一种高增益波束频率扫描天线及其设计方法

1.本发明涉及一种高增益波束频率扫描天线的设计方法，属于无线通信与微波技术等领域。


背景技术：

2.随着移动通信系统业务的不断增加，通信设备不断向小型化发展，对天线体积、集成度、增益等的要求也越来越高。由于单个微带天线的增益偏低，所以进行组阵时，所需单元数就会比较多，馈电网络的复杂度和损耗都会造成天线效率的显著下降。因此，研究高增益的微带单元天线具有很大的实际价值，这样既可以减少天线阵的单元数、实现天线阵列的小型化，又可简化馈电网络。
3.另一方面，由于未来无线通信系统中通信-感知功能一体化，既需要天线具有相对稳定的波束，又需要天线波束具有类似漏波天线的频率扫描特性，两者分别实现通信和感知的功能。常规通信-感知功能一体化天线需要采用阵列天线或体积较大的漏波天线来实现，复杂度和成本都比较高。


技术实现要素：

4.为了尽可能降低天线系统的复杂度的同时实现高增益特性和波束扫描功能，本发明提出了一种高增益波束频率扫描天线，通过改变振子的长度以及对振子添加枝节和开槽，使其在中低频段俯仰面上产生较高端射增益的同时又可以实现高频段的波束频率扫描功能。
5.本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
6.一种高增益波束频率扫描天线的设计方法，所述设计方法具体为：
7.在地板的上方设置扇环形贴片，并在地板和扇环形贴片之间填充介质；
8.扇环形贴片的内圆弧边通过短路壁与地板连接，构成内圆弧短路、直边与外圆弧开路的非封闭结构，作为天线的主振子；
9.利用扇环形贴片的直边与外圆弧开路端边缘电场形成的等效磁流，作为天线的辐射源；
10.在所述非封闭结构上设置馈电结构；
11.通过设置扇环形贴片的外圆弧长度为1.5倍波长以上，以及改变扇环形贴片的内外径比例和圆心角大小，实现贴片天线的高增益。
12.进一步地，所述地板与扇环形贴片平行，且扇环形贴片与地板之间的距离不大于0.25倍波长。
13.进一步地，所述介质的相对介电常数为1-100。
14.进一步地，在所述非封闭结构上设置模式扰动装置来调谐谐振频率。
15.进一步地，所述模式扰动装置为枝节与开槽的组合，扰动高阶模形成三模谐振，进而在高频段获得波束频率扫描的功能。
16.一种高增益波束频率扫描天线，由上述的方法制得。
17.本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明通过改变特征振子的长度为1.5倍波长以上以及改变振子圆心角大小可以实现高增益的特性；通过对振子添加枝节和开槽，可以扰动高阶模形成三模谐振。由于高阶模的激发，俯仰面的辐射方向图最大波束随着频率的升高而向-x方向偏移，从而在高频段获得波束频率扫描的功能。不仅能有效缩小天线体积，而且辐射性能不依赖于材料、可直接用空气介质实现高增益和波束频率扫描，有利于充分简化天线结构、简化制作工艺而降低成本，满足未来无线通信的应用需求。
附图说明
18.图1是贴片天线正面结构示意图；
19.图2是贴片天线三维立体结构示意图；
20.图3是扇环形贴片圆心角为210度且内外径比例为1:3的贴片天线在2.94ghz频率下采用hfss软件计算得到的xz面辐射方向图；
21.图4是扇环形贴片圆心角为210度且内外径比例为1:3的贴片天线在2.66ghz和3.66ghz频率下采用hfss软件计算和实验测量得到的xz面辐射方向图；
22.图中的标号：1是带有矩形开槽和枝节的扇环形贴片，2是馈电结构，3是矩形开槽，4是枝节，5是地板。
具体实施方式
23.下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
24.本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
25.下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
26.本发明提出一种高增益波束频率扫描天线的新型设计方法，如图1和2所示，在地板的上方设置扇环形贴片，作为所述高增益波束频率扫描天线的振子，扇环形贴片的内圆弧通过短路壁与地板连接，构成内圆弧短路、外圆弧且直边方向开路的非封闭结构，作为辐射源，并在非封闭结构上设置馈电结构。
27.通过改变特征振子的长度为1.5倍波长以上以及改变振子圆心角大小可以实现贴片天线的高增益特性；通过对振子添加枝节和开槽，可以扰动高阶模形成三模谐振。由于高阶模的激发，俯仰面的辐射方向图最大波束随着频率的升高而向-x方向偏移，从而在高频段获得波束频率扫描的功能。该天线可以制作在介电常数为1-100的介质上以单元天线即可实现11.5dbi及以上的端射增益，单元天线具有高增益、体积小、结构简单而成本低、数理原理严格等一系列优点。充分简化天线结构，满足新一代无线通信的应用需求。
28.在一个实施例中，采用空气介质，该高增益波束频率扫描天线由一个带有两个关于扇环形中轴线对称的开槽和枝节的扇环形贴片和地板构成，构成该主振子的扇环形贴片
的圆心角为210
°
，外径圆弧的半径为47mm，内径圆弧的半径为18m，内外径比例为1:3；主振子上的激发点到主振子圆心的距离为39mm；扇形环贴片与地板之间的距离为7mm；两个开槽关于扇形环的中轴线对称且位于距离中轴线
±
22
°
的位置，矩形槽的长度为17mm，宽度为7mm；两个枝节关于扇环形的中轴线对称且位于距离中轴线
±
70
°
的位置，矩形槽的长度为14.5mm，宽度为9mm；地板为矩形贴片，长度为165mm，宽度为160mm。用hfss软件仿真计算和实验测量得到的高增益波束频率扫描天线在2.94ghz频率下的xz面辐射方向图，如图3所示，实线为实验测量得到的主极化，虚线为仿真计算得到的主极化，θ＝0
°
(+z轴)为端射方向，端射增益为10.5dbi。
29.用hfss软件仿真计算和实验测量得到的高增益波束频率扫描天线在2.66ghz和3.66ghz频率下的xz面辐射方向图，如图4所示，其中θ＝0
°
(+z轴)为端射方向，仿真计算和实验测量得到的结果吻合良好，证明了方案的正确性和可行性。
30.采用上述圆心角为210
°
的1.5倍波长的三模谐振贴片天线，可以在三模谐振条件下实现单元贴片天线的端射增强特性，最终可在垂直于金属地板的端射方向上，获得11.5dbi及以上增益，以及达到俯仰面辐射方向45
°
波束频率扫描的功能。
31.综上所述，本发明的设计方案不仅可以缩小天线体积，而且辐射性能不依赖于材料、可直接用空气介质实现，有利于降低复杂度和成本。本发明所设计的一种高增益波束频率扫描天线具有单元的增益高、体积小、结构简单而成本低、数理原理严格等一系列优点。
32.以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

技术特征：
1.一种高增益波束频率扫描天线的设计方法，其特征在于，所述设计方法具体为：在地板(5)的上方设置扇环形贴片(1)，并在地板(5)和扇环形贴片(1)之间填充介质；扇环形贴片(1)的内圆弧边通过短路壁与地板(5)连接，构成内圆弧短路、直边与外圆弧开路的非封闭结构，作为天线的主振子；利用扇环形贴片(1)的直边与外圆弧开路端边缘电场形成的等效磁流，作为天线的辐射源；在所述非封闭结构上设置馈电结构(2)；通过设置扇环形贴片(1)的外圆弧长度为1.5倍波长以上，以及改变扇环形贴片(1)的内外径比例和圆心角大小，实现贴片天线的高增益。2.根据权利要求1所述的一种高增益波束频率扫描天线的设计方法，其特征在于，所述地板(5)与扇环形贴片(1)平行，且扇环形贴片(1)与地板(5)之间的距离不大于0.25倍波长。3.根据权利要求1所述的一种高增益波束频率扫描天线的设计方法，其特征在于，所述介质的相对介电常数为1-100。4.根据权利要求1所述的一种高增益波束频率扫描天线的设计方法，其特征在于，在所述非封闭结构上设置模式扰动装置来调谐谐振频率。5.根据权利要求4所述的一种高增益波束频率扫描天线的设计方法，其特征在于，所述模式扰动装置为枝节(4)与开槽(3)的组合，扰动高阶模形成三模谐振，进而在高频段获得波束频率扫描的功能。6.一种高增益波束频率扫描天线，其特征在于，由权利要求1至5中任一所述的方法制得。

技术总结
本发明公开了一种高增益波束频率扫描天线及其设计方法的设计方法，在地板的上方设置扇环形贴片，作为所述高增益波束频率扫描天线的振子，扇环形贴片通过短路壁与地板连接，构成内圆弧短路、外圆弧且半径方向开路的非封闭结构，并在非封闭结构上设置馈电结构。通过改变特征振子的长度为1.5倍波长以上以及改变振子圆心角大小可以实现高增益的特性；通过对振子添加枝节和开槽，可以扰动高阶模形成三模谐振。由于高阶模的激发，俯仰面的辐射方向图最大波束随着频率的升高而向-x方向偏移，从而在高频段获得波束频率扫描的功能。高频段获得波束频率扫描的功能。高频段获得波束频率扫描的功能。


技术研发人员：吕文俊 黄艺娜 宗佳鹏 吴泽宇 宋晓钰 陈致允 陈斌 丁玎 李小慧
受保护的技术使用者：南京邮电大学
技术研发日：2023.04.24
技术公布日：2023/8/9