CN201812921U - 高增益降低表面波型天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及天线领域，具体是指一种用于相控阵天线和卫星通信系统中的高增益RSW(Reduced Surface-Wave)天线。所述天线包括上层附有金属接地板的基板、设于基板上方的天线辐射单元、设于基板下方的馈电单元，所述天线辐射单元中间设孔，沿孔周边设短路墙连接天线辐射单元与基板上层的金属接地板并对天线辐射单元形成支撑，金属接地板上设H型槽，馈电单元通过H型槽实现对天线辐射单元的耦合馈电。与现有技术相比，本实用新型所述天线大大降低了微带天线表面波的激发，且天线增益高，更适用于相控阵天线系统或作为卫星通讯天线使用。

Description

高增益降低表面波型天线

技术领域

本实用新型涉及天线领域，具体是指一种用于相控阵天线和卫星通信系统中的高增益RSW天线。

背景技术

在移动卫星通信中，需要地面接收天线具有高增益，而高增益的平面相控阵天线复杂度及设计制造难度都很大，成本也高。该领域另有一种广泛使用的反射面天线，但其结构比较笨重，天线的整体体积较大，在应用于卫星通信时受到空间、重量等多方面的限制。微带天线具有体积小、重量轻、成本低等优点，目前已成为天线研究领域的一个主要研究方向，由于该种天线也存在增益低、带宽窄、前后比差等缺点，因此在移动卫星通信领域中没有得到应用和普及。因此，研究设计能够应用于移动卫星通信领域具有高增益的平面微带天线以及天线阵列将是非常有意义的。

提高微带天线增益的一种有效可行的方法是降低微带天线的表面波辐射从而提高天线辐射性能。降低微带天线表面波辐射的方法很多，例如，有些天线在矩形环微带天线SRP(Shorted Rectangular Patches)或圆环形微带天线SAP(Shorted Annual Patches)的中心环处通过一个环形金属薄壁短接到接地板，实现工作频率在1.5GHz的天线增益达到10dBi左右，其原理是由于特定半径的磁流环不会激励起表面波，同样半径的环形微带天线也不会激起表面波辐射，从而获得窄而光滑的辐射方向图进而提高天线的增益，这种种类的天线都属于为RSW(Reduced Surface-Wave)天线，即降低表面波型天线。但上述RSW天线增益仍有待提高，以便满足高端卫星通信要求。

实用新型内容

为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案为：一种高增益RSW天线，包括上层附有金属接地板的基板、设于基板上方的天线辐射单元、设于基板下方的馈电单元，所述天线辐射单元中间设孔，沿孔周边设短路墙连接天线辐射单元与基板上层的金属接地板并对天线辐射单元形成支撑，金属接地板上设H型槽，馈电单元通过H型槽实现对天线辐射单元的耦合馈电。

具体的，所述天线辐射单元中间孔为矩形孔；所述短路墙为具有一定高度且围绕所述矩形孔边设置的一矩形导体；所述H型槽位于金属接地板上偏向馈电单元的方向，且在天线辐射单元覆盖范围内。

与现有技术相比，本实用新型在现有RSW天线基础上，采用单层基板，并在基板上设短路墙支撑辐射单元，以在辐射单元与基板间形成一层空气介质，并采用H型槽耦合的方式进一步提高馈电的耦合量，进而大幅度提高天线的增益。此种天线大大降低了微带天线表面波的激发，且天线增益高，更适用于相控阵天线系统或作为卫星通讯天线使用。

附图说明

图1是本实用新型所述RSW天线实施例立体结构示意图；

图2是本实用新型所述RSW天线实施例结构透视图；

图3是本实用新型所述RSW天线实施例仿真和测试的VSWR曲线图；

图4是本实用新型所述RSW天线实物测量的E面方向性图；

图5是本实用新型所述RSW天线实物测量的H面方向性图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

如图1、2所示，本实用新型所述RSW天线包括上层附有金属接地板5的基板1，基板上方设天线辐射单元2，该辐射单元为一金属贴片，基板下方设馈电单元3，该馈电单元为一微带线。所述天线辐射单元2即在金属贴片中间开孔，沿孔周边设短路墙4连接天线辐射单元与基板上层的金属接地板5并对金属贴片2形成支撑，金属接地板5上设H型槽，馈电单元3通过H型槽实现对天线辐射单元2的耦合馈电。

图中所示实施例，所述天线辐射单元2中间孔为矩形孔，对应的短路墙也为矩形且具有导电作用的金属墙状体；H型槽位于金属接地板上，偏向馈电单元3方向，且部分在天线辐射单元2覆盖范围内。

设计时，根据天线具体工作波段确定各种参数。例如，如图2，根据天线所需工作频率，首先要确定天线基板1的介电常数和厚度、辐射单元2的尺寸和金属短路墙4的尺寸。一般情况下要考虑基板1的尺寸及体积重量对天线方向特性的影响以及基板1厚度对天线频带、效率的影响，进而确定基板的介电常数和厚度。

在确定基板的介电常数ε_r和厚度h的基础上，由于设计天线工作于主模TM₀₁模，所述天线的金属贴片2长度L近似为λ_g/2，λ_g为基板介质内波长，λ₀为自由空间波长，ε_e为基板的有效介电常数，ε_e可表示为

${\mathrm{\ϵ}}_e=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{2}{(1+\frac{10h}{W})}^{-1/2}---\left(1.1\right)$

由式(1.1)可知当ε_r和h已知时，ε_e取决于金属贴片的宽度W，而金属贴片长度L的尺寸又取决于ε_r，因此贴片宽度W应首先确定。W的尺寸还影响着所述天线的方向性函数、辐射电阻及输入阻抗，从而也就影响着天线工作频带的宽度和辐射效率。另外，W的尺寸直接的支配着所述天线的总尺寸。在尺寸允许的条件下W取的适当大些对频带、效率及阻抗匹配都有利，但当W尺寸大于下式给出的值时将产生高次模，从而引起场的畸变：

$W=\frac{c}{{2f}_r}{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}\right)}^{-1/2}---\left(1.2\right)$

式中c是光速，f_r是天线的谐振频率。由上式可知W总是取小于λ₀/2的值。

矩形微带天线的长度理论上取λ_g/2，但实际上由于边缘场的影响则取：L＝0.5λ_g-2ΔL

其中

ΔL由

确定。

本实用新型中，天线辐射单元2由于中间部分通过短路墙4接地，并且中间部分挖空形成环形贴片，故在计算时要考虑中间挖空部分，所以尺寸比普通矩形微带天线略大。

所述天线的金属短路墙4是在天线的金属贴片2中间部分按照与谐振边和辐射边长度成一定比例的尺寸挖空，在中间挖空部分的边缘处接金属短路墙4到基板上的金属接地板的。金属短路墙4的尺寸会影响到所述天线的谐振频率，尤其是短路墙4的高度对天线的谐振频率和增益有一定影响。金属短路墙4支撑着上层的金属贴片2并与下层基板上的金属接地板相接，使天线辐射单元和基板之间形成一层空气介质，一方面可节省一层介质板的成本，另一方面也提高了天线的辐射性能。

所述天线采用H型槽耦合馈电，信号由基板1下层的微带线3通过基板1上表面的金属接地板上的H型槽耦合到天线辐射单元即金属贴片2上。H型槽的尺寸和位置以及微带线3相对于H型槽的位置和长度对天线的输入匹配有影响，在固定了短路墙4的尺寸和高度后可以调节以上参数以实现天线的输入匹配。

实际应用中，短路墙4采用一定厚度的铜片弯折焊接而成，其上端卡接在金属贴片2的矩形孔边缘然后焊接，下端直接焊接在基板的金属接地板上，微带线3以及H型槽是开模加工而成。所述金属贴片2、短路墙4、H型槽及微带线3的各个参数在计算基础上结合仿真软件仿真优化，在仿真结果的基础上开模加工实物。

利用相应检测设备在微波暗室对本实用新型所述天线的回波损耗和方向性进行测试，测试结果如图3、图4、图5所示。图3是所述RSW天线实施例仿真和测试的VSWR曲线图，图中横坐标为天线频率，纵坐标为回波损耗，实线为仿真结果，虚线为实物测量结果。图4是所述RSW天线实物测量的E面方向性图，图5是本实用新型所述RSW天线实物测量的H面方向性图。从图中可以看出，所述天线在设计频率范围内很好的满足了天线的电性能指标要求，天线具有很好的辐射性能，完全符合工程应用的需要。

以上仅为本实用新型较佳的实施方案，在不脱离本实用新型构思前提下对其所做的任何微小变化及等同替换，均应属于本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种高增益降低表面波型天线，包括上层附有金属接地板的基板(1)、设于基板上方的天线辐射单元(2)、设于基板下方的馈电单元(3)，其特征在于：所述天线辐射单元(2)中间设孔，沿孔周边设短路墙(4)连接天线辐射单元与基板上层的金属接地板并对天线辐射单元形成支撑，金属接地板上设H型槽，馈电单元(3)通过H型槽实现对天线辐射单元(2)的耦合馈电。

2.根据权利要求1所述的高增益降低表面波型天线，其特征在于：所述天线辐射单元(2)中间孔为矩形孔。

3.根据权利要求2所述的高增益降低表面波型天线，其特征在于：所述短路墙(4)为具有一定高度且围绕所述矩形孔边设置的一矩形导体。

4.根据权利要求3所述的高增益降低表面波型天线，其特征在于：所述H型槽位于金属接地板上偏向馈电单元(3)的方向，且在天线辐射单元(2)覆盖范围内。

5.根据权利要求4所述的高增益降低表面波型天线，其特征在于：所述天线辐射单元(2)的宽度W＜λ₀/2，λ₀为自由空间波长；长度L＝0.5λ_g-2ΔL，λ_g为基板内波长，ΔL由

确定，ε_e为基板的有效介电常数，h是基板的厚度。

6.根据权利要求5所述的高增益降低表面波型天线，其特征在于：所述基板内波长

ε_e为基板的有效介电常数。

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