薄基片幅度校正準(zhǔn)八木差波束平面喇叭天線的制作方法
【專利摘要】薄基片幅度校正準(zhǔn)八木差波束平面喇叭天線涉及一種喇叭天線。該天線包括在介質(zhì)基板（1）上的微帶饋線（2）、喇叭天線（3）和準(zhǔn)八木天線（4），喇叭天線（3）由第一金屬平面（7）、第二金屬平面（8）和兩排金屬化過孔喇叭側(cè)壁（9）組成，喇叭天線（3）中有奇數(shù)個形狀為折線的金屬化過孔陣列（11）和偶數(shù)個介質(zhì)填充波導(dǎo)（17），在喇叭天線（3）口徑面（10）上每個介質(zhì)填充波導(dǎo)（17）的寬度相等且都接有一個由有源振子（21）和無源振子（22）組成的準(zhǔn)八木天線（4），左半天線（15）與右半天線（16）對稱。電磁波可等幅到達(dá)準(zhǔn)八木天線再輻射，輻射場極化與基板平行，天線可使用薄基板且增益高、大零深、成本低和結(jié)構(gòu)緊湊。
【專利說明】薄基片幅度校正準(zhǔn)八木差波束平面喇叭天線
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種喇叭天線，尤其是一種薄基片幅度校正準(zhǔn)八木差波束平面喇叭天線。
【背景技術(shù)】
[0002]喇叭天線在衛(wèi)星通信、地面微波鏈路及射電望遠(yuǎn)鏡等系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。但是，三維喇叭天線的巨大幾何尺寸制約了其在平面電路中的應(yīng)用和發(fā)展。近年來，基片集成波導(dǎo)技術(shù)的提出和發(fā)展很好的促進(jìn)了平面喇叭天線的發(fā)展?；刹▽?dǎo)有尺寸小、重量輕、易于集成和加工制作等優(yōu)點?；诨刹▽?dǎo)的平面的基片集成波導(dǎo)平面喇叭天線除了具有喇叭天線的特點外，還很好的實現(xiàn)了喇叭天線的小型化、輕型化，而且易于集成在微波毫米波平面電路中。傳統(tǒng)的基片集成波導(dǎo)平面喇叭天線的有一個限制，天線喇叭口基板的厚度要大于十分之一工作波長，天線才能有較好的輻射性能，不然由于反射，天線里的能量輻射不出去。這樣就要求天線基板的厚度不能太薄，在L波段等較低頻段要滿足這個要求更是十分困難，很厚的基板不僅體積和重量很大，抵消了集成的優(yōu)點，而且還增加了成本。另外這些天線輻射場的極化方向一般都是垂直于介質(zhì)基板，而有些應(yīng)用需要輻射場的極化平行于介質(zhì)基板。已有的一些天線在平面喇叭天線前面加載貼片改善薄基片平面喇叭天線的輻射，但加載的貼片尺寸較大，而且工作頻帶較窄。通常為了實現(xiàn)差波束，需要采用特別的饋電裝置，這些饋電裝置或者在平面電路中不易實現(xiàn)，或者是窄帶的移相電路。另外傳統(tǒng)的基片集成波導(dǎo)平面喇叭天線的增益相對比較低，其原因在于由于喇叭口不斷的張開，導(dǎo)致電磁波傳播到喇叭口徑面時電場強(qiáng)度的幅度分布不均勻，輻射方向性和增益降低，使得構(gòu)成的差波束天線的零深較淺且斜率較低，影響雷達(dá)的測向精度。目前已有采用介質(zhì)加載、介質(zhì)棱鏡等方法，矯正喇叭口徑場，但是這些方法都只能改善相位分布的一致性，不能改善幅度分布的均勻性，而且這些相位校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)增加了天線的整體結(jié)構(gòu)尺寸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]技術(shù)問題:本發(fā)明的目的是提出一種薄基片幅度校正準(zhǔn)八木差波束平面喇叭天線，該天線輻射場的極化方向與介質(zhì)基板平行，可以使用非常薄的介質(zhì)基板制造，在基板的電厚度很薄的情況下，依然具有優(yōu)良的輻射性能，而且該平面喇叭天線可以矯正天線口徑面上電磁波幅度分布的不一致，增加天線差波束的零深及提高天線差波束的斜率。
[0004]技術(shù)方案:本發(fā)明的薄基片幅度校正準(zhǔn)八木差波束平面喇叭天線，其特征在于該天線包括設(shè)置在介質(zhì)基板上的微帶饋線、基片集成喇叭天線和多個準(zhǔn)八木天線；所述微帶饋線的第一端口是該天線的輸入輸出端口，微帶饋線的第二端口與基片集成喇叭天線相接；基片集成喇叭天線由位于介質(zhì)基板一面的第一金屬平面、位于介質(zhì)基板另一面的第二金屬平面和穿過介質(zhì)基板連接第一金屬平面和第二金屬平面的兩排金屬化過孔喇叭側(cè)壁組成，基片集成喇叭天線的兩排金屬化過孔喇叭側(cè)壁之間的寬度逐漸變大，形成一個喇叭形張口，張口的末端是基片集成喇叭天線的口徑面；基片集成喇叭天線中有奇數(shù)個金屬化過孔陣列連接第一金屬平面和第二金屬平面，金屬化過孔陣列的頭端在基片集成喇叭天線內(nèi)部，金屬化過孔陣列的尾端在基片集成喇叭天線的口徑面上；在金屬化過孔陣列中有一個中間金屬化過孔陣列把整個天線分成對稱的左半天線和右半天線兩部分；相鄰的兩個金屬化過孔陣列、或者是一個金屬化過孔陣列與其相鄰的一排金屬化過孔喇叭側(cè)壁，與第一金屬平面和第二金屬平面構(gòu)成介質(zhì)填充波導(dǎo)；在基片集成喇叭天線的口徑面上，每個介質(zhì)填充波導(dǎo)的寬度相等，在口徑面外每個介質(zhì)填充波導(dǎo)接有一個準(zhǔn)八木天線。
[0005]微帶饋線的導(dǎo)帶與第一金屬平面相接，微帶饋線的接地面與第二金屬平面相接。
[0006]所述的金屬化過孔陣列的形狀由一條或多條曲線構(gòu)成的折線，相鄰的兩條曲線通過共同的頂點連接，折線的一條曲線的形狀可以是直線、弧線或其它曲線。
[0007]介質(zhì)填充波導(dǎo)的寬度要使得電磁波可以在其中傳播而不被截止。
[0008]選擇金屬化過孔陣列的頭端以及頂點在基片集成喇叭天線內(nèi)部的位置，使得在每個介質(zhì)填充波導(dǎo)中傳輸?shù)碾姶挪üβ氏嗟取?br> [0009]每個準(zhǔn)八木天線由一個有源振子、一個或數(shù)個無源振子組成；有源振子在介質(zhì)基板的兩面分別有第一輻射臂和第二輻射臂，準(zhǔn)八木天線有源振子的第一輻射臂與基片集成喇叭天線的第一金屬平面相連，準(zhǔn)八木天線有源振子的第二輻射臂與基片集成喇叭天線的第二金屬平面相連，每個準(zhǔn)八木天線有源振子的第一輻射臂和第二輻射臂向相反的方向伸展；無源振子位于介質(zhì)基板的任意一面或者兩面都可以。
[0010]左半天線所接的所有有源振子的第一輻射臂的伸展方向都相同，左半天線所接的所有有源振子的第二輻射臂的伸展方向都相同；右半天線所接的所有有源振子的第一輻射臂的伸展方向都相同，右半天線所接的所有有源振子的第二輻射臂的伸展方向都相同；左半天線所接的有源振子的第一輻射臂的伸展方向與右半天線所接的有源振子的第二輻射臂的伸展方向相同，左半天線所接的有源振子的第二輻射臂的伸展方向與右半天線所接的有源振子的第一輻射臂的伸展方向相同。
[0011]所述的金屬化過孔喇叭側(cè)壁和金屬化過孔陣列中，相鄰的兩個金屬化過孔的間距要小于或等于工作波長的十分之一，使得構(gòu)成的金屬化過孔喇叭側(cè)壁和金屬化過孔陣列能夠等效為電壁。
[0012]電磁波從微帶饋線的一端輸入，經(jīng)過微帶饋線的另一端進(jìn)入基片集成波導(dǎo)喇叭天線，傳播一段距離后，遇到金屬化過孔陣列，就分別進(jìn)入各個介質(zhì)填充波導(dǎo)傳輸。進(jìn)入各個介質(zhì)填充波導(dǎo)電磁波的相對功率主要由金屬化過孔陣列的頭端折線段及多邊形頂點的位置決定，調(diào)整金屬化過孔陣列的頭端以及頂點在基片集成喇叭天線內(nèi)部的位置，可以調(diào)整經(jīng)過每個介質(zhì)填充波導(dǎo)傳輸?shù)碾姶挪ǖ南鄬β剩M(jìn)而可以保證在每個介質(zhì)填充波導(dǎo)中傳輸?shù)墓β氏嗟?，由于在口徑面上每個介質(zhì)填充波導(dǎo)都接有一個同樣口徑大小的準(zhǔn)八木天線，這樣進(jìn)入每個準(zhǔn)八木天線輻射的功率也相等，也就是保證整個天線是等幅幅射的，這就提聞了天線的增益。
[0013]來自各個介質(zhì)波導(dǎo)的電磁波通過天線口徑面進(jìn)入準(zhǔn)八木天線輻射，由于左半天線準(zhǔn)八木天線的輻射臂與右半天線準(zhǔn)八木天線的輻射臂是對稱的，因此左半天線準(zhǔn)八木天線輻射場的極化方向與右半天線準(zhǔn)八木天線輻射場的極化方向相反，這樣就在平行介質(zhì)基板的方向形成了差波束。準(zhǔn)八木天線在主輻射方向，相當(dāng)于一個線陣，具有較高的增益，因此相對于普通平面喇叭天線，本天線具有很高的增益，也就是增加了差波束的零深和斜率。[0014]以上述方式就可以控制在天線口徑面上電磁波的幅度分布，如果保持在天線口徑面上的每個介質(zhì)填充波導(dǎo)的端口寬度相等，并調(diào)整金屬化過孔陣列的頭端以及頂點在基片集成喇叭天線內(nèi)部的位置，使得通過每個介質(zhì)填充波導(dǎo)傳輸電磁波的同幅到達(dá)天線口徑面，進(jìn)而同幅進(jìn)入每個準(zhǔn)八木天線輻射，輻射場的極化方向也變成與基板接近平行的水平方向，這樣不僅可以使得在電薄基片的情況下，整個天線具有優(yōu)良的輻射性能，而且也達(dá)到提高天線的口徑效率和增益的目的。
[0015]由于有多個金屬化過孔陣列把天線的口徑面分成很多個小的口徑面，每個小口徑面上接的準(zhǔn)八木天線的尺寸可以做的很小，這樣天線的結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸也只增加很少。
[0016]天線從饋電微帶線到準(zhǔn)八木天線之間，都是封閉的基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，因此饋電損耗較小。
[0017]同理也可以按照需要在天線的口徑面上實現(xiàn)特定的場強(qiáng)幅度分布。
有益效果:本發(fā)明薄基片幅度校正準(zhǔn)八木差波束平面喇叭天線的有益效果是，該天線輻射場的極化方向與介質(zhì)基板平行；該天線可以使用低于百分之二的波長的厚度的介質(zhì)基板制造，遠(yuǎn)低于通常平面喇叭天線所要求的十分之一波長的基板厚度，在基板的電厚度很薄的情況下，依然具有優(yōu)良的輻射性能，例如在6GHz頻率，采用環(huán)氧樹脂材料基板的厚度可以2.5_減小到0.5_，從而大大減小尺寸、重量和成本；而且該平面喇叭天線內(nèi)部嵌有金屬化過孔陣列可以矯正天線口徑面上電磁波幅度分布的不一致，增加天線差波束的零深及提高天線差波束的斜率，天線的結(jié)構(gòu)緊湊、饋電損耗小。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0019]圖1為本發(fā)明薄基片幅度校正準(zhǔn)八木差波束平面喇叭天線的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖中有:介質(zhì)基板1、微帶饋線2、基片集成喇機(jī)天線3、準(zhǔn)八木天線陣列4 ;微帶饋線2的第一端口 5、微帶饋線2的第二端口 6、介質(zhì)基板I的第一金屬平面7、介質(zhì)基板I的第二金屬平面8、金屬化過孔喇叭側(cè)壁9、天線3的口徑面10、金屬化過孔陣列11、金屬化過孔陣列11的頭端12、金屬化過孔陣列11的尾端13、中間金屬化過孔陣列14、左半天線15、右半天線16、介質(zhì)填充波導(dǎo)17、微帶饋線2的導(dǎo)帶18、微帶饋線2的接地面19、頂點20、有源振子21、無源振子22、第一輻射臂23和第二輻射臂24。
【具體實施方式】
[0021]本發(fā)明所采用的實施方案是:薄基片幅度校正準(zhǔn)八木差波束平面喇叭天線包括設(shè)置在介質(zhì)基板I上的微帶饋線2、基片集成喇叭天線3和多個準(zhǔn)八木天線4 ;所述微帶饋線2的第一端口 5是該天線的輸入輸出端口，微帶饋線2的第二端口 6與基片集成喇叭天線3相接；基片集成喇叭天線3由位于介質(zhì)基板I 一面的第一金屬平面7、位于介質(zhì)基板I另一面的第二金屬平面8和穿過介質(zhì)基板I連接第一金屬平面7和第二金屬平面8的兩排金屬化過孔喇叭側(cè)壁9組成，基片集成喇叭天線3的兩排金屬化過孔喇叭側(cè)壁9之間的寬度逐漸變大，形成一個喇叭形張口，張口的末端是基片集成喇叭天線3的口徑面10 ;基片集成喇叭天線3中有奇數(shù)個金屬化過孔陣列11連接第一金屬平面7和第二金屬平面8，金屬化過孔陣列11的頭端12在基片集成喇叭天線3內(nèi)部，金屬化過孔陣列11的尾端13在基片集成喇叭天線3的口徑面10上；在金屬化過孔陣列11中有一個中間金屬化過孔陣列14把整個天線分成對稱的左半天線15和右半天線16兩部分；相鄰的兩個金屬化過孔陣列11、或者是一個金屬化過孔陣列11與其相鄰的一排金屬化過孔喇叭側(cè)壁9，與第一金屬平面7和第二金屬平面8構(gòu)成介質(zhì)填充波導(dǎo)17 ;在基片集成喇叭天線3的口徑面10上，每個介質(zhì)填充波導(dǎo)17的寬度相等，在口徑面10外每個介質(zhì)填充波導(dǎo)17接有一個準(zhǔn)八木天線4。
[0022]微帶饋線2的導(dǎo)帶18與第一金屬平面7相接，微帶饋線2的接地面19與第二金屬平面8相接。
[0023]所述的金屬化過孔陣列11的形狀由一條或多條曲線構(gòu)成的折線，相鄰的兩條曲線通過共同的頂點20連接，折線的一條曲線的形狀可以是直線、弧線或其它曲線。
[0024]介質(zhì)填充波導(dǎo)17的寬度要使得電磁波可以在其中傳播而不被截止。
[0025]選擇金屬化過孔陣列11的頭端12以及頂點20在基片集成喇叭天線3內(nèi)部的位置，使得在每個介質(zhì)填充波導(dǎo)17中傳輸?shù)碾姶挪üβ氏嗟取?br> [0026]每個準(zhǔn)八木天線4由一個有源振子21、一個或數(shù)個無源振子22組成；有源振子21在介質(zhì)基板I的兩面分別有第一輻射臂23和第二輻射臂24，準(zhǔn)八木天線4有源振子21的第一輻射臂23與基片集成喇叭天線3的第一金屬平面7相連，準(zhǔn)八木天線4有源振子21的第二輻射臂24與基片集成喇叭天線3的第二金屬平面8相連，每個準(zhǔn)八木天線4有源振子21的第一輻射臂23和第二輻射臂24向相反的方向伸展；無源振子22位于介質(zhì)基板I的任意一面或者兩面都可以。
[0027]左半天線15所接的所有有源振子21的第一輻射臂23的伸展方向都相同，左半天線15所接的所有有源振子21的第二輻射臂24的伸展方向都相同；右半天線16所接的所有有源振子21的第一輻射臂23的伸展方向都相同，右半天線16所接的所有有源振子21的第二輻射臂24的伸展方向都相同；左半天線15所接的有源振子21的第一輻射臂23的伸展方向與右半天線16所接的有源振子21的第二輻射臂24的伸展方向相同，左半天線15所接的有源振子21的第二輻射臂24的伸展方向與右半天線16所接的有源振子21的第一輻射臂23的伸展方向相同。
[0028]金屬化過孔喇叭側(cè)壁9和金屬化過孔陣列11中，相鄰的兩個金屬化過孔的間距要小于或等于工作波長的十分之一，使得構(gòu)成的金屬化過孔喇叭側(cè)壁(9)和金屬化過孔陣列11能夠等效為電壁。
[0029]在設(shè)計時，金屬化過孔陣列11中頭端12及頂點20在基片集成喇叭天線3中的相對位置是決定電磁波進(jìn)入各個介質(zhì)填充波導(dǎo)17中的相對功率大小的主要因素。調(diào)節(jié)金屬化過孔陣列11中頭端12及頂點20在基片集成喇叭天線3中的相對位置就可以使得進(jìn)入各個介質(zhì)填充波導(dǎo)17的功率一樣，由于各個介質(zhì)填充波導(dǎo)17在天線口徑面10上的寬度一樣，這樣進(jìn)入每個準(zhǔn)八木天線4輻射的功率也一樣，因而達(dá)到了等幅輻射的目的。
[0030]在工藝上，薄基片幅度校正準(zhǔn)八木差波束平面喇叭天線既可以采用普通的印刷電路板(PCB)工藝，也可以采用低溫共燒陶瓷(LTCC)工藝或者CM0S、Si基片等集成電路工藝實現(xiàn)。其中金屬化過孔可以是空心金屬通孔也可以是實心金屬孔，也可以是連續(xù)的金屬化壁，金屬通孔的形狀可以是圓形，也可以是方形或者其他形狀的。
[0031]在結(jié)構(gòu)上，依據(jù)同樣的原理，可以增加或者減少金屬化過孔陣列11的數(shù)量，進(jìn)而改變準(zhǔn)八木天線4的數(shù)量和尺寸，只要保證介質(zhì)填充波導(dǎo)15能夠傳輸主模。 [0032] 根據(jù)以上所述，便可實現(xiàn)本發(fā)明。
【權(quán)利要求】
1.薄基片幅度校正準(zhǔn)八木差波束平面喇叭天線，其特征在于該天線包括設(shè)置在介質(zhì)基板(I)上的微帶饋線(2)、基片集成喇叭天線(3)和多個準(zhǔn)八木天線(4);所述微帶饋線(2)的第一端口(5)是該天線的輸入輸出端口，微帶饋線(2)的第二端口(6)與基片集成喇叭天線(3)相接；基片集成喇叭天線(3)由位于介質(zhì)基板(I) 一面的第一金屬平面(7)、位于介質(zhì)基板(I)另一面的第二金屬平面(8)和穿過介質(zhì)基板(I)連接第一金屬平面(7)和第二金屬平面(8)的兩排金屬化過孔喇叭側(cè)壁(9)組成，基片集成喇叭天線(3)的兩排金屬化過孔喇叭側(cè)壁(9)之間的寬度逐漸變大，形成一個喇叭形張口，張口的末端是基片集成喇叭天線(3)的口徑面(10);基片集成喇叭天線(3)中有奇數(shù)個金屬化過孔陣列(11)連接第一金屬平面(7)和第二金屬平面(8)，金屬化過孔陣列(11)的頭端(12)在基片集成喇叭天線(3)內(nèi)部，金屬化過孔陣列(11)的尾端(13)在基片集成喇叭天線(3)的口徑面(10)上；在金屬化過孔陣列(11)中有一個中間金屬化過孔陣列(14)把整個天線分成對稱的左半天線(15)和右半天線(16)兩部分；相鄰的兩個金屬化過孔陣列(11)、或者是一個金屬化過孔陣列(11)與其相鄰的一排金屬化過孔喇叭側(cè)壁(9)，與第一金屬平面(7)和第二金屬平面(8)構(gòu)成介質(zhì)填充波導(dǎo)(17);在基片集成喇叭天線(3)的口徑面(10)上，每個介質(zhì)填充波導(dǎo)(17)的寬度相等，在口徑面(10)外每個介質(zhì)填充波導(dǎo)(17)接有一個準(zhǔn)八木天線(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄基片幅度校正準(zhǔn)八木差波束平面喇叭天線，其特征在于微帶饋線(2)的導(dǎo)帶(18)與第一金屬平面(7)相接,微帶饋線(2)的接地面(19)與第二金屬平面(8)相接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄基片幅度校正準(zhǔn)八木差波束平面喇叭天線，其特征在于所述的金屬化過孔陣列(11)的形狀由一條或多條曲線構(gòu)成的折線，相鄰的兩條曲線通過共同的頂點(20)連接，折線的一條曲線的形狀可以是直線、弧線或其它曲線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的薄基片幅度校正準(zhǔn)八木差波束平面喇叭天線，其特征在于介質(zhì)填充波導(dǎo)(17)的寬度要使得電磁波可以在其中傳播而不被截止。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3或4所述的薄基片幅度校正準(zhǔn)八木差波束平面喇叭天線，其特征在于選擇金屬化過孔陣列(11)的頭端(12)以及頂點(20)在基片集成喇叭天線(3)內(nèi)部的位置，使得在每個介質(zhì)填充波導(dǎo)(17)中傳輸?shù)碾姶挪üβ氏嗟取?br> 6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄基片幅度校正準(zhǔn)八木差波束平面喇叭天線，其特征在于每個準(zhǔn)八木天線(4)由一個有源振子(21)、一個或數(shù)個無源振子(22)組成；有源振子(21)在介質(zhì)基板(I)的兩面分別有第一輻射臂(23)和第二輻射臂(24)，準(zhǔn)八木天線(4)有源振子(21)的第一輻射臂(23)與基片集成喇叭天線(3)的第一金屬平面(7)相連，準(zhǔn)八木天線(4)有源振子(21)的第二輻射臂(24)與基片集成喇叭天線(3)的第二金屬平面(8)相連，每個準(zhǔn)八木天線(4)有源振子(21)的第一輻射臂(23)和第二輻射臂(24)向相反的方向伸展；無源振子(22 )位于介質(zhì)基板(I)的任意一面或者兩面都可以。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的薄基片相位幅度校正槽線差波束平面喇叭天線，其特征在于左半天線(15)所接的所有有源振子(21)的第一輻射臂(23)的伸展方向都相同，左半天線(15)所接的所有有源振子(21)的第二輻射臂(24)的伸展方向都相同；右半天線(16)所接的所有有源振子(21)的第一輻射臂(23)的伸展方向都相同，右半天線(16)所接的所有有源振子(21)的第二輻射臂(24)的伸展方向都相同；左半天線(15)所接的有源振子(21)的第一輻射臂(23)的伸展方向與右半天線(16)所接的有源振子(21)的第二輻射臂(24)的伸展方向相同，左半天線(15)所接的有源振子(21)的第二輻射臂(24)的伸展方向與右半天線(16)所接的有源振子(21)的第一輻射臂(23)的伸展方向相同。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄基片幅度校正準(zhǔn)八木差波束平面喇叭天線，其特征在于所述的金屬化過孔喇叭側(cè)壁(9)和金屬化過孔陣列(11)中，相鄰的兩個金屬化過孔的間距要小于或等于工作波長的十分之一，使得構(gòu)成的金屬化過孔喇叭側(cè)壁(9)和金屬化過孔陣列(11)能夠等 效為電壁。
【文檔編號】H01Q13/02GK103618142SQ201310617648
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年11月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月29日
【發(fā)明者】趙洪新, 殷曉星, 傅曉潔 申請人:東南大學(xué)