一種加載左手材料的高增益高效率的平板天線的製作方法
2023-04-26 23:53:06 1
專利名稱：一種加載左手材料的高增益高效率的平板天線的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種加載左手材料的高增益高效率的平板天線，屬於衛星平板天線的技術領域。
背景技術：
平板天線具有重量輕、體積小、佔用空間少、風阻小、效率高等優勢，平板天線相對於拋物面天線等其它形式的天線來說具有較高的效率，增益較高，體積小，但目前平板天線的效率在75% 80%之間，從技術層面較難突破效率80%，以實現更高的效率。現有的平板天線結構多樣，但多數僅滿足近距離通信的技術條件
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例如，中國專利申請CN101752655A公開了一種平板天線，包括一基板、多個天線本體以及一金屬層。所述多個天線本體設置在基板的一表面，且金屬層設置在基板的另一表面。金屬層具有多個凹槽，分別穿插在所述多個天線本體之間。所述多個天線本體局部地對應於金屬層，並用以配合具有兩個以上的多路徑傳輸的一通信系統來同時發射並接收電磁信號。但是該專利申請的工作頻率較低2. 4GHz，雖然體積較小，但是整個平板天線的增益不高，實際應用中僅僅滿足近距離信號傳輸的要求，應用領域受限。例如，中國專利申請CN101005156公開了一種高增益寬頻帶的平板天線，用以解決傳統天線結構上無法運用於高增益寬頻帶的問題，本發明的平板天線包括微波基板，具有第一表面及第二表面；第一對稱型輻射單元，配置於該第一表面上，且該第一對稱型輻射單元具有第一輻射部與第二輻射部；第二對稱型輻射單元，配置於該第二表面上，且該第二對稱型輻射單元具有第三輻射部與第四輻射部；及至少一個連接單元，連接該微波基板及反射板。其中該第一輻射部、該第二輻射部、第三輻射部及第四輻射部的末端採用步階結構的設計方法。通過本發明的平板天線結構設計，能實現高增益寬頻帶的目的。該專利所述的平板天線體積小、帶寬大，但是其自身增益僅滿足近距離的通信需求，對於遠距離通信增益還是不夠；而且該專利也不利於組陣以實現更高的增益。例如，中國專利CN101483271公開了一種平板天線，包含一介質層、一輻射金屬層及一接地金屬層。該介質層由絕緣材料製成，具有一上表面、一下表面及一貫孔。該輻射金屬層被覆於該介質層的上表面，具有一第一片體、一與該貫孔對應的第一穿孔，以及一由該第一片體的第一穿孔周緣往該貫孔內延伸的第一凸伸部。該接地金屬層被覆於該介質層的下表面，具有一第二片體、一與該貫孔對應的第二穿孔，以及一由該第二片體的第二穿孔周緣往該貫孔內延伸的第二凸伸部，並且該第一凸伸部與該第二凸伸部在該貫孔內相接觸，使該輻射金屬層與該接地金屬層形成電連接。該專利中所述的平板天線雖然增益較高，加工設計簡單，但是帶寬較窄，使用微波介質板效率低。例如，中國專利CN101640309公開了一種平板天線結構，包括第一金屬片、中間
層、金屬環及第二金屬片。其中中間層包括第一孔洞，中間層設置在第一金屬片之上並與第一金屬片連結；金屬環穿過第一孔洞與第一金屬片連結；且第二金屬片包括第二孔洞，第二金屬片與金屬環連結，第二金屬片與第一金屬片連結，且中間層與金屬環被第一金屬片及第二金屬片包覆。藉此，第二金屬片可藉由金屬環與第一金屬片電性導通，第一金屬片及第二金屬片間形成諧振腔，且藉由改變第一孔洞及金屬環的直徑可調整天線的特性。該專利所述的平板天線設計調試較為簡單，但其結構複雜，難以加工，增益較低，使用了介質板效率低。例如，中國專利CN101719596A公開了本發明提供了一種單饋源周期溝槽縫隙平板天線。該天線由接地板和縫隙饋源兩側加載的若干周期排布溝槽結構組成，且縫隙與鄰近溝槽間的距離小於溝槽周期。與傳統的周期溝槽結構輻射機理不同，溝槽處的電場與縫隙處的電場相位相反，不能再把溝槽處看作為二次輻射源。此時，天線表面產生了另一種新穎的電磁振蕩模式-兩個相鄰溝槽整體作為一個次級輻射源，向空間輻射能量。該新型天線不僅具有結構更加緊湊，設計更靈活的特點，與溝槽數相同的傳統溝槽縫隙天線相t匕，本發明的H面壓縮角更小，天線增益也有一定提高。該專利所述的平板天線較普通天線尺寸小，增益高，但是設計調試複雜。
發明內容
針對現有技術的不足，本發明提供一種加載左手材料的高增益高效率的平板天線。術語解釋左手材料是指一種介電常數和磁導率同時為負值的材料。電磁波在其傳播時，波矢k、電場E和磁場H之間的關係符合左手定律，因此稱之為「左手材料」。它具有負相速度、負折射率、理想成像、逆Doppler頻移、反常Cerenkov福射等奇異的物理性質。「左手材料」顛倒了物理學的「右手規律」，而後者描述的是電場與磁場之間的關係及其波動的方向。本發明的技術方案如下一種加載左手材料 的高增益高效率的平板天線，包括按照電磁波傳播方向依次設置的饋電層、耦合層、諧振腔層和輻射層；在所述輻射層上設置加載左手材料的介質板。根據本發明優選的，所述加載左手材料的介質板包括介電常數為2.68的介質板、在所述介質板上設置有七段數碼「5」形的金屬貼片；所述相鄰金屬貼片縱向間距為SL=7. 65mm,所述相鄰金屬貼片橫向間距為SW=2. 75mm ;所述金屬貼片長為ML=4. 7mm,所述金屬貼片寬為MW=2mm ;所述金屬貼片厚度為d=lmm ;所述金屬貼片按照10行X 32列的排列方式設置在所述的介質板上。根據本發明優選的，所述金屬貼片為銅金屬貼片。根據本發明優選的，所述的輻射層包括多個輻射單元，每個輻射單元中包括柵格輻射器，所述每個柵格輻射器包括四個側壁圍城的矩形柵格側壁和柵格底，在所述的柵格底上設置有輻射縫。根據本發明優選的，所述每個柵格輻射器的內長L=20mm、內寬W=20mm、內高H=8mm、柵格底厚h=lmm ;所述福射縫的長FL=12mm、寬FW=2mm。根據本發明優選的，所述每個輻射單元包括16個柵格輻射器，所述16個柵格輻射器按照4行X4列的排列方式設置在所述輻射層上。根據本發明優選的，所述諧振腔層包括多個諧振腔單元，所述每個諧振腔單元包括4個諧振腔，所述4個諧振腔按照2行X 2列的排列方式設置在所述諧振腔層上；所述每個諧振腔與所述輻射層上4個柵格輻射器對齊。根據本發明優選的，所述耦合層包括多個耦合單元，所述每個耦合單元包括4個耦合孔，所述4個耦合孔按照2行X 2行的排列方式設置在所述耦合層上；所述每個耦合孔與所述諧振腔層上的I個諧振腔對齊。根據本發明優選的，所述饋電層包括多個饋電單元，每個饋電單元包括I個饋電網絡，所述饋電網絡與所述耦合層上的I個耦合單元對齊。根據本發明優選的，所述每個饋電單元中的饋電網絡包括3個相互級聯的T形波導，在其中所述2個T形波導上設置有4個耦合縫，在另一個T形波導上設置有饋電口，所述4個耦合縫分別與所述耦合單元上的4個耦合孔對齊。本發明的優勢在於本發明所述的平板天線採用加載左手材料的介質板設置在所述輻射層的表面，電磁波由饋電口經T形波導進入耦合孔，在耦合孔經過臺階的作用進入諧振腔，在諧振腔中經過輻射縫進入柵格輻射器，在柵格輻射器的上面附有一層加載有左手材料的介質板，所述電磁波通過介質板輻射出去。本發明打破現有平板天線設計結構的思維模式，經過大量的實驗仿真設計出本發明獨特結構的衛星平板天線，使整個平板天線的結構緊湊、增益高，實現了現有衛星平板天線高效率、帶寬大、小尺寸的技術要求，其平板天線的效率提高達85%以上。
圖1為本發明所述平板天線的發散結構示意圖；圖2是本發明所述加載有左手材料的介質板的結構示意圖；圖3是本發明所述輻射層的結構示意圖；圖4是本發明的諧振腔層；圖5是本發明的耦合層；圖6是本發明的饋電層；圖7利用HFSS對本發明所述平板天線所作出的仿真結果。在圖1-6中，1、加載有左手材料的介質板；2、輻射層；3、諧振腔層；4、耦合層；5、饋電層；6、介質板；7、柵格輻射器；8、輻射縫；9、諧振腔；10、耦合孔；11、T形波導；12、臺階；13、T形波導；14、饋電口 ；15、金屬貼片。
具體實施例方式下面結合實施例和說明書附圖對本發明做詳細的說明，但不限於此。實施例1、一種加載左手材料的高增益高效率的平板天線，包括按照電磁波傳播方向依次設置的饋電層5、耦合層4、諧振腔層3和輻射層2 ;在所述輻射層上設置加載左手材料的介質板I。所述加載左手材料的介質板I包括介電常數為2. 68的介質板6、在所述介質板6上設置有七段數碼「5」形的金屬貼片15 ;所述相鄰金屬貼片15縱向間距為SL=7. 65mm,所述相鄰金屬貼片15橫向間距為SW=2. 75mm ;所述金屬貼片15長為ML=4. 7mm,所述金屬貼片15寬為MW=2mm ;所述金屬貼片15厚度為d=lmm ;所述金屬貼片15按照10行X 32列的排列方式設置在所述的介質板6上。所述金屬貼片15為銅金屬貼片。實施例2、如實施例1所述的一種加載左手材料的高增益高效率的平板天線，其區別在於，所述的輻射層2包括多個輻射單元，每個輻射單元中包括柵格輻射器7，所述每個柵格輻射器7包括四個側壁圍城的矩形柵格側壁和柵格底，在所述的柵格底上設置有輻射縫8。所述每個柵格福射器7的內長L=20mm、內寬W=20mm、內高H=8mm、柵格底厚h=lmm ；所述福射縫8的長FL=12mm、寬FW=2mm。所述每個輻射單元包括16個柵格輻射器7，所述16個柵格輻射器7按照4行X4列的排列方式設置在所述輻射層2上。所述諧振腔層3包括多個諧振腔單元，所述每個諧振腔單元包括4個諧振腔9，所述4個諧振腔9按照2行X2列的排列方式設置在所述諧振腔層3上；所述每個諧振腔9與所述輻射層2上4個柵格輻射 器7對齊。所述耦合層4包括多個耦合單元，所述每個耦合單元包括4個耦合孔10，所述4個耦合孔10按照2行X 2行的排列方式設置在所述耦合層4上；所述每個耦合孔10與所述諧振腔層3上的I個諧振腔9對齊。所述饋電層5包括多個饋電單元，每個饋電單元包括I個饋電網絡，所述饋電網絡與所述耦合層4上的I個耦合單元對齊。所述每個饋電單元中的饋電網絡包括3個相互級聯的T形波導，在其中所述2個T形波導上11設置有4個耦合縫，在另一個T形波導13上設置有饋電口 14，所述4個耦合縫分別與所述耦合單元上的4個耦合孔10對齊。經測試，如圖7所示，HFSS對本發明所述平板天線所作出的仿真結果，與理想的輻射片很相近，完全適合衛星通信的技術要求。
權利要求
1.一種加載左手材料的高增益高效率的平板天線，包括按照電磁波傳播方向依次設置的饋電層、耦合層、諧振腔層和輻射層；其特徵在於，在所述輻射層上設置加載左手材料的介質板。
2.根據權利要求1所述的一種加載左手材料的高增益高效率的平板天線，其特徵在於，所述加載左手材料的介質板包括介電常數為2. 68的介質板、在所述介質板上設置有七段數碼「5」形的金屬貼片；所述相鄰金屬貼片縱向間距為SL=7.65mm，所述相鄰金屬貼片橫向間距為SW=2. 75mm ;所述金屬貼片長為ML=4. 7mm,所述金屬貼片寬為MW=2mm ;所述金屬貼片厚度為d=lmm ;所述金屬貼片按照10行X32列的排列方式設置在所述的介質板上。
3.根據權利要求2所述的一種加載左手材料的高增益高效率的平板天線，其特徵在於，所述「5」形的金屬貼片為銅金屬貼片。
4.根據權利要求1所述的一種加載左手材料的高增益高效率的平板天線，其特徵在於，所述的輻射層包括多個輻射單元，每個輻射單元中包括柵格輻射器，所述每個柵格輻射器包括四個柵格側壁和與每個柵格輻射器相對設置的輻射縫。
5.根據權利要求4所述的一種加載左手材料的高增益高效率的平板天線，其特徵在於，所述每個柵格福射器的內長L=20mm、內寬W=20mm、內高H=8mm、柵格底厚h=lmm ;所述福射縫的長FL=12mm、寬FW=2mm。
6.根據權利要求4所述的一種加載左手材料的高增益高效率的平板天線，其特徵在於，所述每個輻射單元包括16個柵格輻射器，所述16個柵格輻射器按照4行X 4列的排列方式設置在所述輻射層上。
7.根據權利要求6所述的一種加載左手材料的高增益高效率的平板天線，其特徵在於，所述諧振腔層包括多個諧振腔單元，所述每個諧振腔單元包括4個諧振腔，所述4個諧振腔按照2行X 2列的排列方式設置在所述諧振腔層上；所述每個諧振腔與所述輻射層上4個柵格輻射器對齊。
8.根據權利要求7所述的一種加載左手材料的高增益高效率的平板天線，其特徵在於，所述耦合層包括多個耦合單元，所述每個耦合單元包括4個耦合孔，所述4個耦合孔按照2行X 2行的排列方式設置在所述耦合層上；所述每個耦合孔與所述諧振腔層上的I個諧振腔對齊。
9.根據權利要求8所述的一種加載左手材料的高增益高效率的平板天線，其特徵在於，所述饋電層包括多個饋電單元，每個饋電單元包括I個饋電網絡，所述饋電網絡與所述耦合層上的I個耦合單元對齊。
10.根據權利要求8所述的一種加載左手材料的高增益高效率的平板天線，其特徵在於，所述每個饋電單元中的饋電網絡包括3個相互級聯的T形波導，在其中所述2個T形波導上設置有4個耦合縫，在另一個T形波導上設置有饋電口，所述4個耦合縫分別與所述耦合單元上的4個耦合孔對齊。
全文摘要
本發明涉及一種加載左手材料的高增益高效率的平板天線，包括按照電磁波傳播方向依次設置的饋電層、耦合層、諧振腔層和輻射層；在所述輻射層上設置加載左手材料的介質板。本發明採用加載左手材料的介質板設置在所述輻射層的表面，電磁波由饋電口經T形波導進入耦合孔，在耦合孔經過臺階的作用進入諧振腔，在諧振腔中經過輻射縫進入柵格輻射器，在柵格輻射器的上面附有一層加載有左手材料的介質板，所述電磁波通過介質板輻射出去。本發明使整個平板天線的結構緊湊、增益高，實現了現有衛星平板天線高效率、帶寬大、小尺寸的技術要求，其平板天線的效率提高達85%以上。
文檔編號H01Q1/38GK103050776SQ20121055978
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月20日 優先權日2012年12月20日
發明者唐文成, 薛麗麗, 郭希濤, 劉冰 申請人:山東國威衛星通信有限公司