CN114899612B - 一种基于双列周期性排布的圆极化机载探测天线 - Google Patents

一种基于双列周期性排布的圆极化机载探测天线 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于双列周期性排布的圆极化机载探测天线。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。该天线每个周期接有四个直角三角形贴片，上侧左边直角三角形金属贴片的与下侧左边直角三角形金属贴片，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平行放置，即在一个周期中分别引入两个相似结构单元来消除中间一对直角三角形的内部反射，完全抑制了天线的开阻带现象，实现了天线主波束的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

一种基于双列周期性排布的圆极化机载探测天线
技术领域
本发明涉及被动微波探测应用领域，更具体地，涉及一种基于双列周期性排布的圆极化机载探测天线。
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。应用于飞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，随着带宽频率范围的内的波动，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，提出一种周期性排布直角三角形的圆极化漏波天线，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波天线。
本发明解决其问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种基于双列周期性排布的圆极化机载探测天线，其结构包括：介质基板、传输线、馈电结构、金属地板和辐射体结构，辐射体结构由周期性排布的单元结构组成，每个单元结构内由两对三角形的金属直角构成，金属直角分别为第一对直角三角形和第二对直角三角形；
第一对直角三角形可旋转的且平行放置于传输线上侧，第二对直角三角形可旋转的且平行放置于传输线下侧；
辐射体结构和金属地板分别在介质基板的上下表面；
馈电结构包括外导体和中心金属探针，外导体与金属地相连，中心金属探针与辐射体结构相连。
优选的，介质基板内部的介质为固体介质。
优选的，第一对直角三角形的间距为
Figure BDA0003644646480000021
第二对直角三角形的间距为/>
Figure BDA0003644646480000022
其中，λg为天线的中心频率在介质基板中对应的导波波长。/>
优选的，第一对直角三角形的左侧一个直角三角形与第二对直角三角形左侧的一个直角三角形间距为0.7mm。
优选的，第二对直角三角形和传输线的夹角分别为θ1、θ2。
优选的，传输线的长度为20倍λg。
与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，利用两边的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
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是飞机机载合成孔径微波辐射计天线的工作过程；
图2是未优化的圆极化漏波天线俯视图；
图3是优化后本发明实施例的俯视示意图；
图4是本发明实施例的背面示意图；
图5是本发明实施例的侧面示意图；
图6是本发明实施例俯视尺寸图；
图7是未优化和优化后的本发明实施例的S11反射系数曲线图；
图8是未优化结构的辐射方向图；
图9是优化后的本发明实施例的辐射方向图；
图10是本发明实施例的圆极化轴比和主波束扫描角度图。
附图标记：介质基板1、传输线2、第一对直角三角形5、第二对直角三角形6、外导体5、中心馈电探针6、金属地板7。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。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飞机飞行过程中的波束角度变化。伴随着飞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飞机的飞行过程中，不断地获取不同方向上传输的稳定信号。随着飞机位置不断的变化，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的顶点分别与传输线4上下两侧连接，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和金属探针2，外导体1与金属地7连接，金属探针6与辐射体结构连接。
在本实施例中，介质板3是矩形结构，介质板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使用表面覆铜的方式。
如图3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和第一对直角三角形5分别旋转角度为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的左侧直角三角形与所述的的第二对直角三角形6的左侧直角三角形的间距为0.7mm。
(2)每个周期结构单元引入一个与另个直角三角形宽度略微不同，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 BDA0003644646480000041
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 BDA0003644646480000042
其中c为光速。
得出在中心频率为f处的波长p为：
Figure BDA0003644646480000043
圆极化满足的垂直辐射孔径条件为：
Figure BDA0003644646480000044
Figure BDA0003644646480000045
其中w1为直角三角形的宽度，L1为直角三角形的长度。
如图6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，介质板1厚度h＝0.762mm，其长度L＝151.8mm，宽度W＝10mm，tanδ＝0.004。传输线4宽度Wp＝2mm。天线段中心频率为25.5GHz时，对应的导波波长约为λg＝6.9mm，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＝0.7mm，W2＝0.64mm。第一对直角三角形5和第二对直角三角形6的间距为d1＝0.7mm，约为四分之一个周期P，第一对直角三角形的左侧一个直角三角形与第二对直角三角形左侧的一个直角三角形的间距约为d2＝1.7mm，，单个周期单元的长度p＝6.9mm。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。此处将传输线的长度L设置在约20倍导波波长。
天线的S参数如图7所示。未优化和优化后天线在边射方向处的S11的值，在中心频率处，未优化的天线明显S11出现上下波动，即开阻带现象。与优化后的结构相比，天线的开阻带明显消除。因此保证了在20.5GHz至35GHz的频率范围内S11<-10dB，天线匹配性能良好。
由图8所示，未优化结构天线在中心频点出出现了衰减，通过图9可知，优化后的结构天线在阻抗带宽内实现了边射方向上无衰减持续扫描。本发明实施例天线的主波束实现了从-48度扫描到36度，覆盖84度的扫描范围。
由图10结果说明主波束扫描对应的圆极化轴比，由图可见圆极化扫描角度为-24度到-2度，覆盖22度空间角的圆极化扫描范围。
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 (5)

1.一种基于双列周期性排布的圆极化机载探测天线，其结构包括：介质基板(3)、传输线(4)、馈电结构、金属地板(7)和辐射体结构，辐射体结构由周期性排布的单元结构组成，每个单元结构内由两对三角形的金属直角构成，金属直角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)的间距为
Figure FDA0004169368240000011
第二对直角三角形(6)的间距为
Figure FDA0004169368240000012
其中，λg为天线的中心频率在介质基板(3)中对应的导波波长；
第一对直角三角形(5)可旋转的且平行放置于传输线(4)上侧，第二对直角三角形(6)可旋转的且平行放置于传输线(4)下侧；
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)和中心金属探针(2)，外导体(1)与金属地(7)相连，中心金属探针(2)与辐射体结构相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于双列周期性排布的圆极化机载探测天线，其特征在于：介质基板(3)内部的介质为固体介质。
3.根据权利要求1所述的一种基于双列周期性排布的圆极化机载探测天线，其特征在于：第一对直角三角形(5)的左侧一个直角三角形与第二对直角三角形(6)左侧的一个直角三角形间距为0.7mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于双列周期性排布的圆极化机载探测天线，其特征在于：第二对直角三角形(6)和传输线(4)的夹角分别为θ1、θ2。
5.根据权利要求1所述的一种基于双列周期性排布的圆极化机载探测天线，其特征在于：传输线(4)的长度为20倍λg。
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