一種背腔式超寬帶天線裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及微波及天線技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種用于雷達(dá)和通信等無線電系統(tǒng)中的背腔式超寬帶天線裝置，其特征在于設(shè)有小型化對(duì)數(shù)周期天線、金屬腔體和寬帶微波吸波材料層，其中小型化對(duì)數(shù)周期天線設(shè)置在金屬腔體內(nèi)，金屬腔體內(nèi)側(cè)底部設(shè)有寬帶微波吸波材料層，所述小型化對(duì)數(shù)周期天線為微帶印刷電路結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有體積小、成本低等顯著的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】
一種背腔式超寬帶天線裝置
技術(shù)領(lǐng)域：
[0001] 本發(fā)明涉及微波及天線技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種用于雷達(dá)和通信等無線電系統(tǒng) 中的背腔式超寬帶天線裝置。
【背景技術(shù)】：
[0002] 常見的超寬天線的類型有平面等角螺旋、平面阿基米德螺旋、漸變縫隙天線、對(duì)數(shù) 周期、正弦天線、超寬帶單極子天線和超寬帶縫隙天線等。平面等角螺旋天線是一種頻率無 關(guān)天線，最早由Rumsey和Dyson等人提出，現(xiàn)在它被廣泛迎應(yīng)用于寬頻帶被動(dòng)測(cè)向系統(tǒng)中。 平面阿基米德螺旋天線在20世紀(jì)50年代被提出來。阿基米德螺旋天線具有寬頻帶、圓極化 輻射、方向圖形狀及輸入阻抗隨頻率變化小、半功率波瓣寬度大、口徑面小等特點(diǎn)，能夠平 齊安裝，屬于低輪廓天線，因此在飛行器上得到了較為廣泛的應(yīng)用。
[0003] Gibson在1979年提出一種行波天線，稱之為Vivaldi天線，該天線具有非周期、漸 變和端射的特點(diǎn)。這種天線是由較窄的槽線過渡到較寬的槽線構(gòu)成的，槽線按照指數(shù)規(guī)律 變化，將介質(zhì)板的槽線逐漸加大，形成喇叭口向外輻射電磁波。曲折臂天線具有平面型、寬 頻帶、全極化和單孔徑的特點(diǎn)，它是具有全部這四個(gè)特點(diǎn)的第一種天線。曲折臂天線在單一 口徑中包含兩個(gè)正交極化的線天線，此正交極化的線天線具有極寬的頻帶能力。在超寬帶 通信領(lǐng)域中，大量的不同類型超寬帶平面微帶單極子天線出現(xiàn)在相關(guān)文獻(xiàn)中，如矩形、橢圓 形、圓形和多面形等。3.1~10.6GHz為超寬帶民用頻段，因而超寬帶天線得以迅速發(fā)展。超 寬帶無線通信系統(tǒng)所需天線須尺寸小，剖面低。印刷超寬帶單極子天線因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，全 向輻射和容易加工等優(yōu)點(diǎn)，使其成為一種應(yīng)用較多的設(shè)計(jì)方案;為了增加天線的阻抗帶寬， 在天線設(shè)計(jì)中引入了多種技術(shù)手段，如在貼片單元或者基底上開個(gè)細(xì)縫，在天線貼片的對(duì) 角上開縫或開槽等;一些通信系統(tǒng)的工作頻段恰好在超寬帶系統(tǒng)的工作帶寬之內(nèi)，因此，這 會(huì)對(duì)超寬帶系統(tǒng)造成干擾，為了消除這些電磁干擾，需要在超寬帶的天線上增加個(gè)或個(gè)的 阻帶，一般采用在貼片天線或者基底上開縫和增加寄生單元等。

【發(fā)明內(nèi)容】
：
[0004] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)和不足，提出了一種結(jié)構(gòu)合理、避免了傳統(tǒng)的 對(duì)數(shù)周期天線在高頻振子端饋電精度要求高和焊接困難等問題，成本上也得到控制的背腔 式超寬帶天線裝置。
[0005] 本發(fā)明可以通過以下措施達(dá)到：
[0006] -種背腔式超寬帶天線裝置，其特征在于設(shè)有小型化對(duì)數(shù)周期天線、金屬腔體和 寬帶微波吸波材料層，其中小型化對(duì)數(shù)周期天線設(shè)置在金屬腔體內(nèi)，金屬腔體內(nèi)側(cè)底部設(shè) 有寬帶微波吸波材料層，所述小型化對(duì)數(shù)周期天線為微帶印刷電路結(jié)構(gòu)，所有振子尺寸和 振子之間的距離等天線構(gòu)成要素都要遵循一定的比例關(guān)系，如果用τ來表示該比例系數(shù)，在 這里稱τ為比例因子，則要求：
[0007] .(1)
[0008] (2)
[0009] 式中Ln為第η個(gè)對(duì)稱振子的全長(zhǎng);an為第η個(gè)對(duì)稱振子的寬度;Rn為第η個(gè)對(duì)稱振子 到天線虛擬"頂點(diǎn)"的距離;η為對(duì)稱振子的序列編號(hào)，從距離饋電點(diǎn)最遠(yuǎn)的振子算起，也就 是最長(zhǎng)的振子編號(hào)為"1"。
[0010] 本發(fā)明中，為了實(shí)現(xiàn)低頻段的振子等分形曲折線，采用了不同的比例因子，這些比 例因子表示為：
采用曲 折線技術(shù)后，對(duì)數(shù)周期天線的橫向尺寸得到有效減小。微帶印刷對(duì)數(shù)周期偶極天線的設(shè)計(jì) 是在一般對(duì)數(shù)周期天線的基礎(chǔ)上，考慮微帶基板的影響，增加微帶基板后，天線的有效介電 常數(shù)發(fā)生變化，因此，需要準(zhǔn)確地求出有效介電常數(shù)，然后將其對(duì)應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行變換，變換 到介質(zhì)板上后進(jìn)行設(shè)計(jì)。
[0011] 本發(fā)明中對(duì)數(shù)周期天線的有效介電常數(shù)可表示為：
[0012] (6)
[0013] (7).
[0014] 式中，為基板的介電常數(shù)，h為基板的厚度，w為集合線寬度，^為有效介電常數(shù)，c 為光速。
[0015] 本發(fā)明中的對(duì)數(shù)周期天線由三層介質(zhì)基板組成，上層介質(zhì)基板和下層介質(zhì)基板選 擇相同介電常數(shù)的板材，在上層介質(zhì)基板的上表面和下層介質(zhì)基板的下表面分別蝕刻出對(duì) 稱振子陣列；中間層選擇不同的介電常數(shù)的板材，中間層的上冊(cè)表面分別放置微帶漸變線 的巴倫的上面表面的金屬結(jié)構(gòu)以及微帶傳輸線的均勻段部分;在微帶漸變線的巴倫的平 行雙線部分，兩個(gè)雙線的頂部采用金屬過孔分別和上層、下層介質(zhì)基板上的集合線的上端 短接，實(shí)現(xiàn)平衡饋電；在微帶漸變線的巴倫的均勻微帶傳輸線部分，同軸電纜和微帶線連 接，實(shí)現(xiàn)同軸線的不平衡饋電。本發(fā)明中的對(duì)數(shù)周期天線的饋電結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。
[0016] 本發(fā)明中的巴倫為超寬帶的微帶漸變線巴倫，其功能是實(shí)現(xiàn)平行雙線的平衡饋電 到同軸線的不平衡饋電的轉(zhuǎn)換，同時(shí)也有一定的阻抗變換功能。本發(fā)明采用直線式變換的 微帶傳輸線巴倫結(jié)構(gòu)，在不平衡一側(cè)，引出一段特性阻抗為50歐姆的均勻微帶傳輸線，它與 同軸電纜連接。本發(fā)明設(shè)計(jì)的超寬帶微帶漸變線巴倫如圖5所示，其結(jié)構(gòu)參數(shù)的定義如圖6 所示，其中，L_Balun為直線漸變線巴倫的長(zhǎng)度，W_feed為平行雙線的寬度，W_port_MS為均 勻微帶線的導(dǎo)帶寬度，W_port_Gnd為均勻微帶線的地板寬度，均勻微帶線的特性阻抗為50 歐姆。
[0017] 本發(fā)明采用寬帶對(duì)數(shù)周期結(jié)構(gòu)的天線作為激勵(lì)源，引入金屬背腔實(shí)現(xiàn)對(duì)超寬帶天 線輻射方向圖的H面波束進(jìn)行控制，壓窄H面的波束寬度，以減小空間電磁環(huán)境的影響或者 提高其抗干擾性能。為了改善超寬帶天線的輻射方向圖性能和饋電處的阻抗匹配性能，本 發(fā)明在金屬背腔的底部加載了一薄層的微波吸波材料。本發(fā)明采用超寬帶的微帶漸變線平 衡-不平衡變換器(Balun)實(shí)現(xiàn)對(duì)微帶印刷結(jié)構(gòu)的對(duì)數(shù)周期天線的饋電;整個(gè)微帶電路板包 含三層結(jié)構(gòu)，頂層和底層分別放置輻射振子陣列，中間層放置微帶印刷結(jié)構(gòu)的超寬帶微帶 漸變線巴倫，實(shí)現(xiàn)從饋電位置的同軸線的不平衡端到雙線的平衡端的轉(zhuǎn)換;超寬帶微帶漸 變線巴倫位于上層和下層的金屬集合線之間，為半屏蔽狀態(tài)，減少了電磁干擾;超寬帶微帶 漸變線巴倫的平衡端與高頻振子相連接，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的激勵(lì)，連接方式采用微帶印刷電路中 的金屬化過孔技術(shù)實(shí)現(xiàn)，能夠保證加工精度和不同加工的天線單元之間機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)和電 磁輻射性能的一致性要求;不平衡端為微帶傳輸線，直接和同軸電纜連接，饋電線從電路板 的底部引出，便于焊接和測(cè)試；因此，本發(fā)明設(shè)計(jì)的超寬帶對(duì)數(shù)周期天線整體結(jié)構(gòu)為微帶印 刷電路形式，僅在饋電端需要連接同軸電纜，避免了傳統(tǒng)的對(duì)數(shù)周期天線在高頻振子端饋 電精度要求高和焊接困難等問題，成本上也得到控制。為了減小超寬帶天線在低頻段的尺 寸，本發(fā)明引入了曲折線技術(shù)，采用曲折線結(jié)構(gòu)的振子代替低頻段的輻射振子，實(shí)現(xiàn)天線尺 寸小型化的效果。
【附圖說明】：
[0018] 附圖1(a)是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019] 附圖1(b)是本發(fā)明中對(duì)數(shù)周期天線的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]附圖1(c)是本發(fā)明中對(duì)數(shù)周期天線結(jié)構(gòu)模型。
[0021]附圖2(a)是本發(fā)明中對(duì)數(shù)周期天線的側(cè)視圖及參數(shù)定義。
[0022]附圖2(b)是本發(fā)明中對(duì)數(shù)周期天線的俯視圖及參數(shù)定義。
[0023] 附圖3是本發(fā)明中對(duì)數(shù)周期天線的示意圖。
[0024] 附圖4(a)是在饋電微帶線的地板一側(cè)視角下的本發(fā)明中的對(duì)數(shù)周期天線的饋電 結(jié)構(gòu)示意圖，附圖4(b)是在饋電微帶線的微帶線一側(cè)視角下的本發(fā)明中的對(duì)數(shù)周期天線的 饋電結(jié)構(gòu)示意圖，附圖4(c)是在饋電微帶線的微帶線另一側(cè)視角下的本發(fā)明中的對(duì)數(shù)周 期天線的饋電結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]附圖5本發(fā)明設(shè)計(jì)的超寬帶微帶漸變線巴倫模型。
[0026] 附圖6是本發(fā)明中超寬帶微帶漸變線巴倫的結(jié)構(gòu)參數(shù)定義。
[0027] 附圖7是本發(fā)明中對(duì)數(shù)周期天線的回波損耗仿真結(jié)果。
[0028] 附圖8是本發(fā)明實(shí)施例在X〇Z面的增益方向圖仿真結(jié)果。
[0029]附圖9是本發(fā)明實(shí)施例在X〇Z面的軸比方向圖仿真結(jié)果。
[0030] 附圖10是本發(fā)明實(shí)施例在y〇Z面的增益方向圖仿真結(jié)果
[0031] 附圖11是本發(fā)明實(shí)施例在yoz面的軸比方向圖仿真結(jié)果
[0032 ]附圖12是本發(fā)明實(shí)施例的超寬帶天線的3dB波束寬度隨頻率的變化曲線。
[0033] 附圖標(biāo)記:長(zhǎng)方形金屬腔體1、微波吸波材料2、微帶對(duì)數(shù)周期天線3、對(duì)數(shù)周期天線 的微帶介質(zhì)基板4、饋電微帶線的微帶介質(zhì)基板5、饋電微帶線的金屬地板6、微帶對(duì)數(shù)周期 天線的印刷振子7、饋電微帶線的微帶導(dǎo)體帶條8、上層介質(zhì)基板9、下層介質(zhì)基板10、中間層 介質(zhì)基板11、金屬過孔12。
【具體實(shí)施方式】：
[0034] 本發(fā)明設(shè)計(jì)了一個(gè)具體的超寬帶背腔式天線裝置，采用全波電磁仿真軟件對(duì)該天 線進(jìn)行了性能仿真。設(shè)計(jì)的對(duì)數(shù)周期天線的振子長(zhǎng)度約為71.5毫米，對(duì)低頻振子進(jìn)行了曲 折線處理，以實(shí)現(xiàn)小型化效果。對(duì)數(shù)周期天線端口的回波損耗特性分別如圖7所示，由圖可 見，該天線在頻率為2GHz~6GHz范圍內(nèi)的平均回波損耗較小，滿足超寬帶天線的駐波比要 求，在頻率為IGHz附近也具有較好的駐波比性能。
[0035] 為了表征該天線的輻射特性，在此選擇兩個(gè)主平面，一個(gè)是xoy平面，另一個(gè)是yoz 平面，分別給出兩個(gè)主平面內(nèi)的輻射增益方向圖和軸比方向圖的仿真結(jié)果，以說明該天線 的輻射方向特性和輻射場(chǎng)的極化特性。圖8和圖9分別給出了在xoy平面的增益方向圖和軸 比方向圖，圖10和圖11分別給出了在yoz平面的增益方向圖和軸比方向圖，由仿真結(jié)果可以 看出，該天線形成了有效的輻射，在主波束范圍內(nèi)，輻射場(chǎng)近似為線極化。
[0036] 本發(fā)明設(shè)計(jì)的超寬帶天線在X〇Z面(E面)和yoz面(H面)的3dB波束寬度隨著頻率的 變化曲線的仿真結(jié)果。可以看出，在工作頻帶范圍內(nèi)，本發(fā)明設(shè)計(jì)的超寬帶天線在H面的波 束寬度得到有效的壓縮，實(shí)現(xiàn)了方向圖波束寬度的有效控制。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種背腔式超寬帶天線裝置，其特征在于設(shè)有小型化對(duì)數(shù)周期天線、金屬腔體和寬 帶微波吸波材料層，其中小型化對(duì)數(shù)周期天線設(shè)置在金屬腔體內(nèi)，金屬腔體內(nèi)側(cè)底部設(shè)有 寬帶微波吸波材料層，所述小型化對(duì)數(shù)周期天線為微帶印刷電路結(jié)構(gòu)，所有振子尺寸和振 子之間的距離等天線構(gòu)成要素都要遵循一定的比例關(guān)系，如果用τ來表示該比例系數(shù)，在這 里稱τ為比例因子，則要求：式中Ln為第η個(gè)對(duì)稱振子的全長(zhǎng);an為第η個(gè)對(duì)稱振子的寬度;Rn為第η個(gè)對(duì)稱振子到天 線虛擬"頂點(diǎn)"的距離;η為對(duì)稱振子的序列編號(hào)，從距離饋電點(diǎn)最遠(yuǎn)的振子算起，也就是最 長(zhǎng)的振子編號(hào)為"1"。2. 根據(jù)權(quán)利要去1所述的一種背腔式超寬帶天線裝置，其特征在于采用了不同的比例 因子，這些比例因子表示為：3. 根據(jù)權(quán)利要去1所述的一種背腔式超寬帶天線裝置，其特征在于對(duì)數(shù)周期天線的有 效介電常數(shù)可表示為：式中，^為基板的介電常數(shù)，h為基板的厚度，w為集合線寬度，^為有效介電常數(shù)，c為光 速。4. 根據(jù)權(quán)利要去1所述的一種背腔式超寬帶天線裝置，其特征在于對(duì)數(shù)周期天線由三 層介質(zhì)基板組成，上層介質(zhì)基板和下層介質(zhì)基板選擇相同介電常數(shù)的板材，在上層介質(zhì)基 板的上表面和下層介質(zhì)基板的下表面分別蝕刻出對(duì)稱振子陣列；中間層選擇不同的介電常 數(shù)的板材，中間層的上冊(cè)表面分別放置微帶漸變線的巴倫的上面表面的金屬結(jié)構(gòu)以及微帶 傳輸線的均勻段部分;在微帶漸變線的巴倫的平行雙線部分，兩個(gè)雙線的頂部采用金屬過 孔分別和上層、下層介質(zhì)基板上的集合線的上端短接，實(shí)現(xiàn)平衡饋電；在微帶漸變線的巴倫 的均勻微帶傳輸線部分，同軸電纜和微帶線連接。5. 根據(jù)權(quán)利要去1所述的一種背腔式超寬帶天線裝置，其特征在于巴倫為超寬帶的微 帶漸變線巴倫，其功能是實(shí)現(xiàn)平行雙線的平衡饋電到同軸線的不平衡饋電的轉(zhuǎn)換，同時(shí)也 有一定的阻抗變換功能。本發(fā)明采用直線式變換的微帶傳輸線巴倫結(jié)構(gòu)，在不平衡一側(cè)，弓丨 出一段特性阻抗為50歐姆的均勻微帶傳輸線，與同軸電纜連接。
【文檔編號(hào)】H01Q1/38GK106058441SQ201610424249
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年6月14日
【發(fā)明人】宋立眾, 薛敬宏, 謝春華
【申請(qǐng)人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）