相位幅度阻抗校準的平面喇叭天線的製作方法

2023-08-11 07:01:11 2

專利名稱：相位幅度阻抗校準的平面喇叭天線的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種平面喇叭天線，尤其是一種相位幅度阻抗校準的平面喇叭天線。
背景技術：
喇叭天線在衛星通信、地面微波鏈路及射電望遠鏡等系統中有著廣泛的應用。但是，三維喇叭天線的較大的幾何尺寸和與平面電路工藝的不兼容使得它的成本較高，從而限制了其應用的發展。近年來，基片集成波導技術的提出和發展很好的促進了平面喇叭天線的發展。基片集成波導有尺寸小、重量輕、易於平面集成和加工製作簡單等優點。基於基片集成波導的基片集成波導平面喇叭天線除了具有喇叭天線的特點外，還很好的實現了喇叭天線的小型化、輕型化，而且易於集成在微波毫米波平面電路中，但傳統的基片集成波導平面喇叭天線的增益相對比較低，其原因在於由於喇叭口不斷的張開，導致電磁波傳播到 喇叭口徑面時出現相位不同步，口徑電場強度的相位分布不均勻，輻射方向性和增益降低，而且口徑面上電磁波的波阻抗不同於自由空間的波阻抗，在介質與喇叭分界面上引起了電磁波反射、影響了天線的回波損耗和輻射性能；另外口徑面上電磁場的幅度也很不均勻，中間大兩邊小，這也影響天線的輻射性能。目前已有採用介質加載、介質稜鏡等方法，矯正喇叭口徑場相位的不同步，但是這些方法都不能改善口徑面上喇叭天線與自由空間波阻抗的不一致，也不能改善口徑面上電磁場幅度分布的均勻性，而且這些相位校準結構增加了天線的整體結構尺寸。

發明內容
技術問題本發明的目的是提出一種相位幅度阻抗校準的平面喇叭天線，該平面喇叭天線內部嵌有金屬化過孔陣列用以矯正天線口徑面上電磁波的相位不一致、幅度的不均勻以及天線與自由空間波阻抗的不一致，提高天線的口徑效率和增益，減少天線的反射。技術方案本發明的相位幅度阻抗校準的平面喇叭天線包括設置在介質基板上的微帶饋線、基片集成波導喇叭天線和內嵌金屬化過孔；所述微帶饋線的一端是天線的輸入輸出埠，微帶饋線的另一端與基片集成波導喇叭天線的窄埠相接；基片集成波導喇叭天線由位於介質基板一面的第一金屬平面、位於介質基板另一面的第二金屬平面和穿過介質基板連接第一金屬平面和第二金屬平面的兩排金屬化過孔喇叭側壁組成；基片集成波導喇叭天線中內嵌的金屬化過孔連接第一金屬平面和第二金屬平面，並構成金屬化過孔陣列；中間金屬化過孔陣列、左邊金屬化過孔陣列和右邊金屬化過孔陣列在喇叭天線中形成第一介質填充波導、第二介質填充波導、第三介質填充波導和第四介質填充波導。金屬化過孔陣列中，中間金屬化過孔陣列位於基片集成波導喇叭天線的兩個側壁中間的位置，並把基片集成波導喇叭天線分為左右對稱的兩部分，在中間的金屬化過孔陣列的兩側，對稱的有左邊介質填充波導和右邊介質填充波導。中間金屬化過孔陣列是由頭端直線段、多邊形和尾端直線段三段相連構成，中間金屬化過孔陣列的頭端靠近基片集成波導喇叭天線的窄埠，中間金屬化過孔陣列的尾端在天線口徑面。金屬化過孔陣列中，左邊金屬化過孔陣列把左邊介質填充波導分成第一介質填充波導和第二介質填充波導，右邊金屬化過孔陣列把右邊的介質填充波導分成第三介質填充波導和第四介質填充波導。左邊金屬化過孔陣列和右邊金屬化過孔陣列形狀都是由頭端直線段、多邊形和尾端直線段三段相連構成，左邊金屬化過孔陣列和右邊金屬化過孔陣列的頭端都朝著喇叭天線的窄埠的方向，左邊金屬化過孔陣列和右邊金屬化過孔陣列的尾端在天線口徑面上。中間金屬化過孔陣列、左邊金屬化過孔陣列和右邊金屬化過孔陣列中的頭端直線段或者尾端直線段的形狀可以是直線、折線或指數線等，其長度可以是零或者是有限長度；中間金屬化過孔陣列、左邊金屬化過孔陣列和右邊金屬化過孔陣列中的多邊形可以是三角形、四邊形、五邊形或其它多邊形，多邊形的一條邊或者多條邊的形狀可以是直線、弧線或其它曲線。
左邊介質填充波導、右邊介質填充波導、第一介質填充波導、第二介質填充波導、第三介質填充波導和第四介質填充波導的寬度均要保證其主模可以在左邊介質填充波導、右邊介質填充波導、第一介質填充波導、第二介質填充波導、第三介質填充波導和第四介質填充波導中傳輸而不被截止。第一介質填充波導、第二介質填充波導、第三介質填充波導和第四介質填充波導的一端均朝著天線窄埠的方向，第一介質填充波導、第二介質填充波導、第三介質填充波導和第四介質填充波導另一端均在天線口徑面上，並且第一介質填充波導、第二介質填充波導、第三介質填充波導和第四介質填充波導在天線口徑面上埠的寬度一樣；第一介質填充波導、第二介質填充波導、第三介質填充波導和第四介質填充波導在天線口徑面埠的波阻抗都等於自由空間的波阻抗。選擇左邊金屬化過孔陣列中頭端直線段或多邊形在左邊介質填充波導中的位置，使得通過第一介質填充波導和第二介質填充波導中傳輸的兩路電磁波等幅同相到達天線的口徑面上輻射。選擇右邊金屬化過孔陣列中頭端直線段或多邊形在右邊介質填充波導中的位置，使得通過第三介質填充波導和第四介質填充波導中傳輸的兩路電磁波等幅同相到達天線的口徑面上輻射。兩排金屬化過孔喇叭側壁，由一段窄平行段接一段逐漸張開成喇叭形然後再接一段寬平行段構成。金屬化過孔喇叭側壁中，相鄰的兩個金屬化過孔的間距要小於或等於工作波長的十分之一，使得構成的金屬化過孔喇叭側壁能夠等效為電壁；相鄰的兩個金屬化過孔的間距要等於或者小於工作波長的十分之一，使得構成的中間金屬化過孔陣列、左邊金屬化過孔陣列和右邊金屬化過孔陣列可以等效為電壁。在介質填充波導中，電磁波主模(TE10模)的傳播相速和波阻抗都與介質填充波導的寬度有關，介質填充波導的寬度越寬，主模的傳播相速和波阻抗就越低；反之，介質填充波導的寬度越窄，主模的傳播相速和波阻抗就越高。電磁波從微帶饋線的一端輸入，經過微帶饋線的另一端進入基片集成波導喇叭天線，傳播一段距離後，遇到中間的金屬化過孔陣列，就分成功率相等的兩路分別進入左右兩個介質填充波導傳輸。左右兩個介質填充波導完全對稱，以左邊的介質填充波導為例說明。當電磁波進入左邊的介質填充波導傳輸後一段距離後，將遇到一個金屬化過孔陣列，再被分成兩路通過介質填充波導向口徑面傳輸；調整中間金屬化過孔陣列中多邊形頂點的位置、調整左邊的介質填充波導該金屬化過孔陣列頭端的位置以及金屬化過孔陣列中多邊形頂點的位置，可以改變這兩路電磁波傳輸的相對相速，使得這兩路電磁波同相到達天線的口徑面，同時可以使得通過這兩個介質填充波導傳輸的電磁波的功率也相等；電磁波在右邊的介質填充波導中傳輸也是同樣的情況，這樣在天線的口徑面四個寬度相等的埠，電磁波的相位和幅度都一致，因而達到提高天線的口徑效率和增益的目的，而且由於電磁波在這四個介質填充波導中的波阻抗都等於自由空間的波阻抗，即介質填充波導的埠寬度a都滿足條件a = λ/(2ν ^1)，也就是埠寬度a等於自由空間波長λ除於介質相對介電常數ε減I的平方根的兩倍，因此天線口徑面的反射就小。有益效果本發明相位幅度阻抗 校準的平面喇叭天線的有益效果是，提高了天線口徑面上電磁波的相位和幅度的一致性、同時又使得口徑面上天線電磁波的波阻抗等於自由空間的波阻抗，從而提高了天線的增益和減小了天線的回波損耗。


圖1為相位幅度阻抗校準的平面喇叭天線正面結構示意圖。圖2為相位幅度阻抗校準的平面喇叭天線反面結構示意圖。圖中有微帶饋線1、基片集成波導喇叭天線2、內嵌金屬化過孔3、介質基板4、天線的輸入輸出埠 5，天線2的窄埠 6、導帶7、第一金屬平面8、接地面9、第二金屬平面10、金屬化過孔喇叭側壁11、天線的窄平行段12、天線的寬平行段13、金屬化過孔陣列14、中間金屬化過孔陣列15、左邊介質填充波導16、右邊介質填充波導17、中間金屬化過孔陣列直線的頭端18、中間金屬化過孔陣列直線的尾端19、天線的口徑面20、左邊金屬化過孔陣列21、右邊金屬化過孔陣列22、第一介質填充波導23、第二介質填充波導24、第三介質填充波導25和第四介質填充波導26。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。本發明所採用的實施方案是相位幅度阻抗校準的平面喇叭天線包括微帶饋線1、基片集成波導喇叭天線2和內嵌金屬化過孔3，這三部分都集成在同一塊介質基板4上，微帶饋線I的一端是天線的輸入輸出埠 5，微帶饋線I的另一端與基片集成波導喇叭天線2的窄埠 6相接，微帶饋線I的導帶7與基片集成波導喇叭天線的第一金屬平面8相接，微帶饋線I的接地面9與基片集成波導喇叭天線的第二金屬平面10相接；基片集成波導喇叭天線2由兩個金屬平面8和10及兩排金屬化過孔喇叭側壁11組成，兩個金屬平面8和10分別位於介質基板4的兩面，連接兩個金屬平面8和10的兩排金屬化過孔側壁11，先是構成一段天線的窄平行段12、再逐漸張開成喇叭形、然後再變成天線的寬平行段13 ;在基片集成波導喇叭天線2中內嵌的金屬化過孔3連接兩個金屬平面8和10，這些內嵌的金屬化過孔3構成三個金屬化過孔陣列14 ;其中中間的金屬化過孔陣列15位於喇叭天線兩側壁11中間的位置，在中間的金屬化過孔陣列15的兩側，對稱的有左邊介質填充波導16和右邊介質填充波導17 ;中間金屬化過孔陣列15形狀是一段頭端直線段接多邊形再接一段尾端直線段，中間金屬化過孔陣列15的頭端18朝著喇叭天線的窄埠 6的方向，中間金屬化過孔陣列15的尾端19伸到喇叭天線的口徑面20 ;在喇叭天線左邊的介質填充波導16中有一個金屬化過孔陣列21，把介質填充波導16分成第一介質填充波導23和第二介質填充波導24 ;在喇叭天線右邊的介質填充波導17中，有一個金屬化過孔陣列22，把介質填充波導17分成第三介質填充波導25和第四介質填充波導26 ;金屬化過孔陣列21和22形狀都是一段頭端直線段接多邊形再接一段尾端直線段，這些金屬化過孔陣列21和22的頭端都朝著喇叭天線2的窄埠 6的方向、金屬化過孔陣列21和22的尾端在喇叭天線2的口徑面20上；這些金屬化過孔陣列15、21和22在天線2的寬平行段13形成四個寬度相等的介質填充波導23、24、25和26，並且設定介質填充波導的寬度使得介質填充波導23、24、25和26在天線口徑面的波阻抗都等於自由空間的波阻抗。在介質填充波導中，電磁波主模(TE10模)的傳播的相速和波阻抗都與介質填充波導的寬度有關，介質填充波導的寬度越寬，主模的傳輸相速和波阻抗就越低；反之，介質填充波導寬度越窄，主模的傳輸相速和波阻抗就越高。電磁波從天線的埠 5進入微帶饋線I 的一端，經過微帶饋線I進入基片集成波導喇叭天線2的窄埠 6，傳播一段距離後，遇到中間金屬化過孔陣列15，由於對稱性，電磁波就分成功率相等的兩路分別進入左邊介質填充波導16和右邊介質填充波導17傳輸。左右兩個介質填充波導16和17完全對稱，以左邊的介質填充波導16為例說明，當電磁波進入左邊的介質填充波導16傳輸後一段距離後，將遇到一個左邊金屬化過孔陣列21，再被分成兩路分別通過介質填充波導23和24向天線口徑面20的方向傳輸，調整中間金屬化過孔陣列15中多邊形頂點的位置、調整左邊介質填充波導16中金屬化過孔陣列21的頭端的位置以及金屬化過孔陣列21中多邊形頂點的位置，可以保證通過介質填充波導23和介質填充波導24傳輸的電磁波的功率相等，並且同相到達天線的口見面20 ;電磁波在右邊的介質填充波導17中傳輸也是同樣的情況，這樣在天線的口徑面四個寬度相等的埠，電磁波的相位和幅度都一致，因而達到提高天線的口徑效率和增益的目的，而且由於電磁波在介質填充波導23、24、25和26中的波阻抗都等於自由空間的波阻抗，即介質填充波導23、24、25和26的埠寬度a都滿足條件a = A/(2V ^I),也就是埠寬度a等於自由空間波長λ除於介質相對介電常數ε減I的平方根的兩倍，因此天線口徑面的反射就小。在工藝上，相位幅度阻抗校準的平面喇叭天線既可以採用普通的印刷電路板(PCB)工藝，也可以採用低溫共燒陶瓷(LTCC)工藝或者CM0S、Si基片等集成電路工藝實現。其中金屬化過孔3、11可以是空心金屬通孔也可以是實心金屬孔，也可以是連續的金屬化壁，金屬通孔的形狀可以是圓形，也可以是方形或者其他形狀的。在結構上，由於要滿足波阻抗相等條件，介質填充波導的埠寬度是一定的，因而天線口徑面20的寬度就不能任意設定，因為要保持介質填充波導在埠的波阻抗等於自由空間的波阻抗，介質基板4的介電常數一定，則介質填充波導的埠寬度也一定，因此天線口徑面處的介質填充波導數量增加一倍,天線的口徑面20寬度也要增加一倍。依據同樣的思路，可以再加四條金屬化過孔陣列把四個介質填充波導分成八個介質填充波導，並使得通過這八個介質填充波導到達天線口徑面20上的電磁波相位和功率一樣、且埠波阻抗都等於自由空間的波阻抗，這樣不僅天線的反射小，而且同時口徑面20上的幅度分布更為均勻，但天線口徑面20的總寬度要增加一倍。由于越靠近天線的金屬化過孔側壁11，電磁波到達天線口徑面20的路程越遠，因此相對於離金屬化過孔側壁11較遠的介質填充波導，離金屬化過孔側壁11較近的介質填充波導的寬度相對較窄以得到較高的電磁波傳輸相速。天線中間金屬化過孔陣列15、左邊金屬化過孔陣列21和右邊金屬化過孔陣列22中的多邊形可以是三角形、四邊形、五邊形或其它多邊形，這些多邊形的一條邊或者多條邊的 形狀可以是直線、弧線或其它曲線；金屬化過孔陣列21和22中的頭端直線段和尾端直線段的形狀可以是直線、折線、指數線等。根據以上所述，便可實現本發明。
權利要求
1.一種相位幅度阻抗校準的平面喇叭天線，其特徵在於該天線包括設置在介質基板(4)上的微帶饋線(I)、基片集成波導喇叭天線(2)和內嵌金屬化過孔(3);所述微帶饋線 (O的一端是天線的輸入輸出埠(5)，微帶饋線(I)的另一端與基片集成波導喇叭天線 (2)的窄埠(6)相接；基片集成波導喇叭天線(2)由位於介質基板(4) 一面的第一金屬平面(8)、位於介質基板(4)另一面的第二金屬平面(10)和穿過介質基板(4)連接第一金屬平面(8)和第二金屬平面(10)的兩排金屬化過孔喇叭側壁(11)組成；基片集成波導喇叭天線(2)中內嵌的金屬化過孔(3)連接第一金屬平面(8)和第二金屬平面(10)，並構成金屬化過孔陣列(14);中間金屬化過孔陣列(15)、左邊金屬化過孔陣列(21)和右邊金屬化過孔陣列 (22)在喇叭天線(2)中形成第一介質填充波導(23)、第二介質填充波導(24)、第三介質填充波導(25)和第四介質填充波導(26)。
2.根據權利要求1所述的一種相位幅度阻抗校準的平面喇叭天線，其特徵在於所述的金屬化過孔陣列(14)中，中間金屬化過孔陣列(15)位於基片集成波導喇叭天線(2)的兩個側壁(11)中間的位置，並把基片集成波導喇叭天線(2)分為左右對稱的兩部分，在中間的金屬化過孔陣列(15)的兩側，對稱的有左邊介質填充波導(16)和右邊介質填充波導(17)。
3.根據權利要求1或2所述的一種相位幅度阻抗校準的平面喇叭天線，其特徵在於所述的中間金屬化過孔陣列(15)是由頭端直線段、多邊形和尾端直線段三段相連構成，中間金屬化過孔陣列(15)的頭端(18)靠近基片集成波導喇叭天線(2)的窄埠(6)，中間金屬化過孔陣列(15 )的尾端(19 )在天線口徑面(20 )。
4.根據權利要求1或2所述的一種相位幅度阻抗校準的平面喇叭天線，其特徵在於所述的金屬化過孔陣列(14)中，左邊金屬化過孔陣列(21)把左邊介質填充波導(16)分成第一介質填充波導(23)和第二介質填充波導(24)，右邊金屬化過孔陣列(22)把右邊的介質填充波導(17)分成第三介質填充波導(25 )和第四介質填充波導(26 )。
5.根據權利要求1所述的一種相位幅度阻抗校準的平面喇叭天線，其特徵在於所述的左邊金屬化過孔陣列(21)和右邊金屬化過孔陣列(22)形狀都是由頭端直線段、多邊形和尾端直線段三段相連構成，左邊金屬化過孔陣列(21)和右邊金屬化過孔陣列(22)的頭端都朝著喇叭天線的窄埠(6)的方向，左邊金屬化過孔陣列(21)和右邊金屬化過孔陣列 (22 )的尾端在天線口徑面(20 )上。
6.根據權利要求1或5所述的一種相位幅度阻抗校準的平面喇叭天線，其特徵在於所述的中間金屬化過孔陣列(15)、左邊金屬化過孔陣列(21)和右邊金屬化過孔陣列(22)中的頭端直線段或者尾端直線段的形狀可以是直線、折線或指數線等，其長度可以是零或者是有限長度；中間金屬化過孔陣列(15)、左邊金屬化過孔陣列(21)和右邊金屬化過孔陣列 (22)中的多邊形可以是三角形、四邊形、五邊形或其它多邊形，多邊形的一條邊或者多條邊的形狀可以是直線、弧線或其它曲線。
7.根據權利要求1或2所述的一種相位幅度阻抗校準的平面喇叭天線，其特徵在於所述的左邊介質填充波導(16)、右邊介質填充波導(17)、第一介質填充波導(23)、第二介質填充波導(24)、第三介質填充波導(25 )和第四介質填充波導(26 )的寬度均要保證其主模可以在左邊介質填充波導(16)、右邊介質填充波導(17)、第一介質填充波導(23)、第二介質填充波導(24)、第三介質填充波導(25)和第四介質填充波導(26)中傳輸而不被截止。
8.根據權利要求7所述的一種相位幅度阻抗校準的平面喇叭天線，其特徵在於所述的第一介質填充波導(23)、第二介質填充波導(24)、第三介質填充波導(25)和第四介質填充波導(26)的一端均朝著天線窄埠(6)的方向，第一介質填充波導(23)、第二介質填充波導(24)、第三介質填充波導(25)和第四介質填充波導(26)另一端均在天線口徑面(20)上， 並且第一介質填充波導(23)、第二介質填充波導(24)、第三介質填充波導(25)和第四介質填充波導(26)在天線口徑面(20)上埠的寬度一樣；第一介質填充波導(23)、第二介質填充波導(24 )、第三介質填充波導(25 )和第四介質填充波導(26 )在天線口徑面(20 )埠的波阻抗都等於自由空間的波阻抗。
9.根據權利要求1所述的一種相位幅度阻抗校準的平面喇叭天線，其特徵在於選擇左邊金屬化過孔陣列(21)中頭端直線段或多邊形在左邊介質填充波導(16)中的位置，使得通過第一介質填充波導(23)和第二介質填充波導(24)中傳輸的兩路電磁波等幅同相到達天線的口徑面(20)上輻射。
10.根據權利要求1所述的一種相位幅度阻抗校準的平面喇叭天線，其特徵在於選擇右邊金屬化過孔陣列(22)中頭端直線段或多邊形在右邊介質填充波導(17)中的位置，使得通過第三介質填充波導(25)和第四介質填充波導(26)中傳輸的兩路電磁波等幅同相到達天線的口徑面(20)上輻射。
全文摘要
相位幅度阻抗校準的平面喇叭天線涉及一種平面喇叭天線。該天線包括集成在一塊介質基板(4)上的微帶饋線(1)、喇叭天線(2)和金屬化過孔(3)，微帶饋線(1)連接天線埠(5)和天線窄埠(6)，喇叭天線(2)由第一金屬平面(8)、第二金屬平面(10)和兩排金屬化過孔喇叭側壁(11)組成，由金屬化過孔(3)構成的中間金屬化過孔陣列(15)、左邊金屬化過孔陣列(21)和右邊金屬化過孔陣列(22)，在喇叭天線(2)中形成四個介質填充波導，電磁波通過這些介質填充波導等幅同相到達天線口徑面(20)上，且介質填充寬度使介質填充波導波阻抗等於自由空間波阻抗。該天線可以提高天線增益和減少回波損耗。
文檔編號H01Q13/02GK103022666SQ20121056257
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月21日 優先權日2012年12月21日
發明者殷曉星, 趙洪新, 王磊 申請人:東南大學