宽带宽波束矩形单极天线

摘要

本发明公开了一种矩形单极天线，涉及一种具有宽带宽波束特性的机载天线，它由印制在介质基板的矩形贴片、共面波导和边缘渐变结构地板构成。通过共面波导方式对其进行馈电，降低辐射损耗，对矩形导体贴片下端进行圆滑处理，优化阻抗匹配，将贴片底部开槽，设计边缘渐变结构地板，可以有效的使天线波束展宽。本天线具有体积小、结构简单、加工方便、波束宽、易集成等特点，宽频带内该天线在垂直面1.5dB波束宽度达到120°，在水平面内全向扫描，阻抗带宽为7.1～12.8GHz，最大增益可达3.8dB，辐射特性稳定，满足机载天线的性能指标，适合用做机载天线的共形单元。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有宽带宽波束特性的机载天线，特别是一种共面波导馈电的宽带宽波 束矩形平面单极天线，宽频带内该天线在垂直面1.5dB波束宽度达到120°，在水平面内全向扫 描，辐射特性稳定，适合用做机载天线的共形单元。

背景技术

随着雷达和通信系统的飞速发展，对机载天线的作战能力范围提出了更高的要求，除了 要求具有宽带特性外，还要实现宽波束扫描，即在方位面全向辐射，在俯仰面具有一定的波 束扫描范围，工作频带内稳定的方向性和天线增益，工作频带内足够小的回波损耗。双锥天 线，盘锥天线与球状天线具有良好的宽带性能，但都是三维结构，体积比较庞大。采用圆形 平板作为垂直于地面的天线辐射部分的平面单极天线，下面采用同轴线馈电，这类天线的下 面都需要一个与天线辐射平面相垂直的导体接地板，增大了尺寸，不利于与有源电路集成。 近几年来，宽带平面天线由于其低剖面、易集成等特点，已有了很大发展。共面波导相对于 微带线，具有辐射色散低、损耗小、电路易集成、与其他元器件能够串并连接等优点。

对于机载天线，关注的焦点是天线波束对空间的覆盖，对增益要求不高，波束的范围内 达到0dB或-2dB即可，一般要求它的方向图在水平面全向，在垂直面具有一定的波束宽度。矩 形单极天线、螺旋天线、正旋天线以及椭圆形、半椭圆形的单极子天线已被证明具有不同程 度的宽带宽波束特性，其中螺旋天线和正旋天线设计加工比较复杂，而采用共面波导馈电的 矩形单极天线能够满足上述要求，而且具有良好的电气性能、电磁兼容性好、不易受电磁环 境的干扰、较小的雷达散射截面，这些优点使其在航空、雷达、制导等领域得到了广泛的应 用。

发明内容

本发明的目的是提供一种体积小、结构简单、加工方便、易集成的宽波束宽带矩形单极 天线，其辐射特性稳定，满足机载天线的性能指标，可用于机载天线的共形单元。

本发明的技术方案是，在F4B介质基板上印有矩形导体贴片(1)、共面波导(2)和边缘 渐变结构地板(3)，对矩形导体贴片下端进行圆滑处理，优化阻抗匹配，将贴片底部开槽， 提高带宽，通过共面波导方式对其进行馈电，降低辐射损耗，共面波导的下端与同轴接头内 导体相连，以便外接同轴线，将地板的边缘设计成渐变结构，地板顶端插入矩形贴片底端的 槽内，使天线满足宽频带、多谐振的特性，介质基板下端的接地面与共面波导之间设有0.3mm 的间隙。

本发明的效果在于：本天线为平面结构，具有体积小、结构简单、加工方便、波束宽、 剖面低、易集成等特点，对矩形导体贴片下端进行圆滑处理，优化阻抗匹配，将贴片底部开 槽，设计边缘渐变结构地板，可以有效的使天线波束展宽，利用共面波导导带作为馈源对缝 隙进行激励，通过采用不同的缝隙或者馈源结构，可以获得很宽的阻抗带宽，降低辐射损耗， 提高电路集成度，在垂直面1.4dB波束宽度达到120°，在水平面内全向扫描，阻抗带宽为7.1～ 12.8GHz，最大增益可达3.8dB，辐射特性稳定，满足机载天线的性能指标，适合用于机载天 线的共形单元。

附图说明

图1是本发明实例的正面结构示意图。

图2是本发明实例回波损耗S₁₁。

图3是本发明实例在频率为7.8、9.9、11.9GHz时的XOZ面增益方向图。

图4是本发明实例在频率为7.8、9.9、11.9GHz时的YOZ面增益方向图。

具体实施方式

本发明的具体实施方式是：如图1所示，本宽波束宽带单极矩形天线是由印制在介质基板 上的矩形导体贴片(1)、共面波导(2)、边缘渐变结构地板(3)和外接的同轴接头(4)组 成。对矩形导体贴片(1)下端进行圆滑处理并将底部开槽，利用共面波导(2)导带作为馈 源对缝隙进行激励，共面波导的下端与同轴接头(4)内导体相连，以便外接同轴线，介质基 板下端的接地面与共面波导之间的间隙g＝0.3mm，边缘渐变结构地板印制在介质基板的下端， 边缘为指数渐变结构，渐变形式为y＝e^ax+b，其中a为渐变常数，地板顶端插入矩形贴片底端的 槽内。

天线印刷在长l＝45mm、宽w＝50mm、基板厚度h为0.2mm的F4B基板上，其介电常数为2.55， 介质损耗为0.001，矩形贴片的长l₃＝21mm，宽w₁＝14.5mm。由于介质材料的厚度较薄，采用 微带馈电不容易获得50Ω的输入阻抗，因此采用共面波导馈电方式。为获得50Ω的阻抗，中 心导带宽度w₂＝4.2mm，缝隙的宽度g＝0.3mm。使用HFSS仿真软件进行优化设计，得出天线的 主要结构尺寸(单位mm)：w₁＝14.5；w₂＝4.2；w₃＝2.3；w₄＝1.7；l₁＝9；l₂＝20.5；l₃＝21；l₄＝2.1； l₅＝2.9；g＝0.3mm；a＝-0.2。

图2为本发明实例的回波损耗(S₁₁)曲线，从仿真曲线可以看出，在7.8GH和9.9GHz附近 获得了良好的谐振特性，出现的最大反射系数频点为11.9GHz，其值为-10.5dB，说明在工作 频带内阻抗匹配良好，满足设计天线的宽频带宽波束要求。从实测曲线可以看出，天线阻抗 带宽在7.1～12.8GHz范围内在S₁₁≤-10dB，阻抗带宽较宽，S₁₁在工作频段内下陷深度增大。 与仿真曲线相比，天线的绝对带宽为5.7GHz，低频端的带宽有所提高，实测的谐振点分别为 f＝8.5GHz，f＝11.8GHz，与仿真结果相比谐振点向右偏移，主要是由加工误差和焊接SMA接 头引起的，天线满足宽频带宽波束的要求。

在谐振点f＝7.8GHz、f＝9.9GHz和高频f＝11.9GHz处的XOZ面方向图，即E面上的方向图， 如图3所示。从图中可以看出，方向图关于主轴z轴几乎是对称的，且E面表现为“8”型，在 ±Z方向上辐射最弱，在±X方向上辐射最强，f＝7.8GHz时，E面最大增益为1.4dB，0dB波束 宽度约为120°。f＝9.9GHz时，E面最大增益为2.4dB。f＝11.9GHz时，E面最大增益为3.6dB。

在谐振点f＝7.8GHz、f＝9.9GHz和高频f＝11.9GHz处的YOZ面方向图，即H面上的方向图， 如图4所示。从图中可以看出，H面近似全向辐射。f＝7.8GHz时，H面最大增益为3.8dB，0dB 波束宽度约为140°，最大辐射方向偏离主轴30°。f＝9.9GHz时，H面最大增益为0.5dB，最 大辐射方向偏离主轴30°。f＝11.9GHz时，H面最大增益为1.8dB，最大辐射方向偏离主轴40 °。

从天线回波损耗曲线的可以得出，天线的阻抗带宽为7.1～12.8GHz，满足带宽要求，从 天线的方向图可以得出，天线在整个工作频段内，辐射特性稳定，在垂直面1.4dB波束宽度达 到120°，在水平面内实现全向扫描，最大增益为3.8dB，满足机载天线的性能指标，也适合用 做机载天线的共形单元。