本發(fā)明屬于天線技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高增益低剖面環(huán)形天線，可用于機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)中，為了不影響載體平臺(tái)本身的氣動(dòng)特性與隱身特性，天線需要與載體平臺(tái)共形，這就要求天線具有較低的剖面高度。而另一方面，為了增加雷達(dá)的探測(cè)距離，所采用的天線單元必須具有高增益的特性。

基片集成波導(dǎo)是由加拿大蒙特利爾大學(xué)的吳柯教授于2001年正式提出?；刹▽?dǎo)可以滿足于微波系統(tǒng)和微波器件集成化和小型化的需求，同時(shí)具有傳統(tǒng)矩形波導(dǎo)相似的傳輸特性。利用基片集成波導(dǎo)技術(shù)饋電的天線可克服傳統(tǒng)矩形波導(dǎo)的缺點(diǎn)，易于實(shí)現(xiàn)低剖面、高增益，并且可以利用傳統(tǒng)pcb設(shè)計(jì)工藝將天線與微波電路集成于同一塊介質(zhì)基片中，設(shè)計(jì)成本低廉。

環(huán)形天線因?yàn)槠涓咴鲆妗⒃O(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)可以適用于雷達(dá)系統(tǒng)中。但是傳統(tǒng)環(huán)形天線為雙向輻射，若要實(shí)現(xiàn)其定向輻射必須增加反射板。傳統(tǒng)環(huán)形天線的反射板多為平面金屬反射板，當(dāng)天線輻射電磁波相位與反射相位相同時(shí)，輻射方向場(chǎng)強(qiáng)最大，此時(shí)天線呈定向高增益特性。然而由于天線與反射板之間的距離相對(duì)較遠(yuǎn)，造成了天線的剖面偏高，不易與載體共形，難以直接應(yīng)用于機(jī)載共形天線陣列中。所以，如何在保證環(huán)槽天線輻射特性不受影響的前提下，設(shè)計(jì)具有低剖面的高增益環(huán)槽天線單元，對(duì)于機(jī)載平臺(tái)下的雷達(dá)系統(tǒng)有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述單純引入平面金屬反射板而造成環(huán)天線剖面較高的問題，提出一種基于基片集成波導(dǎo)饋電的高增益低剖面環(huán)形天線，以保證環(huán)槽天線輻射特性不受影響的前提下，降低天線剖面，實(shí)現(xiàn)與載體共形。

為實(shí)現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明包括：輻射單元1、上介質(zhì)板2、下介質(zhì)板5、上金屬層6和下金屬層7；其中輻射單元1位于上介質(zhì)板2的上表面上，上金屬層6和下金屬層7分別位于下介質(zhì)板5的上下表面上，其特征在于：輻射單元1采用對(duì)稱的雙環(huán)結(jié)構(gòu)；上金屬層6上設(shè)置有矩形縫隙4，下介質(zhì)板5上設(shè)置有金屬化通孔陣列3和過渡結(jié)構(gòu)8；該金屬化通孔陣列3貫穿于上金屬層6、下介質(zhì)板5和下金屬層7之間，并與它們共同構(gòu)成基片集成波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)。

上述天線，其特征在于上金屬層6印制在下介質(zhì)板5上表面的左半部分，其形狀和尺寸與上介質(zhì)板2的形狀和尺寸相同。

上述天線，其特征在于下金屬層7，其形狀和尺寸均與下介質(zhì)板5的形狀和尺寸相同。

上述天線，其特征在于對(duì)稱的雙環(huán)結(jié)構(gòu)，是指任意一種封閉的對(duì)稱幾何形狀。

上述天線，其特征在于矩形縫隙4開在上金屬層6表面上，其與上金屬層6的長(zhǎng)邊平行，且位于對(duì)稱雙環(huán)之間空隙的投影區(qū)域。

上述天線，其特征在于過渡結(jié)構(gòu)8位于下介質(zhì)板5上表面的右半部分，其由50ω的微帶線和漸變帶相接組成，用于實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)本發(fā)明由于采用了基片集成波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)，使得天線具有較低的剖面高度，約為該工作頻率下波長(zhǎng)的十五分之一；該饋電結(jié)構(gòu)損耗小，易于擴(kuò)展至毫米波段，且饋電簡(jiǎn)單，易于多個(gè)天線組成陣列。

2)本發(fā)明由于采用了對(duì)稱的環(huán)形貼片作為天線輻射單元，使得天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。

3)本發(fā)明由于采用了上金屬層作為該環(huán)形天線的平面金屬反射板，使得該環(huán)形天線實(shí)現(xiàn)定向輻射，從而獲得較高的增益。

4)本發(fā)明由于采用了50ω的微帶線和漸變帶相接組成的過渡結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了天線的阻抗匹配。

5)本發(fā)明由于通過了矩形縫隙使得基片集成波導(dǎo)可以為環(huán)天線饋電，減少損耗從而提高天線增益。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是圖1的俯視透視圖；

圖4是本發(fā)明的s參數(shù)曲線圖；

圖5是本發(fā)明x-z面和y-z面的增益方向圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)工作在x波段的本發(fā)明天線作進(jìn)一步描述。

參照?qǐng)D1和圖2，本發(fā)明包括對(duì)稱的環(huán)形輻射單元1，上介質(zhì)板2，金屬化通孔陣列3，矩形縫隙4，下介質(zhì)板5、上金屬層6、下金屬層7和過渡結(jié)構(gòu)8。其中對(duì)稱的環(huán)形輻射單元1和上金屬層6分別設(shè)置在上介質(zhì)板2的上下表面上，該上金屬層6的形狀和尺寸與上介質(zhì)板2的形狀和尺寸相同；該矩形縫隙4開在上金屬層6上，其與上金屬層6的長(zhǎng)邊平行；下介質(zhì)板5設(shè)置在上金屬層6的下表面上，在該下介質(zhì)板5上表面的右半部分上設(shè)置有由50ω的微帶線和漸變帶相接組成過渡結(jié)構(gòu)8，用于實(shí)現(xiàn)阻抗匹配；下金屬層7設(shè)置在下介質(zhì)板5的下表面上，其形狀和尺寸與下介質(zhì)板5的形狀和尺寸相同；該金屬化通孔陣列3貫穿于上金屬層6、下介質(zhì)板5和下金屬層7之間，并與它們共同構(gòu)成基片集成波導(dǎo)饋電結(jié)構(gòu)。

所述的上介質(zhì)板2和下介質(zhì)板5，均采用介電常數(shù)為2.2的rogers5880材料，且上介質(zhì)板2的厚度為h2，下介質(zhì)板5的厚度為h。本實(shí)施例采用但不限于，h2＝1.5mm，h＝0.508mm。

參照?qǐng)D3，所述上介質(zhì)板2的長(zhǎng)邊為w2短邊為l1，下介質(zhì)板5的長(zhǎng)邊為w1短邊為l1，所述對(duì)稱的輻射單元1位于上介質(zhì)板2的上表面上，其形狀可以是任意一種封閉的幾何形狀，例如圓形、方形、三角形、梯形、平行四邊形等，本實(shí)施例采用但不限于方環(huán)結(jié)構(gòu)，其中方環(huán)的外部長(zhǎng)邊為w，外部短邊為l，方環(huán)的長(zhǎng)邊寬度為w1，短邊寬度為w2；所述矩形縫隙4開在上金屬層6上，其與上金屬層6的長(zhǎng)邊平行，且位于對(duì)稱的環(huán)形輻射單元之間空隙的投影區(qū)域，該矩形縫隙4的長(zhǎng)為ls，寬為ws；在本實(shí)施例中，所述金屬通孔陣列3包含37個(gè)圓孔和2個(gè)過渡通孔，該過渡通孔靠近上金屬層短邊內(nèi)側(cè)，由一個(gè)半圓通孔和一個(gè)矩形通孔連接而成，其中半圓通孔的直徑與圓孔直徑相同，均為d，矩形通孔的長(zhǎng)邊為w3，短邊為d，通孔之間的間距為d1；所述過渡結(jié)構(gòu)8印制在下介質(zhì)板5上表面的右半部分，其由一個(gè)矩形金屬貼片和一個(gè)等腰梯形金屬貼片連接組成，其中矩形金屬貼片的長(zhǎng)邊為w4，短邊為l3，等腰梯形的上底邊為l3，下底邊為l2。

所述矩形縫隙，ls的取值范圍為8～20mm，ws的取值范圍為0.3～1mm，本實(shí)施例采用但不限于ls＝13.8mm，ws＝0.5mm；根據(jù)基片集成波導(dǎo)的實(shí)現(xiàn)公式可以得到d1/d<2，本實(shí)施例采用但不限于d＝1mm，d1＝1.5mm，所述矩形通孔的長(zhǎng)邊w3取值范圍為1～5mm，本實(shí)施例中采用但不限于w3＝2mm；根據(jù)公式可以得到獨(dú)立方環(huán)的邊長(zhǎng)l和環(huán)寬w，其中f為該方環(huán)的第一諧振頻率，c為真空中的光速，εeff為有效介電常數(shù)。又由于對(duì)稱的兩個(gè)方環(huán)之間存在耦合，故本實(shí)施例中采用的方環(huán)邊長(zhǎng)l、w和環(huán)寬w1、w2與公式得到的方環(huán)邊長(zhǎng)l和環(huán)寬w有細(xì)微差別；本實(shí)施例中過渡結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)采用但不限于w4＝3mm，l3＝1.5mm，l2＝3mm。所述上介質(zhì)板的長(zhǎng)邊w2小于下介質(zhì)板的長(zhǎng)邊w1，本實(shí)施例中采用但不限于l1＝25mm，w1＝30mm，w2＝23mm。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)可通過以下仿真進(jìn)一步說明：

仿真1：利用商業(yè)仿真軟件ansyshfssv15.0對(duì)上述實(shí)例在8.0-12.0ghz范圍內(nèi)的s參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可見，本發(fā)明天線可以工作在工作的中心頻率為10.0gh的x波段。

仿真2：利用商業(yè)仿真軟件ansyshfssv15.0仿真上述實(shí)例在10.0ghz的x-z面和y-z面的輻射方向圖，結(jié)果如圖5所示，其中圖5(a)是在10.0ghz的x-z面輻射方向圖，圖5(b)是在10.0ghz的y-z面的輻射方向圖。

從圖5可見，本發(fā)明天線最大輻射方向始終在天線法線方向，最大輻射方向增益為6.4db，而天線的剖面高度僅有2mm，僅為x波段中心頻率波長(zhǎng)的十五分之一。

以上仿真結(jié)果說明，本發(fā)明天線可以在保證良好輻射性能的前提下，實(shí)現(xiàn)高增益天線的低剖面特性。

以上描述僅為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)例，不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的任何限制，顯然對(duì)于本領(lǐng)域的專業(yè)人員來說，在了解了本發(fā)明內(nèi)容和設(shè)計(jì)原理后，都可能在基于本發(fā)明的原理和結(jié)構(gòu)的情況下，進(jìn)行形式上和細(xì)節(jié)上的各種修正和改變，例如對(duì)天線結(jié)構(gòu)的各種參數(shù)的改變。但是這些基于本發(fā)明思想的修正和改變?nèi)栽诒景l(fā)明的權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。