一种微带天线及展宽其波束宽度的方法

1.本发明涉及天线技术技术领域，尤其涉及一种微带天线及展宽其波束宽度的方法。


背景技术：

2.微带天线具有重量轻、体积小、剖面低、成本低、易于集成等优点，因此被已经广泛地应用于各种无线系统中。传统微带天线的3db波束宽度大约为70
°
～100
°
，不能满足系统对低仰角信号的良好接收需求。传统微带天线的3db波束宽度大约为70
°
，不能满足系统对低仰角信号的良好接收需求以及在相控阵天线中的大角度扫描时低增益波动的要求。目前存在一些技术可以展宽单元波束宽度，如选用高介电常数、改变板材厚度、减小地板尺寸、三维地等，然而这些方法都不可避免的导致天线其他一些指标恶化，比如带宽和增益会降低、剖面高度增加、背向辐射增大、加工成本变高等。
3.目前尚没有一种有效的手段可以在不改变介质基板、不改变天线单元组成、以及不增加剖面高度的情况下实现天线波束宽度展宽。


技术实现要素：

4.针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种微带天线及展宽其波束宽度的方法，其解决了现有技术中存在的目前存在一些技术导致天线其他一些指标恶化，比如带宽和增益会降低、剖面高度增加、背向辐射增大、加工成本变高等问题。
5.第一方面，本发明实施例提供了一种微带天线，包括介质基板，在介质基板的下表面设有金属底板，在介质基板的上表面设有表面金属层，表面金属层包括辐射贴片和表面接地金属，辐射贴片位于介质基板的上表面的中心位置处，表面接地金属位于介质基板的上表面的外围，介质基板设有金属通孔，金属通孔贯穿介质基板的上表面和下表面，金属通孔位于辐射贴片周围且呈周期性阵列形式分布。
6.辐射贴片包含一层或者多层金属贴片。
7.辐射贴片可根据实际需要，设置为无缝隙或者有缝隙。辐射贴片通过腐蚀缝隙的方式，如e，u型缝隙等，引入另外一个谐振点，扩展带宽。辐射贴片腐蚀缝隙并引入谐振点。
8.辐射贴片采用同轴馈电、耦合缝隙馈电、临近耦合馈电。
9.辐射贴片通过同轴馈电转换为带状线、微带线馈电。
10.金属通孔构成金属栅栏，金属栅栏连接金属底板和表面接地金属，形成基片集成波导背腔。
11.微带天线为线极化天线、椭圆极化天线、圆极化天线。
12.微带天线用于单元或者阵列，其中在相控阵天线时，其尺寸按照相控阵天线原理确定，结构可紧凑；也可用单独应用于系统，其单元尺寸会相应的增大，但是驻波带宽可保持不变。
13.第二方面，本发明还提供了一种展宽微带天线波束宽度的方法，包括：
14.步骤1：通过在介质基板上形成的基片集成波导背腔，向辐射贴片方向移动金属栅栏中心位置，使得基片集成波导背腔的面积减小；
15.步骤2：根据调整后的基片集成波导背腔尺寸，重新设置辐射贴片大小以及馈电点的位置，进而实现天线波束宽度的展宽。
16.金属栅栏中心横向往天线单元几何中心方向移动，或者纵向往天线单元几何中心方向移动，或者同时在横向和纵向往天线单元几何中心方向移动。
17.根据调整后的基片集成波导背腔尺寸，以及实际工作的频率要求，通过三维电磁仿真软件优化设计调整天线辐射贴片的尺寸以及馈电点的位置，最终阻抗匹配。
18.本发明具有以下优点：
19.本发明巧妙的通过改变基片集成波导背腔中金属栅栏中心位置，通过等效口径原理，仅通过向向天线单元几何中心方向移动金属通孔的位置，实现天线波束宽度展宽。该方法不需要改变介质基板、不需要改变天线单元结构组成形式、以及不不需要增加剖面高度，实现简便的、低成本的波束宽度方法。
附图说明
20.图1为本申请所提出的微带天线示意图；
21.图2为本申请所提出的波束宽度展宽方法示意图；
22.图3为申请所提出的微带天线改进前、后的|s11|对比；
23.图4为本申请所提出的微带天线改进前、后的方向图波束宽度对比。
24.上述附图中：1、表面金属层；2、介质基板；3、金属底板；4、金属栅栏；5、同轴馈电；11、辐射贴片；12、表面接地金属。
具体实施方式
25.下面结合附图及实施例对本发明中的技术方案进一步说明。
26.第一方面，如图1所示，本发明提供了一种微带天线，包括介质基板2，在介质基板2的下表面设有金属底板3，在介质基板2的上表面设有表面金属层1，表面金属层1包括辐射贴片11和表面接地金属12，辐射贴片11位于介质基板2的上表面的中心位置处，表面接地金属12位于介质基板2的上表面的外围，介质基板2设有金属通孔，金属通孔贯穿介质基板2的上表面和下表面，金属通孔位于辐射贴片11周围且呈周期性阵列形式分布。金属通孔构成金属栅栏4，金属栅栏4连接金属底板3和表面接地金属12，形成基片集成波导背腔。
27.第二方面，本发明还提供了一种展宽天线波束宽度的方法，包括：
28.步骤1：在基片集成波导背腔天线基础上，向贴片方向移动金属栅栏4中心位置，使得基片集成波导腔的面积减小。
29.步骤2：根据调整后的基片集成波导腔尺寸，重新优化辐射贴片11天线大小以及馈电点位置获得较好的阻抗匹配。根据调整后的基片集成波导腔尺寸，以及实际工作的频率要求，通过三维电磁仿真软件优化设计调整天线辐射贴片11的尺寸以及馈电点的位置，最终较好的阻抗匹配。
30.步骤3：优化后的辐射贴片11电流分布密度增大，等效口径减小，进而实现天线波束宽度的展宽，完成等效口径面的天线波束展宽过程。
31.本申请的方法基于等效口径面的思想，通过减小等效口径面，实现波束宽度展宽方法，在原有结构上，不改变材料、不改变天线单元组成、不改变厚度，操作简单，天线调试简便，工程易实现，且具有保留原有特性、低成本、易实现的优点。
32.以一个简单的单层基片集成波导背腔微带贴片天线为例，如图1所示，该天线主要包括以下几部分，表面金属层1，介质基板2、金属底板3以及辐射贴片11周围设置有贯穿介质基板2上下表面的金属栅栏4，其中表面金属层1包括辐射贴片11和表面接地金属12，最后使用同轴馈电5。
33.具体的，所述的辐射贴片11位于介质基板2的上表面。
34.具体的，所述的金属地板位于介质基板2的下表面，金属栅栏4连接介质的上下表面，同轴馈电5连接贴片。
35.具体的，所述的金属栅栏4中心位于辐射贴片11和天线边界之间，通过向贴片方向调整金属栅栏4位置，进行重新匹配，获得天线波束宽度展宽。
36.综上所述，本发明所述的基于等效口径面的波束展宽方法，操作简单，天线调试简便，工程易实现，且具有保留原有特性、低成本、易实现的优点。
37.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。


技术特征：
1.一种微带天线，其特征在于：包括介质基板(2)，在所述介质基板(2)的下表面设有金属底板(3)，在所述介质基板(2)的上表面设有表面金属层(1)，所述表面金属层(1)包括辐射贴片(11)和表面接地金属(12)，所述辐射贴片(11)位于介质基板(2)的上表面的中心位置处，所述表面接地金属(12)位于介质基板(2)的上表面的外围，所述介质基板(2)设有金属通孔，所述金属通孔贯穿介质基板(2)的上表面和下表面，所述金属通孔位于辐射贴片(11)周围且呈周期性阵列形式分布。2.如权利要求1所述的一种微带天线，其特征在于：所述辐射贴片(11)包含一层或者多层金属贴片。3.如权利要求1所述的一种微带天线，其特征在于：所述辐射贴片(11)腐蚀缝隙并引入谐振点。4.如权利要求1所述的一种微带天线，其特征在于：所述辐射贴片(11)采用同轴馈电(5)、耦合缝隙馈电、临近耦合馈电。5.如权利要求4所述的一种微带天线，其特征在于：所述辐射贴片(11)通过同轴馈电(5)转换为带状线、微带线馈电。6.如权利要求1所述的一种微带天线，其特征在于：所述金属通孔构成金属隔离栅栏，所述金属隔离栅栏连接金属底板(3)和表面接地金属(12)，形成基片集成波导背腔。7.一种展宽微带天线波束宽度的方法，其特征在于,包括：步骤1：通过在介质基板(2)上形成的基片集成波导背腔，向辐射贴片(11)方向移动金属栅栏(4)中心位置，使得基片集成波导背腔的面积减小；步骤2：根据调整后的基片集成波导背腔尺寸，重新设置辐射贴片(11)大小以及馈电点的位置，进而实现天线波束宽度的展宽。8.如权利要求7所述的一种展宽微带天线波束宽度的方法，其特征在于：所述金属栅栏(4)中心横向往天线单元几何中心方向移动，或者纵向往天线单元几何中心方向移动，或者同时在横向和纵向往天线单元几何中心方向移动。9.如权利要求7所述的一种展宽微带天线波束宽度的方法，其特征在于：根据调整后的基片集成波导背腔尺寸，以及实际工作的频率要求，通过三维电磁仿真软件优化设计调整天线辐射贴片(11)的尺寸以及馈电点的位置，最终阻抗匹配。

技术总结
本发明提供一种微带天线及展宽其波束宽度的方法，其中微带天线包括介质基板，在所述介质基板的下表面设有金属底板，在所述介质基板的上表面设有表面金属层，所述表面金属层包括辐射贴片和表面接地金属，所述辐射贴片位于介质基板的上表面的中心位置处，所述表面接地金属位于介质基板的上表面的外围，所述介质基板设有金属通孔，所述金属通孔贯穿介质基板的上表面和下表面，所述金属通孔位于辐射贴片周围且呈周期性阵列形式分布。本发明解决了现有技术中存在的目前存在一些技术导致天线其他一些指标恶化，比如带宽和增益会降低、剖面高度增加、背向辐射增大、加工成本变高等问题。背向辐射增大、加工成本变高等问题。背向辐射增大、加工成本变高等问题。


技术研发人员：刘昊 刑宇 韩金凤 林先其 董金生 张文博
受保护的技术使用者：电子科技大学长三角研究院（湖州）
技术研发日：2021.12.30
技术公布日：2022/5/10