CN114883793A - 一种基于容性耦合馈电的宽频带、高功率容量贴片天线 - Google Patents

一种基于容性耦合馈电的宽频带、高功率容量贴片天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于容性耦合馈电的宽频带、高功率容量贴片天线，属于高功率微波与天线技术领域，第一介质基板上表面印刷有圆形电容贴片，第二介质基板上表面印刷有矩形辐射贴片，第三介质基板上表面印刷有寄生贴片，三个介质基板自上而下层叠放置；射频同轴连接器包括由内而外依次同轴设置的探针、介质和金属外壳，金属外壳与介质嵌入接地板中，探针贯穿第一介质基板、第二介质基板和第三介质基板，探针与圆形电容贴片相连接，第三介质基板中围绕射频同轴连接器探针均匀内置一圈类同轴金属柱；解决了现有贴片因带宽窄、功率容量低，从而难以作为高功率微波天线辐射源应用于高功率微波系统中的技术问题。

Description

一种基于容性耦合馈电的宽频带、高功率容量贴片天线
技术领域
本发明属于高功率微波与天线技术领域，具体涉及一种基于容性耦合馈电的宽频带、高功率容量贴片天线。
背景技术
随着高功率微波技术的不断发展，其在军用、民用、科研等方面有着广泛的应用前景，而高功率微波系统的运作离不开高功率微波辐射天线源。
贴片天线具有剖面低、体积小、易于与作战平台一体化，提高系统稳定性等优势，但是常规的贴片天线频带窄，功率容量低，无法直接应用于高功率微波系统中，若要将贴片天线应用于高功率微波系统中，必须考虑贴片天线的功率容量。因此设计一种具有高功率容量的贴片天线对其在高功率微波领域的发展具有十分重要的意义。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于容性耦合馈电的宽频带、高功率容量贴片天线，以解决现有贴片因带宽窄、功率容量低，从而难以作为高功率微波天线辐射源应用于高功率微波系统中的技术问题。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种基于容性耦合馈电的宽频带、高功率容量贴片天线，包括第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板及射频同轴连接器；
第一介质基板、第二介质基板及第三介质基板自上而下依次层叠放置在接地板上；
第一介质基板上表面印刷有圆形电容贴片，第二介质基板上表面印刷有矩形辐射贴片，第三介质基板上表面印刷有寄生贴片；
第三介质基板中内置类同轴金属柱，所述类同轴金属柱的数量为六个，以探针为轴沿周向均匀设置在其外部；
射频同轴连接器包括由内而外依次同轴设置的探针、介质和金属外壳；金属外壳与介质的端面齐平，嵌入接地板中；探针高于金属外壳与介质的上端面，且探针贯穿第一介质基板、第二介质基板和第三介质基板，探针顶部与圆形电容贴片相连接；矩形辐射贴片的四角均进行倒圆角处理。
优选地，寄生贴片为环形寄生贴片。
优选地，圆形电容贴片、矩形辐射贴片及寄生贴片均由铜材质制成。
优选地，第一介质基板、第二介质基板和第三介质基板的尺寸及形状均相同。
优选地，第一介质基板、第二介质基板和第三介质基板均为厚度为0.5mm、介电常数为2.2的Rogers5880的介质基板。
优选地，圆形电容贴片、第一介质基板、矩形辐射贴片、第二介质基板、寄生贴片、第三介质基板及类同轴金属柱整体加工成PCB板，焊接固定在接地板上。
优选地，射频同轴连接器的特性阻抗为50Ω，探针材料为金属，探针与金属外壳之间填充的介质为介电常数为2.1的聚四氟乙烯。
优选地，圆形电容贴片的半径、矩形辐射贴片的长度和寄生贴片的半径参数均可调节。
优选地，在工作频带8-9GHz内，该贴片天线的回波损耗小于-20dB，相对带宽为21.57％，增益大于5.5dB，功率容量为24kW。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种基于容性耦合馈电的宽频带、高功率容量贴片天线，引入寄生贴片将单谐振点电路改为多谐振点的耦合电路，使得所发明的贴片天线产生多个相近的谐振模式从而拓宽带宽；在射频同轴连接器的探针顶部增加一个圆形电容贴片，相当于串联一个电容器，通过调整圆形电容贴片的大小对探针电感进行补偿，使得天线的输入阻抗与射频同轴连接器的阻抗能够较好的匹配，最终将此贴片天线的带宽提升了21.57％；通过对矩形辐射贴片的四角进行倒圆角处理，降低了尖端处的电场强度，提高了该天线的击穿电压，增大了该天线的功率容量；采用三层介质基板将辐射贴片和寄生贴片进行包裹，一定程度上减少了这两层贴片与空气接触面积，且隔绝了外部环境对贴片的影响，降低这两层贴片边缘处发生空气击穿的概率从而提高贴片天线的功率容量；经实验结果表明，本发明中贴片天线的功率容量可达24kW。第三介质基板中内置一圈类同轴金属柱，让传输的电磁能量能够在这一圈屏蔽柱内进行良好传输过渡，有效的防止了电磁能量的损失。
进一步地，圆形电容贴片可补偿同轴探针引入的串联感抗，调节其大小可以使得射频同轴连接器探针阻抗与天线的输入阻抗能够良好匹配；调节寄生贴片的半径可以激励出与辐射贴片相近的谐振模式，从而拓展带宽；调节矩形贴片的长度对天线的辐射性能有很大的影响，优化其大小可以使得天线有较好的辐射性能。
附图说明
图1为本发明基于容性耦合馈电的高功率容量贴片天线三维结构示意图的图；
图2为本发明的基于容性耦合馈电的高功率容量贴片天线三维全剖视图；
图3为本发明的基于容性耦合馈电的高功率容量贴片天线的剖面图；
图4为本发明第一介质基板与第二介质基板进行水平剖分后的俯视图；
图5为本发明第二介质基板与第三介质基板进行水平剖分后的俯视图；
图6为本发明第三介质基板处进行水平剖分的俯视图；
图7为本发明射频同轴连接器的结构示意图；
图8为本发明接地板的结构示意图；
图9为本发明基于容性耦合馈电的高功率容量贴片天线输入功率为1W时，辐射贴片进行倒圆角前后的场强分布图；
图10为本发明基于容性耦合馈电的高功率容量贴片天线仿真与实际测得的S参数曲线图；
图11为本发明基于容性耦合馈电的高功率容量贴片天线仿真得到的增益图；
图12为测试功率容量搭建的实验平台示意图；
其中：1-圆形电容贴片；2-第一介质基板；3-矩形辐射贴片；4-第二介质基板；5-寄生贴片；6-第三介质基板；7-类同轴金属柱；8-接地板；9-射频同轴连接器。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1至图8，本发明公开的一种基于容性耦合馈电的宽频带、高功率容量贴片天线，包括：圆形电容贴片1、第一介质基板2、矩形辐射贴片3、第二介质基板4、寄生贴片5、第三介质基板6、类同轴金属柱7、接地板8及射频同轴连接器9。其中，第一介质基板2、第二介质基板4和第三介质基板6自上而下依次层叠放置在接地板8上，圆形电容贴片1印刷在第一介质基板2上表面、矩形辐射贴片3印刷在第二介质基板4上表面、寄生贴片5印刷在第三介质基板6上表面；射频同轴连接器9包括由内而外依次同轴设置的探针、介质和金属外壳，射频同轴连接器9的探针贯穿第一介质基板2、第二介质基板4和第三介质基板6，探针顶部与圆形电容贴片1相连接；金属外壳与介质的端面齐平，均嵌入接地板8，第三介质基板6中以探针为轴沿周向均匀内置六个类同轴金属柱7。
寄生贴片5为环形寄生贴片。
矩形辐射贴片3的直角进行倒圆角处理。
圆形电容贴片1、矩形辐射贴片3及寄生贴片5均采用铜材质，圆形电容贴片1的半径为1.13mm，矩形辐射贴片3长度为8.72mm，宽度为9.45mm，寄生贴片5的半径为2.1mm；
接地板8的长度为17mm，宽度为29.5mm，高度为2mm。
第一介质基板2、第二介质基板4和第三介质基板6均为介电常数2.2的Rogers5880的介质基板，且厚度均为1.5mm、长度均为11.92mm、宽度均为17.13mm。
圆形电容贴片1、第一介质基板2、矩形辐射贴片3、第二介质基板4、寄生贴片5、第三介质基板6及类同轴金属柱7整体加工成PCB板，后期通过焊接固定在接地板8上。
射频同轴连接器9的特性阻抗为50Ω，射频同轴连接器9的探针材料为金属，直径为0.7mm，射频同轴连接器9的探针与金属外壳之间填充介电常数为2.1、直径为1.4mm的聚四氟乙烯介质，金属外壳材料为黄铜镀金或镀镍，直径为2.6mm。
圆形电容贴片1的半径、矩形辐射贴片3的长度和，寄生贴片5的半径参数均可调节，进一步调控该贴片天线的谐振频率。为了使得该贴片天线能在8-9GHz内具有较好的阻抗匹配带宽，本发明中引入一层寄生贴片5，通过优化矩形辐射贴片3和寄生贴片5这两层贴片的尺寸激励起多个谐振模式，当这些谐振频率相近时，便能使得该贴片天线获得较宽的阻抗匹配带宽。此外，当贴片天线采用同轴馈电时，射频同轴连接器9的探针所引入的电感会随着贴片层数和介质基板层数的增加变得非常显著，而本发明中两层贴片的结构设计使得天线的整体厚度增加，从而会造成贴片天线的输入阻抗与射频同轴连接器9的阻抗之间失配，为了补偿探针电感，在射频同轴连接器9的探针顶部附加了一个小的圆形电容贴片1，相当于串联了一个电容器，可以通过调整圆形电容贴片1的大小来对探针电感进行补偿从而拓宽本发明中贴片天线的阻抗带宽。射频同轴连接器9的金属外壳与介质嵌入接地板8，射频同轴连接器9的探针穿过三层介质基板与圆形电容贴片1相连接，馈电电流先馈入到圆形电容贴片1上，再由圆形电容贴片1将电磁能量耦合到矩形辐射贴片3上激励其工作，形成容性耦合馈电。
介质内的击穿电压阈值远远高于空气击穿阈值，因此天线最易发生击穿的部位是天线结构中与空气相接触的部分，通过对天线的结构进行改进从而降低天线的表面场强或者减少与空气接触的面积，能够提高天线的功率容量。为了能够使得本发明中的贴片天线具有高功率容量，本发明中对矩形辐射贴片3的四个直角端进行了倒圆角处理。参见图9，图9为输入功率为1W时，本发明中对矩形辐射贴片3进行倒圆角处理前后的场强分布。可以看到，将矩形辐射贴片3的直角进行倒圆角处理后，由于尖端处聚集的电荷减少，使得尖端处的场强明显降低，由原来的4.28×10^4V/m降为3.98×10^4V/m，从而降低了矩形辐射贴片3直角边沿处发生空气击穿的概率，使得贴片天线的功率容量提高。此外，采用三层介质基板的结构将矩形辐射贴片3和寄生贴片5进行包裹，一定程度上减少了这两层贴片与空气接触面积，且隔绝了外部环境对贴片的影响，降低了这两层贴片边缘发生空气击穿的概率，也可以提高贴片天线的功率容量。
本发明中还在第三介质基板6中内置类同轴金属柱7，所述类同轴金属柱7的数量为六个，以射频同轴连接器9的探针为轴，沿周向均匀设置在其外部，让传输的电磁能量能够在这一圈屏蔽柱内进行良好传输过渡，有效的防止了电磁能量的损失。
参见图10，利用HFSS电磁仿真软件对上述天线进行建模和仿真处理后，并加工实物进行测试，得到天线仿真与实测的S参数曲线，其S参数在8-9GHz频带内均小于-20dB，充分说明该结构具有良好传输特性，具有能量传输高效、反射小的优点。按照一般的阻抗带宽要求，此天线在7.65-9.5GHz内的驻波比均小于2，即模拟仿真得到的相对带宽为21.57％，说明本节中的天线结构设计有效的展宽了工作带宽。
参见图11，图11为仿真得到的带内增益，由仿真结果可以看到在工作频带8-9GHz内，天线的增益均大于5.5dB，具有良好的辐射特性。
参见图12，为测试该贴片天线功率容量，搭建了实验平台，该实验平台同时检测入射功率及反射功率，微波源功率通过入射波定向耦合器及反射波定向耦合器的直通段，连接波导同轴转换器，从波导转至同轴线缆传输，最终馈入暗箱输入端，输入端连接待测天线，暗箱另一端放置接收喇叭，在示波器上可通过读到击穿时刻的输入电压来计算其功率容量。
由实验实际测试得到该贴片天线的功率容量为24kW，此天线具有一定的功率容量。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于容性耦合馈电的宽频带、高功率容量贴片天线，其特征在于，包括第一介质基板(2)、第二介质基板(4)、第三介质基板(6)及射频同轴连接器(9)；
第一介质基板(2)、第二介质基板(4)及第三介质基板(6)自上而下依次层叠放置在接地板(8)上；
第一介质基板(2)上表面印刷有圆形电容贴片(1)，第二介质基板(4)上表面印刷有矩形辐射贴片(3)，第三介质基板(6)上表面印刷有寄生贴片(5)；
第三介质基板(6)中内置类同轴金属柱(7)，所述类同轴金属柱(7)的数量为六个，以探针为轴沿周向均匀设置在其外部；
射频同轴连接器(9)包括由内而外依次同轴设置的探针、介质和金属外壳；金属外壳与介质的端面齐平，嵌入接地板(8)中；探针高于金属外壳与介质的上端面，且探针贯穿第一介质基板(2)、第二介质基板(4)和第三介质基板(6)，探针顶部与圆形电容贴片(1)相连接；矩形辐射贴片(3)的四角均进行倒圆角处理。
2.根据权利要求1所述的一种基于容性耦合馈电的宽频带、高功率容量贴片天线，其特征在于，寄生贴片(5)为环形寄生贴片。
3.根据权利要求1所述的一种基于容性耦合馈电的宽频带、高功率容量贴片天线，其特征在于，圆形电容贴片(1)、矩形辐射贴片(3)及寄生贴片(5)均由铜材质制成。
4.根据权利要求1所述的一种基于容性耦合馈电的宽频带、高功率容量贴片天线，其特征在于，第一介质基板(2)、第二介质基板(4)和第三介质基板(6)的尺寸及形状均相同。
5.根据权利要求1所述的一种基于容性耦合馈电的宽频带、高功率容量贴片天线，其特征在于，第一介质基板(2)、第二介质基板(4)和第三介质基板(6)均为厚度为0.5mm、介电常数为2.2的Rogers5880的介质基板。
6.根据权利要求1所述的一种基于容性耦合馈电的宽频带、高功率容量贴片天线，其特征在于，圆形电容贴片(1)、第一介质基板(2)、矩形辐射贴片(3)、第二介质基板(4)、寄生贴片(5)、第三介质基板(6)及类同轴金属柱(7)整体加工成PCB板，焊接固定在接地板(8)上。
7.根据权利要求1所述的一种基于容性耦合馈电的宽频带、高功率容量贴片天线，其特征在于，射频同轴连接器(9)的特性阻抗为50Ω，探针材料为金属，探针与金属外壳之间填充的介质为介电常数为2.1的聚四氟乙烯。
8.根据权利要求1所述的一种基于容性耦合馈电的宽频带、高功率容量贴片天线，其特征在于，金属外壳材料为黄铜镀金或镀镍。
9.根据权利要求1所述的一种基于容性耦合馈电的宽频带、高功率容量贴片天线，其特征在于，圆形电容贴片(1)的半径、矩形辐射贴片(3)的长度和寄生贴片(5)的半径参数均可调节。
10.根据权利要求1所述的一种基于容性耦合馈电的宽频带、高功率容量贴片天线，其特征在于，在工作频带8-9GHz内，该天线的回波损耗小于-20dB，相对带宽为21.57％，增益大于5.5dB，功率容量为24kW。
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