CN117594987A - 一种基于微带线与介质谐振器的漏波天线单元及阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于微带线与介质谐振器的漏波天线单元及阵列天线，属于通信领域，它包括介质基板，在介质基板的下表面印刷有地板，上表面印刷有两个弯折微带线、直线微带线、耦合微带线、馈电微带线和介质谐振器；直线微带线的两端分别连接有一个弯折微带线，耦合微带线设置在直线微带线的下方，馈电微带线连接在直线微带线上方，介质谐振器放置在馈电微带线的上方；馈电微带线和介质谐振器产生一个方向的极化分量，弯折微带线和耦合微带线产生另一个方向的极化分量。本发明通过折微带线与耦合微带线共同作用能够产生一个方向的极化分量，介质谐振器提供另一个正交的极化分量，通过分析和调整介质谐振器的尺寸与位置，实现良好的圆极化性能。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于微带线与介质谐振器的漏波天线单元及阵列天线。
背景技术
现代无线通信中，天线作为能够进行发射与接收电磁波的一种重要设备，对其进行相关研究具有非常重要的意义，在雷达、定位与电子对抗等应用领域，对于天线的波束扫描功能具有需求。传统波束扫描功能主要通过机械扫描与相控阵技术实现，但是机械扫描占用体积大，调节速度慢；相控阵技术需要用到大量的T/R组件，系统复杂度非常高，成本也很高。
相比于上述两种方法，漏波天线作为一种特殊的行波天线，能够通过源频率的变化对辐射波束进行扫描控制，具有结构简单、成本低的优点。按照结构主要可以将漏波天线划分为均匀型和周期型两种。均匀型漏波天线表示辐射结构在传输方向上均匀分布，基模就是快波模式，其只能在前向区域实现有效的波束扫描性能。周期型漏波天线表示周期长度接近波长，基模是快波模式，通常通过-1次空间谐波产生辐射，能够实现前向与后向的辐射波束扫描。
圆极化天线相较于线极化天线具有低路径损耗和更容易实现极化匹配的优势，圆极化漏波天线现在最普遍的实现方式是对两个极化方向正交的线极化漏波天线进行宽带90°相位差和等幅馈电。然而现有的圆极化漏波天线因为主要是通过两个极化方向正交的线极化漏波天线施加具有90°相位差和等幅的馈电信号实现的，摆放两个线极化漏波口径占用了很大的空间尺寸，不利于在一些微型系统与设备上的应用；并且针对这两个线极化漏波天线的馈电网络要实现宽带内的特定的相位与幅度需求，设计难度很大。所以采用现有的传统方式构造圆极化漏波天线存在很多缺陷；同时圆极化天线的一个重要的应用场景就是应用于卫星通信中，为了实现更远距离的稳定无线信号传输，通常需要天线设备具有高增益的特点。通常可以通过在横轴方向上激励高次模式或者在阵列延伸方向上增加单元数构成更大的辐射口径，但是这两种口径扩展方式对于大规模天线尺寸占用过大，不利于小型化设计；最后周期漏波天线通常会遇到开阻带的问题，从而使边射方向上的辐射波束显著恶化，则由后向至前向的波束扫描带来了不连续性，为了解决这个波束扫描不连续的问题，实现更宽的角度扫描范围，通常可以采用阻抗匹配线、不平衡结构等方式来解决，但是这些方法通常应用于线极化漏波天线中，在卫星通信等特殊通信场景下难以应用。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息只用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种基于微带线与介质谐振器的漏波天线单元及阵列天线，解决了现有技术存在的不足。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于微带线与介质谐振器的漏波天线单元，它包括介质基板，在介质基板的下表面印刷有地板，在介质基板上表面印刷有两个弯折微带线、直线微带线、耦合微带线、馈电微带线和介质谐振器；
所述直线微带线的两端分别连接有一个弯折微带线，所述耦合微带线设置在直线微带线的下方，所述馈电微带线连接在直线微带线上方，所述介质谐振器放置在馈电微带线的上方；馈电微带线和介质谐振器产生一个方向的极化分量，弯折微带线和耦合微带线产生另一个方向的极化分量。
在每个弯折微带线上均加载连接有一并联匹配枝节，通过并联匹配枝节调节中心频率处的阻抗，抑制开阻带效应，以改善中心频率处的辐射波束。
进一步地，两个弯折微带线的弯折方向相反。
所述直线微带线和弯折微带线的另一端连接SAM接头的内芯，SAM接头的外芯连接地板。
与所述直线微带线连接的SAM接头用于馈电，与所述弯折微带线连接的SAM接头用于连接匹配负载。
所述馈电微带线激励沿x轴摆放的介质谐振器，被激励的介质谐振器提供沿x轴方向的极化分量；
所述弯折微带线和耦合微带线相互之间配合产生沿y轴方向的极化分量；
通过调节馈电微带线与介质谐振器之间的距离，以及调节介质谐振器的宽度和耦合微带线的宽度，从而产生好的圆极化性能。
一种基于微带线与介质谐振器的漏波阵列天线，它包括多个依次连接的漏波天线单元，第一个漏波天线单元和最后一个漏波天线单元两侧的弯折微带线改为直线微带线，第一个漏波天线单元中的直线微带线连接的SAM接头用于馈电，最后一个漏波天线单元中直线微带线连接的SAM接头用于连接匹配负载。
多个漏波天线单元中前一个漏波天线单元的弯折微带线与下一个漏波天线单元的直线微带线连接。
本发明具有以下优点：
1、通过馈电微带线能够激励起沿x轴摆放的介质谐振器，激励起的介质谐振器会工作对应的谐振模式，产生相应的极化分量。
2、激励起的介质谐振器能够在高度方向上增大辐射口径，从而在阵列长度一定的条件下实现天线更高的辐射增益。
3、折微带线与耦合微带线共同作用能够产生一个方向的极化分量，而激励起的介质谐振器能够提供另一个正交的极化分量，通过合理分析和调整介质谐振器的尺寸与位置，从而能够实现良好的圆极化性能。
4、每个周期单元内关于中心轴加载有并联微带枝节，以用来引入等效并联电容解决了天线的开阻带问题，解决了此问题后本天线就能够在扫描面内实现从后向至前向的连续辐射波束扫描。
附图说明
图1为本发明漏波天线单元的俯视结构示意图；
图2为本发明漏波天线单元的侧视结构示意图；
图3为本发明的阵列天线的俯视结构示意图；
图4为本发明的S参数曲线示意图；
图5为本发明的增益与效率曲线示意图；
图6为本发明在yoz平面内的归一化辐射方向图；
图7为本发明在yoz平面内的轴比曲线示意图；
图中：1-介质基板，2-介质谐振器，3-弯折微带线，4-耦合微带线，5-馈电微带线，6-并联匹配枝节，7-地板，8-SAM接头，9-直线微带线。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下结合附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。
如图1和图2所示，本发明其中一种实施方式涉及一种基于微带线与介质谐振器混合结构的圆极化漏波天线单元，它包括介质基板1，在介质基板1的下表面印刷有地板7，在介质基板1上表面印刷有两个弯折微带线3、直线微带线9、耦合微带线4和介质谐振器2；
直线微带线9的两端分别连接有一个弯折微带线3，且两个弯折微带线3的弯折方向相反，所述耦合微带线4设置在直线微带线9的下方，所述馈电微带线5连接在直线微带线9上方，所述介质谐振器2放置在馈电微带线5的上方；馈电微带线5和介质谐振器2产生一个方向的极化分量，弯折微带线3和耦合微带线4产生另一个方向的极化分量。
进一步地，耦合微带线4与直线微带线9和弯折微带线3不接触。
进一步地，直线微带线9和弯折微带线3的另一端连接SAM接头8的内芯，SAM接头8的外芯连接地板7。其中，与直线微带线9连接的SAM接头8用于馈电，与所述弯折微带线3连接的SAM接头用于连接匹配负载。
进一步地，在两个弯折微带线3上均加载连接有一并联匹配枝节6，通过并联匹配枝节6调节中心频率处的阻抗，从而抑制开阻带效应，以改善中心频率处的辐射波束，实现连续的波束扫描性能。
进一步地，馈电微带线5激励沿x轴摆放的介质谐振器2，被激励的介质谐振器提供沿x轴方向的极化分量；弯折微带线3和耦合微带线4相互之间配合产生沿y轴方向的极化分量；通过调节馈电微带线5与介质谐振器2之间的距离，以及调节介质谐振器2的宽度和耦合微带线4的宽度，从而产生良好的圆极化性能。同时激励起的介质谐振器2在高度方向上产生谐振电场，所以在此方向上增大了辐射口径，提高了相应天线的辐射增益，其中，介质谐振器2不同于一般的微带结构，它是三维结构，所以可以在高度方向上构造辐射口径，实现增益提升。
如图3所示，本发明的另一种实施方式涉及一种基于微带线与介质谐振器混合结构的圆极化漏波阵列天线，它包括多个依次连接的如前述实施方式的漏波天线单元，第一个漏波天线单元和最后一个漏波天线单元两侧的弯折微带线3改为直线微带线9，且第一个漏波天线单元中的直线微带线9连接的SAM接头8用于馈电，最后一个漏波天线单元中直线微带线9连接的SAM接头用于连接匹配负载。
每个漏波天线单元内的馈电微带线5与介质谐振器2产生的复合结构，通过合理调整相对位置与尺寸能够对应调节这两个正交极化分量的幅度比与相位差，从而满足圆极化辐射的条件，实现圆极化辐射性能。
进一步地，本发明使用的介质材料是一层厚度为1mm的F4BK介质板，介质谐振器2的材料为相对介电常数为9.4，损耗正切值为0.009的陶瓷材料，馈电为连接有50欧姆的SMA接头9，在此种激励状态下天线极化方式为右手圆极化。
图4显示了本圆极化漏波天线的S参数，可以得出在6.2 GHz到8.5 GHz频带内都具有良好的阻抗匹配性能，在此频带内都能实现|S11|小于-10 dB。
图5显示了本圆极化漏波天线的峰值增益和效率曲线，发现本设计能达到最高增益为11.5 dBic,最高效率为92%。
图6显示了本圆极化漏波天线在yoz平面的归一化辐射增益，发现在yoz平面内实现了辐射波束从-16°到16°的随频率变化而产生波束扫描的特性。
图7显示了本圆极化漏波天线在yoz平面的轴比曲线，发现在相应的波束指向角度的轴比值均小于3 dB，进一步验证了本设计在对应的工作频带内能够实现圆极化辐射波束扫描。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和完善，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于微带线与介质谐振器的漏波天线单元，其特征在于：它包括介质基板（1），在介质基板（1）的下表面印刷有地板（7），在介质基板（1）上表面印刷有两个弯折微带线（3）、直线微带线（9）、耦合微带线（4）、馈电微带线（5）和介质谐振器（2）；
所述直线微带线（9）的两端分别连接有一个弯折微带线（3），所述耦合微带线（4）设置在直线微带线（9）的下方，所述馈电微带线（5）连接在直线微带线（9）上方，所述介质谐振器（2）放置在馈电微带线（5）的上方；馈电微带线（5）和介质谐振器（2）产生一个方向的极化分量，弯折微带线（3）和耦合微带线（4）产生另一个方向的极化分量。
2.根据权利要求1所述的一种基于微带线与介质谐振器的漏波天线单元，其特征在于：在每个弯折微带线（3）上均加载连接有一并联匹配枝节（6），通过并联匹配枝节（6）调节中心频率处的阻抗，抑制开阻带效应，以改善中心频率处的辐射波束。
3.根据权利要求1所述的一种基于微带线与介质谐振器的漏波天线单元，其特征在于：两个弯折微带线（3）的弯折方向相反。
4.根据权利要求1所述的一种基于微带线与介质谐振器的漏波天线单元，其特征在于：所述直线微带线（9）和弯折微带线（3）的另一端连接SAM接头（8）的内芯，SAM接头（8）的外芯连接地板（7）。
5.根据权利要求4所述的一种基于微带线与介质谐振器的漏波天线单元，其特征在于：与所述直线微带线（9）连接的SAM接头（8）用于馈电，与所述弯折微带线（3）连接的SAM接头用于连接匹配负载。
6.根据权利要求1所述的一种基于微带线与介质谐振器的漏波天线单元，其特征在于：所述馈电微带线（5）激励沿x轴摆放的介质谐振器（2），被激励的介质谐振器提供沿x轴方向的极化分量；
所述弯折微带线（3）和耦合微带线（4）相互之间配合产生沿y轴方向的极化分量；
通过调节馈电微带线（5）与介质谐振器（2）之间的距离，以及调节介质谐振器（2）的宽度和耦合微带线（4）的宽度，从而产生好的圆极化性能。
7.一种基于微带线与介质谐振器的漏波阵列天线，其特征在于：它包括多个依次连接的如权利要求1-6中任意一项所述的漏波天线单元，第一个漏波天线单元和最后一个漏波天线单元两侧的弯折微带线（3）改为直线微带线（9），且第一个漏波天线单元中的直线微带线（9）连接的SAM接头（8）用于馈电，最后一个漏波天线单元中直线微带线（9）连接的SAM接头用于连接匹配负载。
8.根据权利要求7所述的一种基于微带线与介质谐振器的漏波阵列天线，其特征在于：多个漏波天线单元中前一个漏波天线单元的弯折微带线（3）与下一个漏波天线单元的直线微带线（9）连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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