CN114899610A - 一种工作于x波段的宽带微带贴片天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种工作于X波段的宽带微带贴片天线，属于天线技术领域。包括微带线导带、第一介质基板、金属地板、第二介质基板、驱动贴片、第三介质基板、寄生贴片、第四介质基板；微带线导带敷设于第一介质基板的下表面，刻有耦合缝隙的金属地板敷设于第一介质基板的上表面；矩形的驱动贴片敷设于第二介质基板的上表面；矩形寄生贴片敷设于第四介质基板的下表面；第三介质基板位于第二介质基板和第四介质基板之间，将4层介质基板通过半固化片粘接在一起后便构成一个整体；本发明实现了X波段宽带、低交叉极化微带贴片天线的设计，解决了传统微带贴片天线存在的带宽较窄的问题，最终设计的微带贴片天线具备良好的宽带性能。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种工作于X波段的宽带微带贴片天线。
背景技术
天线作为雷达系统用来收发射频信号的关键前端部件，其性能直接决定着整个雷达系统的性能。随着现代雷达技术的快速发展，人们对天线在宽带宽、轻量化、集成化、低成本方面提出了更高的要求。在这种背景下，宽带微带贴片天线成为了当前天线领域研究的热点之一。
微带贴片天线作为一种平面结构的天线，基板厚度相对于工作波长而言很小，具备剖面低、重量轻、体积小、易与微波电路集成设计等优点，且可利用成熟的电路板印刷技术批量生产，加工简单、成本低廉，因此微带贴片天线受到了研究者们的青睐。
微带贴片天线一般由介质基板和分别位于基板上、下表面的金属贴片、金属地板组成，一般由微带线、同轴探针或者耦合缝隙等馈电结构进行馈电。金属贴片和金属地板之间会激励起谐振的电磁场，并通过贴片边缘和地板形成的缝隙向外辐射，辐射的电磁波在空中沿着贴片表面的法向方向进行传播，该天线的工作频率范围主要由金属贴片的大小、形状、高度及馈电方式、基板材质决定。
微带贴片天线主要通过贴片和地板之间产生的谐振进行工作，故其带宽很窄，传统的微带贴片天线带宽普遍在10％以下[单层宽带微带贴片天线.CN112713404 A,2021]，提高微带贴片天线带宽的主要方式包括：改进馈电方式、增加寄生贴片、采用低介电常数的厚基板等方式。
微带贴片天线馈电方式包括微带线直接馈电、探针馈电及缝隙耦合馈电，微带线直接馈电结构简单，但其自身的杂散辐射会破坏天线的低交叉极化特性且无法有效拓展带宽；采用L型探针馈电可以拓展带宽，但会引入杂散电感从而增加天线阻抗匹配难度。采用缝隙耦合馈电方式相比于传统的微带线直接馈电和探针馈电可使微带贴片天线带宽增加至30％左右(童芸,张杰,关仲辉.超宽带多层微带贴片天线设计[J].微波学报,2008,(z1):109-112.)。通过增加寄生贴片引入新的谐振点的方式也可使带宽增加至20％左右(卢晓鹏,张玉梅,李昂.非辐射边馈电的宽带双层微带贴片天线[J].雷达科学与技术,2011,9(5):5.)，增加基板厚度、降低基板介电常数也能增加带宽，但基板厚度过厚则会引起表面波的传播从而降低微带贴片天线的辐射效率。
目前，已经设计出了多种具备宽带宽的微带贴片天线，但是其中没有一种天线能够在X波段上实现49.6％的带宽，且交叉极化电平低于-30dB。
发明内容
为了解决现有微带贴片天线带宽窄、交叉极化特性差的技术问题，本发明旨在设计一款工作于X波段的宽带、低交叉极化的微带贴片天线。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种工作于X波段的宽带微带贴片天线，宽带微带贴片天线的结构由下至上包括微带线导带、第一介质基板、金属地板、第二介质基板、驱动贴片、第三介质基板、寄生贴片、第四介质基板；
微带线导带敷设于第一介质基板的下表面，刻有耦合缝隙的金属地板敷设于第一介质基板的上表面；驱动贴片敷设于第二介质基板的上表面；矩形的寄生贴片敷设于第四介质基板的下表面；第三介质基板位于第二介质基板和第四介质基板之间，将4层介质基板通过半固化片粘接在一起后便构成一个整体；
本发明通过增加所述的寄生贴片，目的是和驱动贴片一起构成新的谐振结构从而引入的新谐振点，该谐振点对应的谐振频率高于驱动贴片和金属地板构成的谐振结构对应的谐振频率，从而实现带宽往高频方向的拓展；所述的寄生贴片不在第四介质基板上表面，而是位于下表面，这样第四介质基板可以起到保护寄生贴片的作用，同时也可以作为阻抗匹配层优化阻抗匹配状态。
第三介质基板采用低介电常数的泡沫材质，用于支撑第四介质基板，同时降低谐振Q值从而实现带宽的拓展；第一介质基板、第二介质基板、第四介质基板用来敷设各自表面的金属结构；
微带线导带和金属地板构成了馈电微带线结构，微带线被激励后，激励能量沿着微带线传播至耦合缝隙下方，此时耦合缝隙被激励，耦合缝隙上的能量进一步激励驱动贴片，而驱动贴片上的能量向上激励寄生贴片；
微带线导带、金属地板、耦合缝隙构成了天线的馈电结构，用来激励辐射贴片；驱动贴片和寄生贴片为天线的辐射结构，用来向外辐射能量，驱动贴片和金属地板构成第一个谐振结构，寄生贴片和驱动贴片构成第二个谐振结构，两个谐振结构分别产生各自的谐振点，两个谐振点在频带上相邻，用于实现天线带宽的拓展。
进一步的，本发明将馈电微带线结构设计为开路状态，开路段末端采用扇形结构而非宽度不变的直通微带线，开路段可以等效为电抗元件，通过改变扇形的面积可以改变其电抗值的大小，从而可以用来优化天线的阻抗匹配状态；开路段的电长度接近于中心频率对应波长的1/4，根据传输线理论可知，开路微带线在缝隙下方位置处可认为是短路状态，也即等效为微带线和缝隙直接连接。
进一步的，本发明的耦合缝隙采用“H形”缝隙而非常规的矩形缝隙，目的是减小缝隙的尺寸进而减小贴片的后向辐射，同时也能减缓缝隙两端电场的突变，从而提升馈电效率。
进一步的，本发明的“H形”耦合缝隙位置不在驱动贴片宽边的中心位置，而是在驱动贴片宽边方向偏移一定的距离，目的是进一步优化阻抗匹配状态从而提高带宽，耦合缝隙偏离驱动贴片中心也会带来交叉极化电平恶化的问题，故偏移距离在带宽和交叉极化电平之间进行了权衡设计。
和现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明通过多层电路板工艺将4层基板压合在一起，实现了X波段宽带、低交叉极化微带贴片天线的设计，解决了传统微带贴片天线存在的问题，最终设计的微带贴片天线具备良好的宽带性能。
2、本发明通过引入矩形寄生贴片，和驱动贴片一起形成新的谐振结构，增加了天线的谐振点，实现了带宽的拓展，同时寄生贴片也能起到引向器作用从而可以提高增益；同时采用低介电常数的泡沫基板，支撑寄生贴片所在基板的同时，降低了天线谐振Q值，进一步增加了天线带宽，最终天线带宽达到了49.6％。
3、本发明通过采用“H”形缝隙馈电，实现了对微带贴片天线非接触式的馈电，缝隙所在金属地板使馈电微带线和辐射贴片相互隔离，馈电微带线和辐射贴片可以单独设计从而实现各自的最优性能，避免了馈电微带线对辐射贴片的影响，降低了天线的交叉极化电平，使交叉极化电平保持在-30dB以下。
4、本发明通过将开路微带线开路段末端设计成扇形结构，相比于宽度不变的开路段，能减小开路段长度，给后期单元组合成阵列时馈电网络走线留下更多空间；通过调整扇形的半径和张开角度能改变馈电微带线开路段的电抗值，从而增加了天线阻抗匹配状态调节手段。
5、本发明通过将馈电缝隙偏移贴片中心一定的距离，在保证交叉极化电平恶化程度在接受范围以内的前提下，优化了天线的阻抗匹配状态，增加了天线的带宽，提高了耦合到天线上的能量耦合量，增强了天线的辐射效率。
附图说明
图1是X波段宽带微带贴片天线的总体结构示意图；
图2是X波段宽带微带贴片天线的侧视示意图；
图3是X波段宽带微带贴片天线的部分结构仰视示意图；
图4是X波段宽带微带贴片天线的仿真VSWR(电压驻波比)曲线图；
图5是X波段宽带微带贴片天线10GHz处的仿真增益曲线图。
其中：1-微带线导带、2-第一介质基板、3-金属铜地板、4-第二介质基板4、5-驱动贴片、6-第三介质基板、7-寄生贴片、8-第四介质基板、9-耦合缝隙
具体实施方式
为了使本发明的技术方案更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，X波段宽带微带贴片天线主要包括：微带线导带1、第一介质基板2、金属铜地板3、第二介质基板4、驱动贴片5、第三介质基板6、寄生贴片7、第四介质基板8和位于金属铜地板3上的“H”形耦合缝隙9。微带线导带1敷设于第一介质基板2的下表面，刻有耦合缝隙的金属铜地板3敷设于第一介质基板2的上表面，驱动贴片5敷设于第二介质基板4的上表面；寄生贴片7敷设于第四介质基板8的下表面；第三介质基板6位于第二介质基板4和第四介质基板8之间。
如图2所示，第一介质基板2、第二介质基板4、第三介质基板6、第四介质基板8按照由下至上顺序叠放，厚度分别为1.43mm、1.43mm、2.4mm、0.43mm，长宽均为17mm。第一介质基板2、第二介质基板4、第四介质基板8是相对介电常数为2.55、损耗角正切值为0.0018(10GHz)的微波基板；第三介质基板6为泡沫聚苯乙烯，其相对介电常数为1.03(与空气的介电常数接近)、损耗角正切值为0.0001(10GHz)。
如图3所示，微带线导带1为金属铜，其厚度为0.035mm，宽度为0.5mm，位于驱动贴片长边方向中心位置，超过耦合缝隙9中心的开路段直通部分长为1.0mm，直通部分向后与扇形末端结构连接，扇形的弧长为1.5mm、张开角度为90°。
如图3所示，金属地板3为金属铜，厚度为0.035mm，是边长为17mm的正方形。金属地板3上的耦合缝隙9为“H”形，中间横向矩形缝隙的两端分别连接纵向的矩形缝隙，其中横向缝隙长宽分别为4.7mm、0.4mm；两边纵向缝隙尺寸相同，它们的长宽分别为1.5mm、1.1mm；缝隙在驱动贴片5宽边方向偏离该贴片中心距离为0.8mm。
如图3所示，驱动贴片5长宽分别为11mm、8.1mm，寄生贴片7的长宽分别为12mm、8.1mm，两个贴片的厚度均为0.035mm，材质为金属铜。
第一介质基板2、第二介质基板4、第三介质基板6、第四介质基板8通过半固化片RO4450F(10GHz时的损耗角正切值为0.004，厚度为0.1mm)压合粘接在一起形成一个多层整体。
X波段宽带微带贴片天线部分结构尺寸如表1所示。
表1 X波段宽带微带贴片天线部分结构尺寸
通过电磁仿真软件HFSS 18.2对该天线单元在7-13GHz范围内进行扫描，如图4所示为X波段宽带微带贴片天线的仿真VSWR(电压驻波比)曲线图，可知天线的电压驻波比小于2的频带范围为7.50-12.45GHz，相对带宽为49.6％；如图5所示为X波段宽带微带贴片天线10GHz处的仿真增益曲线图，通过分析可以得出辐射远场E面、H面内的交叉极化电平均小于-30dB。可以得出天线具备宽带宽、低交叉极化的特性。
Claims (5)
1.一种工作于X波段的宽带微带贴片天线，其特征在于，所述宽带微带贴片天线由下至上包括微带线导带、第一介质基板、金属地板、第二介质基板、驱动贴片、第三介质基板、寄生贴片、第四介质基板；
所述微带线导带敷设于第一介质基板的下表面，刻有耦合缝隙的金属地板敷设于第一介质基板的上表面；矩形的驱动贴片敷设于第二介质基板的上表面；矩形的寄生贴片敷设于第四介质基板的下表面；第三介质基板位于第二介质基板和第四介质基板之间，将4层介质基板通过半固化片粘接在一起后便构成一个整体；
所述第三介质基板采用低介电常数的泡沫材质，用于支撑第四介质基板，同时降低谐振Q值从而实现带宽的拓展；第一介质基板、第二介质基板、第四介质基板用来敷设各自表面的金属结构；
所述微带线导带和金属地板构成了馈电微带线结构，微带线被激励后，激励能量沿着微带线传播至耦合缝隙下方，此时耦合缝隙被激励，耦合缝隙上的能量进一步激励驱动贴片，而驱动贴片上的能量向上激励寄生贴片；
所述微带线导带、金属地板、耦合缝隙构成了天线的馈电结构，用来激励辐射贴片；驱动贴片和寄生贴片为天线的辐射结构，用来向外辐射能量，驱动贴片和金属地板构成第一个谐振结构，寄生贴片和驱动贴片构成第二个谐振结构，两个谐振结构分别产生各自的谐振点，两个谐振点在频带上相邻，用于实现天线带宽的拓展。
2.根据权利要求1所述的一种工作于X波段的宽带微带贴片天线，其特征在于，所述的馈电微带线结构为开路状态，开路段末端采用扇形结构而非宽度不变的直通微带线，开路段等效为电抗元件，通过改变扇形的面积能够改变其电抗值的大小，从而改善天线的阻抗匹配状态。
3.根据权利要求2所述的一种工作于X波段的宽带微带贴片天线，其特征在于，所述开路段的电长度接近于中心频率对应波长的1/4。
4.根据权利要求1所述的一种工作于X波段的宽带微带贴片天线，其特征在于，所述耦合缝隙为H形耦合缝隙，能够减小缝隙的尺寸进而减小辐射贴片的后向辐射，同时也能减缓耦合缝隙两端电场的突变，从而提升馈电效率。
5.根据权利要求4所述的一种工作于X波段的宽带微带贴片天线，其特征在于，所述H形耦合缝隙位置不在驱动贴片宽边的中心位置，而是在驱动贴片宽边方向偏移一定的距离，用于进一步优化阻抗匹配状态从而提高带宽。
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