並饋陣列天線的輻射單元及並饋陣列天線的製作方法

2023-05-13 04:43:41

專利名稱：並饋陣列天線的輻射單元及並饋陣列天線的製作方法
技術領域：
該項實用新型主要用於天線的生產設計，尤其涉及並饋陣列天線及其加工成型方法。
背景技術：
介質填充的廣義波導連續縫隙節陣列天線的主要缺點是介質損耗，而且介質損耗在毫米波頻段非常顯著。其它缺點還包括由於介質的不均勻性和各向異性導致的材料參數的不穩定性、介質材料參數隨環境變化的波動性及專用微波材料的高成本，等等。空氣填充的微波結構與介質填充的結構相比較而言，介質損耗顯著變小，並且克服了介質材料本身的不均勻性和各向異性導致的材料參數的不穩定性。另外，由於電磁能量通過空氣而不是介質媒介傳播，因此，廣義波導連續縫隙節陣列天線可以選擇那些有著優良的物理特性但微波特性很差的工程塑料(如ABQ來製作，在這類工程塑料的表面噴塗金屬鍍層能很好地模擬金屬導體。但是空氣填充的微波結構也存在問題，特別是對于波導結構來說，由於微波電路特性需要波導內部尺寸的精確性來保證，而波導結構的產品組裝完畢後是無法通過外部儀器檢測其內部尺寸的加工精度的，這就要求我們要提出一種針對空氣填充的廣義波導連續縫隙節陣列天線的加工方法，這種方法既能嚴格保證各個零部件的準確定位及加工精度，同時又能在波導壁上提供均勻連續的導電縫隙以方便焊接。該項實用新型為並饋廣義波導連續縫隙節陣列天線提供了兩種有效的加工成型方法，該方法也適用於串饋廣義波導連續縫隙節陣列天線的加工成型。
實用新型內容若干個廣義波導連續縫隙節輻射單元排列組合，並由平行板波導組成的饋電網絡並列饋電形成並饋廣義波導連續縫隙節陣列天線。加工並饋廣義波導連續縫隙節陣列天線有兩種方法。第一種方法，採用拉伸或擠壓模具成型，這種方法適用于波導傳輸媒質是介質材料的情形，尤其適合較低頻段的並饋廣義波導連續縫隙節陣列天線；第二種方法，採用分層結構的成型工藝，這種方法主要適用于波導傳輸媒質是空氣的情形，具體包含首先把並饋廣義波導連續縫隙節陣列天線分成若干層，每一層利用傳統機加或模具成型技術；然後，利用超聲波焊接或真空釺焊技術，把這些金屬材料或者外表面做金屬化處理的塑料材料的分層結構組裝並焊接在一起。並饋結構遠比串饋結構複雜，因此本實用新型所涉及的加工成型方法主要針對並饋廣義波導連續縫隙節陣列天線，但也適用於串饋廣義波導連續縫隙節陣列天線的加工成型。對于波導傳輸媒質是介質材料的情形，按照並饋廣義波導連續縫隙節陣列天線的橫截面結構精確設計模具，採用拉伸或擠壓工藝製造出不同寬度的陣列天線的介質構件部分，然後在此介質構件表面做金屬化工藝處理，最後通過研磨工藝研磨掉激勵埠、輻射埠以及沿陣列天線寬度方向的兩個端面上的金屬鍍層，使處於這些位置的介質部分暴露在空氣中，這樣介質構件兩側的金屬部分連同填充介質部分就構成了並饋廣義波導連續縫隙節陣列天線的平行板波導饋電網絡和廣義波導連續縫隙節輻射單元。採用這種工藝，最大的好處在於整個陣列沒有任何拼接縫隙，不需要粘接或焊接。但當陣列天線的寬度顯著時，要保證整個陣列結構可靠，饋電網絡中的阻抗變換段及T型分支就不能太細，因此，這種方法比較適合運用於較低頻段的並饋廣義波導連續縫隙節陣列天線的加工製造。對于波導傳輸媒質是空氣的情形，採用分層工藝，即把整個並饋廣義波導連續縫隙節陣列天線做縱向剖切，從下到上，依次剖分為若干層，每一層利用傳統機加或模具成型技術；然後，利用超聲波焊接或真空釺焊技術，把這些金屬材料或者外表面做金屬化處理的塑料材料的分層結構組裝並焊接在一起。運用這些成熟的工藝過程，可以確保產品具有較低或中等加工成本，以利於產業化進程中的大批量生產。空腔(即空氣傳輸媒質)結構的微波器件與介質填充的結構相比較而言，介質損耗顯著變小，並且克服了介質材料本身的不均勻性和各向異性導致的材料參數的不穩定性；另外，在空腔結構的金屬與空氣交界面處，金屬壁表面非常光滑，而在介質填充結構的金屬與介質交界面處，金屬壁表面比較粗燥，因此，前者的導體損耗遠遠小於後者的導體損耗，尤其在毫米波頻段。由於電磁能量通過空氣而不是介質媒介傳播，因此基於產品成本方面的考慮，廣義波導連續縫隙節陣列天線可以選擇那些有著優良的物理特性但微波特性很差的工程塑料(如ABQ來製作。利用傳統機加或注塑模具製造出各個層狀塑料構件，然後運用金屬化工藝(真空澱積+非電解鍍層)或層壓工藝，在這些層狀塑料構件的表面噴塗或疊壓金屬層用以模擬金屬導體，這種加工成型方法非常適合低成本天線的大批量生產。對於那些需要精密公差配合及結構堅固的應用場合，整個陣列天線的層狀構件就不能選擇塑料，而必須選擇金屬材料(為降低重量，一般選擇鋁材)。為降低導體損耗，這些金屬層狀構件需要做表面處理，最後利用特定的工裝夾具及真空釺焊技術把它們組裝並焊接成一個整體。利用平行板波導組成的饋電網絡對由廣義波導連續縫隙節輻射單元排列組合而成的輻射陣列進行並列(並聯)饋電，形成並饋廣義波導連續縫隙節陣列天線，這種結構的陣列天線具有超寬帶和高效率的特點，非常適用於多功能軍事通信系統或民用通信系統 (數字微波和全球衛星通信)，上述的分層工藝有益於這種並饋廣義波導連續縫隙節陣列天線的加工成型。雙極化並饋廣義波導連續縫隙節陣列天線由兩個單極化並饋廣義波導連續縫隙節陣列天線相互正交而成，這種結構的雙極化並饋廣義波導連續縫隙節陣列天線必須採用介質材料做為波導傳輸媒質。雙極化並饋廣義波導連續縫隙節陣列天線的詳細成型過程， 一共分五步第一步，把雙極化陣列天線的介質填充部分自上而下沿縱向剖切為若干層，每一層利用傳統機加或模具成型技術；第二步，分別對每一層介質構件暴露在空氣中的所有外表面做金屬化工藝或層壓工藝處理；第三步，採用研磨工藝研磨掉每一層指定表面上的金屬鍍層；第四步，利用塑料焊接或粘接技術把各個介質構件層的相應表面無縫連結，同時保證激勵埠表面和輻射口徑表面暴露在空氣中；第五步，利用超聲波焊接或真空釺焊技術把第四步中的連結界面處的金屬鍍層無縫焊接在一起。

通過以下介紹，結合視圖，可以更加容易地理解該項實用新型的特點和優點[0017]圖1 (a)_圖1 (c)分別是單極化並饋廣義波導連續縫隙節陣列天線採用拉伸工藝結構的立體視圖、俯視圖及A-A剖視圖；圖2(a)-圖2(c)分別是另一種結構形式的單極化並饋廣義波導連續縫隙節陣列天線採用拉伸工藝結構的立體視圖、上視圖及A-A剖視圖；圖3(a)-圖3(c)分別是單極化並饋廣義波導連續縫隙節陣列天線採用分層工藝結構的立體視圖、俯視圖及A-A剖視圖；圖4(a)-圖4(c)分別是圖3 (a)-圖3 (c)中第一層部件的上視圖、A-A剖視圖及下視圖；圖5(a)-圖5(c)分別是圖3 (a)-圖3 (c)中第二層部件的上視圖、A-A剖視圖及下視圖；圖6(a)-圖6(c)分別是圖3(a)-圖3 (c)中第三層部件的上視圖、A-A剖視圖及下視圖；圖7(a)-圖7(c)分別是圖3 (a)-圖3 (c)中第四層部件的上視圖、A-A剖視圖及下視圖；圖8(a)-圖8(c)分別是雙極化並饋廣義波導連續縫隙節陣列天線採用分層工藝結構的立體視圖、側視圖及上視圖；圖9是圖8 (a)-圖8 (c)立體視圖的爆炸視圖；圖10(a)-圖10(d)分別是圖9中第一層部件的下視圖、剖視圖及上視圖；圖11(a)-圖11(d)分別是圖9中第二層部件的下視圖、剖視圖及上視圖；圖12(a)-圖12(d)分別是圖9中第三層部件的下視圖、剖視圖及上視圖；圖13(a)-圖13(d)分別是圖9中第四層部件的下視圖、剖視圖及上視圖；圖14是廣義波導連續縫隙節輻射單元示意圖。
具體實施方式
圖1 (a)-圖1 (c)分別是單極化並饋廣義波導連續縫隙節陣列天線70採用拉伸工藝結構的立體視圖、俯視圖及A-A剖視圖，其中隱去了金屬鍍層部分，呈現的是介質填充部分。由多級1/4波長階梯阻抗變換器和T型分支構成的超寬帶饋電網絡(第一、二、三層) 對由廣義波導連續縫隙節輻射單元61a 61h構成的輻射陣列並列饋電，形成單極化並饋廣義波導連續縫隙節陣列天線70。陣列天線70的介質填充部分由精確設計的一體化模具拉伸或擠壓所成，然後對此介質構件表面做金屬化工藝或層壓工藝處理，從而在該介質構件表面形成一層均勻的金屬鍍層(圖中已隱去)，最後採用研磨工藝研磨掉激勵埠表面 60i、輻射埠表面60a 60h以及沿陣列天線70寬度方向的兩個端面60 j和60k上的金屬鍍層，使處於這些位置的介質部分暴露在空氣中，這樣介質構件兩側的金屬部分連同填充介質部分就構成了並饋廣義波導連續縫隙節陣列天線70。廣義波導連續縫隙節輻射單元11如圖14所示，是平行板波導或傳輸線的一部分。 輻射單元U包含介質結構和金屬結構；介質結構分為兩部分，第二部分介質102是第一部分介質101沿輻射單元能量傳播方向的結構延伸，這兩部分介質的介電常數、可以相同也可以不同；金屬結構也分為兩部分，第一部分金屬導體層120覆蓋在第一部分介質101的下表面和第二部分介質102的側壁，第二部分金屬導體層130覆蓋在第一部分介質101的上表面和第二部分介質102的側壁。切向縫隙節單元11有一個輻射能量的橫向凸起15 (內部填充第二部分介質10 ，它的末端沒有金屬覆蓋，暴露在自由空間中。橫向凸起15是一級或若干級漸開平板波導級聯構成(該示意圖中橫向凸起15由四級漸開平板波導級聯所成，據此稱之為四級廣義波導連續縫隙節輻射單元，級數可以根據需要設置，其中第一級漸開平板波導的展開角為α 1，長度為Ll ；第二級漸開平板波導的展開角為^2，長度為1^2 ； 第三級漸開平板波導的展開角為α 3，長度為L3;第四級漸開平板波導的展開角為α 4，長度為L4)，其中可以填充空氣和介質材料％，分布於平行板波導側面的某一面。由線源激勵起沿χ方向傳播的入射波導模式，該模式進一步在切向縫隙節單元11內部沿Χ方向傳播， 並輻射到自由空間中去。輻射電場矢量是ζ方向的線極化，輻射磁場矢量是_y方向的線極化，按照輻射方向圖主平面的定義最大輻射方向處的電場方向與能量傳播方向構成E面， 最大輻射方向處的磁場方向與能量傳播方向構成H面，廣義波導連續縫隙節輻射單元11的 E面是X0Z平面，H面是xoy平面。利用廣義波導連續縫隙節輻射單元組陣，可以構成微波、 毫米波和準光學頻段的陣列天線。廣義波導連續縫隙節從平行板波導耦合能量的耦合係數只取決於橫截面的幾何尺寸，而與工作頻率和介質的介電常數ε r無關，因此廣義波導連續縫隙節輻射單元11從本質上具有寬帶特性，同時對機械形變及材料參數的變化具有魯棒性。廣義波導連續縫隙節輻射單元11的另一種變形，可由若干段扇環級聯演變為若干段梯形級聯，可以使廣義波導連續縫隙節輻射單元的結構更簡單，加工成本更低。圖2(a)-圖2(c)分別是另一種結構形式的單極化並饋廣義波導連續縫隙節陣列天線71採用拉伸工藝結構的立體視圖、上視圖及A-A剖視圖，其中隱去了金屬鍍層部分，呈現的是介質填充部分。基於圖1 (a)-圖1 (c)中同樣的原因，需要採用研磨工藝研磨掉62a、 62b、62c和62d表面的金屬鍍層，使處於這些位置的介質部分暴露在空氣中。陣列天線71 與70在結構上最顯著的不同之處在於陣列天線71的廣義波導連續縫隙節輻射單元之間通過一段加強筋相互連結而成為一個整體，這種結構大大加強了陣列天線71的結構強度和穩定性。圖3 (a)-圖3 (c)分別是單極化並饋廣義波導連續縫隙節陣列天線72採用分層工藝結構的立體視圖、俯視圖及A-A剖視圖。由8個廣義波導連續縫隙節輻射單元63d及由多級1/4波長階梯阻抗變換器和T型分支構成的超寬帶饋電網絡(第一、二、三層)構建的空腔(即空氣傳輸媒質)結構的並饋廣義波導連續縫隙節陣列天線72自下向上縱向剖切成四層第一層包含激勵線源輸入埠 63及1個二路功率分配器63a的水平臂的下壁和側壁；第二層包含1個二路功率分配器63a的水平臂的上壁、2個垂直波導節6 及2個二路功率分配器63b的水平臂的下壁和側壁；第三層包含2個二路功率分配器63b的水平臂的上壁、4個垂直波導節64b及4個二路功率分配器63c的水平臂的下壁和側壁；第四層包含4個二路功率分配器63c的水平臂的上壁、8個垂直波導節6 及8個廣義波導連續縫隙節輻射單元63d。每一層利用傳統機加或模具成型技術，然後利用超聲波焊接或真空釺焊技術，把這些金屬材料或者外表面做金屬化處理的塑料材料的分層結構組裝並焊接在一起。焊接之前，每一層構件都必須保證至少有一個敞開面用於外部檢測儀器的檢測，並且每一層均可以挖去一些不需要的部分以降低重量。圖4(a) -圖7(c)分別單獨顯示了圖3 (a)-圖3 (c)中第一、二、三及四層部件的上視圖、A-A剖視圖及下視圖，從中可以清晰地了解每一層的結構細節。圖8(a)-圖8(c)是雙極化並饋廣義波導連續縫隙節陣列天線73的立體視圖、側視圖及上視圖，為清晰起見，隱去了金屬鍍層部分，只呈現介質填充部分。原理上，它是由兩個圖1(a)-圖1(c)所示的單極化並饋廣義波導連續縫隙節陣列天線70相互正交而成，這種結構的雙極化並饋廣義波導連續縫隙節陣列天線73必須採用介質材料做為波導傳輸媒質。圖9是圖8(a)-圖8 (c)所示的雙極化並饋廣義波導連續縫隙節陣列天線73採用分層工藝結構的爆炸視圖，為清晰起見，隱去了金屬鍍層部分，只呈現介質填充部分。圖 9清晰地反映了雙極化並饋廣義波導連續縫隙節陣列天線73的詳細成型過程，一共分五步第一步，把雙極化陣列天線73的介質填充部分自上而下沿縱向剖切為四層，每一層利用傳統機加或模具成型技術；第二步，分別對每一層介質構件暴露在空氣中的所有外表面做金屬化工藝或層壓工藝處理；第三步，採用研磨工藝研磨掉每一層指定表面上的金屬鍍層(第一層介質構件的80a、80b、81a、81b ；第二層介質構件的81a、81b、8h、8^ ；第三層介質構件的82a、82b、83a、83b ；第四層介質構件的83a、8;3b及下側面)；第四步，利用塑料焊接或粘接技術把各個介質構件層的相應表面無縫連結(第一層的8la、8Ib分別與第二層的 81a、81b相連，第二層的82a、^b分別與第三層的82a、^b相連，第三層的83a、8;3b分別與第四層的83a、8;3b相連)，第一層的80a、80b和第四層的下側面分別做為激勵埠和輻射口徑暴露在空氣中；第五步，利用超聲波焊接或真空釺焊技術把第四步中的連結界面處的金屬鍍層無縫焊接在一起。圖10(a)-圖13(d)分別單獨顯示了圖9中第一、二、三及四層部件的下視圖、剖視圖及上視圖，從中可以清晰地了解每一層的結構細節。
權利要求1.一種並饋陣列天線的輻射單元，其特徵在於，並饋陣列天線的輻射單元包括介質結構和金屬結構；介質結構分為兩部分，第二部分介質是第一部分介質沿輻射單元能量傳播方向的結構延伸；金屬結構也分為兩部分，第一部分金屬導體層覆蓋在第一部分介質的下表面和第二部分介質的側壁，第二部分金屬導體層覆蓋在第一部分介質的上表面和第二部分介質的側壁。
2.如權利要求1所述的輻射單元，其特徵在於，第二部分介質的橫向尺寸和整個介質結構的橫向尺寸相同。
3.如權利要求1所述的輻射單元，其特徵在於，第一部分介質、第二部分介質、第一部分金屬導體層及第二部分金屬導體層的相對兩個側壁被截斷，形成有限寬度的切向縫隙節單元。
4.如權利要求3所述的輻射單元，其特徵在於，第一部分介質、第二部分介質的側壁覆蓋金屬，第一部分金屬導體層、第二部分金屬導體層的側壁覆蓋金屬；或者第一部分介質、 第二部分介質的側壁覆蓋非金屬，第一部分金屬導體層、第二部分金屬導體層的側壁覆蓋非金屬；或者第一部分介質、第二部分介質的側壁覆蓋吸收材料，第一部分金屬導體層、第二部分金屬導體層的側壁覆蓋吸收材料。
5.如權利要求1所述的輻射單元，其特徵在於，第二部分介質的橫截面是漸變形式的。
6.如權利要求1所述的輻射單元，其特徵在於，第二部分介質有一級以上的臺階。
7.如權利要求6所述的輻射單元，其特徵在於，所述一級以上的臺階的截面為一段或若干段以一定張角展開的扇環形或梯形。
8.如權利要求1所述的輻射單元，其特徵在於，介質結構包含的第二部分介質形成的突起是第一部分介質沿輻射單元能量傳播方向的延伸，突起之間互相隔離，按一定間距排成輻射陣列。
9.如權利要求8所述的輻射單元，其特徵在於，第二部分介質或者橫向凸起之間通過加強筋連接。
10.並饋陣列天線，其特徵在於，包含若干如權利要求1-9任意一項所述的輻射單元， 若干輻射單元排列成輻射陣列，經由饋電網絡並列饋電，構成並饋陣列天線。
11.一種雙極化並饋陣列天線，其特徵在於，由權利要求10所述的並饋陣列天線正交而成。
專利摘要本實用新型涉及並饋陣列天線及其加工成型方法。並饋陣列天線包含若干輻射單元，若干輻射單元排列成輻射陣列，經由饋電網絡並列饋電，構成並饋陣列天線；輻射單元包括介質結構和金屬結構；介質結構分為兩部分，第二部分介質是第一部分介質沿輻射單元能量傳播方向的結構延伸；金屬結構也分為兩部分，第一部分金屬導體層覆蓋在第一部分介質的下表面和第二部分介質的側壁，第二部分金屬導體層覆蓋在第一部分介質的上表面和第二部分介質的側壁。本實用新型的陣列天線具有超寬帶和高效率的特點。
文檔編號H01Q1/38GK202205886SQ201120133318
公開日2012年4月25日 申請日期2011年4月29日 優先權日2011年4月29日
發明者劉建江 申請人:劉建江