一种基于圆极化机载微波辐射计天线，可实现在波束扫描范围内且在边射方向无衰减扫描的圆极化漏波天线。
本发明解决其问题所采用的技术方案是：
一种基于圆极化机载微波辐射计天线，其结构包括：馈电结构、介质基板、金属地板、传输线和辐射体结构，其中辐射体结构是由周期性排列的直角三角形平行，旋转置于传输线上侧。馈电结构是由金属探针和外导体构成。所述辐射体结构、金属地板分别置于介质基板的上表面和下表面。所述的金属探针与辐射体结构相连、外导体与金属地板相连。每个周期接有四个直角三角形金属贴片，中间一对直角三角形金属贴片旋转的角度分别为θ1，θ2，用于产生一对垂直辐射孔径，实现圆极化，另外两个采用等长不同宽度的直角三角形金属贴片，消除中间一对直角三角形的内部反射，抑制天线的开阻带现象。
优选地，所述介质基板内部的介质为固体介质。
优选地，所述介质基板为长方体。
优选地，所述第一对直角三角形的一个直角三角形与第二对直角三角形邻近的一个直角三角形的间距约为天线中心频率对应的
Figure BDA0003594676600000021
周期长度，第一对直角三角形中的两个直角三角形的垂直辐射孔径间距约为
Figure BDA0003594676600000022
周期长度，第一对直角三角形其中一个与第二对直角三角形邻近的其中一个平行放置，且和传输线的夹角为45°。
本发明的有益效果是：
通过周期性排布直角三角形金属贴片，其结构简单，易于加工。本发明在单元周期结构引入两对相似的直角三角形金属贴片，之后对单元结构内的尺寸、位置进行调整，引入阻抗匹配，实现了在边射方向上的无衰减扫描。接着，利用中间一对直角三角形金属贴片进行旋转，构造一对垂直的辐射孔径，满足了相位和幅度的条件，实现了圆极化波扫描的特性。为机载合成孔径毫米波辐射计天线的设计提供可行性的技术路线。
附图说明
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
图1是无人机机载合成孔径微波辐射计天线的工作过程；
图2是本发明实施例的俯视示意图；
图3是本发明实施例的背面示意图；
图4是本发明实施例的侧面示意图；
图5是本发明实施例俯视尺寸图；
图6是本发明实施例的S参数曲线图；
图7是本发明实施例的由宏元胞法计算的相位常数和衰减常数曲线图；
图8是本发明实施例的辐射方向图；
图9是本发明实施例的圆极化轴比和主波束扫描角度图；
图10是本发明实施例在极坐标下的主极化和交叉极化方向图。
附图标记：1、外导体；2、金属探针；3、介质基板；4、传输线；5、第一对直角三角形；6、第二对直角三角形；7、金属地板。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
实施例1，如图1所示是合成孔径微波辐射计在无人机飞行过程中的波束角度变化。伴随着无人机的飞行的位置改变，天线主波束在不同位置上的方向变化。周围建筑无时无刻对信号发生多径干扰，使用圆极化频率扫描天线可以在无人机的飞行过程中，不断地获取不同方向上传输的稳定信号。随着无人机位置不断的变化，天线持续扫描，从而获取高质量的信号。
如图2、图3、图4所示，本发明提供一种有一对直角三角形提供垂直辐射孔径，再引入另外两个宽度略微不同直角三角形的圆极化微带漏波天线。该圆极化微带漏波天线包括介质基板3、传输线4、每个单元内的两对直角三角形金属贴片，即第一对直角三角形5与第二对直角三角形6、金属地板7、馈电结构。
第一对直角三角形5与第二对直角三角形6的顶点与传输线4上侧连接，周期排布，从而构成辐射体结构。辐射体结构与金属地板7在介质基板3的上下侧分布。所述馈电结构包含外导体1和中心的金属探针2，外导体1与金属地板7连接，金属探针2与辐射体结构连接。
在本实施例中，介质基板3是矩形结构，介质基板3内部的采用的是一种固体介质。本实施例中使用了Rogers RO4350的介质基板材料。本实施例中，辐射体结构和金属地板7使用表面覆铜的方式。
如图2和图5所示，发明的天线结构，具体结构如下：
(1)每个周期结构单元由第一对直角三角形5，且旋转角度分别为θ1，θ2，从而达到与传输线4的夹角为45°，构成一对垂直的辐射孔径，达到幅度的要求，为了满足相位要求，所设计的第一对直角三角形5的垂直辐射孔径的间距约为四分之一周期长度。
(2)每个周期结构单元引入第二对直角三角形6，与第一对直角三角形5宽度略微不同，使每个周期单元结构存在一对不完全相同的结构，消除内部反射。
(3)调整周期内两对直角三角形金属贴片间距。λg为天线的中心频率在介质基板3中对应的导波波长。通过仿真，两对直角三角形间距离大概接近为四分之一的导波波长时，消除开阻带性能最优。
微带线的等效介电常数计算公式如下：
Figure BDA0003594676600000041
其中d为介质基板的厚度，W为传输线的宽度，εr为介质基板的相对介电常数，εe为微带线的有效介电常数。由相速度vp计算公式：
Figure BDA0003594676600000042
其中c为光速。
得出在中心频率为f处的波长p为：
Figure BDA0003594676600000043
圆极化的相位条件为：
Figure BDA0003594676600000044
其中d1为第一对直角三角形的间距，k0为自由空间的相位常数。
从而得出
Figure BDA0003594676600000045
其中λ为导波波长。
圆极化幅值条件为：
Figure BDA0003594676600000046
Figure BDA0003594676600000051
如图5的俯视尺寸图所示。如下给出本实例中分析和优化较为可观的数据。本实施例选取介质基板3为Rogers RO4350，其介电常数εr＝3.66，介质基板3厚度h＝0.762mm，其长度L＝107.4mm，宽度W＝10mm，tanδ＝0.004。传输线4宽度Wp＝1mm。天线段中心频率为24.5GHz时，对应的导波波长约为λg＝7.8mm，选取第一对直角三角形5、第二对直角三角形6的长度L1＝2.5mm。第一对直角三角形5、第二对直角三角形6的宽度分别为W1＝0.8mm，W2＝0.72mm。第一对直角三角形5间距为d1＝3.8mm，第一对直角三角形的一个直角三角形与第二对直角三角形邻近的一个直角三角形的间距约为d2＝2mm，与四分之一个波长接近，单个周期单元的长度p＝7.8mm。改变直角三角形金属贴片的垂直方向的尺寸长度，可以略微的改善天线的阻抗匹配，对其中的长度进行改变时，需要对周期p、直角三角形的距离d1，d2、直角三角形的宽度W1和W2、传输线宽度WP等一系列的参数的相应调试，才能够获得较好的性能。此处将传输线4的长度L设置在约12倍导波波长。
天线的S参数如图6所示。天线在边射方向处的S11和S21的值没有出现上下波动，因此保证了在19.5GHz至32GHz的频率范围内S11<-10dB，天线匹配性能良好。
由图7所示，天线在阻抗带宽内实现了边射方向上无衰减持续扫描。通过图8可知，本发明实施例天线的主波束实现了从-46度扫描到32度，覆盖78度的扫描范围。
由图9结果说明主波束扫描对应的圆极化轴比，由图可见圆极化的3dB轴比带宽为44.9％(21GHz-32GHz),所对应的圆极化扫描角度为-28度到32度，覆盖60度空间角的圆极化扫描范围。通过图10可见，该天线的圆极化方式为左旋圆极化。
综上，仅是为说明本发明而展示的效果较优的实例，但本发明并不局限于上述实施方式，对于所属领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于圆极化机载微波辐射计天线，其特征在于：结构包括：介质基板(3)、传输线(4)、馈电结构、金属地板(7)和辐射体结构，所述辐射体结构由周期性排布的单元结构组成，每个单元内由两对金属直角三角形构成，分别为第一对直角三角形(5)和第二对直角三角形(6)；第一对直角三角形(5)和第二对直角三角形(6)的一侧与传输线(4)上侧相连，第一对直角三角形(5)各自旋转放置；第二对直角三角形(6)与第一对直角三角形(5)两两互相平行排布；辐射体结构和金属地板(7)分别在介质基板(3)的上下表面；馈电结构包括外导体(1)和金属探针(2)，外导体(1)与金属地板(7)相连，金属探针(2)与辐射体结构相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于圆极化机载微波辐射计天线，其特征在于：所述介质基板(3)内部的介质为固体介质。
3.根据权利要求1所述的一种基于圆极化机载微波辐射计天线，其特征在于：所述第一对直角三角形(5)的间距为3.8mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于圆极化机载微波辐射计天线，其特征在于：所述第一对直角三角形(5)的一个直角三角形与第二对直角三角形(6)邻近的一个直角三角形间距为2mm。
5.根据权利要求1所述的一种基于圆极化机载微波辐射计天线，其特征在于：所述第一对直角三角形(5)的一个直角三角形与第二对直角三角形(6)邻近的一个直角三角形平行放置，且旋转角度分别为θ1，θ2。
6.根据权利要求1所述的一种基于圆极化机载微波辐射计天线，其特征在于：所述传输线(4)的长度设置为12倍λg，λg为天线的中心频率在介质基板(3)中对应的导波波长。
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