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CN111641027B - 基于平行双线的漏波边射阵列天线 - Google Patents

基于平行双线的漏波边射阵列天线 Download PDF

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CN111641027B CN202010356748.0A CN202010356748A CN111641027B CN 111641027 B CN111641027 B CN 111641027B CN 202010356748 A CN202010356748 A CN 202010356748A CN 111641027 B CN111641027 B CN 111641027B
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Abstract

本发明公开了一种基于平行双线的漏波边射阵列天线，包括设置在介质基板上的一对平行双导线，双导线的其中一端设置有馈电口，馈电口由渐变线连接SMA同轴接头，双导线的另一端短路接地，双导线两侧周期性交替等距分布若干结构相同的辐射单元。本发明解决了现有技术中存在的天线难以小型化和高剖面的局限性的问题。

Description

基于平行双线的漏波边射阵列天线
技术领域
本发明属于移动通讯、微波远距传输技术领域，具体涉及一种基于平行双线的漏波边射阵列天线。
背景技术
随着无线通讯系统的快速发展，通信速率逐渐得到了不断提高。工作带宽，信道数目，以及信噪比决定了通信的信道容量。同时，人们对于通信的距离以及通信设备要求越来越高。为了实现远距离信号的有效传输，对新一代天线的尺寸，效率，方向性等提出更高的标准。平面漏波阵列天线可以满足上述天线性能参数，是一个重要的研究方向。
天线作为无线通信系统的最前端的收发电磁波的重要器件，其电性能直接影响着通信系统的整体性能，例如：回波损耗和有效辐射增益。因此宽阻抗带宽和高效率，高增益的阵列天线是无线通信系统中的关键器件。虽然传统天线技术发展成熟，然而大部分天线的设计中具有难以小型化和高剖面的局限性。单层平面漏波天线的优势是体积小、易制造、成本低。
一种平面型单层的漏波天线阵列作为一种应用广泛的微波天线得到了深入的研究，其优点在于高增益，高效率，结构简单，易于制造。它经常用于如下几个方面：1.社区宽带无线接入天线；2.其高增益特性十分利于远距离信号传输；3.阵列天线扫描。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于平行双线的漏波边射阵列天线，解决了现有技术中存在的天线难以小型化和高剖面的局限性的问题。
本发明所采用的技术方案是，基于平行双线的漏波边射阵列天线，包括设置在介质基板上的一对平行双导线，双导线的其中一端设置有馈电口，馈电口由渐变线连接SMA同轴接头，双导线的另一端短路接地，双导线两侧周期性交替等距分布若干结构相同的辐射单元。
本发明的特点还在于，
辐射单元具体结构为：包括通过连接线与双导线馈电连接的底层偶极子单元和上层偶极子单元，底层偶极子单元印制在介质基板底层，上层偶极子单元印制在介质基板上层，底层偶极子单元和上层偶极子单元方向相反。
位于双导线异侧的相邻两个所述辐射单元间距0.5倍的波长。
距离所述辐射单元前端四分之一波长处设置有引向器。
引向器为长度小于所述辐射单元的天线臂长的三行金属条带。
本发明的有益效果是，基于平行双线的漏波边射阵列天线的表面电场能量幅度分布，能量主要集中在传输线上，通过偶极子单元的作用将能量辐射到空间，引向器的引入可以得到少许能量的耦合，在一定程度增强天线整体的方向性，提高增益。在工作频率附近处可以有效地提高天线的方向性。此外，该阵列天线在宽频带范围内可以实现较高的辐射效率，天线在传输线侧部形成高增益的笔状波束，且两波束的形状大体一致。
附图说明
图1是发明漏波边射天线阵列整体结构示意图；
图2是介质基板支撑的平行传输线的结构图；
图3是平行传输线两侧的辐射偶极子单元结构图；
图4是多重引向器构成的准八木天线图；
图5是有无引向器的阵列天线的增益曲线对比结果图；
图6(a)是阵列边射天线在E-面下的天线远场方向图；
图6(b)是阵列边射天线在H-面下的天线远场方向图；
图7是阵列天线的回波损耗曲线图。
图中，1.馈电口，2.底层偶极子单元，3.引向器，4.上层偶极子单元，5.介质基板，6.双导线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明基于平行双线的漏波边射阵列天线，结构如图1所示，包括设置在介质基板5上的一对平行双导线6，双导线的其中一端设置有馈电口1，馈电口1由渐变线连接SMA同轴接头，双导线的另一端短路接地，双导线6两侧周期性交替等距分布若干结构相同的辐射单元。
如图3所示，辐射单元具体结构为：包括通过连接线与双导线6馈电连接的底层偶极子单元2和上层偶极子单元4，连接线与双导线6垂直，底层偶极子单元2印制在介质基板5底层，上层偶极子单元4印制在介质基板5上层，底层偶极子单元2和上层偶极子单元4方向相反。
位于双导线6异侧的相邻两个所述辐射单元间距0.5倍的波长，有效地减小了阵元之间的耦合效应，提高了天线辐射的效率。
距离辐射单元前端四分之一波长处设置有引向器3。
引向器3为长度小于所述辐射单元的天线臂长的三行金属条带，放置多重引向器如图4所示，从而可以有效增强天线增益。
为了充分利用平面漏波天线阵列的高增益以及易于集成加工的优势，基于上述漏波天线的结构及其性能，本发明在传统的平面漏波天线的设计的技术基础上，应用平行双导线进行串馈辐射阵列单元，且天线单元选取为经典半波偶极子天线。通过偶极子单元对传输线的耦合作用，从平行双线两侧分别得到能量输送，进而通过半波对称阵子辐射到空间。天线单元在传输线两侧呈周期性交替排列，且相邻单元间距为0.5倍的导波波长。偶极子天线单元的两个辐射臂分别印制在介质基板的上下侧。得益于之前传统的微带八木天线的设计，本发明引入了多重金属条带充当引向器，使之构成准八木天线，在一定程度上提高了整体阵列天线的有效增益。通过单层介质结构可以有效降低整体剖面高度，加工简单，节约制造成本，易于生产。
本发明天线主体模型为如图1所示的双导线的串馈结构，通过辐射单元的能量耦合作用，使其从之前的辐射模式转变为一边传输，一边辐射的状态。此外，偶极子单元的引入，对于天线整体端口反射系数的影响甚微，在超宽频带范围内实现S11<-10dB。对传输线末端进行短路接地，可以在传输线内实现能量的驻波分布，相比于端口匹配的状态下，提高了天线的辐射效率，进而增强天线阵的整体增益。该天线阵列通过单个同轴馈电SMA接头进行能量输入，在接口与平行双导线之间引入渐变线来达到阻抗匹配的目的。图1为天线整体结构图，天线单元的摆放与阵轴平行，在传输线两侧形成相同辐射模式的边射天线阵列。
通过同轴SMA馈送射频信号，在传输线两端形成等幅，反相的周期性边缘电场分布，且另一端口进行短路接地。如图2所示，传输线两侧边缘电场幅度具有周期性的波腹，波节点，传输TEM波。
通过三维仿真软件HFSS进行结构的设计优化，得到阵列天线的表面电场能量幅度分布，能量主要集中在传输线上，通过偶极子单元的作用将能量辐射到空间，引向器的引入可以得到少许能量的耦合，在一定程度增强天线整体的方向性，提高增益。图5给出了有无引向器的增益曲线对比结果图，在工作频率附近处可以有效地提高天线的方向性。此外，该阵列天线在宽频带范围内可以实现较高的辐射效率。图6和图7分别是该阵列天线的远场方向图和端口的回波损耗曲线。天线在传输线侧部形成高增益的笔状波束，且两波束的形状大体一致。
图5对比了有无引向结构时该设计天线的增益随频率的变化曲线图。由图5可知，天线在有无引向结构的两种情况下的增益曲线趋势走向大体一致，这也说明了增加引向器后，该天线的主要辐射模式不变。同时，天线增益的峰值出现在工作频点附近，符合设计理念。结合八木天线的设计原理引入单元后，在工作频点附近可以明显看出增益的变化，可以有效提升增益幅度2dB左右。通过增加平行放置的引向结构的数目，增益也会随之提高，但是过多的数目会造成天线整体横向尺寸过大。因此通过合理选取3条金属条带作为引向器增强辐射方向性。
图6(a)为天线阵列的E-面方向图，(b)为相应的H-面方向图。由于辐射单元沿平行传输线两端周期性交替排列，结合偶极子天线的方向图特性，得到阵列天线的方向图为边射双向辐射。在E面组阵形成笔状波束，由于表面波被激励，在阵列E-面方向图出现若干旁瓣。此外在两边的波束形状近似呈中心对称，这是因为天线辐射单元的交替性排列所导致。(b)中的H-面方向图的对称性比较强，呈‘8’字状。该设计天线在H-面尚未组阵，所以波束宽度明显大于E-面。
图7为天线的回波损耗随频率的变化曲线，在2-12GHz超宽带范围内实现S11低于-10dB,具有宽频带特性。在平行传输线的两端交替引入偶极子，通过引线放置于距离平行传输线约1/4波长处形成辐射。由于连接的偶极子将能量辐射出去，所以不影响传输线的传输性能，使其形成边传输，边辐射的模式，进而反射回波较小，得到了宽频带内的良好驻波特性。

Claims (1)

1.基于平行双线的漏波边射阵列天线，其特征在于，包括设置在介质基板(5)上的一对平行双导线(6)，双导线的其中一端设置有馈电口(1)，馈电口(1)由渐变线连接SMA同轴接头，双导线的另一端短路接地，双导线(6)两侧周期性交替等距分布若干结构相同的辐射单元，所述辐射单元具体结构为：包括通过连接线与所述双导线(6)馈电连接的底层偶极子单元(2)和上层偶极子单元(4)，底层偶极子单元(2)印制在介质基板(5)底层，上层偶极子单元(4)印制在介质基板(5)上层，底层偶极子单元(2)和上层偶极子单元(4)方向相反，位于所述双导线(6)异侧的相邻两个所述辐射单元间距0.5倍的波长，距离所述辐射单元前端四分之一波长处设置有引向器(3)，所述引向器(3)为长度小于所述辐射单元的天线臂长的三行金属条带。
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