一种枝节加载的低剖面宽带宽波束天线转让专利
申请号 : CN202010595957.0
文献号 : CN111883913B
文献日 : 2021-09-21
发明人 : 张文海 , 薛泉 , 廖绍伟 , 车文荃
申请人 : 华南理工大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种枝节加载的低剖面宽带宽波束天线,其特征在于,所述天线包括磁偶极子(11)、介质基板和馈电同轴(14);所述磁偶极子(11)包括磁偶极子上表面(111)和磁偶极子下表面(112),所述磁偶极子下表面(112)和磁偶极子上表面(111)分别印刷在介质基板的上下表面;所述磁偶极子上表面(111)设置在介质基板(15)表面上;所述磁偶极子下表面(112)通过短路钉(113)或短路壁(33)与磁偶极子上表面(111)连接,形成矩形方框,其中矩形方框有一个侧面被短路钉(113)短接,其他三个侧面开口;所述介质基板远离短路钉(113)的侧面引入寄生条带(12),寄生条带(12)位于磁偶极子下表面(112)并与短路钉(113)垂直,馈电同轴(14)位于寄生条带(12)所在侧面附近;所述寄生条带(12)上设置有与短路钉(113)或短路壁(33)平行的加载枝节(13);所述加载枝节(13)的长度范围为15mm至21mm,宽度范围为2mm至6mm。
2.根据权利要求1所述的一种枝节加载的低剖面宽带宽波束天线,其特征在于,所述介质基板的介电常数为范围为2‑20。
3.根据权利要求2所述的一种枝节加载的低剖面宽带宽波束天线,其特征在于,所述天线还包括渐变部分(25),所述渐变部分(25)包括渐变部分的上表面(251)、渐变部分的下表面(252);所述渐变部分(25)设置在天线的口径处,渐变部分的上表面(251)和渐变部分的下表面(252)分别印刷介质基板的上下表面;所述矩形方框有三个侧面被短路钉(113)短接,一个侧面开口,形成半封闭的矩形方框,开口处作为天线的口径处。
4.根据权利要求3所述的一种枝节加载的低剖面宽带宽波束天线,其特征在于,所述渐变部分(25)为等腰梯形结构,等腰梯形结构关于寄生条带(12)对称。
5.根据权利要求4所述的一种枝节加载的低剖面宽带宽波束天线,其特征在于,所述渐变部分(25)为阶梯形的渐变结构。
6.根据权利要求1所述的一种枝节加载的低剖面宽带宽波束天线,其特征在于,当所述天线扩展到毫米波宽波束天线时,所述介质基板介电常数范围为2‑10。
说明书 :
一种枝节加载的低剖面宽带宽波束天线
技术领域
背景技术
辐射特性,而对于在低剖面的应用场景下,实现宽波束特性的研究方法较少。此外,磁偶极
子天线由于其低剖面的结构特性,造成阻抗匹配困难,工作带宽窄。为了解决上述问题,现
有技术一种利用寄生条带实现宽波束的扇形磁偶极子天线(Cheng Shen, Wen‑Jun Lu,
and Lei Zhu, “Planar Self‑Balanced Magnetic Dipole Antenna with Wide
Beamwidth Characteristics”,IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 67, no. 7, pp.
4860‑4865, July 2019.)中,其结构采用单层的空气介质,厚度为6mm(即0.049个波导波
长),为了有效地利用下层金属的外表面电流,该方案在+X方向上引入矩形寄生条带。一方
面,改善了天线的阻抗匹配特性,实现了20%的阻抗带宽;另一方面,通过磁流源和电流源的
方向图叠加原理,使其边射方向(+Z方向)的半功率波束宽度超过100°。该结构能够在保持
较低剖面的情况下,实现宽带和宽波束特性。
发明内容
偶极子上表面分别印刷在介质基板的上下表面;所述磁偶极子上表面设置在介质基板表面
上;所述磁偶极子下表面通过短路钉或短路壁与磁偶极子上表面连接,形成矩形方框,其中
矩形方框有一个侧面被短路钉短接,其他三个侧面开口;所述介质基板远离短路钉的侧面
引入寄生条带,寄生条带位于磁偶极子下表面并与短路钉垂直,馈电同轴位于寄生条带所
在侧面附近。
面分别印刷介质基板的上下表面;所述矩形方框有三个侧面被短路钉短接,一个侧面开口,
形成半封闭的矩形方框,开口处作为天线的口径处。
础上,进一步在辐射口径处引入渐变的等腰梯形结构,阻抗带宽达到30%左右,而现有技术
的相对带宽为20%。总的来说,本发明的优点在于通过引入加载枝节和渐变结构增加了宽波
束天线的设计自由度,从而实现了一种新型宽带宽波束天线,其结构简单,易于加工,制作
成本低,同时还适用于毫米波技术。
附图说明
具体实施方式
111设置在介质基板15表面上;所述磁偶极子下表面112通过短路钉113与磁偶极子上表面
111连接,形成矩形方框,其中矩形方框有一个侧面被短路钉113短接,三个侧面开口。所述
磁偶极子天线上表面111和磁偶极子下表面112均采用普通的金属铜材料。
数Ls表示加载枝节13的长度;参数Wm表示寄生条带的宽度。
短路钉113的一端设有所述馈电同轴14。未引入寄生条带12的情况下,磁偶极子天线11在YZ
平面的半功率波束宽度较窄,一般为70°左右。为了展宽天线在边射方向上的波束宽度,在
辐射口径处的下表面引入矩形的寄生条带12,如图2所示。此时,引入的寄生条带12和磁偶
极子11共同作用于天线的辐射方向图,实现正交电偶极子和磁偶极子的波束叠加。其YZ面
的半功率波束宽度变化趋势如图3所示,当改变寄生条带12的长度Lm从10 mm 延长至20
mm, YZ平面的波束宽度从70°展宽到136°。
配困难,工作带宽窄。为了解决这个问题,在寄生条带12上引入矩形的加载枝节13来调节阻
抗匹配特性,如图4所示。从图4中可以看出,加载枝节13的引入使得天线在2.25 GHz附近产
生了一个额外的低频谐振点,从而可以大幅度展宽现有的工作带宽。该低频谐振点的产生
主要是由于电偶极子和磁偶极子具有互补电抗特性的结果。在极低剖面的情况下,加载的
枝节大幅度改善了该谐振点的阻抗特性。矩形的加载枝节13的长度大约为八分之一个波
长,长宽比可设置为3左右。
的下表面252;渐变部分的上表面251和下表面252均为金属铜材料;所述渐变部分的上表面
251和渐变部分的下表面252分别印刷在介质基板15的上下表面,所述介质基板15的厚度为
2mm,即0.054个波导波长,中心频率为5GHz左右。最终的实验结果图7表明,该渐变结构25的
宽波束天线具有接近30%的工作带宽。除此之外,该天线同样具有很宽的波束特性,在两个
主要平面内半功率波束宽度均超过90°。
结构的角度α从11.8°到15.3°,天线的阻抗特性得到了大幅度的改善。当α=15.3°时,天线的
工作频率范围几乎可以覆盖4.4GHz至6.0GHz。需要注意的是,本实施例以等腰梯形的渐变
结构为例进行阐述,其它类型的结构同样适用于改善天线的阻抗特性,比如其他多边形结
构和阶梯形的渐变结构。图5c中,参数Wo表示加载枝节13到辐射口径处之间的距离。
口处作为天线的口径处;
现有技术的技术方案进行了对比,取空气介质的厚度为3mm,即0.025个波导波长,从图中可
以看出,该技术方案在极低的剖面高度下阻抗带宽仅为7.4%。
为2.32GHz时,实测的半功率波束宽度为99°;工作频率为2.48GHz时,实测的半功率波束宽
度为95°。在YZ平面,工作频率为2.32GHz时,实测的半功率波束宽度为180°;工作频率为
2.48GHz时,实测的半功率波束宽度为167°。如图11所示,在工作频段范围内,该天线实测的
辐射效率超过85%,实测的增益在3.21dB至3.63dB之间。
2.2,厚度0.508mm的介质基板35上,且磁偶极子上表面111和磁偶极子下表面112采用短路
壁33短接。从图13中可以看出,该毫米波天线能够覆盖24.68GHz至34.74GHz频段,相对带宽
33.9%。同样地,该毫米波天线在整个工作频段范围内具有稳定的增益和宽波束特性。
率为26.5GHz时,半功率波束宽度为94°;工作频率为31.6GHz时,半功率波束宽度为201°。在
YZ平面,工作频率为26.5GHz时,半功率波束宽度为92°;工作频率为31.6GHz时,半功率波束
宽度为188°。如图16所示,在工作频段范围内,该毫米波天线的增益在3.72dB至4.01dB之
间。