一种基于平面单极子天线的双频宽波瓣毫米波微带天线的制作方法

本发明涉及一种毫米波波段的微带天线，是一种小型化基于平面单极子天线结构，实现水平方向半功率波瓣宽度104°和垂直方向半功率波瓣宽度40°。

背景技术：

天线作为雷达系统的定向接收发射装置，其结构形式多种多样，有微带形式、喇叭形式、反射面形式、螺旋状、对称阵子等等；根据天线的频带特性可分为，单频带天线、双频带天线和多频天线。每一种结构形式和频带特性组合的天线都有其应用的范围和场合，首先，当前频率资源紧张和高频通信频带单一，这便影响了整个雷达通信系统通信效率，随之而来的就是在现代战场上信息获取时间上的滞后从而难免延误战机，所以普通单频天线无法满足需求；其次，在雷达通信系统中，为了使雷达在自身结构尺寸固定的情况下能够更大的覆盖控制区域，传统天线的半功率波瓣宽度太窄，难以覆盖较宽的范围，当雷达在扫描时也就无法覆盖更广的区域；最后，单极子天线虽然在一个方向上能够几乎全向覆盖，但是增益太低，没有办法满足雷达系统的较高功率输出高定向性的应用需求。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于平面单极子天线的双频宽波瓣毫米波微带天线。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于单极子天线的宽波束毫米波微带天线，包括介质基板、辐射贴片、反射地板和同轴馈线。

所述介质基板的两面分别设置有辐射贴片和反射地板，所述的辐射贴片上开有一个U型槽，所述的反射地板采用单极子天线形式的平面贴片，同轴馈线穿过介质基板连接辐射贴片和反射地板。

所述U型槽的宽度为0.1mm，侧壁长度为1.6mm，槽底长度为1.6mm。

所述U型槽的槽壁与辐射贴片边缘平行，同轴馈线焊接点在U型槽的开口端。

所述介质基板为双面覆铜板，厚度为1.147mm，介电质常数为2.2，损耗正切角为0.0009。

所述的反射地板包括一个正方形贴片和两个矩形贴片，其中一个矩形贴片的边长小于另外两个贴片，通过边长最小的矩形贴片将正方形贴片和另一个矩形贴片的长边拼接。

所述同轴馈线内导体的半径为0.2mm，外导体的外径为0.54mm，内导体穿过介质基板和辐射贴片相连接，外导体和反射地板连接。

本发明的有益效果是：在辐射贴片所开的U型槽引入了双频带通信，故而有效提高了雷达系统通信效率；该天线又由于引入单极子贴片形式的反射地板，使得反射地板相对介质板面积减小，这样使天线的有效辐射面积降低，从而大大增加了在指定方向上的半功率波瓣宽度，较宽的波瓣宽度能够覆盖更大的扫描空间，有效提高天线在作战通信系统中的抗干扰性；其两个工作频段内驻波均小于1.5，定向增益达到6.3dBi，该天线的结构大小为8mm*8mm*1.147mm，结构小巧，便于与整机结合。

附图说明

图1是本发明的主视图；

图2是本发明的后视图；

图3是本发明的立体结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

一种基于单极子天线的宽波束毫米波微带天线，包括介质基板、辐射贴片、反射地板和同轴馈线。

辐射贴片上开了一个U型槽，用来形成天线双频辐射；反射地板采用单极子天线形式的贴片，在传统微带贴片天线的基础上，保留辐射贴片、介质基板和同轴馈线不变，辐射贴片的大小用来控制天线的辐射频率，单极子贴片形式作为地板相对于传统的全覆盖反射地板大大增加原来天线的半功率波瓣宽度。

所述U型槽改变了原来辐射贴片上的面电流的流向，成功切割辐射贴片上的面电流，从而产生两个谐振频率。

所述U型槽的宽度为0.1mm，U型槽侧壁长度为1.6mm，U型槽槽底长度为1.6mm。

所述U型槽的槽壁与辐射贴片边缘平行，同轴馈线焊接点在U型槽的开口处，确切坐标位置利用仿真优化获得。

所述介质厚度为1.147mm，介电质常数为2.2，损耗正切角为0.0009的双面覆铜板。

所属的单极子贴片形式的反射地板是一种矩形拼接的平面贴片的单极子结构，该单极子贴片结构可以是方形也可以是圆形，还可以是方形和圆形的结合体，这些结构的选择取决于想要改变天线哪个方向的波瓣宽度和实现怎样的极化形式；本发明采用了一个正方形贴片和两个矩形贴片拼接形式的单极子结构反射地板，不改变天线极化形式，只增加天线水平方向半功率波瓣宽度。

所述同轴馈线的内径为0.2mm，外径为0.54mm，同轴馈线穿过介质基板和辐射贴片相连接，同轴馈线的外导体和单极子贴片形式的反射地板连接。

本发明的实施例参见图1，标识1的部分为a＝2.5mm、b＝2.6mm的微带天线辐射贴片，标识2的部分为单极子形状的反射地板，标识3的部分为同轴射频馈线，标识5为辐射贴片1中的开槽，其中L₀＝1.6mm，L₁＝1.6mm，w＝0.8mm。

参见图2，单极子形状的反射地板2由一个正方形贴片和一个长方形贴片中间连接一个小的矩形贴片共同组成，其中e＝5mm，d＝3mm，f＝4mm。同轴射频馈线3的内径为r₂＝0.2mm，外径为r₁＝0.54mm。

参见图3，本发明实例是由一块长宽均为c＝8mm微带介质板构标识4构成，该微带板板标识4为RO5880，介电质常数为2.2。微带板由顶层辐射贴片层1和底层单极子形状的反射地板层2和中间的介质层4构成，介质层4厚度为h＝1.147mm；同轴射频馈线3穿过介质层4，然后连接顶层的辐射贴片1，同轴线的外层连接单极子形状的反射地板2，共同组成天线的结构。

辐射贴片1的长宽a、b的尺寸是由天线的谐振频率和微带板的介电质常数通过以下公式计算出来的，宽度计算公式如下，

其中c₀为光速，f_r为天线的谐振频率，ε_r为介质的介电质常数；

通过以下公式(2)(3)(4)可以计算出辐射贴片的长度：

公式(2)中，ε_reff为有效介电质常数，h为介质厚度，W为辐射贴片宽度；

公式(3)中ΔL为微带贴片边缘延伸等效长度；

通过公式(2)和公式(3)就可以求得公式(4)中微带辐射贴片的长度。

单极子形状反射地板2的尺寸可以通过天线的有效辐射口径面积去理论计算，根据口径面天线的辐射特性，半功率波瓣宽度与有效辐射的口径边长尺寸成反比，利用如下公式(5)可以计算：

上式(5)中若为矩形口径均匀分布，则ξ＝51°，若为矩形口径余弦分布，则ξ＝68°；实例通过公式(5)计算后，再利用高频仿真软件HFSS对计算的理论尺寸进行优化后获得最终数据。

实例最终实现在毫米波工作频段，第一个频带带宽1.5GHz，第二个频带带宽1.2GHz，从第一个频带和第二个频带之间有5GHz的隔离带，该隔离带内波损耗S₁₁大于-2dB；双频工作带内，驻波均小于1.5，回波损耗S₁₁均低于-10dB，天线最大增益为5.8dBi，天线的方向图在水平方向波瓣宽度可实现104°，垂直方向波瓣宽度为40°；在设计时，通过调节槽的尺寸和位置就可以调节两个谐振频率的大小和两个频带之间的间距。有时候为了在高频获得较宽带宽，将两个频带调节使之部分重合结合为一个频带，形成一个超宽带宽波瓣天的微带毫米波天线。