CN205680784U - Z字形交叉缝隙圆极化背腔天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了Z字型交叉缝隙圆极化背腔天线，该阵列天线由上层介质板1、耦合方腔2、中间层介质板3和背腔4组成，中间层介质板3的上表面腐蚀形成有交叉缝隙6，下表面腐蚀形成有馈线7；交叉缝隙6由结构相同的两个Z字形或倒Z字形缝隙垂直设置形成；Z字形或倒Z字形缝隙均由中间缝隙和一对相互平行的端缝隙组成，中间缝隙的两端各有一个端缝隙且端缝隙与中间缝隙相互垂直。本实用新型天线阻抗带宽大于25％，带宽内增益大于8.5dB，辐射效率大于75％，小于3dB的轴比带宽大于23％。本实用新型整个天线结构简单、紧凑，辐射效率高，同时该设计实现了天线与网络一体化设计，且可做为相控阵辐射单元，实现波束的控制和扫描。
Description
技术领域
本实用新型涉及卫星通信、视距通信领域中高效率圆极化阵列天线，该天线设计的技术主要包括：圆极化技术、高效率辐射技术。
背景技术
目前在通信频段越来越向高频段发展，尤其在Ka波段，其频率带宽有25GHz(20-45GHz)，工作在此频段的要求天线具有尺寸小、增益高、点波束的特性，实现上述性能的天线主要有以下几种天线形式，但各有优缺点。
1、波导缝隙天线：该形式天线是在波导宽边或窄边进行开缝，通常有行波、驻波两种阵列形式，但辐射单元缝隙的增益相对较低，通常只有7dB左右，由于为串馈形式，带宽内出现频扫现象，随着工作频率的增高，要求加工精度也越高，需借助较高的焊接工艺加工制造，成品率较低，导致成本较高。
2、微带贴片天线，该天线形式具有轮廓低、可集成有源器件、可实现辐射单元与网络一体化设计的，但天线的介质损耗较大，且存在漏波效应，天线单元增益低、馈电网络损耗大，不利用实现高增益天线设计。
3、反射面天线，该形式天线在Ka频段具有很好的射频性能，差损低、辐射效率高、实现圆极化辐射相对技术较为简单，但该形式天线物理尺寸较大，不适用在一些空间狭小的场合。
4.透镜天线，该天线形式与反射面天线类似，通常采用馈源照射介质球、介质饼等，使波束聚焦，实现高增益照射的目的。但与反射面天线同样具有天线体积尺寸过大，无法实现波束调整的功能。
发明内容
本实用新型的目的在于避免上述背景技术中的不足之处而提供一种Z字形交叉缝隙圆极化背腔天线，本实用新型损耗低，辐射效率高，方向图副瓣低，结构紧凑，可靠性高。
本实用新型是这样实现的：Z字型交叉缝隙圆极化背腔天线，包 括从上到下依次设置的上层介质板1、耦合方腔2、中间层介质板3和背腔4，上层介质板1的下敷铜层腐蚀形成有辐射贴片5，背腔4为正方形；其特征在于：中间层介质板3的上表面腐蚀形成有交叉缝隙6，下表面腐蚀形成有馈线7；交叉缝隙6由两个Z字形缝隙或者两个倒字Z形缝隙组成；两个Z字形缝隙结构相同分别为第一Z字形缝隙11和第二Z字形缝隙12，第一Z字形缝隙11由中间缝隙和一对相互平行的端缝隙组成，中间缝隙的两端各有一个端缝隙且端缝隙与中间缝隙相互垂直；第一Z字形缝隙11的中间缝隙与第二Z字形缝隙12的中间缝隙相互垂直且中心重合；中间缝隙与馈线7在中间介质板3上表面的投影夹角为45°。
进一步地，所述的两个倒Z字形缝隙由两个Z字形缝隙水平翻转180°得到。
进一步地，第一Z字形缝隙11的中间缝隙的宽度为0.03λ0，中间缝隙的长度为0.25λ0，两个端缝隙的长度均为0.08λ0，两个端缝隙的宽度均为0.06λ0；第二Z字形缝隙12的中间缝隙的宽度为0.03λ0，中间缝隙的长度为0.2λ0，两个端缝隙的长度均为0.06λ0，两个端缝隙的宽度均为0.06λ0；其中，λ0为中心频率对应的波长。
进一步地，馈线7的激励点位于第一Z字形缝隙11的几何中心，馈线7的一端到激励点的距离为0.05λ0，另一端为自由端。
本实用新型与背景技术比较有如下优点：
1、本实用新型的Z字形交叉缝隙圆极化背腔天线，由上层介质板1、耦合方腔2、中间层介质板3、背腔4组成，天线阻抗带宽大于25％，带宽内增益大于8.5dB，辐射效率大于75％，小于3dB的轴比带宽大于23％。
2、本实用新型整个天线结构简单、紧凑，辐射效率高，同时该设计实现了天线与网络一体化设计，且可最为相控阵辐射单元，实现波束的控制和扫描。
附图说明
图1是本实用新型三维结构示意图。
图2是本实用新型的分层示意图。
图3是本实用新型实施例说的Z字形交叉缝隙的示意图一。
图4是本实用新型实施例说的Z字形交叉缝隙的示意图二。
具体实施方式
参照图1至图4，本实用新型由上层介质板1、耦合方腔2、中间层介质板3和背腔4组成，图1是本实用新型三维结构示意图，图2是本实用新型的分层示意图，给出了各部件间的相对位置关系及内部结构组成。
其中，上层介质板1的下表面腐蚀形成有辐射贴片5，上表面的敷铜全部腐蚀掉。辐射贴片5耦合到交叉缝隙6激励起来的电磁信号，并在其表面形成电流，并经过介质层辐射到自由空间；在此过程中介质板起了天线罩的作用，对辐射贴片5起屏蔽保护作用。
耦合方腔2位于上层介质板1的下方，中间层介质板3的上方；呈方形结构。其作用主要有两个方面：1)电磁屏蔽，2)对上层介质板起支撑作用。与传统的微带缝隙天线采用开放式(天线四周无金属屏蔽腔)的结构比较，采用此种电磁设计方法可获得较高的辐射增益，通常相同单元天线增益提高0.7dB；另外，经过加载屏蔽耦合方腔的天线，在阵列天线中使用时，阵中的单元间隔离度提高，通常提高8dB左右，阵中的辐射方向图的质量也明显好于开放式的微带天线，这对于相控阵天线波束扫描波束峰值幅度波动平滑作用明显。
中间层介质板3位于耦合方腔2和背腔4之间，其上表面敷刻有交叉缝隙6，下表面敷刻有馈线7。其中，交叉缝隙6由两个Z字形缝隙或者两个倒Z字形缝隙组成。
交叉缝隙6由两个Z字形缝隙组成，如图3所示，具体结构为：交叉缝隙6由第一Z字形缝隙11和第二Z字形缝隙12呈90°正交放置，两个Z字形缝隙的长度、宽度不相同；通过两个Z字形缝隙的差异调节两缝隙上激励的电流之间的相位差，使其满足圆极化辐射条件。每个Z字形缝隙均由中间缝隙9和一对相互平行的端缝隙10组成，中间缝隙9的两端各有一条端缝隙10且端缝隙10与中间缝隙9相互垂直。端缝隙的宽度大于中心缝隙的宽度并与之构成Z字形；它的作用是增加缝隙的工作带宽，同时并不增加缝隙的横向尺寸，这 样有利于耦合腔体的小型化设计。
交叉缝隙6由两个倒Z字形缝隙组成，如图4所示，具体结构为：交叉缝隙6由第一倒Z字形缝隙13和第二倒Z字形缝隙14呈90°正交放置，两个倒Z字形缝隙的长度、宽度不相同；通过两个倒Z字形缝隙的差异调节两缝隙上激励的电流之间的相位差，使其满足圆极化辐射条件。每个倒Z字形缝隙均由中间缝隙15和一对相互平行的端缝隙16组成，中间缝隙15的两端各有一条端缝隙16且端缝隙16与中间缝隙15相互垂直。端缝隙的宽度大于中心缝隙的宽度并与之构成倒Z字形；它的作用是增加缝隙的工作带宽，同时并不增加缝隙的横向尺寸，这样有利于耦合腔体的小型化设计。
馈线7与两个Z字形缝隙或者两个倒Z字形缝隙均成45°夹角，且馈线7的激励点(能量集中点)位于两个Z字形缝隙或者两个倒Z字形缝隙的几何中心；这样分别在两个Z字形缝隙或者两个倒Z字形缝隙上激励起极化正交，并有一定相差的表面电流，当电流幅度相等、相位差90°是即形成纯圆极化波，当不满足此条件时，便形成椭圆极化波。馈线7的一端到激励点的距离为0.05λ0，另一端为自由端。
天线的最底层为背腔4，其成正方形结构；作用使天线定向辐射，防止电磁信号外泄，提高天线的辐射效率。
研究发现：当第一Z字形缝隙11或者第一倒Z字形缝隙13的中间缝隙的宽度为0.03λ0(λ0为中心频率对应的波长)，长度为0.25λ0，两条端缝隙的长度均为0.08λ0，宽度均为0.06λ0；第二Z字形缝隙12或者第二倒Z字形缝隙14的中间缝隙的宽度为0.03λ0(λ0为中心频率对应的波长)，长度为0.2λ0，两条端缝隙的长度均为0.06λ0，宽度均为0.06λ0，天线轴比小于2dB的带宽为15％。
本实用新型工作原理如下：当发射信号时，发射机通过同轴电缆将发射信号输入到馈线7，在交叉缝隙6激励起圆极化电流，振荡的电流形成的电场经由耦合方腔2耦合到辐射贴片5上，并形成表面电流，产生的电磁场信号通过上层介质板辐射到自由空间；天线的接收与发射为互易过程，外部信号在辐射贴片5上激励其圆极化电流，经 由耦合方腔2耦合到交叉缝隙6并激励起表面电流，并耦合到馈线7上，最终经由同轴电缆输出到外接接收机。
Claims (4)
1.Z字型交叉缝隙圆极化背腔天线，包括从上到下依次设置的上层介质板(1)、耦合方腔(2)、中间层介质板(3)和背腔(4)，上层介质板(1)的下敷铜层腐蚀形成有辐射贴片(5)，背腔(4)为正方形；其特征在于：中间层介质板(3)的上表面腐蚀形成有交叉缝隙(6)，下表面腐蚀形成有馈线(7)；交叉缝隙(6)由两个Z字形缝隙或者两个倒字Z形缝隙组成；两个Z字形缝隙结构相同分别为第一Z字形缝隙(11)和第二Z字形缝隙(12)，第一Z字形缝隙(11)由中间缝隙和一对相互平行的端缝隙组成，中间缝隙的两端各有一个端缝隙且端缝隙与中间缝隙相互垂直；第一Z字形缝隙(11)的中间缝隙与第二Z字形缝隙(12)的中间缝隙相互垂直且中心重合；中间缝隙与馈线(7)在中间介质板(3)上表面的投影夹角为45°。
2.根据权利要求1所述的Z字型交叉缝隙圆极化背腔天线，其特征在于：所述的两个倒Z字形缝隙由两个Z字形缝隙水平翻转180°得到。
3.根据权利要求1所述的Z字型交叉缝隙圆极化背腔天线，其特征在于：第一Z字形缝隙(11)的中间缝隙的宽度为0.03λ0，中间缝隙的长度为0.25λ0，两个端缝隙的长度均为0.08λ0，两个端缝隙的宽度均为0.06λ0；第二Z字形缝隙(12)的中间缝隙的宽度为0.03λ0，中间缝隙的长度为0.2λ0，两个端缝隙的长度均为0.06λ0，两个端缝隙的宽度均为0.06λ0；其中，λ0为中心频率对应的波长。
4.根据权利要求1所述的Z字型交叉缝隙圆极化背腔天线，其特征在于：馈线(7)的激励点位于第一Z字形缝隙(11)的几何中心，馈线(7)的一端到激励点的距离为0.05λ0，另一端为自由端。
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