一種垂直極化c波段寬頻帶短背射天線的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供了一種垂直極化C波段寬頻帶短背射天線，反射腔的開口端被反射基板封閉，反射腔內(nèi)排列輻射地基板、介質(zhì)基體和輻射天線基板；反射基板朝向反射腔一側(cè)刻蝕有圓形反射陣元；輻射天線基板朝向反射基板一側(cè)的中心刻蝕有方形金屬貼片；寄生陣子的小直徑段依次穿過輻射天線基板、介質(zhì)基體和輻射地基板，支撐在反射腔底部，大直徑段位于輻射天線基板朝向反射基板一側(cè)；射頻連接件由反射腔底部依次貫通輻射地基板、介質(zhì)基體和輻射天線基板，與輻射天線陣元的金屬貼片相接。本實(shí)用新型達(dá)到了主瓣寬、副瓣低、結(jié)構(gòu)簡單、便攜小型化、寬頻帶工作的要求，可用于對(duì)地面基站通信、地面跟蹤引導(dǎo)通信及抗干擾通訊系統(tǒng)中。
【專利說明】
一種垂直極化C波段寬頻帶短背射天線
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于雷達(dá)及通信天線技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種短背射天線。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，在移動(dòng)數(shù)據(jù)通信傳輸、地面抗干擾通信及測控跟蹤系統(tǒng)中，前端天線多以垂直極化天線形式，如八木天線、富蘭克林天線、平面微帶天線及反射面天線等。這些天線往往存在天線尺寸較大、天線饋電系統(tǒng)匹配復(fù)雜、工程調(diào)試過程復(fù)雜、加工成本較高等問題。在機(jī)載、高速列車等移動(dòng)通信領(lǐng)域中及高精度測向系統(tǒng)中為了擴(kuò)展通信距離，抑制地面通信的多徑干擾問題，同時(shí)也要滿足小型化、制作安裝簡便等特性，新的垂直極化、定向輻射、滿足寬頻帶工作、低副瓣、具有較高增益的天線的設(shè)計(jì)日趨重要。在眾多的垂直極化天線的形式中，短背射天線具有較高的福射增益，較低的副瓣福射。如H.W.Ehrenspeck在《Theshort-backf ire antenna〉〉(H.W.Ehrenspeck，“The short-backf ire antenn a，，，Proc.1EEE,vo1.53,n0.6,pp.1138-1140,Aug.1965.)中所述，短背射天線由一個(gè)反射器、半波振子及部分引向器組成。但是，普通的短背射天線存在工作帶寬窄、設(shè)計(jì)過程復(fù)雜、不宜加工實(shí)現(xiàn)等缺點(diǎn)，尤其是整體天線尺寸過大，加工、安裝、調(diào)試過程都不方便，極大程度地限制了該天線的使用范圍。D.Gray與H.Tsuji在《Short backfire antenna with microstripClavin feed》(D.Gray H.Tsuji，“Short backfire antenna with microstrip Clavinfeed”，IET Microwave,Antennas&Propagat1n,2009,Vol.3，ISS.8，pp.1211-1217)中提出了一種L波段、基于傾斜寄生耦合線技術(shù)的寬帶圓極化短背射天線。但是在文獻(xiàn)中僅僅是對(duì)于短背射天線中的寄生元的作用進(jìn)行了原理性的探討，其傾斜耦合線的傾斜角度及安裝固定方式很難滿足簡單，堅(jiān)固，耐用的工程實(shí)際設(shè)計(jì)要求，且其設(shè)計(jì)中通過一根支撐桿安裝固定反射片的方式對(duì)于天線的輻射和饋電及安裝造成影響，更不便于工程應(yīng)用。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種垂直極化C波段寬頻帶天線，采用微帶輻射陣元與寄生陣元耦合技術(shù)達(dá)到了主瓣寬、副瓣低、結(jié)構(gòu)簡單、便攜小型化、寬頻帶工作的要求，可用于對(duì)地面基站通信、地面跟蹤引導(dǎo)通信及抗干擾通訊系統(tǒng)中。
[0004]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:包括反射基板、反射陣元、介質(zhì)基體、寄生陣子、輻射天線陣元、輻射天線基板、輻射地、輻射地基板、反射腔及射頻連接件；
[0005]所述的反射腔為一端封閉一端開口的中空柱體，開口端被反射基板封閉，反射腔內(nèi)由封閉端向開口端依次平行排列有輻射地基板、介質(zhì)基體和輻射天線基板;所述的反射基板為圓板，在反射基板朝向反射腔一側(cè)刻蝕有圓形反射陣元;所述輻射天線基板朝向反射基板一側(cè)的中心刻蝕有一片正方形的金屬貼片，構(gòu)成輻射天線陣元;所述輻射地基板朝向介質(zhì)基體一側(cè)為輻射地;所述的寄生陣子為銅制二層臺(tái)階圓柱體，小直徑段依次穿過輻射天線基板、介質(zhì)基體和輻射地基板，支撐在反射腔封閉端，大直徑段位于輻射天線基板朝向反射基板一側(cè);所述的射頻連接件由反射腔封閉端依次貫通輻射地基板、介質(zhì)基體和輻射天線基板，與輻射天線陣元的金屬貼片相接。
[0006]所述的反射基板使用型號(hào)為FR-4的PCB板材加工而成，厚度為天線工作波長的
0.03倍，直徑為天線工作波長的2倍;所述反射陣元的直徑為天線工作波長的0.54倍。
[0007]所述的寄生陣子大直徑段的直徑為天線工作波長的0.12倍，高度為天線工作波長的0.06倍;小直徑段的直徑為天線工作波長的0.06倍，高度為天線工作波長的0.2倍。
[0008]所述寄生陣子的數(shù)量為4個(gè)，對(duì)稱分布于輻射天線陣元四周。
[0009]所述的輻射天線基板采用標(biāo)準(zhǔn)板材加工制作，直徑為天線工作波長的1.85倍，厚度為天線工作波長的0.03倍，在距中心0.46倍波長的圓周上等間距開有4個(gè)直徑為0.06倍波長的通孔，為支撐寄生陣子的導(dǎo)通穿孔。
[0010]所述輻射天線陣元的邊長為天線工作波長的0.31倍。
[0011]所述輻射天線陣元上距離底邊0.019倍波長處開有一個(gè)鏤空的U型槽孔，U型槽孔的底邊長為0.27倍波長，兩個(gè)豎邊均為0.23倍波長，U型槽孔的寬度為0.019倍波長;距離U型槽孔底邊0.053倍波長處為輻射天線陣元饋電點(diǎn)位置。
[0012]所述的輻射地基板與輻射天線基板直徑相同，厚度相同。
[0013]所述的反射腔采用金屬鋁制作，外徑為天線工作波長的1.88倍，高度為天線工作波長的0.6倍，底板厚度為天線工作波長的0.078倍，在距底板中心0.46倍波長的圓周上等間距開有與寄生陣子個(gè)數(shù)相同、直徑為天線工作波長的0.06倍、深度為天線工作波長的
0.06倍的定位孔，用于安裝寄生陣子。
[0014]本發(fā)明的有益效果是:由于采用多功能寄生耦合陣列的設(shè)計(jì)方式，將天線整體結(jié)構(gòu)尺寸縮小的同時(shí)，進(jìn)一步展寬工作頻帶，實(shí)現(xiàn)了天線整體的安裝與固定。通過采用以上設(shè)計(jì)使得天線滿足垂直極化、寬主瓣、寬頻帶工作要求，天線增益大于13dB，天線3dB波束寬度為30°，駐波2以下頻帶寬度近15%。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明一種垂直極化C波段寬頻帶短背射天線結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2是本發(fā)明一種垂直極化C波段寬頻帶短背射天線結(jié)構(gòu)裝配剖面示意圖。
[0017]圖3是本發(fā)明一種垂直極化C波段寬頻帶短背射天線各組成部分爆炸示意圖。
[0018]圖4是一種垂直極化C波段寬頻帶短背射天線頂視圖。
[0019]圖5是一種垂直極化C波段寬頻帶短背射天線側(cè)視圖。
[0020]圖6是一種垂直極化C波段寬頻帶短背射天線底視圖。
[0021]圖7是本發(fā)明雙諧振圓極化短背射天線的SI，I參數(shù)曲線圖。
[0022]圖8是本發(fā)明雙諧振圓極化短背射天線的駐波曲線圖。
[0023]圖9是一種垂直極化C波段寬頻帶短背射天線的E面方向圖。
[0024]圖10是一種垂直極化C波段寬頻帶短背射天線的H面方向圖。
[0025]圖中，1.反射基板，2.反射陣元，3.介質(zhì)基體，4.寄生陣子，5.輻射天線陣元，6.輻射天線基板，7.輻射地，8.輻射地基板，9.反射腔，1.射頻連接件，11.反射板固定螺釘。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明，本發(fā)明包括但不僅限于下述實(shí)施例。
[0027]本發(fā)明包括反射基板、反射陣元、介質(zhì)基體、寄生陣子、輻射天線陣元、輻射天線基板、輻射地、輻射地基板、反射腔及射頻連接件;反射板起到天線的保護(hù)罩及產(chǎn)生二次輻射的作用，使用標(biāo)準(zhǔn)PCB板材加工，板材型號(hào)為FR-4，整體呈圓板狀結(jié)構(gòu)，反射板基材厚度為天線工作波長的0.03倍，直徑為2倍波長，在反射板下表面刻蝕有圓形反射片，直徑為0.54倍波長。寄生陣子起到電磁耦合、固定支撐及定位輻射天線陣元和輻射天線基板的作用，為銅制二層臺(tái)階圓柱體，上部起到寄生陣子作用直徑為0.12倍波長，高度為0.06倍波長，下部起到對(duì)天線的固定，支撐及定位作用，直徑為0.06倍波長，高度為0.2倍波長，為起到固定支撐作用，在寄生陣子下部表面加工有與直徑相對(duì)應(yīng)的螺紋，根據(jù)天線計(jì)算結(jié)果寄生陣子數(shù)量一般為4個(gè)，且對(duì)稱分布于輻射天線陣元四周。輻射天線陣元及輻射天線基板組成短背射天線的輻射單元部分，采用標(biāo)準(zhǔn)PCB板材加工制作，基材一般選擇為圓形陶瓷介質(zhì)材質(zhì)如羅杰斯的R05880板材，直徑為1.85倍波長，厚度為天線工作波長的0.03倍，在距中心0.46倍波長的圓周上等間距開有4個(gè)直徑為0.06倍波長的通孔，為支撐寄生陣子的導(dǎo)通穿孔。在輻射天線基板的中心位置處經(jīng)過PCB板加工工藝刻蝕有一片正方形的金屬貼片，構(gòu)成輻射天線陣元。輻射天線陣元，邊長為0.31倍波長，為實(shí)現(xiàn)寬頻帶工作在距離陣元的底邊0.019倍波長處開有一個(gè)鏤空的“U”型槽孔，“U”型槽孔的底邊長為0.27倍波長，兩個(gè)豎邊等長均為0.23倍波長，“U”型槽孔的寬度為0.019倍波長。距離“U”型槽孔底邊0.053倍波長為輻射天線陣元饋電點(diǎn)位置。輻射地與輻射地基板組成了天線底面輻射及展寬工作頻帶的作用，其直徑與輻射天線基板直徑相同，厚度相同，并在與輻射天線基板相對(duì)應(yīng)的位置上開有相同結(jié)構(gòu)和數(shù)量的支撐寄生陣子的導(dǎo)通穿孔及饋電探針過孔。介質(zhì)基體為特種剛醒泡沫基體，其介電常數(shù)為1.2左右，起到支撐輻射天線基板和輻射地基板的作用，該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是為了進(jìn)一步展寬天線的工作頻帶。反射腔起到天線定向能量匯聚輻射的作用，采用金屬鋁制作，外徑為1.88倍波長，整體高度為0.6倍波長，底板厚度為0.078倍波長，在距底板中心0.46倍波長的圓周上等間距開有與寄生陣子個(gè)數(shù)相同，直徑為0.06倍波長，深度為0.06倍波長的定位孔為容納及支撐寄生陣子的下部的安裝孔。寄生陣子陣列通過一一對(duì)應(yīng)的圓孔貫通固定安裝方式，將輻射天線基板，介質(zhì)基體，輻射地基板和反射腔四個(gè)部件固定連接的一體。射頻連接件為市售標(biāo)準(zhǔn)射頻連接件，其貫通輻射天線基板，介質(zhì)基體，輻射地基板和反射腔與輻射天線陣元的方形貼片相接，連接位置可采用優(yōu)化計(jì)算的方法獲得。射頻連接件起到將50歐的銅軸電纜與天線可靠連接的作用。上文所述的波長為天線的工作波長。
[0028]本發(fā)明通過不斷地優(yōu)化調(diào)整寄生陣子的間距，陣子個(gè)數(shù)，輻射天線陣元的大小和U型槽孔的尺寸，可以獲得滿足駐波及方向圖要求的天線方案，【具體實(shí)施方式】如下:
[0029]圖1為本發(fā)明一種垂直極化C波段寬頻帶短背射天線結(jié)構(gòu)示意圖。反射基板I為天線的保護(hù)罩及二次輻射作用，采用標(biāo)準(zhǔn)PCB板材加工制作，型號(hào)為FR-4，基材厚度為1.5mm，反射基板I直徑為104mm。
[0030]圖2是本發(fā)明一種垂直極化C波段寬頻帶短背射天線結(jié)構(gòu)裝配剖面示意圖。在反射基板I下表面處通過PCB板刻蝕工藝形成一片銅制圓形反射陣元2，其直徑為28mm，起到二次輻射的作用。寄生陣子4為銅制二層臺(tái)階圓柱體，上部為寄生陣元部分，直徑為6mm，高度為3_，下部為固定及支撐天線作用，直徑為3mm并在其表面加工成M3的螺紋，高度尺寸要貫穿介質(zhì)基體3，輻射天線基板6，輻射地7和輻射地基板8并與反射腔9通過螺紋旋接固定，具體尺寸為為10.15mm。福射天線陣元5與福射天線基板6構(gòu)成天福射部分。采用為減小天線表面損耗，輻射天線基板6采用市售標(biāo)準(zhǔn)羅杰斯5880陶瓷材質(zhì)的PCB基片加工制作。輻射天線基板6外形為圓板裝，直徑為96mm，厚度為1.575mm，在距中心23.7mm的圓周上等間距開有4個(gè)直徑為3mm大小的通孔。輻射天線基板6上表面的中心位置處通過PCB板刻蝕工藝形成邊長為16mm的福射天線陣元5，下表面無金屬覆銅。福射天線陣元5為天線的福射振子，邊長為16mm，為展寬天線的工作頻帶距離底邊Imm處在福射天線陣元5上通過PCB板刻蝕工藝形成一個(gè)底邊為13.92mm，兩邊各為12.9mm，寬度為Imm的U型槽，距U型槽底邊上方中心位置處為天線的饋電點(diǎn)位置，開有一個(gè)直徑為1.3mm的通孔。介質(zhì)基體3為天線支撐及展寬工作帶寬作用，外形為圓板裝，直徑為96mm，厚度為5mm，采用PMI剛性泡沫加工制作，在其與福射天線基板6相同的位置點(diǎn)處開有與輻射天線基板6大小相同的通孔。輻射地基板8為天線的輻射地結(jié)構(gòu)，與介質(zhì)基體3和輻射天線基板6組成了一種復(fù)合工作帶寬展寬結(jié)構(gòu)，其上表面無金屬覆銅，下表面為金屬覆銅表面構(gòu)成輻射地7。在輻射地基板8和輻射地7上與輻射天線基板6相同的位置點(diǎn)處開有與輻射天線基板6大小相同的通孔，在輻射地7上的饋電通孔處為避免饋電短路將饋電通孔直徑調(diào)整為1.5mm。反射腔9為天線的定向能量匯聚單元，整體為一個(gè)圓臺(tái)結(jié)構(gòu)，采用鋁合金制作。上圓臺(tái)為輻射天線基板6和反射板固定螺釘11提供一個(gè)固定安裝位置，其內(nèi)徑為96mm，外徑為104_，高度為5_。下圓臺(tái)為主要的定向能量匯聚單元，內(nèi)徑為96mm，外徑為98mm，整體高度為25mm，底板厚度為4mm。在底板中心23.7mm的圓周上等間距開有4個(gè)與輻射天線基板6相對(duì)應(yīng)的直徑為M3，深度為4mm的定位孔。通過將4個(gè)寄生陣子4貫通輻射天線基板6，介質(zhì)基體3，輻射地基板8和輻射地7與反射腔9上一一對(duì)應(yīng)的4個(gè)圓孔將輻射天線基板6，介質(zhì)基體3和輻射地基板8緊固連接。在反射腔9上與輻射天線基板6相對(duì)應(yīng)的位置上開有一個(gè)直徑為4.1mm的通孔，為射頻連接件10的饋電通孔。射頻連接件10為射頻標(biāo)準(zhǔn)SMA連接件，其貫通貫通輻射天線基板6，介質(zhì)基體3，輻射地基板8和輻射地7與反射腔9與輻射天線陣元5相焊接。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種垂直極化C波段寬頻帶短背射天線，包括反射基板、反射陣元、介質(zhì)基體、寄生陣子、輻射天線陣元、輻射天線基板、輻射地、輻射地基板、反射腔及射頻連接件，其特征在于:所述的反射腔為一端封閉一端開口的中空柱體，開口端被反射基板封閉，反射腔內(nèi)由封閉端向開口端依次平行排列有輻射地基板、介質(zhì)基體和輻射天線基板;所述的反射基板為圓板，在反射基板朝向反射腔一側(cè)刻蝕有圓形反射陣元;所述輻射天線基板朝向反射基板一側(cè)的中心刻蝕有一片正方形的金屬貼片，構(gòu)成輻射天線陣元;所述輻射地基板朝向介質(zhì)基體一側(cè)為輻射地;所述的寄生陣子為銅制二層臺(tái)階圓柱體，小直徑段依次穿過輻射天線基板、介質(zhì)基體和輻射地基板，支撐在反射腔封閉端，大直徑段位于輻射天線基板朝向反射基板一側(cè);所述的射頻連接件由反射腔封閉端依次貫通輻射地基板、介質(zhì)基體和輻射天線基板，與輻射天線陣元的金屬貼片相接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直極化C波段寬頻帶短背射天線，其特征在于:所述的反射基板使用型號(hào)為FR-4的PCB板材加工而成，厚度為天線工作波長的0.03倍，直徑為天線工作波長的2倍;所述反射陣元的直徑為天線工作波長的0.54倍。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直極化C波段寬頻帶短背射天線，其特征在于:所述的寄生陣子大直徑段的直徑為天線工作波長的0.12倍，高度為天線工作波長的0.06倍;小直徑段的直徑為天線工作波長的0.06倍，高度為天線工作波長的0.2倍。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直極化C波段寬頻帶短背射天線，其特征在于:所述寄生陣子的數(shù)量為4個(gè)，對(duì)稱分布于輻射天線陣元四周。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直極化C波段寬頻帶短背射天線，其特征在于:所述的輻射天線基板采用標(biāo)準(zhǔn)板材加工制作，直徑為天線工作波長的1.85倍，厚度為天線工作波長的0.03倍，在距中心0.46倍波長的圓周上等間距開有4個(gè)直徑為0.06倍波長的通孔，為支撐寄生陣子的導(dǎo)通穿孔。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直極化C波段寬頻帶短背射天線，其特征在于:所述輻射天線陣元的邊長為天線工作波長的0.31倍。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直極化C波段寬頻帶短背射天線，其特征在于:所述輻射天線陣元上距離底邊0.019倍波長處開有一個(gè)鏤空的U型槽孔，U型槽孔的底邊長為0.27倍波長，兩個(gè)豎邊均為0.23倍波長，U型槽孔的寬度為0.019倍波長;距離U型槽孔底邊0.053倍波長處為輻射天線陣元饋電點(diǎn)位置。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直極化C波段寬頻帶短背射天線，其特征在于:所述的輻射地基板與輻射天線基板直徑相同，厚度相同。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直極化C波段寬頻帶短背射天線，其特征在于:所述的反射腔采用金屬鋁制作，外徑為天線工作波長的1.88倍，高度為天線工作波長的0.6倍，底板厚度為天線工作波長的0.078倍，在距底板中心0.46倍波長的圓周上等間距開有與寄生陣子個(gè)數(shù)相同、直徑為天線工作波長的0.06倍、深度為天線工作波長的0.06倍的定位孔，用于安裝寄生陣子。
【文檔編號(hào)】H01Q1/36GK205488512SQ201620045093
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年1月18日
【發(fā)明人】曹輝, 張朋
【申請(qǐng)人】西安愛生技術(shù)集團(tuán)公司, 西北工業(yè)大學(xué)