寬帶寬角掃描的雙圓極化微帶天線的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及寬帶寬角掃描的雙圓極化微帶天線。包括底座、兩塊呈十字交叉狀的微帶板和天線罩；兩塊微帶板上分別設有饋線、巴侖和天線振子，底座為頂部敞口的圓盒狀，十字交叉狀的兩塊微帶板固定在底座內(nèi)，底座的底部開設有兩個接口孔；天線罩為底部敞口的圓蓋狀，罩內(nèi)集成有寄生輻射片，罩設在底座上。本實用新型的工作頻帶寬，駐波≤3的相對帶寬超過40%；適用頻段廣，中心頻率在0.5GHz~5GHz都可采用該結(jié)構(gòu)；用作相控陣時掃描角度寬，21%帶寬±60°仰角全方位掃描有源駐波不超過1.9；體積小，直徑為0.4波長；結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，具有良好的抗震和防塵防潮性能。
【專利說明】寬帶寬角掃描的雙圓極化微帶天線
【技術領域】
[0001]本實用新型專利涉及一種適用于寬角掃描的寬帶雙圓極化天線，屬于微波【技術領域】，也可用于微波通信、現(xiàn)代雷達系統(tǒng)、射頻識別、電子設備等領域。
技術背景
[0002]天線是無線廣播、無線通信和無線探測等系統(tǒng)的重要組件，天線單元及天線陣列的性能直接反映并且在很大程度上影響著整個系統(tǒng)的性能。隨著有源相控陣技術的飛速發(fā)展，雷達等系統(tǒng)對頻帶寬度和掃描角的要求越來越高，這對天線的功能和性能也提出越來越高的要求。
[0003]對于圓極化天線，常用的形式有喇叭天線、十字交叉的Vivaldi天線、微帶貼片天線、振子天線等。從結(jié)構(gòu)上看，喇ΠΛ天線體積和重量都很大；十字交叉Vivaldi天線雖然帶寬寬，但是體積大，剖面高；微帶貼片天線因其重量輕、體積小、容易加工與集成等優(yōu)點在天線設計中得到廣泛應用，但是受其平面形式的制約，單層微帶貼片天線的阻抗帶寬很難超過15%，且用于寬角掃描時性能尤為有限；關于振子天線形式，還可以采用十字交叉的金屬臂振子，但是金屬振子及饋線工藝和結(jié)構(gòu)復雜，重量也比微帶形式重很多，對于較低的頻率尤為明顯。
實用新型內(nèi)容
[0004]為了適合大規(guī)模工程應用，在兼顧或改善了電性能的同時，保證安裝穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)強度，本實用新型提供一種寬帶寬角掃描的雙圓極化微帶天線。
[0005]本實用新型是一種十字交叉的微帶振子天線，由兩個交叉的微帶振子、集成寄生輻射單元的獨立天線罩、集成裙邊和安裝支耳的底座組成，形成具有兩個射頻端口的模塊化單元結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)形式使得它除具有常規(guī)微帶天線形式靈活、易于加工的優(yōu)點之外，還具有振子天線的優(yōu)秀寬帶寬角掃描性能。其VSWR ( 3的相對帶寬超過40%，用于21.2%帶寬的相控陣掃描角覆蓋超過±60°時有源駐波VSWRS 1.9且軸比ARS 3dB ;結(jié)構(gòu)緊湊(單元直徑僅為0.4A ,)，模塊化的單元天線罩-微帶板-固定底座結(jié)構(gòu)使得其在大規(guī)模工程應用中安裝、調(diào)整和維護都十分方便。
[0006]本實用新型的具體技術解決方案如下:
[0007]寬帶寬角掃描的雙圓極化微帶天線包括底座4、兩塊十字交叉的微帶板和天線罩I ;所述兩塊微帶板為A型微帶板2和M型微帶板3，且A型微帶板2和M型微帶板3的高度和形狀相同；
[0008]所述A型微帶板2的中部沿直立方向開設有貫通底邊的A板長槽縫23，A型微帶板2的一側(cè)面上環(huán)繞著A板長槽縫23設有倒彎鉤狀的A板饋線25 ；A板饋線25的一端位于A型微帶板2的中部，另一端為A板饋點22，且位于A型微帶板2的底邊處，與A板長槽縫23的頂端對應的A板饋線25處為向上凸起的A板饋線拐點28 ;與A板饋點22相連接的A板饋線25上串聯(lián)著A板阻抗匹配段24 ;以A板長槽縫23為基準，在A型微帶板2的另一側(cè)面上以A板長槽縫23為基準設有帶狀的A板覆銅區(qū)域；帶狀的A板覆銅區(qū)域由A型微帶板2的底邊覆銅帶、沿著A板長槽縫23兩側(cè)的A板饋電巴侖27和傘形結(jié)構(gòu)的A板天線振子26構(gòu)成；A板饋電巴侖27的下部之間由A板短接線21連接；
[0009]所述M型微帶板3的上部沿直立方向開設有貫通頂邊的M板短槽縫33，M型微帶板3的一側(cè)面中部設有倒M形的M板饋線35 ;M板饋線35的一端位于M型微帶板3的中部，另一端為M板饋點32，且位于M型微帶板3的底邊處；與M板短槽縫33的下端對應的M板饋線35處為向下凹的M板饋線拐點38 ;與M板饋點32相連接的M板饋線35上串聯(lián)著M板阻抗匹配段34 ;以M板短槽縫33為基準，在M型微帶板3的另一側(cè)面上以M板短槽縫33為基準設有帶狀的M板覆銅區(qū)域；帶狀的M板覆銅區(qū)域由M型微帶板3的底邊覆銅帶、沿M板短槽縫33兩側(cè)的M板饋電巴侖37和傘形結(jié)構(gòu)的M板天線振子36構(gòu)成；M板饋電巴侖37下部之間的M型微帶板3上開設有M板通孔31 ；
[0010]通過A型微帶板2上的A板長槽縫23和M型微帶板3上的M板短槽縫33的配合，使A型微帶板2和M型微帶板3呈十字交叉狀；
[0011]所述底座4為頂部敞口的圓盒狀，十字交叉狀的A型微帶板2和M型微帶板3固定在底座4內(nèi)，底座4的底部開設有兩個接口孔；
[0012]所述天線罩I為底部敞口的圓蓋狀，其內(nèi)的頂部設有金屬片12 ;天線罩I罩設在底座4上；天線罩I內(nèi)的金屬片12距十字交叉狀的A型微帶板2和M型微帶板3頂部之間的距離為0.U ,~0.2』，，所述心為自由空間中頻波長。
[0013]所述A型微帶板2和M型微帶板3為大小相同的平板，且上部可根據(jù)振子臂傾斜度設置切角。
[0014]所述金屬片12為圓形，圓心處開設有小孔。
[0015]底座4內(nèi)的底面上呈十字狀分布設有四塊金屬的小立板,其中兩塊小立板在一條直線上，另兩塊小立板在與所述直線相正交的另一條直線上，所述A型微帶板2通過螺紋連接件連接著在一條直線上的兩塊小立板，所述M型微帶板3通過螺紋連接件連接著在正交直線上的另兩塊小立板。
[0016]所述A型微帶板2的兩側(cè)邊下部分別對稱設有直角凹槽，所述M型微帶板3的兩側(cè)邊下部分別對稱設有直角凹槽;A型微帶板2兩側(cè)的直角凹槽使A型微帶板2的上部扣在底座4的圓柱壁上，M型微帶板3兩側(cè)的直角凹槽使M型微帶板3的上部扣在底座4的圓柱壁上。
[0017]本實用新型提供了一種適用于有源相控陣雷達、具有寬帶寬角掃描性能的雙極化天線，其特點是體積小、模塊化設計適合大批量生產(chǎn)和組裝，具有良好的抗震和防塵防潮性能。且采用微帶形式，具有成品率高、工藝簡單的優(yōu)點。其技術參數(shù)如下:
[0018]1.駐波≤3的相對帶寬超過40%，中心頻率在0.5GHz^5GHz都可采用該結(jié)構(gòu)；
[0019]2.法向軸比≤0.3dB，有源駐波≤1.5 ；
[0020]3.用于21.2%帶寬的有源相控陣，掃描到±60°仰角時，全方位掃描有源駐波≤1.9，左旋圓極化和右旋圓極化的軸比均小于3dB ；
[0021]4.直徑僅0.4波長，高度為0.42波長。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1為本實用新型結(jié)構(gòu)示意圖(不帶天線罩)。
[0023]圖2為圖1的右視圖。
[0024]圖3為本實用新型爆炸圖(不帶天線罩)。
[0025]圖4為A型微帶板一側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖5為A型微帶板另一側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖6為M型微帶板一側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖7為M型微帶板另一側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖8為天線罩剖視圖。
[0030]圖9為天線單元整體結(jié)構(gòu)剖視圖。
[0031]上圖中序號:天線罩1、A型微帶板2、M型微帶板3、底座4、金屬片12、A板短接線21、A板饋點22、A板長槽縫23、A板阻抗匹配段24、A板饋線25、A板天線振子26、A板饋電巴侖27、A板饋線拐點28、A板安裝孔29、M板通孔31、M板饋點32、M板短槽縫33、M板阻抗匹配段34、M板饋線35、M板天線振子36、M板饋電巴侖37、M板饋線拐點38、M板安裝孔39、小立板43、A板接口孔44、M板接口孔45。
【具體實施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖，通過實施例對本實用新型作進一步地描述。
[0033]實施例1
[0034]本實施例給出一種有源相控陣天線設計，工作頻率為2.1GHf 2.6GHz，極化方式為左旋圓極化和右旋圓極化，陣列形式采用行列間距為61.5mm和71mm的三角柵格，掃描俯仰角達±60°，要求具有良好的抗沖擊振動性能和防塵防潮性能。
[0035]參見圖1和圖2，寬帶寬角掃描的雙圓極化微帶天線包括底座4、兩塊十字交叉的微帶板和天線罩I ;兩塊微帶板為A型微帶板2和M型微帶板3 ；A型微帶板2和M型微帶板3為大小相同的平板，均選用厚度t=0.762mm、相對介電常數(shù)ε r=2.94的微帶板，且上部根據(jù)振子臂傾斜度設置有切角。
[0036]參見圖5，A型微帶板2的中部沿直立方向開設有貫通底邊的A板長槽縫23，A型微帶板2的一側(cè)面上環(huán)繞著A板長槽縫23設有倒彎鉤狀的A板饋線25 ；A板饋線25的一端位于A型微帶板2的中部，另一端為A板饋點22，且位于A型微帶板2的底邊處，與A板長槽縫23的頂端對應的A板饋線25處為向上凸起的A板饋線拐點28。與A板饋點22相鄰的A板饋線25上串聯(lián)著A板阻抗匹配段24 ;參見圖4，以A板長槽縫23為基準，在A型微帶板2的另一側(cè)面上以A板長槽縫23為基準設有帶狀的A板覆銅區(qū)域；帶狀的A板覆銅區(qū)域由A型微帶板2的底邊覆銅帶、沿著A板長槽縫23兩側(cè)的A板饋電巴侖27和傘形結(jié)構(gòu)的A板天線振子26構(gòu)成；A板饋電巴侖27下部在A型微帶板2的兩端分別開設有A板安裝孔29，A板饋電巴侖27之間由A板短接線21短接。
[0037]參見圖7，M型微帶板3的上部沿直立方向開設有貫通頂邊的M板短槽縫33，M型微帶板3的一側(cè)面中部設有倒M形的M板饋線35 ；M板饋線35的一端位于M型微帶板3的中部，另一端為M板饋點32，且位于M型微帶板3的底邊處；與M板短槽縫33的下端對應的M板饋線35處為向下凹的M板饋線拐點38 ;與M板饋點32相鄰的M板饋線35上串聯(lián)著M板阻抗匹配段34 ;參見圖6，以M板短槽縫33為基準，在M型微帶板3的另一側(cè)面上以M板短槽縫33為基準設有帶狀的M板覆銅區(qū)域；帶狀的M板覆銅區(qū)域由M型微帶板3的底邊覆銅帶、沿M板短槽縫33兩側(cè)的M板饋電巴侖37和傘形結(jié)構(gòu)的M板天線振子36構(gòu)成；M板饋電巴侖37下部中間在M型微帶板3上開設有M板通孔31，A板下部中間的A板短接線21穿過此孔跨接在A板饋電巴侖27上，M板饋電巴侖37下部在M型微帶板3的兩端分別開設有M板安裝孔39。
[0038]天線振子臂總長度一般為中心頻率對應波長的一半或略短，振子臂距反射面高度為四分之一波長左右。
[0039]兩個振子的饋線都分別設計有A板阻抗匹配段24和M板阻抗匹配段34。為不影響天線的功率容量，阻抗變換應避免選用高阻抗的窄線，對于特征阻抗為50Ω的端口和饋線，可以選取特征阻抗為60Ω100Ω的變換段進行阻抗匹配。同時，對于此類結(jié)構(gòu)振子天線，為不影響?zhàn)伨€結(jié)構(gòu)，匹配段的長度一般不超過傳輸線上波長的0.2倍。通過調(diào)節(jié)阻抗變換段的位置及長度、寬度可實現(xiàn)兩個振子阻抗的分別匹配，以減少失配引起的反射，實現(xiàn)更高的效率。除了阻抗匹配段外，通過分別調(diào)節(jié)A板饋線拐點28和M板饋線拐點38的位置，可以分別調(diào)節(jié)兩根饋線的長度，從而調(diào)節(jié)兩個振子的相位差，以實現(xiàn)更精確的匹配，對于圓極化天線，還能實現(xiàn)更好的軸比。
[0040]參見圖3，通過A型微帶板2上的A板長槽縫23和M型微帶板3上的M板短槽縫33的配合，使A型微帶板2和M型微帶板3呈十字交叉狀；A板長槽縫23和M板短槽縫33相接于A板天線振子26和M板天線振子36的中心附近。兩個振子的饋線分別從上端和下端繞過A板長槽縫23和M板短槽縫33并折向另外半邊以實現(xiàn)對天線振子的平衡激勵，為抑制不必要的輻射，可將饋線轉(zhuǎn)彎處的尖銳角切去。每個天線單元有兩個激勵端口，即A板饋點22和M板饋點32，通過改變兩端口的激勵幅度和相對相位關系可以改變天線的極化方式。等幅且相位差為90°或-90°的激勵可實現(xiàn)左旋圓極化或右旋圓極化。若兩端口分別單獨激勵則可分別提供相互正交的兩種線極化。
[0041]參見圖3，底座4為頂部敞口的圓盒狀，外徑和內(nèi)徑分別為久=50mm和化=53mm，通過調(diào)節(jié)底座4的圓柱壁的高度可以顯著改善單元間的互耦效應以及寬角掃描時的有源駐波。圓柱壁的設計既減弱了單元間的互耦又展寬了單元的波瓣寬度，在很大程度上提升了天線的寬角掃描性能和帶寬。底座4的底部分別開設有A板接口孔44、M板接口孔45，連接器的介質(zhì)應不低于底座4的內(nèi)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后高出的介質(zhì)剛好接觸到微帶板的A板饋點22和M板饋點32，底座4可為連接器提供可靠的連接地。連接器可用螺釘固定到底座上。對于圓極化天線，需要連接相位輸出相差90°的3dB電橋，可以將它直接安裝在底座4下方。
[0042]底座4內(nèi)的底面上呈十字狀分布固定安裝有四塊金屬的小立板43，其中兩塊小立板在一條直線上，另兩塊小立板在另一條直線上；每塊小立板的高度之=6mm，為不影響天線的電性能，饋電巴侖接地部應高于小立板的高度之。A型微帶板2通過螺紋連接件連接著在一條直線上的兩塊小立板，M型微帶板3通過螺紋連接件連接著在一條直線上的另兩塊小立板。參見圖9，A型微帶板2的兩側(cè)邊下部分別對稱設有直角凹槽，M型微帶板3的兩側(cè)邊下部分別對稱設有直角凹槽;A型微帶板2的上部通過兩側(cè)的直角凹槽扣在底座4的圓柱壁上，M型微帶板3的上部通過兩側(cè)的直角凹槽扣在底座4的圓柱壁上。振子微帶板高/4=43mm,天線單元總高度Hr=55mm。
[0043]參見圖8，天線罩I為底部敞口的圓蓋狀，其內(nèi)的頂部安裝有圓形的金屬片12，金屬片12的圓心開一小孔；天線罩I通過卡扣的方式罩設在底座4上；天線罩I內(nèi)的金屬片12距十字交叉狀的A型微帶板2和M型微帶板3頂部之間的距離慫=20mm ;金屬片12作為天線振子的寄生單元，通過調(diào)節(jié)它的半徑和高度(即天線罩高度)可以顯著提高天線的頻帶和掃描性能。
[0044]本天線單元(含天線罩)的直徑僅0.40』，，高0.42』，，相對帶寬超過40%，根據(jù)應用需求還有繼續(xù)優(yōu)化的空間。為減少輻射單元數(shù)量，陣列形式采用三角柵格，在
2.1GHf 2.6GHz頻帶內(nèi)掃描角達到±60°，且頻帶內(nèi)左旋和右旋圓極化在各掃描角的有源駐波VSWR均不大于1.9，最大掃描角的軸比Axis Rat1均小于3dB。本天線具有體積小、電性能優(yōu)秀、防塵防潮、便于工程安裝和維護等優(yōu)點，只需稍作調(diào)整，還可應用于其它頻帶和其它極化情況。
【權(quán)利要求】
1.寬帶寬角掃描的雙圓極化微帶天線，其特征在于:包括底座(4)、兩塊十字交叉的微帶板和天線罩(I);所述兩塊微帶板為A型微帶板(2 )和M型微帶板(3 )，且A型微帶板(2 )和M型微帶板(3 )的高度和形狀相同；所述A型微帶板(2 )的中部沿直立方向開設有貫通底邊的A板長槽縫(23)，A型微帶板(2)的一側(cè)面上環(huán)繞著A板長槽縫(23)設有倒彎鉤狀的A板饋線(25) ;A板饋線(25)的一端位于A型微帶板(2)的中部，另一端為A板饋點(22)，且位于A型微帶板(2)的底邊處，與A板長槽縫(23)的頂端對應的A板饋線(25)處為向上凸起的A板饋線拐點(28);與A板饋點(22)相連接的A板饋線(25)上串聯(lián)著A板阻抗匹配段(24 );以A板長槽縫(23 )為基準，在A型微帶板(2 )的另一側(cè)面上以A板長槽縫(23 )為基準設有帶狀的A板覆銅區(qū)域；帶狀的A板覆銅區(qū)域由A型微帶板(2)的底邊覆銅帶、沿著A板長槽縫(23)兩側(cè)的A板饋電巴侖(27)和傘形結(jié)構(gòu)的A板天線振子(26)構(gòu)成；A板饋電巴侖(27)的下部之間由A板短接線(21)連接； 所述M型微帶板(3)的上部沿直立方向開設有貫通頂邊的M板短槽縫(33)，M型微帶板(3)的一側(cè)面中部設有倒M形的M板饋線(35);M板饋線(35)的一端位于M型微帶板(3)的中部，另一端為M板饋點(32 )，且位于M型微帶板(3 )的底邊處；與M板短槽縫(33 )的下端對應的M板饋線(35)處為向下凹的M板饋線拐點(38);與M板饋點(32)相連接的M板饋線(35 )上串聯(lián)著M板阻抗匹配段(34);以M板短槽縫(33 )為基準，在M型微帶板(3 )的另一側(cè)面上以M板短槽縫(33)為基準設有帶狀的M板覆銅區(qū)域；帶狀的M板覆銅區(qū)域由M型微帶板(3)的底邊覆銅帶、沿M板短槽縫(33)兩側(cè)的M板饋電巴侖(37)和傘形結(jié)構(gòu)的M板天線振子(36 )構(gòu)成；M板饋電巴侖(37 )下部之間的M型微帶板(3 )上開設有M板通孔(31)； 通過A型微帶板(2 )上的A板長槽縫(23 )和M型微帶板(3 )上的M板短槽縫(33 )的配合，使A型微帶板(2 )和M型微帶板(3 )呈十字 交叉狀； 所述底座(4)為頂部敞口的圓盒狀，十字交叉狀的A型微帶板(2)和M型微帶板(3)固定在底座(4)內(nèi)，底座(4)的底部開設有兩個接口孔； 所述天線罩(I)為底部敞口的圓蓋狀，其內(nèi)的頂部設有金屬片(12);天線罩(I)罩設在底座(4)上；天線罩(I)內(nèi)的金屬片(12)距十字交叉狀的A型微帶板(2)和M型微帶板(3)頂部之間的距離為0.U ,~0.2』，，所述心為自由空間中頻波長。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬帶寬角掃描的雙圓極化微帶天線，其特征在于:所述A型微帶板(2)和M型微帶板(3)為大小相同的平板，且上部可根據(jù)振子臂傾斜度設置切角。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的寬帶寬角掃描的雙圓極化微帶天線，其特征在于:所述金屬片(12)為圓形，圓心處開設有小孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的寬帶寬角掃描的雙圓極化微帶天線，其特征在于:底座(4)內(nèi)的底面上呈十字狀分布設有四塊金屬的小立板(43)，其中兩塊小立板在一條直線上，另兩塊小立板在與所述直線相正交的另一條直線上，所述A型微帶板(2)通過螺紋連接件連接著在一條直線上的兩塊小立板，所述M型微帶板(3)通過螺紋連接件連接著在正交直線上的另兩塊小立板。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的寬帶寬角掃描的雙圓極化微帶天線，其特征在于:所述A型微帶板(2 )的兩側(cè)邊下部分別對稱設有直角凹槽，所述M型微帶板(3 )的兩側(cè)邊下部分別對稱設有直角凹槽4型微帶板(2)兩側(cè)的直角凹槽使A型微帶板(2)的上部扣在底座(4)的圓柱壁上，M型微帶板(3)兩側(cè)的直角凹槽使M型微帶板(3)的上部扣在底座(4)的圓柱 壁上。
【文檔編號】H01Q21/24GK203859224SQ201420206459
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年4月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月25日
【發(fā)明者】周子成, 李雁, 余峰, 盧曉鵬 申請人:中國電子科技集團公司第三十八研究所