CN1825703A - Uhf波段小型化宽带宽波束缝隙天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种UHF波段小型化宽带宽波束缝隙天线。它由一个天线面板和一个矩形反射腔构成。天线面板由双面覆铜介质基板制成，在介质基板一侧印制的金属接地板上开矩形缝隙，作为主要辐射源，获得较稳定的宽波束方向图；另一侧有倒∏形微带终端馈源，并通过渐变的微带线与SMA接头连接，以获得宽带阻抗特性；通过一个金属反射腔来达到单向辐射，也提高了天线的增益，同时将降低天线的工作频率，相当于减小了天线的尺寸。本天线能获得超过2个倍频程的阻抗带宽(电压驻波比VSWR≤3)；在带宽范围内，波束宽度θ_3dBE≥120°(E面)、θ_3dBH≥75°(H面)，增益达5.5～7.5dBi；天线面板长边尺寸约为最长工作波长的1/2。本天线结构简单，相对尺寸较小，容易加工，便于与有源电路集成。

Description

UHF波段小型化宽带宽波束缝隙天线

技术领域

本发明涉及一种UHF波段小型化宽带宽波束缝隙天线，该天线既可用于接收也可用于发射无线电波。在军事方面，可用作电子侦察、电子干扰及探地雷达等宽频带无线电设备的终端天线。在民用方面，可作为卫星和飞机无线电测地系统及其它宽频带应用的终端天线等。

研究背景

现代电子战设备正向多功能一体化、小型集成化、模块化、智能化的方向不断发展。传统的宽带宽波束天线如螺旋天线、介质天线等，体积较大，增益较低，已难以与先进的高集成系统相适应，研究小型化、宽波束、高增益宽带天线已变得日益重要。

缝隙天线以其平面结构且易与载体共形，馈电网络与天线结构一起集成等优点，自从上世纪40年代起就受到广泛的关注，发展到今天，宽带缝隙天线主要分为三类：渐变缝隙天线、共面波导(CPW)馈电缝隙天线和微带馈电缝隙天线。渐变缝隙天线如Vivaldi天线，能在一个很宽频带内稳定工作(钟顺时，微带天线理论与应用，西安电子科技大学出版社，1991：116-126)。但是这种天线的应用也受到一定的限制，因为它是一种端射天线，纵向尺寸大，不便与平面电路集成。共面波导馈电缝隙天线和微带馈电缝隙天线都具有边射方向图。共面波导馈电缝隙天线主要有蝶形、三角形等形式，其阻抗带宽达到40～75％，但其波束较窄(Jun-Wei Niu，Shun-Shi Zhong，ACPW-fed broadband slot antenna with linear taper.Microwave Optical TechnologyLetter，41(2004)，218-221)。微带馈电缝隙天线是在天线的接地面上开一个矩形或圆形的缝隙，通过另一侧的微带馈线作馈源来进行馈电。这种天线不但具有很宽的阻抗带宽，并且在其阻抗带宽内具有较宽的波束。但这种平面天线尺寸相对较大，因而基本上用于较高的频段，很少用于UHF/VHF波段。文献(Y.W.Jang，and A.Hiroyuki，Wideband and high-gain triple-offsets-fed ring slot antenna backed by a ground plane，Microwave Opt.Tech.Lett.41(2004)，161-163)工作于2.15～5.92GHz，圆形缝隙的半径为26mm，而天线面的大小为120mm×110mm，即长边约为其最长工作波长的1.16倍。文献(J.Y.Jan and J.W.Su，Bandwidth enhancement of a printed wide-slot antennawith a rotated slot，IEEE Trans.Antennas Propag.53(2005)，2111-2114)工作于3.4～5.6GHz，方形缝隙的边长为24.7mm，而天线面的大小为70mm×70mm，其长边约为其最长工作波长的1.26倍。文献(Feng-Wei Yao，Shun-Shi Zhong Wei-Wang andXian-Ling Liang，Wideband slot antenna with a novel microstrip feed，Microwave Opt.Tech.Lett.46(2005)，275-278)工作于1.55～5.66GHz，矩形缝隙的尺寸为52mm×33mm，而天线面的大小为100mm×85mm，其长边约为其最长工作波长的1.94倍。可见，这些缝隙天线的最大尺寸都是其最长工作波长的1至2倍，而UHF波段的波长又较长。因此，能否减小尺寸是很令人关心的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种UHF波段小型化宽带宽波束缝隙天线，不但阻抗频带宽并且具有较稳定的宽波束方向图特性，而且具有相对较小的尺寸，容易加工，便于与有源电路集成。

本发明构思如下：本发明主要是由一个倒П形微带终端作为激励馈源，并通过渐变的微带线与SMA接头连接，以获得宽带阻抗特性；采用矩形缝隙辐射，获得较稳定的宽波束方向图；通过一个金属反射腔来达到单向辐射，也提高了天线的增益，同时将降低天线的工作频率，相当于减小了天线的尺寸。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种UHF波段小型化宽带宽波束缝隙天线，由一个天线面板和一个金属反射腔构成；所述的天线面板由双面覆铜介质基板制成，在介质基板一侧印制的金属接地板上开辐射缝隙，另一侧有微带馈源，并通过微带线与SMA接头内导体连接，其特征在于：

a.所述的辐射缝隙采用矩形缝隙；

b.所述的微带馈源采用倒П形终端，微带馈源与SMA接头之间连接的微带线采用渐变的微带线；

c.所述的金属反射腔为矩形金属反射腔，加在介质基板后。

定义λ_l为最低工作频率的波长，λ_h为最高工作频率的波长，λ_m为中心工作波长，即 ${\mathrm{\λ}}_m=\frac{1}{2}({\mathrm{\λ}}_l+{\mathrm{\λ}}_h).$

上述的矩形缝隙尺寸为：长度L₂＝(0.45±0.05)λ_l，宽度W₂≈0.5L₂。

上述的П形微带终端尺寸为：l₁+d≈(0.5±0.05)λ_h，l₁≈2.2d，l₂≈4d，s≈1.8d，式中l₁为П形两竖的高度，l₂为П形横条的长度，d为П形竖条与矩形缝隙在П形所在平面上的投影之垂直中心线的距离，s为П形横条与矩形缝隙在П形所在平面上的投影之水平中心线的距离。

渐变微带线参数：r_t≈1.5w，r_b≈0.75w，式中r_t为渐变微带线的顶端宽度，r_b为渐变微带线的底端宽度，w为П形终端的П形条宽度。

上述的矩形金属反射腔由金属铝板制成，其长度为L₁＝(0.5±0.05)λ_l，宽度W₁≈0.6L₁，高度 $h_1\≈\frac{1}{4}{\mathrm{\λ}}_m.$

介质基板的相对介电常数为2.5～4.5，其损耗角正切不大于10^-3。

本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：本发明采用倒П形终端作馈源，并通过渐变的微带线与SMA连接，实现了宽带特性；本发明天线在宽频带内具有较稳定的宽波束方向图；本发明采用矩形反射腔，有效降低了天线的工作频率，使微带缝隙天线以较小的尺寸工作于UHF波段。本天线能获得超过2个倍频程的阻抗带宽(电压驻波比VSWR≤3)；在带宽范围内，波束宽度θ_3dBE≥120°(E面)、θ_3dBH≥75°(H面)，增益达5.5～7.5dBi；天线面板长边尺寸约为最长工作波长的1/2。本天线设计精巧，结构简单，加工容易，便于与有源电路集成。

附图说明

图1是本发明的天线结构视图，图中的图(a)为天线面板的正视图，图(b)为天线面板的后视图，图(c)为天线的侧视图。

图2是图1所示天线的实物照片图。

图3是图1所示天线的实测驻波比图。

图4是图1所示天线的400MHz频率的实测方向图，左边为yz平面，右边为xz平面。

图5是图1所示天线的600MHz频率的实测方向图，左边为yz平面，右边为xz平面。

图6是图1所示天线的800MHz频率的实测方向图，左边为yz平面，右边为xz平面。

图7是图1所示天线的实测增益图。

具体实施方式：

本发明的一个优选实施例：参见图1和图2。图2是根据某一频段而设计加工的实物斜视图。本UHF波段小型化宽带宽波束缝隙天线的结构如图1所示，它由一个天线面板1和一个金属反射腔2构成。天线面板由双面覆铜介质基板制成，在介质基板一侧印制的铜箔接地板3上开矩形缝隙4，另一侧有倒П形微带终端5作馈源，并通过渐变的微带线6与SMA接头7内导体连接，而接头外导体与另一侧铜箔接地板相连。天线的设计参数为L₁、W₁、h₁、L₂、W₂、l₁、l₂、w、s、d及介质板厚度h、相对介电常数ε_r。采用图1所示的结构，只要合理选择参数，就可以相对较小的尺寸实现宽带阻抗特性，并且在其阻抗带宽内具有较宽的波束方向图和较高的增益。

通常要给出一定的指标来设计天线，一般的宽带缝隙天线的指标为阻抗带宽、方向图和增益。下面将叙述如何根据要求来设计该形式的天线，设给定的频率范围为f_l～f_h，对应的波长分别为λ_l～λ_h。

1.参数的确定

根据理论分析和实验经验来确定L₁、W₁、h₁、L₂、W₂、l₁、l₂、w、s、d的值。本发明天线的辐射主要由矩形缝隙来实现，首先确定缝隙的长度L₂和宽度W₂。L₂的变化对天线低频端影响较大，增大L₂可以降低天线的工作频率，一般取L₂＝(0.6±0.1)λ_l(没有加反射腔)，同时为了保证方向图的稳定性，通常取介质板上铜箔接地板的尺寸L₁≥1λ_l和W₁≥0.8λ_l。为了减少介质板的尺寸，可通过加反射腔来实现，反射腔四壁相当于将介质板上的铜箔折叠。当加反射腔后，缝隙长度可取为：L₂＝(0.45±0.05)λ_l；W₂主要决定缝隙阻抗的大小，从而影响与馈源的匹配程度，从另一方面来说，W₂还会影响交叉极化的大小，一般选取W₂≈0.5L₂。介质板上铜箔接地板和反射腔的尺寸尽量选择越小越好，为了保证阻抗带宽内辐射方向图的稳定性和结构的紧凑性，以及便于与有源电路集成，介质板和反射腔底板的大小相同，反射腔的尺寸选为：L₁＝(0.5±0.05)λ_l，W₁≈0.6L₁， $h_1\≈\frac{1}{4}{\mathrm{\λ}}_m.$ 其次确定倒П形终端枝节参数l₁、l₂、w、s、d。l₁+d决定工作频带的最高频率，适当地减小l₁可以增加带宽，l₁+d最佳值取为l₁+d＝(0.5±0.05)λ_h，其中l₁≈2.2d；长度为l₂的水平枝节相当于微带馈源串联上一个电抗元件，l₂≈4d，П形三个枝节的宽度取值相同，取w≈0.015λ_h；水平枝节中心与矩形缝隙中心距离s≈1.8d；为了使П形终端枝节与SMA较好地匹配，采用渐变的微带线连接，取r_t≈1.5w，r_b≈0.75w。

2.介质基板的选择

介质基板的相对介电常数选择范围为：ε_r＝2.5～4.5，同时，损耗角正切应尽量小，一般取tgδ≤10^-3；若对效率要求不高，则更大的tgδ值也可以。介质板厚度h的选择主要从天线的性能以及保证天线强度来考虑，一般取h＝1～2.5mm。

3.接头的选取

天线端口的接头可用SMA接头、N型同轴接头或其它接头等，其特性阻抗为50Ω。

图3为用Agilent 8720ES矢量网络分析仪测得的本发明实施例(图2)驻波比随频率变化曲线。实测的阻抗带宽(VSWR≤3)为390MHz到970MHz。

图5～图7给出了天线3个频率点上的实测方向图。比较这几组曲线，不难看出，该天线在宽频段上辐射基本稳定，波束较宽。表1给出了3个频率上的半功率波束宽度。图9给出了在其工作频带上的增益图，可见天线增益达5.5～7.5dBi左右。

表1  天线的实测半功率波束宽度

频率(MHz)	3dB波束宽度
			yz-plane	xz-plane
	400	190°			123°
600			193°	115°
	800	123°			76°

Claims (5)

1.一种UHF波段小型化宽带宽波束缝隙天线，由一个天线面板(1)和一个金属反射腔(2)构成；所述的天线面板(1)由双面覆铜介质基板制成，在介质基板一侧印制的铜箔接地板(3)上开辐射缝隙，另一侧有微带馈源，并通过微带线与SMA接头(7)内导体连接，而接头外导体与另一侧铜箔接地板相连，其特征在于：

a.所述的辐射缝隙采用矩形缝隙(4)；

b.所述的微带馈源采用倒∏形终端(5)，微带馈源与SMA接头之间连接的微带线采用渐变的微带线(6)；

c.所述的金属反射腔为矩形金属反射腔(2)，加在介质基板后。

2.根据权利要求1所述的UHF波段小型化宽带宽波束缝隙天线，其特征在于所述的矩形缝隙(4)的长度取L₂＝(0.45±0.05)λ₁，宽度取W₂≈0.5L₂。

3.根据权利要求1所述的UHF波段小型化宽带宽波束缝隙天线，其特征在于所述的渐变微带线(6)的尺寸参数为：r_t≈1.5w，r_b≈0.75w，式中r_t为渐变微带线(6)的顶端宽度，r_b为渐变微带线(6)的底端宽度，w为∏形终端(5)的∏形条宽度。

4.根据权利要求1所述的UHF波段小型化宽带宽波束缝隙天线，其特征在于所述的∏形微带终端(5)尺寸为：l₁+d≈(0.5±0.05)λ_h，l₁≈2.2d，l₂≈4d，s≈1.8d。

5.根据权利要求1所述的UHF波段小型化宽带宽波束缝隙天线，其特征在于所述的矩形金属反射腔(2)由金属铝板制成，其尺寸为：长度L₁＝(0.5±0.05)λ_l，宽度W₁≈0.6L₁，高度 $h_1\≈\frac{1}{4}{\mathrm{\λ}}_m,$ 式中λ₁为最低工作频率的波长，λ_m为中心工作波长。

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