寬帶寬角圓極化堆疊微帶天線的製作方法

2023-06-07 14:34:36

寬帶寬角圓極化堆疊微帶天線的製作方法
【專利摘要】本發明公開的一種寬帶寬角圓極化堆疊微帶天線，旨在提供一種低輪廓，具有較寬的軸比和阻抗帶寬，良好的寬角軸比特性的微帶天線。本發明通過下述技術方案予以實現：在覆蓋層介質板(1)下方依附有作為寄生輻射器的上層矩形微帶金屬貼片(9)，底層介質板(5)上方貼有作為驅動輻射器的下層矩形微帶金屬微帶貼片(8)，上層矩形微帶金屬貼片諧振工作在高頻端，下層矩形微帶金屬貼片諧振工作在低頻端；在所述矩形盒體中心區域開設有以介質板為「牆壁」的空腔，空腔區域內填充有介電常數與空氣接近的介質體，饋電探針(10)通過一個貫通底層介質板，直徑大於饋電探針的金屬化過孔，固聯在下層矩形微帶金屬貼片上。利用本發明可以獲得較寬的工作帶寬。
【專利說明】寬帶寬角圓極化堆疊微帶天線
[0001]

【技術領域】
[0002]本發明屬於微波天線【技術領域】，涉及一種基於空腔的堆疊微帶天線，該微帶天線適於作為寬頻段寬角掃描圓極化相控陣天線的單元天線。

【背景技術】
[0003]微帶天線以其體積小，重量輕，剖面低，易集成，造價低等特性以及良好的電性能受到廣泛的關注。隨著衛星通信、導航、移動通信系統業務的不斷增加，設備不斷向小型化方向發展，對天線體積，集成化及工作頻段的要求也越來越高。在必須考慮體積，重量，價格，特性要求 ，易安裝以及符合氣動外觀等因素的高性能飛機，衛星以及全球定位系統，移動通訊和無線通訊等諸多高度發展的應用中都需要天線系統具有低剖面，能平貼於任何平面或曲面的外觀特性。同時，天線系統要易於製作，易與微波集成電路集成，具有寬頻帶寬角圓極化的性能。在過去的研究中已出現了許多設計方法，但有利有弊，不是很理想，例如使用厚介質基片材料以增加天線頻寬的設計在加大帶寬的同時，天線體積也加大了，而進一步將天線體積縮小後，又會產生帶寬減小或天線增益降低的問題。因而微帶天線本質上所具有的高品質因數，窄頻帶，低效率等缺點也大大限制了它們的應用。
[0004]圓極化微帶天線以其重量輕、剖面低、易於集成等優點在移動、衛星通信中得到越來越廣泛的應用。然而，傳統的單點饋電圓極化微帶天線具有較窄的軸比帶寬，通常小於2%。寬頻段的圓極化性能實質上是需要天線具有較寬的駐波帶寬及軸比帶寬，且這兩個工作帶寬應儘可能的重合。寬角圓極化指的是需要天線在較寬的角域範圍內軸比較小。同時在上述的使用領域內，天線往往是需要安裝在飛行載體上的，這就需要天線具有低輪廓、小型化及輕量化的特點。但是傳統的圓極化微帶天線駐波帶寬、軸比帶寬較窄:駐波帶寬典型值一般為6%左右，而軸比帶寬只有2%-3%。近年來，儘管出現了許多改善微帶天線阻抗帶寬的設計方法，遺憾的是這些方法中能同時展寬軸比和阻抗帶寬的卻不多。
[0005]為了提升圓極化微帶天線的工作帶寬，現有技術通常採用以下幾種常見的實現方式:
I採用增加微帶天線介質襯底的厚底；
2儘可能的降低介質材料的介電常數；
3採用多點饋電的方式提升軸比帶寬及寬角軸比；
4採用多層貼片結構以提供多個臨近的諧振點來擴展工作帶寬。
[0006]總的來說，第I種及第2種方式所提供的設計靈活度較低，比如在第二種方式中，設計者所能採用的具有最低介電常數的介質材料，其最低的介電常數為2.2左右。而多點饋電的方式的設計複雜度及工藝難度都比較大。第4種方法近些年被各種文獻廣泛報導，其能夠獲得的駐波帶寬在17%左右，軸比帶寬為13%左右。但這種多層微帶天線結構中多層貼片之間往往需要一層空氣微帶層，需要其介電常數儘可能接近I。這使得該天線結構的工程實現性較差，更談不上使用在對結構強度要求較高的機載環境中。


【發明內容】

[0007]本發明的目的是針對上述技術的不足之處，提供一種低輪廓，重量小，結構強度高，具有較寬的軸比和阻抗帶寬，良好的寬角軸比特性、並能較好的適用於寬帶寬角圓極化掃描相控陣天線的微帶天線。
[0008]為了實現上述目的，本發明的技術解決方案是:一種寬帶寬角圓極化堆疊微帶天線，包括矩形微帶金屬貼片、饋電探針和由覆蓋層介質板1、支撐介質板3、底層介質板5沿三維方向圍成的矩形盒體，其特徵在於:在覆蓋層介質板I下方依附有作為寄生輻射器的上層矩形微帶金屬貼片9，底層介質板5上方貼有作為驅動輻射器的下層矩形微帶金屬微帶貼片8，上層矩形微帶金屬貼片9諧振工作在高頻端，下層矩形微帶金屬貼片8諧振工作在低頻端；在所述矩形盒體中心區域開設有以介質板為「牆壁」的空腔，空腔區域內填充有介電常數與空氣接近的介質體，饋電探針10通過一個貫通底層介質板5，直徑大於饋電探針10的金屬化過孔，固聯在下層矩形微帶金屬貼片8上，底層介質板5底部固聯有金屬地6，在金屬地上對應於饋電探針處的位置制有一個直徑與饋電探針10直徑成比例2.303的圓孔，該圓孔和饋電探針一併形成饋電埠。
[0009]本發明相比於現有技術具有如下有益效果。
[0010]本發明利用圓孔和饋電探針一併形成饋電埠進行饋電，金屬貼片諧振工作在高頻端，下金屬貼片諧振工作在低頻端，薄介質基片加載，使微帶天線的阻抗帶寬VSWR ≤ 2和寬角軸比帶寬(45°圓錐空域內AR≤ 3d B)達到20%以上，同時保持了微帶天線的固有優點:剖面低，厚度小於0.1中心頻率波長。通過合理的設計兩貼片諧振頻率點之間的頻率間隔，比如間隔約為2GHz，整個天線結構獲得了較寬的工作帶寬。採用兩個矩形微帶金屬貼片大小相同的設計，驅動輻射器與寄生輻射器之間實現了較好的能量耦合，可以改善微帶天線的輻射效率。同時，兩個矩形微帶金屬貼片大小相同的設計，使得整個天線結構的對稱性改善，進而提高天線輻射方向圖的等化性，有利於其組成相控天線陣列進行寬角圓極化掃描。
[0011]本發明採用矩形盒體中心區域開設以介質板為「牆壁」的空腔，空腔區域內填充介電常數與空氣接近的介質體，形成「介質牆」結構，有效的避開了微帶天線的輻射作用區域，保證了寬帶寬角圓極化微帶天線的電特性。採用填充接近空氣介質空腔填充的方法可有效擴展天線的軸比帶寬及阻抗帶寬。使用PMI泡沫將空腔區域填充，這樣做既增加了天線結構的受力區域，增加了 PP粘接片的粘黏區域，提升層間結合力，天線結構強度進一步得到加強。由於PMI泡沫介電常數接近空氣，其引入不會影響天線本身的電特性。同時，通過合理的設計覆蓋層介質板的厚度及介電常數，可以改善該微帶天線的寬角匹配性能，實現寬角圓極化。
[0012]本發明採用兩個矩形微帶金屬貼片大小相同的疊層結構，可以改善微帶天線的輻射效率、提高輻射方向圖的等化性，有利於組成相控天線陣列進行寬角圓極化掃描。
[0013] 本發明饋電探針通過貫穿於下層矩形微帶金屬貼片、底層介質板的金屬化過孔焊接於下層矩形微帶金屬貼片上對其進行饋電，而不是採用盲插的方式。這樣做可以更好的保證下層矩形微帶金屬貼片饋電點處的電連接及結構強度。
[0014]本發明通過上層矩形微帶金屬貼片9、下層矩形微帶金屬貼片8之間能量的耦合，在上層矩形微帶金屬貼片9上產生諧振在高頻端的圓極化電場，諧振點在20.5GHz。在下層矩形微帶金屬貼片8產生諧振在低頻端的圓極化電場，諧振點在22.5GHz。通過合理的設計這兩個諧振頻率點之間的頻率間隔，間隔約為2GHz，使得本發明的微帶天線獲得了較寬的工作帶寬。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
[0016]圖1是本發明寬帶寬角圓極化堆疊微帶天線的軸測圖。
[0017]圖2是圖1沿饋電探針方向的剖面側視圖。
[0018]圖3是本發明的駐波比的全波仿真數據圖。
[0019]圖4是本發明寬帶寬角圓極化堆疊微帶天線的法向軸比隨頻率變化的全波仿真數據圖。
[0020]圖5是本發明法向主極化增益隨頻率變化的全波仿真數據圖。
[0021]圖6是本發明堆疊微帶天線中心工作頻率處(21.4GHz)單一剖面軸比的全波仿真數據圖。
[0022]圖7是本發明中心工作頻率處(21.4GHz)不同四個剖面的輻射方向圖的全波仿真數據圖。
[0023]圖中:I覆蓋層介質板，2上層PP粘接片，3支撐介質板，4下層PP粘接片，5底層介質板，6金屬地層，7PMI填充泡沫，8下層矩形微帶金屬貼片，9上層矩形微帶金屬貼片，10饋電探針，11饋電埠。

【具體實施方式】
[0024]參閱圖1、圖2。圖1描述了本發明空腔形式堆疊微帶天線的一個最佳實施實例。該寬帶寬角圓極化堆疊微帶天線，包括矩形微帶金屬貼片、饋電探針10和由覆蓋層介質板1、支撐介質板3、底層介質板5沿三維方向圍成的矩形盒體。矩形微帶金屬貼片包括位於所述矩形盒體上下端面，相互平行，分別貼固在覆蓋層介質板1、底層介質板5內側上的上層矩形微帶金屬貼片9、下層矩形微帶金屬微帶貼片8。支撐介質板3圍繞在覆蓋層介質板I和底層介質板5之間的四周組成箱體形狀的矩形盒體。覆蓋層介質板1、支撐介質板3、底層介質板5這三塊介質板的材料屬性一般為玻璃纖維聚四氟乙烯，其介電常數可以不同，但為了獲得較寬的工作帶寬，可以選取介電常數較低的介質，尤其是支撐介質板3，應當在保證其結構強度的基礎上，選取介電常數較低的板材，以避免其對微帶天線有效輻射區域的影響。由於支撐介質板3的材料屬性是和覆蓋層介質板1、底層介質板5 —樣的玻璃纖維聚四氟乙烯，這種材料是製作多層印製板的常用材料，具有較低的縱向受熱受壓形變量。將這三層同類板材壓接在一起後，形成的結構具有較好的結構強度。
[0025]微帶天線產生圓極化波的關鍵在於產生兩個極化方向正交、幅度相等、相位相差90°。因此在覆蓋層介質板I下方依附有作為寄生輻射器的上層矩形微帶金屬貼片9，底層介質板5上方貼有作為驅動輻射器的下層矩形微帶金屬微帶貼片8，上層矩形微帶金屬貼片諧振工作在高頻端，下層矩形微帶金屬貼片諧振工作在低頻端。上層矩形微帶金屬貼片9與下層矩形微帶金屬貼片8的大小相同，在其中心位置各開設有一個大小不同的「十字」縫隙，並且該十字縫隙的兩縫長度不等:矩形貼片的長邊對應長縫、矩形貼片的短邊對應短縫。十字縫的主要的作用是使得矩形金屬貼片小型化，開尺寸更大的縫隙，獲得更大的壓縮率，故上金屬貼片諧振工作在高頻端，諧振點在22.5GHz。下金屬貼片諧振工作在低頻端，諧振點在20.5GHz。通過合理的設計兩貼片諧振頻率點之間的頻率間隔，間隔約為2GHz，整個天線結構獲得了較寬的工作帶寬。
[0026]覆蓋層介質板I實際上是通過PCB印製板工藝，將雙面覆銅介質板一側的銅皮全部腐蝕掉、而將另一側的銅皮蝕刻得到上層矩形微帶金屬貼片來獲得的。上層矩形微帶金屬貼片9由覆蓋層介質板I 一面的銅皮經過PCB工藝蝕刻得到，覆蓋層介質板I另一面的銅皮則全部腐蝕掉，倒扣的裝在天線結構上，起到天線罩保護天線結構的作用。同時，覆蓋層介質板I相當於一個介質層加載。覆蓋層介質板I和上層矩形微帶金屬貼片一起倒扣裝在支撐介質板3端面的上方，這個覆蓋層介質板I起到了保護天線結構的天線罩的作用，同時將底層介質板5和下層矩形微帶金屬貼片一起固聯在支撐介質板3端面的下方。通過合理的設計覆蓋層介質板I的厚度及介電常數，可以改善該微帶天線的寬角匹配性能，實現寬角圓極化的特性。
[0027]由於微帶天線的有效輻射區域是有限的。因此在所述矩形盒體中心區域開設有以介質板為「牆壁」，形成了一個「介質牆」結構的矩形空心區域空腔，空腔區域內填充有介電常數與空氣接近的介質體。矩形空心區域處空腔填充的介電常數可以但不限於是與空氣接近的介質體的PMI泡沫7，填充PMI泡沫7與矩形空腔內大小相同。PMI泡沫7的介電常數與空氣接近，不會對電性能產生幹擾，並且其具有一定的結構強度。根據微帶天線的腔模理論，微帶天線的有效福射區域集中在微帶貼片附近，這個空腔區域保證了微帶天線的有效輻射區域不受影響，這樣的設計不僅保證了微帶天線原本寬帶寬角圓極化的電特性不受影響，同時玻璃纖維聚四氟乙烯製作的支撐介質板3具有較好的耐熱耐壓特性，它提供了整個微帶天線較高的結構強度。另外PMI泡沫7將支撐介質板3中心空腔區域填實，也使得整個天線的結構得到加強。由於PMI泡沫在高溫高壓的情況下的形變量較玻璃纖維聚四氟乙烯稍大，故該天線結構覆蓋層介質板層與底層介質板5之間的區域的結構強度主要是由支撐介質板層提供的。覆蓋層介質板1、支撐介質板3及PMI填充泡沫、底層介質板5這三個區域形成的兩個界面是分別通過上層PP粘接片、下層PP粘接片連接在一起的。覆蓋層介質板I及上層矩形微帶金屬貼片9、支撐介質板3及PMI泡沫7、底層介質板5及下層矩形微帶金屬貼片8這三個區域可以使用美國Arlon公司的Cuclad_6250型PP粘接片層壓在一起的。Cuclad-6250型PP粘接片其材料本身也是基於聚四氟乙烯的，與覆蓋層介質板
1、支撐介質板3、底層介質板55同類，故上述三個區域的粘接是相當牢固的。同時，PMI泡沫7將空腔填實後，也大大的增加了 Cuclad-6250型PP粘接片的粘黏面積，進一步加強了區域間的連接強度。
[0028]參閱圖2。饋電探針10通過一個貫通底層介質板5，直徑大於饋電探針10的金屬化過孔，固聯在下層矩形微帶金屬貼片8上，底層介質板5底部固聯有金屬地6。在上層矩形微帶金屬貼片9、底層介質板5及金屬地6貫穿開設有一個直徑略大於饋電探針直徑的金屬化過孔，金屬化過孔在下層矩形微帶金屬貼片8的對角線附近，饋電探針10穿過該金屬化過孔焊接於下層矩形微帶金屬貼片8上。在金屬地6上對應於饋電探針10處的位置，制有一個直徑與饋電探針10直徑成2.303比例的圓孔，該圓孔和饋電探針一併形成饋電埠。對其進行饋電。這種饋電的方式可以在下層矩形微帶金屬貼片8上有效的激勵起極化與相位相互正交的工作模式TM01、TM10，形成圓極化電場，進而形成低頻諧振點。
[0029]焊接饋電探針10的焊料的融化溫度為180°C，而Arlon公司的Cuclad-6250的融化溫度為150°C，整個天線結構是將先將饋電探針10焊接於下層矩形微帶金屬貼片8上，再將上述的三個區域通過Cuclad-6250層壓在一起。饋電探針採用焊接，而不是「盲插」的方式，可大大的加強饋電點處的結構強度及可靠度。
[0030]參閱圖3，可以看到，本發明所提出的一種新型的空腔形式的堆疊微帶天線，其饋電埠的駐波係數VSWR < 2的頻率區間為19.4GHz-22.5GHz，相對工作帶寬達到了14.8%。
[0031]參閱圖4，該圖表示的是法向軸比隨頻率變化的曲線。對於本發明所提出的一種新型的空腔形式的堆疊微帶天線來說，其軸比小於6的頻率跨度為3.7GHz，相對帶寬達到了17%。相較於傳統的圓極化微帶天線，這個指標大大的得到了提升。
[0032]參閱圖5，該圖表示的是本天線法向主極化增益隨頻率變化的曲線。可以看到，在較寬的頻帶內，本發明所提出的微帶天線均獲得了較高的增益，說明其輻射效率也很高。本天線在26.6%的相對帶寬內，其增益均大於6dB。
[0033]參閱圖6，可見，在±85°的角域內，本發明所提出的微帶天線其軸比小於6dB。
[0034]綜合上述的結果，本發明所提出的一種新型的空腔形式的堆疊微帶天線實現了寬帶寬角圓極化的電特性。
[0035]圖7示出了本發明天線在其中心工作頻率處不同剖面的輻射方向圖。可以看到，在±80°甚至更寬的角域內，方向圖基本重合，具有較高的等化性，這個特性十分有利於該天線作為單元組成相控天線陣列，實現寬帶寬角圓極化掃描。
[0036]總之本發明提出了一種新型的空腔形式的堆疊微帶天線，具有寬帶寬角圓極化的電氣性能，同時也具備較高的結構強度，能夠較好的適用於機載、彈載等苛刻的環境。
[0037]以上是向熟悉本發明領域的工程技術人員提供的對本發明及其實施方案的描述，這些描述應被視為是說明性的，而非限定性的。工程技術人員可據此發明權利要求書中的思想做具體的操作實施，在不脫離所附權利要求定義的本發明的精神和範圍前提下，可對其在形式上和細節上做出各種變化。上述這些都應被視為本發明的涉及範圍。
【權利要求】
1.一種寬帶寬角圓極化堆疊微帶天線，包括矩形微帶金屬貼片、饋電探針和由覆蓋層介質板(I)、支撐介質板(3)、底層介質板(5)沿三維方向圍成的矩形盒體，其特徵在於:在覆蓋層介質板(I)下方依附有作為寄生輻射器的上層矩形微帶金屬貼片(9)，底層介質板(5)上方貼有作為驅動輻射器的下層矩形微帶金屬微帶貼片(8)，上層矩形微帶金屬貼片(9)諧振工作在高頻端，下層矩形微帶金屬貼片(8)諧振工作在低頻端；在所述矩形盒體中心區域開設有以介質板為「牆壁」的空腔，空腔區域內填充有介電常數與空氣接近的介質體，饋電探針(10)通過一個貫通底層介質板(5)，直徑大於饋電探針(10)的金屬化過孔，固聯在下層矩形微帶金屬貼片(8)上。
2.如權利要求1所述的寬帶寬角圓極化堆疊微帶天線，其特徵在於:底層介質板(5)底部固聯有金屬地出)，在金屬地上對應於饋電探針處的位置制有一個直徑與饋電探針(10)直徑成比例2.303的圓孔，該圓孔和饋電探針一併形成饋電埠。
3.如權利要求1所述的寬帶寬角圓極化堆疊微帶天線，其特徵在於:矩形微帶金屬貼片包括位於所述矩形盒體上下端面，相互平行，分別貼固在覆蓋層介質板(I)、底層介質板(5)內側上的上層矩形微帶金屬貼片(9)、下層矩形微帶金屬微帶貼片(8)。
4.如權利要求1所述的寬帶寬角圓極化堆疊微帶天線，其特徵在於:覆蓋層介質板(I)、支撐介質板(3)、底層介質板(5)的材料屬性為玻璃纖維聚四氟乙烯。
5.如權利要求1所述的寬帶寬角圓極化堆疊微帶天線，其特徵在於:上層矩形微帶金屬貼片(9)與下層矩形微帶金屬貼片(8)的大小相同，在其中心位置各開設有一個大小不同的「十字」縫隙。
6.如權利要求5所述的寬帶寬角圓極化堆疊微帶天線，其特徵在於:所述十字縫隙的兩縫長度不等:矩形貼片的長邊對應長縫、矩形貼片的短邊對應短縫。
7.如權利要求1所述的寬帶寬角圓極化堆疊微帶天線，其特徵在於:諧振工作在高頻端的上金屬貼片，諧振點為22.5GHz，諧振工作在低頻端的下金屬貼片，諧振點為20.5GHz。
8.如權利要求7所述的寬帶寬角圓極化堆疊微帶天線，其特徵在於:上金屬貼片與下金屬貼片，兩貼片諧振頻率點之間的頻率間隔為2GHz。
9.如權利要求1所述的寬帶寬角圓極化堆疊微帶天線，其特徵在於:PMI泡沫將空腔區域填充。
10.如權利要求1所述的寬帶寬角圓極化堆疊微帶天線，其特徵在於:金屬化過孔在下層矩形微帶金屬貼片(8)的對角線附近，饋電探針(10)穿過該金屬化過孔焊接於下層矩形微帶金屬貼片(8)上。
【文檔編號】H01Q9/04GK104078768SQ201410238409
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年5月30日 優先權日:2014年5月30日
【發明者】張劍, 何海丹, 張雲, 藍海, 鄧金峰 申請人:中國電子科技集團公司第十研究所