的超寬帶天線的福射增益隨頻率的變化曲線。附圖標(biāo)記:對(duì) 數(shù)周期天線的微帶介質(zhì)基板1、對(duì)數(shù)周期天線的印刷振子2、饋電集合線3、饋電微帶線的微 帶信號(hào)線4、高介電常數(shù)的加載介質(zhì)5、上層介質(zhì)基板6、下層介質(zhì)基板7、微帶漸變線己倫的 微帶線號(hào)8、金屬過孔9。
【具體實(shí)施方式】：
[0032] 本發(fā)明設(shè)計(jì)了一個(gè)具體的小型化寬帶天線裝置，采用全波電磁仿真軟件對(duì)該天線 進(jìn)行了性能仿真。設(shè)計(jì)的對(duì)數(shù)周期天線的振子長度約為75毫米，對(duì)五個(gè)低頻振子進(jìn)行了曲 折線處理，W實(shí)現(xiàn)小型化效果。對(duì)數(shù)周期天線端口的回波損耗特性分別如圖7所示，由圖可 見，該天線在頻率為IG化~5G化范圍內(nèi)的平均回波損耗較小，滿足超寬帶天線的駐波比要 求，在頻率為IG化附近也具有較好的駐波比性能，實(shí)現(xiàn)了低頻端電路匹配性能的改善。
[0033] 為了表征該天線的福射特性，在此選擇兩個(gè)主平面，一個(gè)是xoy平面，另一個(gè)是yoz 平面，分別給出兩個(gè)主平面內(nèi)的福射增益方向圖和軸比方向圖的仿真結(jié)果，W說明該天線 的福射方向特性和福射場(chǎng)的極化特性。圖8和圖9分別給出了在xoy平面的增益方向圖和軸 比方向圖，圖10和圖11分別給出了在yoz平面的增益方向圖和軸比方向圖，由仿真結(jié)果可W 看出，該天線形成了有效的福射，增益方向圖平穩(wěn);福射方向圖的前后比較小，實(shí)現(xiàn)了對(duì)方 向圖后瓣的控制;在主波束范圍內(nèi)，福射場(chǎng)近似為線極化，隨著頻率升高，軸比變小。
[0034] 本發(fā)明設(shè)計(jì)的超寬帶天線在XOZ面化面)和yoz面化面)的3dB波束寬度隨著頻率的 變化曲線的仿真結(jié)果分別如圖12所示?？蒞看出，在工作頻帶范圍內(nèi)，本發(fā)明設(shè)計(jì)的超寬帶 天線在H面的波束寬度得到壓縮，實(shí)現(xiàn)了方向圖波束寬度的有效控制。
[0035] 本發(fā)明設(shè)計(jì)的超寬帶天線福射增益和圓極化軸比隨著頻率的變化曲線的仿真結(jié) 果如圖13所示所示?？蒞看出，在工作頻帶范圍內(nèi)，本發(fā)明設(shè)計(jì)的超寬帶天線在IG化的增 益已接近0地，實(shí)現(xiàn)了有效福射;在頻率為4G化時(shí)，軸比已小于15地，為一個(gè)楠圓極化狀態(tài)。
[0036] 本發(fā)明提出了一種小型化的寬帶天線裝置，引入高介電常數(shù)的介質(zhì)加載技術(shù)，采 用寬帶對(duì)數(shù)周期結(jié)構(gòu)的天線作為福射源，形成寬帶介質(zhì)埋藏式天線，根據(jù)電磁場(chǎng)的基本原 理，基于等效介電常數(shù)的概念，有效減小實(shí)際的導(dǎo)波波長，進(jìn)而減小天線的尺寸;在基本單 元的小型化設(shè)計(jì)中，本發(fā)明還引入了曲折線振子技術(shù)和低頻段的阻抗加載技術(shù)，進(jìn)一步實(shí) 現(xiàn)寬帶天線的低頻福射性能；同時(shí)，本發(fā)明引入加載寬帶微波吸波材料的金屬背腔實(shí)現(xiàn)對(duì) 寬帶天線福射方向圖進(jìn)行控制，調(diào)整期福射方向圖的形狀W及改善福射方向圖的前后比等 指標(biāo)，W減小空間電磁環(huán)境的影響和提高其抗干擾性能；為了便于實(shí)現(xiàn)高介電常數(shù)的介質(zhì) 埋藏式天線，本發(fā)明研究了一種寬帶微帶對(duì)數(shù)周期天線的饋電方法，采用兩層介質(zhì)基板實(shí) 現(xiàn)寬帶對(duì)數(shù)周期天線的振子陣列和饋電線路，簡(jiǎn)化了饋電結(jié)構(gòu);本發(fā)明采用超寬帶的微帶 漸變線平衡-不平衡變換器(Balun)實(shí)現(xiàn)對(duì)微帶印刷結(jié)構(gòu)的對(duì)數(shù)周期天線的饋電，實(shí)現(xiàn)從饋 電位置的同軸線的不平衡端到雙線的平衡端的轉(zhuǎn)換;整個(gè)微帶電路板包含兩層結(jié)構(gòu)，頂層 介質(zhì)基板的上表面放置一條集合線和一半的福射振子陣列;低層介質(zhì)基板的上表面放置超 寬帶微帶漸變線己倫的微帶信號(hào)線，低層介質(zhì)基板的下表面放置另一集合線和另一半的福 射振子陣列，其中底層的運(yùn)條集合線還作為超寬帶微帶漸變線己倫的金屬地板;超寬帶微 帶漸變線己倫的平衡端的微帶信號(hào)線與上表面的集合線相連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)上表面的振子陣列 的激勵(lì)，微帶信號(hào)線與上表面的集合線的連接方式采用微帶印刷電路中的金屬化過孔技 術(shù)實(shí)現(xiàn)，該技術(shù)能夠保證加工精度和加工的天線單元之間機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)和電磁福射性能的 一致性要求;不平衡端為微帶傳輸線，直接和同軸電纜連接，饋電線從電路板的底部引出， 便于焊接和測(cè)試。本發(fā)明設(shè)計(jì)的寬帶對(duì)數(shù)周期天線整體結(jié)構(gòu)為微帶印刷電路形式，僅在饋 電端需要連接同軸電纜，避免了傳統(tǒng)的對(duì)數(shù)周期天線在高頻振子端饋電精度要求高和焊接 困難等問題，成本上也得到控制；同時(shí)，在低頻振子處采用高介電常數(shù)的局部介質(zhì)加載技 術(shù)，有效減小低頻振子的尺寸，實(shí)現(xiàn)天線尺寸小型化的效果。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種小型化寬帶天線裝置，其特征在于設(shè)有微帶對(duì)數(shù)周期天線、金屬腔體，其中金屬 腔體采用長方體，金屬腔體底部設(shè)有微波吸波材料層，金屬腔體的側(cè)壁也設(shè)有微波吸波材 料層，微帶對(duì)數(shù)周期天線置于金屬腔體內(nèi)，在微帶對(duì)數(shù)周期天線的介質(zhì)基板兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置 高介電常數(shù)的微波介質(zhì)層，所述高介電常數(shù)的微波介質(zhì)層對(duì)應(yīng)放置在微帶對(duì)數(shù)周期天線中 低頻振子所在位置處。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小型化寬帶天線裝置，其特征在于所述的微帶對(duì)數(shù)周期 天線為微帶印刷電路結(jié)構(gòu)，便于加工和制作，精度較高，對(duì)數(shù)周期天線所有振子尺寸和振子 之間的距離遵循一定的比例關(guān)系，如果用τ來表示該比例系數(shù)也即比例因子，則要求：式中Ln為第η個(gè)對(duì)稱振子的全長;an為第η個(gè)對(duì)稱振子 的寬度;Rn為第η個(gè)對(duì)稱振子到天線虛擬"頂點(diǎn)"的距離;η為對(duì)稱振子的序列編號(hào)，從距離饋 電點(diǎn)最遠(yuǎn)的振子算起，也就是最長的振子編號(hào)為"Γ。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小型化寬帶天線裝置，其特征在于采用了不同的比例因 子，運(yùn)些比例因子表示為：4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小型化寬帶天線裝置，其特征在于對(duì)低頻振子采用曲折 線結(jié)構(gòu)，采用曲折線技術(shù)后，對(duì)數(shù)周期天線的橫向尺寸得到有效減小，采用曲折線結(jié)構(gòu)的低 頻振子個(gè)數(shù)為5個(gè);具體方法是控制矩形曲折線的分段個(gè)數(shù)和垂直于振子方向的折線高度， 采用電磁仿真優(yōu)化的方法，基于駐波比和方向圖性能，確定曲折線振子的結(jié)構(gòu)參數(shù);在集合 線底部，即靠近低頻振子處，加載寬帶匹配負(fù)載，吸收低頻段的反射波信號(hào)，進(jìn)一步改善低 頻段的電壓駐波比性能;微帶印刷對(duì)數(shù)周期偶極天線的設(shè)計(jì)是在一般對(duì)數(shù)周期天線的基礎(chǔ) 上，考慮微帶基板的影響，增加微帶基板后，天線的有效介電常數(shù)發(fā)生變化，因此，需要準(zhǔn)確 地求出有效介電常數(shù)，然后將其對(duì)應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行變換，變換到介質(zhì)板上后進(jìn)行設(shè)計(jì);有效介 電常數(shù)可表示為：式中，Er為基板的介電常數(shù)，h為基板的厚度，W為集合線寬度，Ee為 有效介電常數(shù)，C為光速。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小型化寬帶天線裝置，其特征在于超寬帶對(duì)數(shù)周期天線 由兩層介質(zhì)基板組成，上層介質(zhì)基板和下層介質(zhì)基板選擇相同介電常數(shù)的板材，在上層介 質(zhì)基板的上表面和下層介質(zhì)基板的下表面分別蝕刻出對(duì)稱振子陣列；下層介質(zhì)基板的上表 面放置微帶漸變線己倫的微帶信號(hào)線W及微帶傳輸線的均勻段部分;在微帶漸變線己倫的 平行雙線部分，信號(hào)線的頂部采用金屬過孔分別和上層介質(zhì)基板上的集合線的上端短接， 實(shí)現(xiàn)平衡饋電;在微帶漸變線的己倫的均勻微帶傳輸線部分，同軸電纜和微帶線連接，實(shí)現(xiàn) 同軸線的不平衡饋電。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小型化寬帶天線裝置，其特征在于己倫為超寬帶的微帶 漸變線己倫，己倫的微帶信號(hào)線放置于下層介質(zhì)基板的上表面，下曾介質(zhì)基板的集合線作 為微帶漸變線己倫的金屬地板，采用直線式變換的微帶傳輸線己倫結(jié)構(gòu)，在不平衡一側(cè)，引 出一段特性阻抗為50歐姆的均勻微帶傳輸線，與同軸電纜連接。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小型化寬帶天線裝置，其特征在于在低頻振子所在位置 的微帶對(duì)數(shù)周期天線介質(zhì)基板的兩側(cè)，對(duì)稱放置高介電常數(shù)的微波介質(zhì)材料，相對(duì)介電常 數(shù)為9.6、10.2、16或者更高的微波介質(zhì)材料。
【專利摘要】本發(fā)明涉及寬帶天線設(shè)計(jì)及小型化技術(shù)領(lǐng)域，具體的說是一種適用于雷達(dá)和通信等無線電系統(tǒng)中的小型化寬帶天線裝置，其特征在于設(shè)有微帶對(duì)數(shù)周期天線、金屬腔體，其中金屬腔體采用長方體，金屬腔體底部設(shè)有微波吸波材料層，金屬腔體的側(cè)壁也設(shè)有微波吸波材料層，微帶對(duì)數(shù)周期天線置于金屬腔體內(nèi)，在微帶對(duì)數(shù)周期天線的介質(zhì)基板兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置高介電常數(shù)的微波介質(zhì)層，所述高介電常數(shù)的微波介質(zhì)層對(duì)應(yīng)放置在微帶對(duì)數(shù)周期天線中低頻振子所在位置處，本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，具有饋電方式簡(jiǎn)單方便、易于實(shí)現(xiàn)以及成本低廉等顯著的優(yōu)點(diǎn)。
【IPC分類】H01Q1/12, H01Q1/38, H01Q1/42
【公開號(hào)】CN105576362
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201511005577
【發(fā)明人】宋立眾, 謝春華
【申請(qǐng)人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）
【公開日】2016年5月11日
【申請(qǐng)日】2015年12月25日