水平面零向频扫天线

技术领域

本发明涉及一种水平面零向频扫天线，属于天线与微波技术以及物联网领域。

背景技术

随着无线通信技术的不断发展，干扰信号的频率范围扩大，电磁环境也在不断劣化。为了提升通信系统的可靠性和有效性，需对干扰信号进行定位、消除。传统的测向天线和抗干扰天线体积较大，结构复杂。随着6G时代的到来，通信频谱一方面将进一步向高频演进，另一方面也将分布占用较低频段。随着系统占用频段增加、设备密度增加，为了消除系统间干扰，需要研制各类小型化测向和抗干扰天线。

微带贴片天线是无线通信系统中应用最广泛的天线之一，然而普通微带贴片天线不具备辐射零向频率扫描功能，经过特殊设计的微带贴片天线也仅仅能够实现俯仰面内的零向频率扫描功能，无法实现水平面零向频率扫描功能。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种新颖的水平面零向频扫天线设计方法，所得天线可在水平面产生随频率变化扫描的辐射零向。该辐射零向的扫描方向是单向的，零向频率扫描曲线的斜率可以是正数，也可以是负数。该天线体积小、结构简单、剖面低，便于制作实现，无需外加复杂的移相功分网络即可在水平面实现宽角度范围的零向频率扫描，在无线通信的测向系统、抗干扰系统中有广泛的应用前景。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种水平面零向频扫天线，该天线包括介质基板，第一扇形贴片，第二扇形贴片；

所述第一扇形贴片和第二扇形贴片分别通过各自圆周处的垂直短路壁与介质基板连接，形成两个非封闭结构；

所述第一扇形贴片上设置有与介质基板相接的销钉；

所述第一扇形贴片上，从两条半径边缘处分别向内对称地开槽并且槽的长度大于等于0.25波长；

所述第一扇形贴片上设有与介质基板相接的同轴馈电结构，采用同轴馈电方式进行馈电。

进一步，所述第一扇形贴片的圆心角大于10°且小于等于150°，第二扇形贴片的圆心角大于30°且小于等于180°。

进一步，所述第一扇形贴片的半径大于等于0.8波长，第二扇形贴片的半径大于等于0.3波长，第一扇形贴片比第二扇形贴片的半径长0.25波长至0.75波长。

进一步，所述第一扇形贴片的中轴线与第二扇形贴片中轴线之间的夹角大于30°且小于180°。

进一步，所述第一扇形贴片的圆心与第二扇形贴片的圆心之间的距离大于等于0.01波长。

进一步，所述第一扇形贴片与第二扇形贴片的高度差大于等于0波长。

进一步，所述短路销钉位于所述第一扇形贴片的中轴线上，并且距离所述第一扇形贴片的圆心0.5波长。

进一步，所述同轴馈电结构位于所述第一扇形贴片的中轴线上。

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：本发明能够在使用平面结构的同时，通过加载圆周短路的第一扇形贴片和第二扇形贴片，并在第一扇形贴片上加载短路销钉、槽，水平面产生了可随频率变化扫描的辐射零向。该辐射零向的扫描方向是单方向的，零向频率扫描曲线的斜率可以是正数，也可以是负数。该天线扫描范围广、灵敏度高、体积小、剖面低、结构简单并且无需外加复杂的移相功分网络，便于制作实现。在无线通信的测向系统、抗干扰系统中有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明一实施例中，天线的正面结构与参考坐标示意图；

图2是本发明一实施例中，天线的三维立体示意图与参考坐标示意图；

图3是本发明一实施例中，天线采用HFSS软件计算的天线反射系数特性；

图4是本发明一实施例中，天线采用HFSS软件计算的天线辐射方向图；

图5是本发明一实施例中，天线辐射零向频率扫描的角度频率曲线；

其中，1、1’、1”分别是介质基板、第一扇形贴片、第二扇形贴片，2、2’是槽，3是同轴馈电结构，4是短路销钉，5是第一扇形贴片的中轴线，6是第二扇形贴片的中轴线。

具体实施方式

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。以下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。

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。

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1和2所示，在一个实施例中，水平面零向频扫天线由带有对称槽结构的第一扇形贴片、第二扇形贴片和圆形介质基板构成。第一扇形贴片和第二扇形贴片分别通过各自圆周处的垂直短路壁与圆形介质基板连接形成非封闭结构。本实施例中，第一扇形贴片与第二扇形贴片平行且存在高度差；第一扇形贴片的中轴线上设有与圆形介质基板连接的同轴馈电探针和短路销钉；该圆形介质基板的相对介电常数为1-20。

本实施例中采用空气介质，圆形介质基板的半径为100mm，带有槽结构的第一扇形贴片的半径为72.8mm、第二扇形贴片的半径为30mm；第一扇形贴片的圆心角度数为15°、第二扇形贴片的圆心角度数为70°；第一扇形贴片与介质基板之间的距离为5mm、第二扇形贴片与介质基板之间的距离为3mm，第一扇形贴片与第二扇形贴片之间的高度差为2mm；第一扇形贴片的中轴线与第二扇形贴片的中轴线之间的夹角为90°；第一扇形贴片的圆心与第二扇形贴片圆心之间的距离为5mm；第一扇形贴片上的槽的起始点距离圆心48.2mm，槽的长度为16.5mm，宽度为3mm；第一扇形贴片上的同轴馈电结构和短路销钉均设置在中轴线上，距离圆心的位置分别为20.6mm和21.2mm，半径分别为0.65mm和2.5mm。

利用HFSS软件仿真计算得到的天线各项特性：

图3是采用HFSS软件计算的本实施例的天线反射系数特性，该天线实现了三模谐振并且阻抗带宽覆盖了3.08到3.72GHz频段，相对带宽19.5％。

图4是采用HFSS软件计算的实施例的辐射方向图，实线表示频率为3.15GHz时的方向图，零点出现在方位角165°处；虚线表示频率为3.3GHz时的方向图，零点出现在方位角210°处；点划线表示频率为3.55GHz时的方向图，零点出现在方位角265°处。由此可见，该天线实现了水平面单向零向频扫。

图5是本实施例的天线的辐射零向频率扫描的角度频率曲线，该天线可以实现方位角145°-285°范围的零向频扫并且角度频率曲线呈现出正斜率特性。

综上所述，本发明提出的水平面零向频扫天线，通过圆周短路且加载短路销钉以及对称槽结构的第一扇形贴片和介质基板可以实现水平面双向零向频扫性能。同时，通过增加一个圆周短路的第二扇形贴片的非封闭结构实现了水平面单向零向频扫性能。本发明设计的水平面零向频扫天线扫描范围广、灵敏度高、体积小、剖面低并且结构简单，在无线通信的测向系统、抗干扰系统中有广泛的应用前景。

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。