近場聚焦平面陣列天線的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種效率較高且體積較小、成本較低的近場聚焦平面陣列天線。該陣列天線包括從上往下依次層疊設(shè)置的第一金屬覆銅層、第一介質(zhì)層、第二金屬覆銅層、第二介質(zhì)層、第三金屬覆銅層、第三介質(zhì)層、第四金屬覆銅層、第四介質(zhì)層和第五金屬覆銅層，第一介質(zhì)層上設(shè)置有金屬化輻射孔；第二介質(zhì)層上設(shè)置有金屬化移相孔；第三介質(zhì)層上設(shè)置有金屬化過渡孔；第四介質(zhì)層上設(shè)置有基片集成波導并饋網(wǎng)絡(luò)。本發(fā)明所述的近場聚焦平面陣列天線采用金屬化移相孔來實現(xiàn)相位補償，補償范圍大，結(jié)構(gòu)簡單，性能優(yōu)異，天線的效率較高，而且可以大大減小天線的體積，降低成本，另外可以完成不同聚焦位置的調(diào)節(jié)。適合在微波毫米波天線【技術(shù)領(lǐng)域】推廣應用。
【專利說明】近場聚焦平面陣列天線
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微波毫米波天線【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種近場聚焦平面陣列天線。
【背景技術(shù)】
[0002]點聚焦天線憑借其電磁波聚焦效應，被廣泛的應用于微波毫米波成像、無線輸能、射頻無線識別、微波醫(yī)療等場合。
[0003]傳統(tǒng)的聚焦天線按照外形可以分為兩大類:非平面聚焦天線和平面聚焦天線。其中，非平面聚焦天線包括拋物面天線和介質(zhì)透鏡天線；平面聚焦天線主要為貼片陣列天線。
[0004]傳統(tǒng)的非平面聚焦天線，如拋物面天線、介質(zhì)透鏡天線等，雖然可以實現(xiàn)較好的聚焦特性，但由于天線結(jié)構(gòu)非平面，需要精確的機械加工，且體積龐大、成本高昂，難以小型化，不利于與平面電路集成。傳統(tǒng)的平面聚焦天線，通過調(diào)整激勵源到天線單元之間饋電微帶的長度，以實現(xiàn)對貼片天線不同相位的饋電。雖然平面聚焦天線可以降低加工成本、克服集成困難，但其也存在一些問題。
[0005]例如，有人提出了一種具有聚焦特性的微帶貼片陣列天線。該天線結(jié)構(gòu)包含一層介質(zhì)層和二層金屬覆銅層，下層金屬覆銅層構(gòu)成微帶天線的地面，上層金屬覆銅層構(gòu)成微帶線功分器網(wǎng)絡(luò)、移相網(wǎng)絡(luò)以及貼片輻射單元。上述結(jié)構(gòu)的聚焦特性通過上層金屬覆銅層中的移相網(wǎng)絡(luò)為貼片輻射單元提供相位差來實現(xiàn)，而該移相網(wǎng)絡(luò)通過不等長的微帶線來實現(xiàn)，當電磁波通過不同長度的微帶線后在貼片輻射單元上產(chǎn)生特定相位差，從而實現(xiàn)電磁波聚焦特性。該結(jié)構(gòu)中相位改變通過不等長微帶線實現(xiàn)，當相位差要求較大時，移相網(wǎng)絡(luò)中微帶線會很長，導致該陣列整體面積增大，不利于小型化，也增加了成本；微帶線及其不連續(xù)彎角處會有輻射，在降低饋電效率的同時，也影響聚焦效果。
[0006]又如，也有人提出了一種利用移相器來控制天線相位從而實現(xiàn)具有焦距可變特性的聚焦天線。該結(jié)構(gòu)由偶極子天線、功率分配網(wǎng)絡(luò)和移相器構(gòu)成；24個偶極子天線規(guī)律排列成三個圓，每一圓包含8個偶極子天線。同一圈上的8個偶極子天線通過一個一分八功率分配網(wǎng)絡(luò)饋電，三個功率分配網(wǎng)絡(luò)分別對三個圓共24個偶極子天線饋電；上述三個功率分配網(wǎng)絡(luò)分別與兩個不同移相器連接，最后由一個一分四功率分配網(wǎng)絡(luò)連接到信號源。該聚焦天線可通過移相器對不同圓上的偶極子天線進行相位控制，從而實現(xiàn)電磁波聚焦和焦距可變。該結(jié)構(gòu)采用了四個功率分配網(wǎng)絡(luò)以及兩個移相器，使得整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜、成本聞，在聞頻應用和大尺寸應用時不可接受:。
[0007]上述兩種典型的聚焦陣列天線，雖然加工和設(shè)計相對簡單，實現(xiàn)了平面化設(shè)計，但是很難兼顧小型化、高效率、低成本等需求。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種效率較高且體積較小、成本較低的近場聚焦平面陣列天線。
[0009]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:該近場聚焦平面陣列天線，包括從上往下依次層疊設(shè)置的第一金屬覆銅層、第一介質(zhì)層、第二金屬覆銅層、第二介質(zhì)層、第三金屬覆銅層、第三介質(zhì)層、第四金屬覆銅層、第四介質(zhì)層和第五金屬覆銅層，所述第一介質(zhì)層上設(shè)置有多個直徑相同的金屬化輻射孔并且所述金屬化輻射孔貫穿第一金屬覆銅層、第一介質(zhì)層；所述第二介質(zhì)層上設(shè)置有多個不同直徑的金屬化移相孔，所述多個金屬化移相孔與多個金屬化輻射孔一一對應且共軸，所述金屬化移相孔貫穿第二金屬覆銅層、第二介質(zhì)層；所述第三介質(zhì)層上設(shè)置有多個直徑相同的金屬化過渡孔，所述多個金屬化過渡孔與多個金屬化移相孔一一對應且共軸，所述金屬化過渡孔貫穿第三金屬覆銅層、第三介質(zhì)層；所述第四介質(zhì)層上設(shè)置有基片集成波導并饋網(wǎng)絡(luò)。
[0010]進一步的是，所述基片集成波導并饋網(wǎng)絡(luò)由多級子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，每一級子網(wǎng)絡(luò)包括多個“T”形頭，上一級子網(wǎng)絡(luò)的“T”形頭的兩個輸出端分別與下一級子網(wǎng)絡(luò)的兩個“T”形頭的輸入端連接，周期排列下去共同組成基片集成波導并饋網(wǎng)絡(luò)，所述“T”形頭由三個基片集成波導單元組成，在第四介質(zhì)層上設(shè)置兩排金屬化通孔并且所述金屬化通孔貫穿第四金屬覆銅層、第四介質(zhì)層和第五金屬覆銅層形成所述基片集成波導單元，所述三個基片集成波導單元的連接區(qū)域設(shè)置有金屬化匹配孔，所述第四金屬覆銅層上還設(shè)置有饋電槽，所述饋電槽位于金屬化過渡孔內(nèi)。
[0011]進一步的是，所述第一介質(zhì)層、第二介質(zhì)層采用介電常數(shù)為4.5的FR4材料制作而成，所述第三介質(zhì)層、第四介質(zhì)層采用介電常數(shù)為3.5的RF35材料制作而成。
[0012]進一步的是,所述第一介質(zhì)層的厚度為1.6mm,第二介質(zhì)層的厚度為6.4mm,第三介質(zhì)層的厚度為1.52mm,第四介質(zhì)層的厚度為0.508mm。
[0013]進一步的是，所述金屬化輻射孔與金屬化過渡孔的直徑為18mm，距離陣列中心從遠到近金屬化移相孔直徑依次為18mm、18.8mm、20mm。
[0014]進一步的是，所述基片集成波導單元的寬度為10_。
[0015]進一步的是，所述金屬化通孔的直徑為0.5mm,孔心距為0.95mm。
[0016]進一步的是，所述饋電槽的長度為11.9mm，寬度為0.3mm，偏移基片集成波導單元中心線的距離為0.1mm。
[0017]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明所述的近場聚焦平面陣列天線采用金屬化移相孔來實現(xiàn)相位補償，補償范圍大，結(jié)構(gòu)簡單，性能優(yōu)異，天線的效率較高，而且該金屬化移相孔位于金屬化輻射孔下方，實現(xiàn)相位改變的同時不會增加陣列橫向尺寸，有利于天線的小型化，可以大大減小天線的體積，降低成本，采用基片集成波導并饋網(wǎng)絡(luò)饋電，在高頻工作時，其具有饋電效率高和無輻射干擾的優(yōu)點，同時，該并饋網(wǎng)絡(luò)位于金屬化輻射孔正下方，更加有利于電路小型化，另外，傳統(tǒng)微帶線饋電的聚焦天線，其相位補償來自于饋電網(wǎng)絡(luò)，一旦加工完成，無法更換，因而難以實現(xiàn)焦距可變，而本發(fā)明所述的近場聚焦平面陣列天線，其相位控制結(jié)構(gòu)采用金屬化移相孔結(jié)構(gòu)，只需要通過更換不同高度的金屬化移相孔，即替換具有不同高度的第二介質(zhì)層，就可以完成不同聚焦位置的調(diào)節(jié)，而且替換過程中陣列整體結(jié)構(gòu)與布局無需變動，節(jié)約時間成本，再者，該近場聚焦平面陣列天線工作帶寬較寬，在大規(guī)模應用時性能不會惡化。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明近場聚焦平面陣列天線的三維結(jié)構(gòu)示意圖；[0019]圖2是本發(fā)明近場聚焦平面陣列天線的第一金屬覆銅層的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖3是本發(fā)明近場聚焦平面陣列天線的第二金屬覆銅層的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖4是本發(fā)明近場聚焦平面陣列天線的第三金屬覆銅層的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖5是本發(fā)明近場聚焦平面陣列天線的第四金屬覆銅層的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖6是本發(fā)明近場聚焦平面陣列天線的工作原理圖；
[0024]圖中標記說明:第一金屬覆銅層1、第二金屬覆銅層2、第三金屬覆銅層3、第四金屬覆銅層4、饋電槽41、第五金屬覆銅層5、第一介質(zhì)層6、金屬化輻射孔61、第二介質(zhì)層7、金屬化移相孔71、第三介質(zhì)層8、金屬化過渡孔81、第四介質(zhì)層9、金屬化通孔91、金屬化匹配孔92。
【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步的說明。
[0026]如圖1至5所示，該近場聚焦平面陣列天線，包括從上往下依次層疊設(shè)置的第一金屬覆銅層1、第一介質(zhì)層6、第二金屬覆銅層2、第二介質(zhì)層7、第三金屬覆銅層3、第三介質(zhì)層8、第四金屬覆銅層4、第四介質(zhì)層9和第五金屬覆銅層5，所述第一介質(zhì)層6上設(shè)置有多個直徑相同的金屬化輻射孔61并且所述金屬化輻射孔61貫穿第一金屬覆銅層1、第一介質(zhì)層6 ;所述第二介質(zhì)層7上設(shè)置有多個不同直徑的金屬化移相孔71，所述多個金屬化移相孔71與多個金屬化輻射 孔61 —一對應且共軸，所述金屬化移相孔71貫穿第二金屬覆銅層
2、第二介質(zhì)層7 ;所述第三介質(zhì)層8上設(shè)置有多個直徑相同的金屬化過渡孔81，所述多個金屬化過渡孔81與多個金屬化移相孔71 —一對應且共軸，所述金屬化過渡孔81貫穿第三金屬覆銅層3、第三介質(zhì)層8 ;所述第四介質(zhì)層9上設(shè)置有基片集成波導并饋網(wǎng)絡(luò)。本發(fā)明所述的近場聚焦平面陣列天線采用金屬化移相孔71來實現(xiàn)相位補償，補償范圍大，結(jié)構(gòu)簡單，性能優(yōu)異，天線的效率較高，而且該金屬化移相孔71位于金屬化輻射孔61下方，實現(xiàn)相位改變的同時不會增加陣列橫向尺寸，有利于天線的小型化，可以大大減小天線的體積，降低成本，采用基片集成波導并饋網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了饋電，在高頻工作時，其具有饋電效率高和無輻射干擾的優(yōu)點，同時，該饋電網(wǎng)絡(luò)位于金屬化輻射孔61正下方，更加有利于電路小型化，另外，傳統(tǒng)微帶線饋電的聚焦天線，其相位補償來自于饋電網(wǎng)絡(luò)，一旦加工完成，無法更換，因而難以實現(xiàn)焦距可變，而本發(fā)明所述的近場聚焦平面陣列天線，其相位控制結(jié)構(gòu)采用金屬化移相孔71結(jié)構(gòu)，只需要通過更換不同高度的金屬化移相孔71，即替換具有不同高度的第二介質(zhì)層7，就可以完成不同聚焦位置的調(diào)節(jié)，而且替換過程中陣列整體結(jié)構(gòu)與布局無需變動，節(jié)約時間成本，再者，該近場聚焦平面陣列天線工作帶寬較寬，在大規(guī)模應用時性能不
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[0027]該近場聚焦平面陣列天線的工作原理如圖6所示，工作頻率為f，工作波長為λ的電磁波由XOY平面沿直線傳播到焦點F(0，0，R)處，此時焦距為R;設(shè)第二介質(zhì)層7的厚度為h，金屬化輻射孔61的數(shù)目為MXN;設(shè)第(i，j)和(s，t)個金屬化輻射孔61的坐標分別為(Xi，yj，0)和(xs，yt，0)，則相對于坐標原點(0，0，0)的絕對路程差為
S(Lj) =-1xr -tv,2 Λ: -1?和 S(s, r) = %'x/.— vJ 十 Λ: -1?則從第(i, j)和(s, t)個金屬化輻射孔61到焦點的相對路程差為:S=S(i，j)-S(s，t)金屬化輻射孔61均工作于主模，則其半徑a滿足:λ /3.41〈a〈 λ /2.61，據(jù)此可以確定金屬化輻射孔61的半徑取值范圍。
[0028]假設(shè)S (i, j) > (s，t)，設(shè)第(m，η)個金屬化移相孔71半徑為b (m, η)，對應的相位常
數(shù)為
【權(quán)利要求】
1.近場聚焦平面陣列天線，其特征在于:包括從上往下依次層疊設(shè)置的第一金屬覆銅層(I)、第一介質(zhì)層(6)、第二金屬覆銅層(2)、第二介質(zhì)層(7)、第三金屬覆銅層(3)、第三介質(zhì)層(8)、第四金屬覆銅層(4)、第四介質(zhì)層(9)和第五金屬覆銅層(5)，所述第一介質(zhì)層(6)上設(shè)置有多個直徑相同的金屬化輻射孔(61)并且所述金屬化輻射孔(61)貫穿第一金屬覆銅層(I)、第一介質(zhì)層(6);所述第二介質(zhì)層(7)上設(shè)置有多個不同直徑的金屬化移相孔(71)，所述多個金屬化移相孔(71)與多個金屬化輻射孔(61)—一對應且共軸，所述金屬化移相孔(71)貫穿第二金屬覆銅層(2)、第二介質(zhì)層(7);所述第三介質(zhì)層(8)上設(shè)置有多個直徑相同的金屬化過渡孔(81)，所述多個金屬化過渡孔(81)與多個金屬化移相孔(71)一一對應且共軸，所述金屬化過渡孔(81)貫穿第三金屬覆銅層(3)、第三介質(zhì)層(8);所述第四介質(zhì)層(9 )上設(shè)置有基片集成波導并饋網(wǎng)絡(luò)。
2.如權(quán)利要求1所述的近場聚焦平面陣列天線，其特征在于:所述基片集成波導并饋網(wǎng)絡(luò)由多級子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，每一級子網(wǎng)絡(luò)包括多個“T”形頭，上一級子網(wǎng)絡(luò)的“T”形頭的兩個輸出端分別與下一級子網(wǎng)絡(luò)的兩個“T”形頭的輸入端連接，周期排列下去共同組成基片集成波導并饋網(wǎng)絡(luò)，所述“T”形頭由三個基片集成波導單元組成，在第四介質(zhì)層(9)上設(shè)置兩排金屬化通孔(91)并且所述金屬化通孔(91)貫穿第四金屬覆銅層(4)、第四介質(zhì)層(9)和第五金屬覆銅層(5)形成所述基片集成波導單元，所述三個基片集成波導單元的連接區(qū)域設(shè)置有金屬化匹配孔(92)，所述第四金屬覆銅層(4)上還設(shè)置有饋電槽(41)，所述饋電槽(41)位于金屬化過渡孔(81)內(nèi)。
3.如權(quán)利要求2所述的近場聚焦平面陣列天線，其特征在于:所述第一介質(zhì)層(6)、第二介質(zhì)層(7)采用介電常數(shù)為4.5的FR4材料制作而成，所述第三介質(zhì)層(8)、第四介質(zhì)層(9)采用介電常數(shù)為3.5的RF35材料制作而成。
4.如權(quán)利要求3所述的近場聚焦平面陣列天線，其特征在于:所述第一介質(zhì)層(6)的厚度為1.6mm,第二介質(zhì)層(7)的厚度為6.4mm,第三介質(zhì)層(8)的厚度為1.52mm,第四介質(zhì)層(9)的厚度為0.508_。
5.如權(quán)利要求4所述的近場聚焦平面陣列天線，其特征在于:所述金屬化輻射孔(61)與金屬化過渡孔(81)的直徑為18_;距離陣列中心從遠到近金屬化移相孔(71)直徑依次為 18mm、18.8mm、20mmo
6.如權(quán)利要求5所述的近場聚焦平面陣列天線，其特征在于:所述基片集成波導單元的寬度為10mm。
7.如權(quán)利要求6所述的近場聚焦平面陣列天線，其特征在于:所述金屬化通孔(91)的直徑為0.5mm,孔心距為0.95mm。
8.如權(quán)利要求7所述的近場聚焦平面陣列天線，其特征在于:所述饋電槽(41)的長度為11.9mm,寬度為0.3mm,偏移基片集成波導單元中心線的距離為0.1mm。
【文檔編號】H01Q1/38GK103825089SQ201410073747
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年2月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月28日
【發(fā)明者】程鈺間, 王磊, 黃偉娜, 吳杰 申請人:電子科技大學