CN203859224U

CN203859224U - 宽带宽角扫描的双圆极化微带天线

Info

Publication number: CN203859224U
Application number: CN201420206459.2U
Authority: CN
Inventors: 周子成; 李雁; 余峰; 卢晓鹏
Original assignee: CETC 38 Research Institute
Current assignee: CETC 38 Research Institute
Priority date: 2014-04-25
Filing date: 2014-04-25
Publication date: 2014-10-01
Anticipated expiration: 2024-04-25

Abstract

本实用新型涉及宽带宽角扫描的双圆极化微带天线。包括底座、两块呈十字交叉状的微带板和天线罩；两块微带板上分别设有馈线、巴仑和天线振子，底座为顶部敞口的圆盒状，十字交叉状的两块微带板固定在底座内，底座的底部开设有两个接口孔；天线罩为底部敞口的圆盖状，罩内集成有寄生辐射片，罩设在底座上。本实用新型的工作频带宽，驻波≤3的相对带宽超过40%；适用频段广，中心频率在0.5GHz~5GHz都可采用该结构；用作相控阵时扫描角度宽，21%带宽±60°仰角全方位扫描有源驻波不超过1.9；体积小，直径为0.4波长；结构稳定可靠，具有良好的抗震和防尘防潮性能。

Description

宽带宽角扫描的双圆极化微带天线

技术领域

本实用新型专利涉及一种适用于宽角扫描的宽带双圆极化天线，属于微波技术领域，也可用于微波通信、现代雷达系统、射频识别、电子设备等领域。

技术背景

天线是无线广播、无线通信和无线探测等系统的重要组件，天线单元及天线阵列的性能直接反映并且在很大程度上影响着整个系统的性能。随着有源相控阵技术的飞速发展，雷达等系统对频带宽度和扫描角的要求越来越高，这对天线的功能和性能也提出越来越高的要求。

对于圆极化天线，常用的形式有喇叭天线、十字交叉的Vivaldi天线、微带贴片天线、振子天线等。从结构上看，喇叭天线体积和重量都很大；十字交叉Vivaldi天线虽然带宽宽，但是体积大，剖面高；微带贴片天线因其重量轻、体积小、容易加工与集成等优点在天线设计中得到广泛应用，但是受其平面形式的制约，单层微带贴片天线的阻抗带宽很难超过15%，且用于宽角扫描时性能尤为有限；关于振子天线形式，还可以采用十字交叉的金属臂振子，但是金属振子及馈线工艺和结构复杂，重量也比微带形式重很多，对于较低的频率尤为明显。

实用新型内容

为了适合大规模工程应用，在兼顾或改善了电性能的同时，保证安装稳定性和结构强度，本实用新型提供一种宽带宽角扫描的双圆极化微带天线。

本实用新型是一种十字交叉的微带振子天线，由两个交叉的微带振子、集成寄生辐射单元的独立天线罩、集成裙边和安装支耳的底座组成，形成具有两个射频端口的模块化单元结构。这种结构形式使得它除具有常规微带天线形式灵活、易于加工的优点之外，还具有振子天线的优秀宽带宽角扫描性能。其VSWR≤3的相对带宽超过40%，用于21.2%带宽的相控阵扫描角覆盖超过±60°时有源驻波VSWR≤1.9且轴比AR≤3dB；结构紧凑（单元直径仅为0.4λ ₀），模块化的单元天线罩-微带板-固定底座结构使得其在大规模工程应用中安装、调整和维护都十分方便。

本实用新型的具体技术解决方案如下：

宽带宽角扫描的双圆极化微带天线包括底座4、两块十字交叉的微带板和天线罩1；所述两块微带板为A型微带板2和M型微带板3，且A型微带板2和M型微带板3的高度和形状相同；

所述A型微带板2的中部沿直立方向开设有贯通底边的A板长槽缝23，A型微带板2的一侧面上环绕着A板长槽缝23设有倒弯钩状的A板馈线25；A板馈线25的一端位于A型微带板2的中部，另一端为A板馈点22，且位于A型微带板2的底边处，与A板长槽缝23的顶端对应的A板馈线25处为向上凸起的A板馈线拐点28；与A板馈点22相连接的A板馈线25上串联着A板阻抗匹配段24；以A板长槽缝23为基准，在A型微带板2的另一侧面上以A板长槽缝23为基准设有带状的A板覆铜区域；带状的A板覆铜区域由A型微带板2的底边覆铜带、沿着A板长槽缝23两侧的A板馈电巴仑27和伞形结构的A板天线振子26构成；A板馈电巴仑27的下部之间由A板短接线21连接；

所述M型微带板3的上部沿直立方向开设有贯通顶边的M板短槽缝33，M型微带板3的一侧面中部设有倒M形的M板馈线35；M板馈线35的一端位于M型微带板3的中部，另一端为M板馈点32，且位于M型微带板3的底边处；与M板短槽缝33的下端对应的M板馈线35处为向下凹的M板馈线拐点38；与M板馈点32相连接的M板馈线35上串联着M板阻抗匹配段34；以M板短槽缝33为基准，在M型微带板3的另一侧面上以M板短槽缝33为基准设有带状的M板覆铜区域；带状的M板覆铜区域由M型微带板3的底边覆铜带、沿M板短槽缝33两侧的M板馈电巴仑37和伞形结构的M板天线振子36构成；M板馈电巴仑37下部之间的M型微带板3上开设有M板通孔31；

通过A型微带板2上的A板长槽缝23和M型微带板3上的M板短槽缝33的配合，使A型微带板2和M型微带板3呈十字交叉状；

所述底座4为顶部敞口的圆盒状，十字交叉状的A型微带板2和M型微带板3固定在底座4内，底座4的底部开设有两个接口孔；

所述天线罩1为底部敞口的圆盖状，其内的顶部设有金属片12；天线罩1罩设在底座4上；天线罩1内的金属片12距十字交叉状的A型微带板2和M型微带板3顶部之间的距离为0.1λ ₀～0.2λ ₀，所述λ ₀为自由空间中频波长。

所述A型微带板2和M型微带板3为大小相同的平板，且上部可根据振子臂倾斜度设置切角。

所述金属片12为圆形，圆心处开设有小孔。

底座4内的底面上呈十字状分布设有四块金属的小立板，其中两块小立板在一条直线上，另两块小立板在与所述直线相正交的另一条直线上，所述A型微带板2通过螺纹连接件连接着在一条直线上的两块小立板，所述M型微带板3通过螺纹连接件连接着在正交直线上的另两块小立板。

所述A型微带板2的两侧边下部分别对称设有直角凹槽，所述M型微带板3的两侧边下部分别对称设有直角凹槽；A型微带板2两侧的直角凹槽使A型微带板2的上部扣在底座4的圆柱壁上，M型微带板3两侧的直角凹槽使M型微带板3的上部扣在底座4的圆柱壁上。

本实用新型提供了一种适用于有源相控阵雷达、具有宽带宽角扫描性能的双极化天线，其特点是体积小、模块化设计适合大批量生产和组装，具有良好的抗震和防尘防潮性能。且采用微带形式，具有成品率高、工艺简单的优点。其技术参数如下：

1.驻波≤3的相对带宽超过40%，中心频率在0.5GHz~5GHz都可采用该结构；

2.法向轴比≤0.3dB，有源驻波≤1.5；

3.用于21.2%带宽的有源相控阵，扫描到±60°仰角时，全方位扫描有源驻波≤1.9，左旋圆极化和右旋圆极化的轴比均小于3dB；

4.直径仅0.4波长，高度为0.42波长。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图（不带天线罩）。

图2为图1的右视图。

图3为本实用新型爆炸图（不带天线罩）。

图4为A型微带板一侧面结构示意图。

图5为A型微带板另一侧面结构示意图。

图6为M型微带板一侧面结构示意图。

图7为M型微带板另一侧面结构示意图。

图8为天线罩剖视图。

图9为天线单元整体结构剖视图。

上图中序号：天线罩1、A型微带板2、M型微带板3、底座4、金属片12、A板短接线21、A板馈点22、A板长槽缝23、A板阻抗匹配段24、A板馈线25、A板天线振子26、A板馈电巴仑27、A板馈线拐点28、A板安装孔29、M板通孔31、M板馈点32、M板短槽缝33、M板阻抗匹配段34、M板馈线35、M板天线振子36、M板馈电巴仑37、M板馈线拐点38、M板安装孔39、小立板43、A板接口孔44、M板接口孔45。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本实用新型作进一步地描述。

实施例1

本实施例给出一种有源相控阵天线设计，工作频率为2.1GHz~2.6GHz，极化方式为左旋圆极化和右旋圆极化，阵列形式采用行列间距为61.5mm和71mm的三角栅格，扫描俯仰角达±60°，要求具有良好的抗冲击振动性能和防尘防潮性能。

参见图1和图2，宽带宽角扫描的双圆极化微带天线包括底座4、两块十字交叉的微带板和天线罩1；两块微带板为A型微带板2和M型微带板3；A型微带板2和M型微带板3为大小相同的平板，均选用厚度t=0.762mm、相对介电常数ε _r=2.94的微带板，且上部根据振子臂倾斜度设置有切角。

参见图5，A型微带板2的中部沿直立方向开设有贯通底边的A板长槽缝23，A型微带板2的一侧面上环绕着A板长槽缝23设有倒弯钩状的A板馈线25；A板馈线25的一端位于A型微带板2的中部，另一端为A板馈点22，且位于A型微带板2的底边处，与A板长槽缝23的顶端对应的A板馈线25处为向上凸起的A板馈线拐点28。与A板馈点22相邻的A板馈线25上串联着A板阻抗匹配段24；参见图4，以A板长槽缝23为基准，在A型微带板2的另一侧面上以A板长槽缝23为基准设有带状的A板覆铜区域；带状的A板覆铜区域由A型微带板2的底边覆铜带、沿着A板长槽缝23两侧的A板馈电巴仑27和伞形结构的A板天线振子26构成； A板馈电巴仑27下部在A型微带板2的两端分别开设有A板安装孔29，A板馈电巴仑27之间由A板短接线21短接。

参见图7，M型微带板3的上部沿直立方向开设有贯通顶边的M板短槽缝33，M型微带板3的一侧面中部设有倒M形的M板馈线35；M板馈线35的一端位于M型微带板3的中部，另一端为M板馈点32，且位于M型微带板3的底边处；与M板短槽缝33的下端对应的M板馈线35处为向下凹的M板馈线拐点38；与M板馈点32相邻的M板馈线35上串联着M板阻抗匹配段34；参见图6，以M板短槽缝33为基准，在M型微带板3的另一侧面上以M板短槽缝33为基准设有带状的M板覆铜区域；带状的M板覆铜区域由M型微带板3的底边覆铜带、沿M板短槽缝33两侧的M板馈电巴仑37和伞形结构的M板天线振子36构成； M板馈电巴仑37下部中间在M型微带板3上开设有M板通孔31，A板下部中间的A板短接线21穿过此孔跨接在A板馈电巴仑27上，M板馈电巴仑37下部在M型微带板3的两端分别开设有M板安装孔39。

天线振子臂总长度一般为中心频率对应波长的一半或略短，振子臂距反射面高度为四分之一波长左右。

两个振子的馈线都分别设计有A板阻抗匹配段24 和M板阻抗匹配段34。为不影响天线的功率容量，阻抗变换应避免选用高阻抗的窄线，对于特征阻抗为50Ω的端口和馈线，可以选取特征阻抗为60Ω~100Ω的变换段进行阻抗匹配。同时，对于此类结构振子天线，为不影响馈线结构，匹配段的长度一般不超过传输线上波长的0.2倍。通过调节阻抗变换段的位置及长度、宽度可实现两个振子阻抗的分别匹配，以减少失配引起的反射，实现更高的效率。除了阻抗匹配段外，通过分别调节A板馈线拐点28和M板馈线拐点38的位置，可以分别调节两根馈线的长度，从而调节两个振子的相位差，以实现更精确的匹配，对于圆极化天线，还能实现更好的轴比。

参见图3，通过A型微带板2上的A板长槽缝23和M型微带板3上的M板短槽缝33的配合，使A型微带板2和M型微带板3呈十字交叉状；A板长槽缝23 和M板短槽缝33相接于A板天线振子26和M板天线振子36的中心附近。两个振子的馈线分别从上端和下端绕过A板长槽缝23和M板短槽缝33并折向另外半边以实现对天线振子的平衡激励，为抑制不必要的辐射，可将馈线转弯处的尖锐角切去。每个天线单元有两个激励端口，即A板馈点22和M板馈点32，通过改变两端口的激励幅度和相对相位关系可以改变天线的极化方式。等幅且相位差为90°或-90°的激励可实现左旋圆极化或右旋圆极化。若两端口分别单独激励则可分别提供相互正交的两种线极化。

参见图3，底座4为顶部敞口的圆盒状，外径和内径分别为D _b=50mm和D _r=53mm，通过调节底座4的圆柱壁的高度可以显著改善单元间的互耦效应以及宽角扫描时的有源驻波。圆柱壁的设计既减弱了单元间的互耦又展宽了单元的波瓣宽度，在很大程度上提升了天线的宽角扫描性能和带宽。底座4的底部分别开设有A板接口孔44、M板接口孔45，连接器的介质应不低于底座4的内腔底面，使其插入底座4上的A板接口孔44和M板接口孔45后高出的介质刚好接触到微带板的A板馈点22和M板馈点32，底座4可为连接器提供可靠的连接地。连接器可用螺钉固定到底座上。对于圆极化天线，需要连接相位输出相差90°的3dB电桥，可以将它直接安装在底座4下方。

底座4内的底面上呈十字状分布固定安装有四块金属的小立板43，其中两块小立板在一条直线上，另两块小立板在另一条直线上；每块小立板的高度h _f= 6mm，为不影响天线的电性能，馈电巴仑接地部应高于小立板的高度h _f。A型微带板2通过螺纹连接件连接着在一条直线上的两块小立板，M型微带板3通过螺纹连接件连接着在一条直线上的另两块小立板。参见图9，A型微带板2的两侧边下部分别对称设有直角凹槽， M型微带板3的两侧边下部分别对称设有直角凹槽；A型微带板2的上部通过两侧的直角凹槽扣在底座4的圆柱壁上，M型微带板3的上部通过两侧的直角凹槽扣在底座4的圆柱壁上。振子微带板高H _m=43mm，天线单元总高度H _r=55mm。

参见图8，天线罩1为底部敞口的圆盖状，其内的顶部安装有圆形的金属片12，金属片12的圆心开一小孔；天线罩1通过卡扣的方式罩设在底座4上；天线罩1内的金属片12距十字交叉状的A型微带板2和M型微带板3顶部之间的距离d _p=20mm；金属片12作为天线振子的寄生单元，通过调节它的半径和高度（即天线罩高度）可以显著提高天线的频带和扫描性能。

本天线单元（含天线罩）的直径仅0.40λ ₀，高0.42λ ₀，相对带宽超过40%，根据应用需求还有继续优化的空间。为减少辐射单元数量，阵列形式采用三角栅格，在2.1GHz~2.6GHz频带内扫描角达到±60°，且频带内左旋和右旋圆极化在各扫描角的有源驻波VSWR均不大于1.9，最大扫描角的轴比Axis Ratio均小于3dB。本天线具有体积小、电性能优秀、防尘防潮、便于工程安装和维护等优点，只需稍作调整，还可应用于其它频带和其它极化情况。

Claims

1.宽带宽角扫描的双圆极化微带天线，其特征在于：包括底座（4）、两块十字交叉的微带板和天线罩（1）；所述两块微带板为A型微带板（2）和M型微带板（3），且A型微带板（2）和M型微带板（3）的高度和形状相同；所述A型微带板（2）的中部沿直立方向开设有贯通底边的A板长槽缝（23），A型微带板（2）的一侧面上环绕着A板长槽缝（23）设有倒弯钩状的A板馈线（25）；A板馈线（25）的一端位于A型微带板（2）的中部，另一端为A板馈点（22），且位于A型微带板（2）的底边处，与A板长槽缝（23）的顶端对应的A板馈线（25）处为向上凸起的A板馈线拐点（28）；与A板馈点（22）相连接的A板馈线（25）上串联着A板阻抗匹配段（24）；以A板长槽缝（23）为基准，在A型微带板（2）的另一侧面上以A板长槽缝（23）为基准设有带状的A板覆铜区域；带状的A板覆铜区域由A型微带板（2）的底边覆铜带、沿着A板长槽缝（23）两侧的A板馈电巴仑（27）和伞形结构的A板天线振子（26）构成；A板馈电巴仑（27）的下部之间由A板短接线（21）连接；

所述M型微带板（3）的上部沿直立方向开设有贯通顶边的M板短槽缝（33），M型微带板（3）的一侧面中部设有倒M形的M板馈线（35）；M板馈线（35）的一端位于M型微带板（3）的中部，另一端为M板馈点（32），且位于M型微带板（3）的底边处；与M板短槽缝（33）的下端对应的M板馈线（35）处为向下凹的M板馈线拐点（38）；与M板馈点（32）相连接的M板馈线（35）上串联着M板阻抗匹配段（34）；以M板短槽缝（33）为基准，在M型微带板（3）的另一侧面上以M板短槽缝（33）为基准设有带状的M板覆铜区域；带状的M板覆铜区域由M型微带板（3）的底边覆铜带、沿M板短槽缝（33）两侧的M板馈电巴仑（37）和伞形结构的M板天线振子（36）构成；M板馈电巴仑（37）下部之间的M型微带板（3）上开设有M板通孔（31）；

通过A型微带板（2）上的A板长槽缝（23）和M型微带板（3）上的M板短槽缝（33）的配合，使A型微带板（2）和M型微带板（3）呈十字交叉状；

所述底座（4）为顶部敞口的圆盒状，十字交叉状的A型微带板（2）和M型微带板（3）固定在底座（4）内，底座（4）的底部开设有两个接口孔；

所述天线罩（1）为底部敞口的圆盖状，其内的顶部设有金属片（12）；天线罩（1）罩设在底座（4）上；天线罩（1）内的金属片（12）距十字交叉状的A型微带板（2）和M型微带板（3）顶部之间的距离为0.1λ ₀～0.2λ ₀，所述λ ₀为自由空间中频波长。

2.根据权利要求1所述的宽带宽角扫描的双圆极化微带天线，其特征在于：所述A型微带板（2）和M型微带板（3）为大小相同的平板，且上部可根据振子臂倾斜度设置切角。

3.根据权利要求1或2所述的宽带宽角扫描的双圆极化微带天线，其特征在于：所述金属片（12）为圆形，圆心处开设有小孔。

4.根据权利要求1或2所述的宽带宽角扫描的双圆极化微带天线，其特征在于：底座（4）内的底面上呈十字状分布设有四块金属的小立板（43），其中两块小立板在一条直线上，另两块小立板在与所述直线相正交的另一条直线上，所述A型微带板（2）通过螺纹连接件连接着在一条直线上的两块小立板，所述M型微带板（3）通过螺纹连接件连接着在正交直线上的另两块小立板。

5.根据权利要求1或2所述的宽带宽角扫描的双圆极化微带天线，其特征在于：所述A型微带板（2）的两侧边下部分别对称设有直角凹槽，所述M型微带板（3）的两侧边下部分别对称设有直角凹槽；A型微带板（2）两侧的直角凹槽使A型微带板（2）的上部扣在底座（4）的圆柱壁上，M型微带板（3）两侧的直角凹槽使M型微带板（3）的上部扣在底座（4）的圆柱壁上。