CN1983718A - 宽带宽波束微带天线单元 - Google Patents

Abstract

本发明宽带宽波束微带天线单元，特征是采用小孔耦合与多层微带技术相结合，由四层长宽互相平行的矩形金属贴片之间夹三层介质层构成；第三层金属片接地，第四层金属片作为微带传输线，金属圆柱体不与接地金属片接触地穿过开在其中部的矩形小孔，其上端与第二层金属片相连接，下端与微带传输线相连接组成；所述第一、二层金属片的长宽，金属圆柱体的直径以及矩形小孔的长宽以及各层介质层的厚度、微带传输线的长度微带传输线的宽度根据用户所需的谐振频率要求计算得到，金属圆柱体穿过矩形小孔的位置根据谐振频率和匹配情况进行调整。本发明微带天线单元可达到频率3％～10％带宽内阵中单元驻波VSWR≤2.5，阵中单元波束宽度可达120度圆锥空域内增益起伏小于5dB。

Description

宽带宽波束微带天线单元

技术领域：

本发明属于微带天线技术领域，特别涉及宽带宽波束微带天线单元。

背景技术：

美国波士顿(Boston London)技工出版社(Artech House)出版的《微带天线设计手册》(Microstrip Antenna Design Handbook，2001，pp269--275)介绍了传统微带天线单元特性及其设计方法。由于传统微带贴片天线的长度为半个波导波长，属谐振结构，决定了传统微带天线的主要工作模式为单一模式，即主模或高次模式中的一种，而且天线尺寸较大。传统矩形微带天线的工作主模为TM01或TM10模，传统圆形微带天线的工作主模为TM11，它们都是旁射天线，即最大辐射方向垂直于天线表面。因而，利用主模工作无论采用何种组阵方式都难以实现宽波束。当圆形微带天线工作主模为TM21模、或TM31模或更高时，微带天线的最大辐射方向将随着模次的升高逐渐向平行于天线平面方向倾斜。但是工作在单一上述模式的微带天线都难以实现大角度宽波束辐射。文献中同时指出传统微带天线带宽小于3％。

美国约翰.威利(John.Wiley&sons)父子公司出版的《天线理论：分析与设计》(Antenna Theory：Analysis and Design，Constantine A.Balanis，2001)一书中第十四章给出了已知介质的相对介电常数ε_r和谐振频率f_r，计算矩形贴片辐射单元的长度L和宽度W的计算公式： $L=\frac{c}{2f_{r\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}},$ $W=\frac{c}{2f_r}\sqrt{\frac{2}{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}},$ 上述公式尚未见被应用于有圆柱加载的微带天线的尺寸计算中。

美国电子电气工程师协会主办的《美国电子电气工程师协会天线和传播学报(IEEETransaction on Antennas&Propagation)》(1998年，第46卷，1245～1251)《小孔层叠宽带微带贴片天线设计》(Design of Wide-band Aperture-Stacked Patch Microstip Antennas)介绍了利用小孔耦合馈电以及多层微带技术设计的微带天线的带宽可以达到10％，但是由于该天线的工作模式单一，为TM01模，所以其E面、H面波束的5dB宽度小于120°。

由上所述，传统微带天线存在着E面、H面波束的5dB宽度小于120°、带宽小于3％的缺点，这限制了传统微带天线在相控阵中的应用。

至今未见有关宽波束微带天线的设计方法的报导。

发明内容：

本发明提出一种宽带宽波束微带天线单元，以克服现有微带天线存在的波束和带宽较窄的缺陷，达到展宽波束和带宽的目的。

本发明宽带宽波束微带天线单元，其特征在于采用小孔耦合与多层微带技术相结合：由四层长宽分别互相平行的矩形金属贴片之间夹三层介电常数为1.07～2.2、厚度在0.2mm和2mm之间的介质层构成；第三层金属贴片为接地金属贴片3；第四层金属贴片作为微带传输线4；第二层金属贴片2的长边的长度比第一层金属贴片1的长边长，且不超过第一层金属贴片1长边长度的1.4倍，第二层金属贴片2的宽边的长度比第一层金属贴片1的宽边长，且不超过第一层金属贴片1宽边长度的1.3倍；以各矩形实体的长边方向为各自所在平面内的左右方向，使上述三层矩形金属贴片各自的左右方向的对称轴在接地金属贴片3所在平面上的投影重合，第一层金属贴片1和第二层金属贴片2在第三层接地金属贴片3上的投影矩形的右边的相对距离不超过第二层金属贴片2长度的20％，第二层金属贴片2和第三层金属贴片3的几何中心重合；根据下列公式计算确定特性阻抗为50欧姆的微带传输线4的宽度：

式中：W为微带线的宽度，d、ε_r分别为介质厚度和相对介电常数，式中

$A=\frac{5}{6}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}(0.23+\frac{0.11}{{\mathrm{\ϵ}}_r}),$ $B=\frac{377\mathrm{\π}}{100\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}};$

矩形小孔6开在接地金属贴片3上，其右边与第二层金属贴片2在接地金属贴片3上的投影矩形的右边的距离为第二层金属贴片2的长边长度的4％～6％；采用金属圆柱体5不与接地金属贴片3接触地穿过开在其上的矩形小孔6，金属圆柱体5的上端与第二层金属贴片2相连接，下端与正方形微带贴片10相连接，该正方形微带贴片10的四边和金属圆柱体5底面的圆形边界相切，且其右边中部与特性阻抗为50欧姆的微带传输线4相连接；金属圆柱体5的半径取值范围介于第二层金属贴片2长度的9％～10％之间，在固定圆柱的半径后，矩形小孔6的长度取金属圆柱体5的半径的2.2～3.2倍之间，矩形小孔6的宽度介于金属圆柱体的半径的2.2～3.2倍之间；金属圆柱体5在接地金属贴片3所在平面上的投影圆的圆心与矩形小孔6的两个长边的距离相同；将该圆心与矩形小孔6的两个宽边的距离进行微调至谐振频率和匹配情况均达到用户的要求；

根据下面的修正公式来计算微带天线单元第二层金属贴片2的长度和宽度：长度 $L=k_1\frac{c}{2f_r\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{re}}}},$ 宽度 $W=k_2\frac{c}{2f_r}\sqrt{\frac{2}{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}},$ 式中c为光速3×10⁸m/s，f_r为用户的频率，ε_r是用户所使用介质的介电常数，k1、k2是由于加载金属圆柱5后引入的结构修正系数，其值取0.45～0.55。

与传统的天线单元相比较，由于本发明采取了将微带传输线接到金属圆柱上以激励微带金属贴片2，使其工作在TM01模，同时，由于第一层金属贴片1和第二层金属贴片2之间存在的电磁耦合，实现了第二层金属贴片2对第一层金属贴片1的电磁耦合馈电，使其工作在较高模式。因而在同一天线结构中同时激励起了多个工作模式，实现了辐射方向的相互补偿，克服了现有微带天线单元辐射波束较窄的缺陷。

由于本发明中引入圆柱馈电，故本发明采取了将现有计算矩形贴片辐射单元的长度L和宽度W的计算公式修改为长度 $L=k_1\frac{c}{2f_r\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}},$ 宽度 $W=k_2\frac{c}{2f_r}\sqrt{\frac{2}{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}},$ 式中c为光速3×10⁸m/s，f_r为用户的频率，ε_r是用户所使用介质的相对介电常数，k1、k2是由于加载金属圆柱5后引入的结构修正系数，其值取0.45～0.55；由于本发明采用了加载金属圆柱体5的措施，改变了在第二层金属贴片2与接地金属贴片3之间电磁场的边界条件使得本发明在保证谐振频点不变的前提下，其第二层金属贴片2的长度和宽度比传统微带天线单元的尺寸几乎缩小了一半。

本发明宽带宽波束微带天线单元达到的电气指标为：(1)宽带指标：频率3％～10％带宽内阵中单元驻波VSWR≤2.5；(2)阵中单元波束宽度：160度圆锥空域内增益起伏小于5dB。

附图说明：

图1为本发明宽带宽波束微带天线单元的结构示意图。

图2、图5分别为X波段和L波段的宽带宽波束微带天线单元的回波损耗图；

图3、图6分别为X波段和L波段的宽带宽波束微带天线单元的驻波比图；

图4、图7分别为X波段和L波段的宽带宽波束微带天线单元的辐射方向图。

图8为宽带宽波束微带天线单元进行2×2组阵后的结构示意图。

图9为宽带宽波束微带天线单元2×2组阵后所取得的回波损耗图；

图10为宽带宽波束微带天线单元进行2×2组阵后所能达到的驻波比图；

图11为宽带宽波束微带天线单元进行2×2组阵后的二维辐射方向图。

具体实施方式：

实施例1：宽带宽波束微带天线单元

本实施例采用小孔耦合与多层微带技术相结合的方法：由四层长宽分别互相平行的矩形金属贴片之间夹三层介电常数为1.07～2.2、厚度在0.2mm和2mm之间的介质层构成；第三层金属贴片为接地金属贴片3；第四层金属贴片作为微带传输线4；第二层金属贴片2的长边的长度比第一层金属贴片1的长边长，且不超过第一层金属贴片1长边长度的1.4倍，第二层金属贴片2的宽边的长度比第一层金属贴片1的宽边长，且不超过第一层金属贴片1宽边长度的1.3倍；本实施例中以各矩形实体的长边方向为各自所在平面内的左右方向，使上述三层矩形金属贴片各自的左右方向的对称轴在接地金属贴片3所在平面上的投影重合，第一层金属贴片1和第二层金属贴片2在第三层接地金属贴片3上的投影矩形的右边的相对距离为第二层金属贴片2长度的20％以内，第二层金属贴片2和第三层金属贴片3的几何中心重合；根据下列公式计算确定特性阻抗为50欧姆的微带传输线4的宽度：

式中：W为微带线的宽度，d、ε_r分别为介质厚度和相对介电常数，

$A=\frac{5}{6}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}(0.23+\frac{0.11}{{\mathrm{\ϵ}}_r}),$ $B=\frac{377\mathrm{\π}}{100\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}};$

矩形小孔6开在接地金属贴片3上，其右边与第二层金属贴片2在接地金属贴片3上的投影矩形的右边的距离为第二层金属贴片2的长度的4％～6％；采用金属圆柱体5不与接地金属贴片3接触地穿过开在其上的矩形小孔6，金属圆柱体5的上端与第二层金属贴片2相连接，下端与正方形微带贴片10相连接，该正方形微带贴片10的四边和金属圆柱体5底面的圆形边界相切，且其右边中部与特性阻抗为50欧姆的微带传输线4相连接；金属圆柱体5的半径取值范围介于第二层金属贴片2长度的9％～10％之间，在固定圆柱的半径后，矩形小孔6的长度取金属圆柱体5的半径的2.2～3.2倍之间，矩形小孔6的宽度介于金属圆柱体的半径的2.2～3.2倍之间；金属圆柱体5在接地金属贴片3所在平面上的投影圆的圆心与矩形小孔6的两个长边的距离相同；该圆心与矩形小孔6的两个宽边的距离进行微调至谐振频率和匹配情况均达到用户的要求；

根据下面的修正公式来计算微带天线单元第二层金属贴片2的长度和宽度：长度 $L=k_1\frac{c}{2f_{r\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{re}}}}},$ 宽度 $W=k_2\frac{c}{2f_r}\sqrt{\frac{2}{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}},$ 式中c为光速3×10⁸m/s，f_r为用户的频率，ε_r是用户所使用介质的介电常数，k1、k2是由于加载金属圆柱5后引入的结构修正系数，其值取0.45～0.55。

图1给出了本实施例的宽带宽波束微带天线单元的结构示意图。

本实施例设计要求达到的目标为：驻波比在9～10GHz内小于2.5，在E面和H面内的-85o～85o的范围里辐射增益起伏小于5dB。

根据以上的设计指标要求，本实施例各部分参数计算如下：第二层金属贴片2的长度根据公式 $L=0.475\×\frac{c}{2f_r\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}},$ 宽度根据 $W=0.532\×\frac{c}{2f_r}\sqrt{\frac{2}{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}},$ 式中c为光速3×10⁸m/s，f_r为天线中心频率9.6GHz，ε_r是介质的相对介电常数2.2。计算得到第二层金属贴片的长度是5.0mm，宽度是6.6mm。四层长宽分别互相平行的矩形金属贴片之间夹三层介电常数为2.2的聚四氟乙烯介质层，金属贴片和后面的金属圆柱的材料均为铜；第一层金属贴片1与第二层金属贴片2之间所夹的介质层7的厚度是0.5mm，第二层金属贴片2与接地金属贴片3之间所夹的介质层8的厚度是1.75mm，接地金属贴片3与微带传输线4之间所夹的介质层9的厚度是0.25mm；第二层金属贴片2的长边长度是第一层金属贴片1的长边的1.11倍，第二层金属贴片2的宽边长度是第一层金属贴片1的宽边的1.27倍，计算得到第一层金属贴片的长度和宽度分别是4.5mm和5.2mm；接地金属板3，长度8.0mm，宽度8.0mm；上述三层矩形金属贴片各自的左右方向的对称轴在接地金属贴片3所在平面上的投影重合，第一层金属贴片1在接地金属贴片3的投影矩形的右边相对于第二层金属贴片2在接地金属贴片3上的投影矩形的右边偏右侧0.2mm；第二层金属贴片2和第三层金属贴片3的几何中心重合；

美国约翰.威利(John.Wiley&sons)父子公司出版的《微波工程》(MicrowaveEngineering，David.M.Pozar，2001)介绍了根据已知介质的介电常数及其厚度计算微带线宽度的计算公式如下，可根据下面的公式计算出特性阻抗为50欧姆的微带传输线4的宽度：

其中： $A=\frac{5}{6}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}(0.23+\frac{0.11}{{\mathrm{\ϵ}}_r}),$ $B=\frac{377\mathrm{\π}}{100\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}},$ W为微带线的宽度，d、ε_r分别为接地金属贴片3于微带传输线4之间所夹的介质的厚度0.25mm和相对介电常数2.2，计算得到微带传输线长度4的宽度为0.8mm，其长度取2.33mm；金属圆柱5的半径取第二层金属贴片长度的0.1倍，即0.5mm；矩形小孔6开在接地金属贴片3上，其长和宽均取第二层金属贴片长度的圆柱半径的2.72倍，即1.36mm；方形小孔6的右边与第二层接地金属贴片2在接地金属贴片3上的投影矩形的右边相距1.7mm；金属圆柱5在接地金属贴片3所在平面上的投影圆的圆心与矩形小孔6的两个长边的距离相同，而与矩形小孔6的右宽边的距离经过微调后取0.77mm；金属圆柱5不接触地穿过开在接地金属层3和介质层8、9的小孔柱，上端与第二层金属贴片2相连接，下端与正方形微带贴片10相连接，该正方形微带贴片10的边长为2mm，它的四边和金属圆柱体5底面的圆形边界相切，且其右边中部与特性阻抗为50欧姆的微带传输线4相连接。

本实施例的天线单元可以用于单个、阵列或相控阵接收天线或发射天线。

微波功率源通过微带传输线4以及金属圆柱5激励微带金属贴片2，并使其工作在TM01模；微带金属贴片2通过电磁耦合，实现对矩形金属贴片1的电磁耦合馈电，并使其工作在另一较高模式，可以向空间发射9～11GHz的电磁波，并可以接收同样频率的电磁波。

由于在同一结构中，同时激励TM01模和另外较高模式，可以实现辐射方向的相互补偿；将多层微带天线结构、采用低介电常数衬底材料以及小孔耦合方法组合起来以提高辐射带宽；因而具有宽波束的优点，达到展宽波束宽度的目的。

本实施例的天线单元能达到的宽带宽波束效果如下：

图2为本实施例宽带宽波束微带天线单元的回波损耗曲线：横轴为频率(GHz)，纵轴为分贝值(dB)。曲线a表示了在8～12GHz范围内的回波损耗变化，其中，在9.5GHz处回波损耗达到最小值为-33。

图3为本实施例宽带宽波束微带天线单元的驻波比曲线：横轴为频率(GHz)，纵轴为分贝值(dB)。曲线b表示在8～12GHz范围内驻波比的变化，其中，在9～10GHz以外仍然小于2.5。

图4为本实施例宽带宽波束微带天线单元的辐射方向图即宽波束效果：横轴为辐射角度，纵轴为分贝值(dB)。图中的曲线e表示了仰角从-900～900角度范围内的辐射方向性，该图表明，整个辐射在-800～800的范围里面都是小于4dB的。

实施例2：L波段带宽波束微带天线单元

本实施例采用四层长宽分别互相平行的矩形金属贴片之间夹三层介电常数为1.07～2.2、厚度在0.2mm和2mm之间的介质层构成；第三层金属贴片为接地金属贴片3；第四层金属贴片作为微带传输线4；第二层金属贴片2的长边的长度比第一层金属贴片1的长边长，且不超过第一层金属贴片1长边长度的1.4倍，第二层金属贴片2的宽边的长度比第一层金属贴片1的宽边长，且不超过第一层金属贴片1宽边长度的1.3倍；以各矩形实体的长边方向为各自所在平面内的左右方向，使上述三层矩形金属贴片各自的左右方向的对称轴在接地金属贴片3所在平面上的投影重合，第一层金属贴片1和第二层金属贴片2在第三层接地金属贴片3上的投影矩形的右边的相对距离为第二层金属贴片2长度的20％以内，第二层金属贴片2和第三层金属贴片3的几何中心重合；根据下列公式计算确定特性阻抗为50欧姆的微带传输线4的宽度：

式中：W为微带线的宽度，d、ε_r分别为介质厚度和相对介电常数，

$A=\frac{5}{6}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}(0.23+\frac{0.11}{{\mathrm{\ϵ}}_r}),$ $B=\frac{377\mathrm{\π}}{100\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}};$

矩形小孔6开在接地金属贴片3上，其右边与第二层金属贴片2在接地金属贴片3上的投影矩形的右边的距离为第二层金属贴片2的长度的4％～6％；采用金属圆柱体5不与接地金属贴片3接触地穿过开在其上的矩形小孔6，金属圆柱体5的上端与第二层金属贴片2相连接，下端与正方形微带贴片10相连接，该正方形微带贴片10的四边和金属圆柱体5底面的圆形边界相切，且其右边中部与特性阻抗为50欧姆的微带传输线4相连接；金属圆柱体5的半径取值范围介于第二层金属贴片2长度的9％～10％之间，在固定圆柱的半径后，矩形小孔6的长度取金属圆柱体5的半径的2.2～3.2倍之间，矩形小孔6的宽度介于金属圆柱体的半径的2.2～3.2倍之间；金属圆柱体5在接地金属贴片3所在平面上的投影圆的圆心与矩形小孔6的两个长边的距离相同；对该圆心与矩形小孔6的两个宽边的距离进行微调至谐振频率和匹配情况均达到用户的要求；

根据下面的修正公式来计算微带天线单元第二层金属贴片2的长度和宽度：长度 $L=k_1\frac{c}{2f_r\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{re}}}},$ 宽度 $W=k_2\frac{c}{2f_r}\sqrt{\frac{2}{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}},$ 式中c为光速3×10⁸m/s，f_r为用户的频率，ε_r是用户所使用介质的介电常数，k1、k2是由于加载金属圆柱5后引入的结构修正系数，其值取0.45～0.55。

本实施例的宽带宽波束微带天线单元的结构示意图仍如图1所示。

本实施例设计所要达到的目标为：驻波比在1.75～1.80GHz内小于2.5，在E面内的-85o～85o的范围里辐射增益起伏小于5dB，在H面内的-75o～75o的范围里辐射增益起伏小于5dB。

根据以上的设计指标要求，本实施例各部分参数计算如下：第二层金属贴片2的长度根据公式 $L=0.52\×\frac{c}{2f_r\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}},$ 宽度根据 $W=0.58\×\frac{c}{2f_r}\sqrt{\frac{2}{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}},$ 式中c为光速3×10⁸m/s，f_r为天线中心频率1.78GHz，ε_r是介质的相对介电常数2.2。计算得到第二层金属贴片的长度是30.18mm，宽度是39.6mm。四层长宽分别互相平行的矩形金属贴片之间夹三层介电常数为2.2的聚四氟乙烯介质层，金属贴片和后面的金属圆柱的材料均为铜；第一层金属贴片1与第二层金属贴片2之间所夹的介质层7的厚度是0.5mm，第二层金属贴片2与接地金属贴片3之间所夹的介质层8的厚度是1.75mm，接地金属贴片3与微带传输线4之间所夹的介质层9的厚度是0.25mm；第二层金属贴片2的长边长度是第一层金属贴片1的长边的1.29倍，第二层金属贴片2的宽边长度是第一层金属贴片1的宽边的1.27倍，计算得到第一层金属贴片的长度和宽度分别是26.48mm和30.6mm；接地金属板3，长度8.0mm，宽度8.0mm；上述三层矩形金属贴片各自的左右方向的对称轴在接地金属贴片3所在平面上的投影重合，第一层金属贴片1在接地金属贴片3的投影矩形的右边相对于第二层金属贴片2在接地金属贴片3上的投影矩形的右边偏右侧1.5mm；第二层金属贴片2和第三层金属贴片3的几何中心重合；

微带传输线4的宽度由下式计算：

其中： $A=\frac{5}{6}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}(0.23+\frac{0.11}{{\mathrm{\ϵ}}_r})$ $B=\frac{377\mathrm{\π}}{100\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}},$ d、ε_r分别为介质厚度0.25mm和介电常数2.2计算得到微带传输线长度4的宽度为0.8mm，其长度取2.33mm；金属圆柱5的半径取第二层金属贴片长度的0.099倍，即3.0mm；矩形小孔6开在接地金属贴片3上，其长和宽均取第二层金属贴片长度的圆柱半径的3倍，即9mm；方形小孔6的右边与第二层接地金属贴片2在接地金属贴片3上的投影矩形的右边相距1.3mm；金属圆柱5在接地金属贴片3所在平面上的投影圆的圆心与矩形小孔6的两个长边的距离相同，而与矩形小孔6的右宽边的距离经过微调后取4.1mm；金属圆柱5不接触地穿过开在接地金属层3和介质层8、9的小孔柱，上端与第二层金属贴片2相连接，下端与正方形微带贴片10相连接，该正方形微带贴片10的边长为6mm，它的四边和金属圆柱体5底面的圆形边界相切，且其右边中部与特性阻抗为50欧姆的微带传输线4相连接。

本实施例的天线单元可以用于单个、阵列或相控阵接收天线或发射天线。

微波功率源通过微带传输线4以及金属圆柱5激励微带金属贴片2，并使其工作在TM01模；微带金属贴片2通过电磁耦合，实现对矩形金属贴片1的电磁耦合馈电，并使其工作在另一高次模式，可以向空间发射1.68～1.77GHz的电磁波，并可以接收同样频率的电磁波。

由于在同一结构中，同时激励TM01模和另一高次模式，可以实现辐射方向的相互补偿；将多层微带天线结构、采用低介电常数衬底材料以及小孔耦合方法组合起来以提高辐射带宽；因而具有宽波束的优点，达到展宽波束宽度的目的。

本实施例的天线单元能达到的宽带宽波束效果如下：

图5为实施例宽带宽波束微带天线单元的回波损耗曲线：横轴为频率(GHz)，纵轴为分贝值(dB)。曲线f表示了在1.7～1.9GHz范围内的回波损耗变化，其中，在1.78GHz处回波损耗达到最小值为-34.7。

图6为实施例宽带宽波束微带天线单元的驻波比曲线：横轴为频率(GHz)，纵轴为分贝值(dB)。曲线g表示在1.7～1.9GHz范围内驻波比的变化，其中，在1.75～1.80GHz以内小于2.5。

图7为实施例宽带宽波束微带天线单元的辐射方向图即宽波束效果：横轴为辐射角度，纵轴为分贝值(dB)。图中的曲线h表示了仰角从-90°～90°角度范围内的辐射方向性，该图表明，整个辐射在-80°～80°的范围里面都是小于3dB的。

实施例3：阵列效果

将四个相同的上述实施例1中的天线单元利用印刷工艺制作在一起，横、竖各两个，进行2×2组阵。该阵列中，天线单元成上下、左右天线对称，单元中心之间沿横向的距离为14mm，沿纵向的距离为13mm，采用微带线H形并联馈电网络，馈电端口在整个阵列的几何中心位置。

图5给出了本实施例宽带宽波束微带天线单元进行2×2组阵后的结构示意图，其中横轴为x轴，纵轴为y轴。从图5中微带传输线标号为X处引出输入端口，阵列各单元为等幅同相馈电。

本实施例对宽带宽波束微带天线单元进行2×2组阵后可以达到如下效果：

图9为宽带宽波束微带天线单元进行2×2组阵后的回波损耗图：横轴为频率(GHz)，纵轴为分贝值(dB)，曲线c所示为组阵后天线的回波损耗。

图10为宽带宽波束微带天线单元2×2组阵后的驻波比曲线：横轴为频率(GHz)，纵轴为分贝值(dB)，曲线d所示为组阵后天线的驻波比，从该图中可以看到在超过1GHz的范围内，驻波比小于2.5dB；

图11为宽带宽波束微带天线单元进行2×2组阵后的二维辐射方向图：横轴为辐射角度，纵轴为分贝值(dB)。各条曲线分别代表其辐射的各个方向，虽然各有不同，但其角度扫描达都到了并且超过了100°。

Claims (1)

1、一种宽带宽波束微带天线单元，其特征在于采用小孔耦合与多层微带技术相结合：由四层长宽互相平行的矩形金属贴片之间夹三层介电常数为1.07～2.2、厚度在0.2mm和2mm之间的介质层构成；第三层金属贴片为接地金属贴片(3)；第四层金属贴片作为微带传输线(4)；第二层金属贴片(2)的长比第一层金属贴片(1)的长，且不超过第一层金属贴片(1)长度的1.4倍，第二层金属贴片(2)的宽比第一层金属贴片(1)的宽，且不超过第一层金属贴片(1)宽度的1.3倍；以各矩形实体的长边方向为各自所在平面内的左右方向，使上述三层矩形金属贴片各自的左右方向的对称轴在接地金属贴片(3)所在平面上的投影重合，第一层金属贴片(1)和第二层金属贴片(2)在第三层接地金属贴片(3)上的投影矩形的右边的相对距离为第二层金属贴片(2)长度的20％以内，第二层金属贴片(2)和第三层金属贴片(3)的几何中心重合；根据下列公式计算确定特性阻抗为50欧姆的微带传输线(4)的宽度：

式中：W为微带线的宽度，d、ε_r分别为介质厚度和相对介电常数，

$A=\frac{5}{6}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}(0.23+\frac{0.11}{{\mathrm{\ϵ}}_r}),B=\frac{377\mathrm{\π}}{100\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}};$

矩形小孔(6)开在接地金属贴片(3)上，其右边与第二层金属贴片(2)在接地金属贴片(3)上的投影矩形的右边的距离为第二层金属贴片(2)的长度的4％～6％；采用金属圆柱体(5)不与接地金属贴片(3)接触地穿过开在其上的矩形小孔(6)，金属圆柱体(5)的上端与第二层金属贴片(2)相连接，下端与正方形微带贴片(10)相连接，该正方形微带贴片(10)的四边和金属圆柱体(5)底面的圆形边界相切，并与特性阻抗为50欧姆的微带传输线(4)相连接；金属圆柱体(5)的半径取值范围介于第二层金属贴片(2)长度的9％～10％之间，在固定圆柱的半径后，矩形小孔(6)的长取金属圆柱体(5)的半径的2.2～3.2倍之间，矩形小孔(6)的宽度介于金属圆柱体(5)的半径的2.2～3.2倍之间；金属圆柱体(5)在接地金属贴片(3)所在平面上的投影圆的圆心与矩形小孔(6)的两个长边的距离相同；将该圆心与矩形小孔(6)的两个宽边的距离微调至谐振频率和匹配情况均达到用户的要求；

根据下面的修正公式来计算微带天线单元第二层金属贴片(2)的长度和宽度：长度 $L=k_1\frac{c}{2f_r\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{re}}}},$ 宽度 $W=k_2\frac{c}{2f_r}\sqrt{\frac{2}{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}},$ 式中c为光速3×10⁸，f_r为用户的频率，ε_r是用户所使用介质的介电常数，k1、k2是由于加载金属圆柱(5)后引入的结构修正系数，其值取0.45～0.55。