CN101064377B - 宽频带平面印刷空馈天线 - Google Patents

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Abstract

宽频带平面印刷空馈天线是一种宽频带、高增益、高口径效率的低剖面的宽频带平面印刷空馈天线。该天线包括上反射盖板、下反射底板和馈源，上反射盖板和下反射底板相互平行并通过介质柱固定连接。上反射盖板由上介质基片和多个印刷在其下表面的相互隔离的上金属贴片组成，下反射底板由下介质基片和印刷在其下表面的下金属反射板组成，馈源印刷在下介质基片的上表面，同时，以馈源在上介质基片上的正投影位置为中心，上金属贴片分布在该中心的周围，在以该中心为原点的同一条射线方向上，位于里侧的上金属贴片的面积大于或者等于位于外侧的上金属贴片的面积，但不全相等。该天线具有结构简单、成本低廉、易于批量加工制造的优点。

Description

宽频带平面印刷空馈天线
技术领域
本发明涉及一种平面印刷天线，尤其涉及一种宽频带平面印刷空馈天线。
背景技术
目前，印刷天线得到越来越广泛的应用，但是，独立馈电的印刷天线单元只能达到较低的增益，而由多个印刷天线单元组成阵列的印刷天线，虽然能达到很高的增益，但是需要复杂的馈电网络，会导致天线的实用频带变窄。另一方面，现有的印刷空馈天线如反射阵天线和传输阵天线都必须装配馈源，馈源到阵面的距离大约相当于阵面的直径，构成高耸的支架而不便于安装。因而，现有技术中的印刷天线难以同时满足宽频带、高增益、高口径效率的性能和简洁、低剖面的结构要求。
发明内容
技术问题：本发明目的在于解决上述现有技术中存在的不足，提供一种宽频带、高增益、高口径效率的低剖面的宽频带平面印刷空馈天线。
技术方案：为解决现有技术中存在的不足，本发明提供的宽频带平面印刷空馈天线，包括上反射盖板、下反射底板和馈源，上反射盖板和下反射底板相互平行并通过介质柱固定连接，两者的间隔小于所辐射电磁波的半波长。上反射盖板由上介质基片和多个印刷在其内表面的相互隔离的上金属贴片组成，下反射底板由下介质基片和印刷在其外表面的下金属反射板组成，馈源印刷在下介质基片的内表面，同时，以馈源在上介质基片上的正投影位置为中心，上金属贴片分布在该中心的周围，在以该中心为原点的同一条射线方向上，位于外侧的上金属贴片的面积小于或者等于位于里侧的上金属贴片的面积，且不全相等。
作为本发明的改进方案，在前述宽频带平面印刷空馈天线的下介质基片的上表面，印刷有多个相互隔离的下金属贴片，所述这些下金属贴片分布在馈源的周围，在以馈源为原点的同一条射线方向上，位于外侧的下金属贴片的面积大于或者等于位于里侧的下金属贴片的面积，且不全相等。
作为本发明的细化，所述的上金属贴片逐圈排列在所述中心的周围，各圈上的上金属贴片的面积由内到外逐圈递减、或若干相邻圈的上金属贴片的面积相等。所述的下金属贴片逐圈排列在馈源的周围，各圈上的下金属贴片的面积由内到外逐圈递增、或若干相邻圈的下金属贴片的面积相等。
有益效果：本发明的宽频带平面印刷空馈天线，由于在上反射盖板和下反射底板设置了按规律排列的金属贴片，使天线在不同频率上具有局部补偿作用，实现了天线的宽频带。同时，由于不同面积的金属贴片对从馈源到不同金属贴片之间的电磁波的路径相位差具有补偿作用，以及下反射底板对经上反射盖板反射的电磁波进行再反射，使得透射波实现了同相叠加，从而提高了增益和口径效率。另外，本发明的宽频带平面印刷空馈天线还具有结构简单、成本低廉、易于批量加工制造的优点。
附图说明
图1是本发明的总体结构示意图。
图2是本发明实施例的上反射盖板结构示意图。
图3是本发明第二实施例的下反射底板结构示意图。
图4是本发明实施例的馈源结构示意图。
以上的图中有：上反射盖板1、下反射底板2、馈源3、介质柱4、上介质基片11、上金属贴片12、下介质基片21、下金属反射板22、下金属贴片23、长方形的贴片31、U形缝隙32、馈点33。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明进一步具体说明。
一、第一实施例：
图1是本发明的总体结构示意图，图2是本发明实施例的上反射盖板结构示意图。如图1、图2所示的本实施例的宽频带平面印刷空馈天线，由上反射盖板1、下反射底板2和馈源3构成，上反射盖板1由上介质基片11和110个印刷在其下表面的相互隔离的上金属贴片12组成，下反射底板2由下介质基片21和印刷在其下表面的下金属反射板22组成，上反射盖板1和下反射底板2相互平行，通过介质柱4固定连接，两者之间设有厚度为10.0mm的空气间隙5，馈源3印刷在下介质基片21的上表面。上介质基片11为长方形，其长、宽、厚依次为68mm、61mm、1.6mm，相对介电常数为3.2。下介质基片21的形状、几何尺寸、相对介电常数均和上介质基片11相同。下金属反射板22为长方形，其长、宽、厚依次为68mm、61mm、1.0mm。如图2所示，上金属贴片12是正方形的金属小贴片，该110个正方形的金属小贴片在同一平面纵横排列，共排成11行10列，馈源3在上介质基片11上的正投影位置处于该金属小贴片阵列的中心，相邻两行金属小贴片的中心距和相邻两列金属小贴片的中心距均为5.3mm。其中，从外向里，外边三圈的正方形金属小贴片的边长依次为3.8mm、4.3mm、4.4mm，最里侧两圈的正方形金属小贴片的边长都为5.1mm。图4是本发明的馈源结构示意图，如图4所示，本实施例的馈源3采用同轴馈电的U形缝隙矩形贴片辐射器，通过在长方形的贴片31上腐蚀掉一个U形缝隙32制成，采用同轴馈电在馈点33上，其中的参数为：贴片31长度px＝8.3mm、宽度py＝4.8mm，U形缝32的两条垂直缝隙与贴片31上边缘的间距su＝0.5mm、U形缝32的水平缝隙长度ux＝4.8mm、U形缝32的两条垂直缝隙的长度uy＝3.7mm、U形缝32的两条垂直缝隙宽度wh＝0.7mm、U形缝32的水平缝隙的宽度wv＝0.4mm、馈点33与贴片31上边缘的距离fy＝2.7mm。
利用CST公司的CST MICROWAVE STUDIO或Ansoft公司的电磁仿真软件HFSS进行仿真分析，结果显示该天线-10dB回波损失的阻抗频带为13.32GHz～17.31GHz，基本上包容了增益的-3dB频带：13.26GHz～15.01GHz，因此，实用频带为13.32GHz～15.01GHz，相对带宽为11.9％，谐振频率14GHz所对应的增益最大值达到18.4dBi，口径效率为61.5％；E/H面辐射波瓣图的主瓣半功率宽度为18.7°/18.9°，对电磁波起到了聚焦作用；旁瓣电平为E面-18.0dB、H面-19.2dB，前后辐射比约25.1dB；整个天线厚度仅为14.2mm。
二、第二实施例：
参见图1。本实施例的宽频带平面印刷空馈天线，由上反射盖板1、下反射底板2和馈源3构成，上反射盖板1由上介质基片11和110个印刷在其下表面的相互隔离的上金属贴片12组成，下反射底板2由下介质基片21和印刷在其下表面的下金属反射板22组成，上反射盖板1和下反射底板2相互平行，通过介质柱4固定连接，两者之间设有厚度为8.8mm的空气间隙5，馈源3印刷在下介质基片21的上表面。上介质基片11为长方形，其长、宽、厚依次为70mm、63mm、1.6mm，相对介电常数为3.2。下介质基片32的形状、几何尺寸、相对介电常数均和上介质基片11相同。下金属反射板31为长方形，其长、宽、厚依次为70mm、63mm、1.0mm。参见图2，本实施例的上金属贴片12是正方形的金属小贴片，该110个正方形的金属小贴片在同一平面纵横排列，共排成11行10列，馈源3在上介质基片11上的正投影位置处于该金属小贴片阵列的中心，相邻两行金属小贴片的中心距和相邻两列金属小贴片的中心距均为4.8mm。其中，从外向里，外边三圈的正方形金属小贴片的边长依次为4.0mm、4.3mm、4.4mm，最里侧两圈的正方形金属小贴片的边长都为4.6mm。图3是本发明第二个实施例的下反射底板结构示意图，如图3所示，在本实施例的印刷天线的下介质基片21的上表面，印刷有108个与馈源3共面并相互隔离的下金属贴片23，下金属贴片23是正方形的金属小贴片，该108个正方形的金属小贴片在同一平面纵横排列，共排成11行10列，馈源3位于该金属小贴片阵列的中心，即馈源3处于该陈列的第六行、第五和第六列的位置，相邻两行金属小贴片的中心距和相邻两列金属小贴片的中心距均为5.4mm，其中，最外边三圈上的正方形金属小贴片的边长均为次为2.9mm，从外向里第四圈上的正方形金属小贴片的边长为2.8mm，位于馈源3上下两侧的四个正方形金属小贴片的边长为2.6mm。参见图4，本实施例的馈源3采用如图4所示的同轴馈电的U形缝隙矩形贴片辐射器，通过在长方形的贴片31上腐蚀掉一个U形缝隙32制成，采用同轴馈电在馈点33上，其中的参数为：其中的参数为：贴片31长度px＝8.1mm、宽度py＝4.6mm，U形缝32的两条垂直缝隙与贴片31上边缘的间距su＝0.7mm、U形缝32的水平缝隙长度ux＝4.5mm、U形缝32的两条垂直缝隙的长度uy＝3.5mm、U形缝32的两条垂直缝隙宽度wh＝0.7mm、U形缝32的水平缝隙的宽度wv＝0.6mm、馈点33与贴片31上边缘的距离fy＝2.7mm。利用CST公司的CST MICROWAVE STUDIO或Ansoft公司的电磁仿真软件HFSS进行仿真分析，结果显示该天线-10dB回波损失的阻抗频带为13.82GHz～18.44GHz，增益的-3dB频带为13.59GHz～14.97GHz，实用频带为13.82GHz～14.97GHz，相对带宽为8.0％，谐振频率14GHz所对应的增益最大值达到19.5dBi，口径效率为74.4％；E/H面辐射波瓣图的主瓣半功率宽度为18.2°/17.8°，对电磁波起到了聚焦作用；旁瓣电平为E面-17.3dB、H面-18.7dB，前后辐射比约36.4dB；整个天线的厚度仅为13.0mm。

Claims (4)

1.一种宽频带平面印刷空馈天线，包括上反射盖板(1)、下反射底板(2)和馈源(3)，上反射盖板(1)和下反射底板(2)相互平行并通过介质柱(4)固定连接，上反射盖板(1)由上介质基片(11)和多个印刷在其内表面的相互隔离的上金属贴片(12)组成，下反射底板(2)由下介质基片(21)和印刷在其外表面的下金属反射板(22)组成，馈源(3)印刷在下介质基片(21)的内表面，其特征在于：以馈源(3)在上介质基片(11)上的正投影位置为中心，上金属贴片(12)分布在该中心的周围，在以该中心为原点的同一条射线方向上，位于外侧的上金属贴片(12)的面积小于或者等于位于里侧的上金属贴片(12)的面积，且同时满足不全相等。
2.如权利要求1所述的宽频带平面印刷空馈天线，其特征在于：所述上金属贴片(12)逐圈排列在所述中心的周围，其中，位于最里侧的两圈上的上金属贴片(12)的面积相等，而位于其余各圈上的上金属贴片(12)的面积，由内到外逐圈递减。
3.如权利要求1所述的宽频带平面印刷空馈天线，其特征在于：在下介质基片(21)的内表面，印刷有多个相互隔离的下金属贴片(23)，所述下金属贴片(23)分布在馈源(3)的周围，在以馈源(3)为原点的同一条射线方向上，位于外侧的下金属贴片(23)的面积大于或者等于位于里侧的下金属贴片(23)的面积，且同时满足不全相等。
4.如权利要求3所述的宽频带平面印刷空馈天线，其特征在于：所述下金属贴片(23)逐圈排列在馈源(3)的周围，其中，位于最外侧的三圈上的下金属贴片(23)的面积相等，而位于其余各圈上的下金属贴片(23)的面积，由内到外逐圈递增。
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