利用異向介質材料天線罩的多波束天線的製作方法

2023-04-22 21:24:11 4

專利名稱：利用異向介質材料天線罩的多波束天線的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種無限通信領域的發射接收系統的天線，特別是涉及一種利 用條狀金屬單元結構天線罩的多波束天線。
背景技術：
隨著高新技術的飛速發展，電子技術在軍事和民用中的核心支撐作用越來 越明顯。特別是現代戰爭更加劇了電磁領域的對抗。戰場態勢瞬息萬變，信息 交流更加頻繁，必須隨時保障通信暢通，因此擁有強有力的抗幹擾通信和通信 幹擾工具顯得尤為重要。而在民用方面，移動通信是當今社會十分普及的技術 應用，行動電話已經成為了人們必備的通信工具。
近十年來，隨著移動通信、寬帶商用通信技術的發展，星載多波束天線技 術受到了各國的普遍重視，發展迅速。多波束天線已經成為下一代衛星天線的 發展方向。各國均開展了多波束天線的研製和相關關鍵技術的攻關，並取得了 重大進展。天線設計及波束設計是多波束天線的關鍵技術之一。
但是很多傳統的多波束天線，都存在很大的缺陷。例如用反射面天線實現 多波束時，為了避免由於饋源陣尺寸龐大而造成的遮擋影響，天線採用偏置拋 物面形式，饋源陣處在焦平面上。但是這種方法造成了多波束間能量和方向性 差別很大.而在陣饋反射面類型和多元陣類型的多波束天線中，波束形成網絡往 往非常複雜，而且還帶來了相當的插入損耗，增加了天線的體積和質量。因此，
在實際多波束天線製作中,反射面天線的口徑D、焦距F、喇叭尺寸以及饋源陣的 排列、工作頻率的選擇等等，這些因素相互制約。波束設計就是用一組合適的 波束來覆蓋服務區。優化過程是在綜很多種因素、兼顧不同需求的條件下，反
複比較、篩選中完成的。在天線設計及波束優化中需要考慮和滿足下列要求 子波束指向地圖上的指定位置。為使系統能正常運行，服務區內波束增益的起
伏應控制在2dB左右。子波束交接電平的選擇應兼顧上、下行工作頻率及中心波 束與邊緣波束。高增益、低旁瓣和高波束效率的要求。綜上所述，利用傳統方法 製作一個高指標的多波束天線相當難.

發明內容
為了克服現有的多波束天線存在的缺陷，本發明的目的在於提供一種利用 條狀金屬單元結構天線罩的多波束天線，使其能夠達到減少波束寬度,提高增益和方向性，任意設計波束方向，降低天線尺寸的效果，用以解決傳統多波束天 線在移動通信中由於體積龐大行動不能自如、多波束間能量分布不均、方向性 差，能耗大，移動性能差，拆裝不便，成本高等問題。 本發明解決其技術問題所採用的技術方案是
包括全向輻射的偶極子天線和三組由條狀金屬構成的金屬陣列，每一組金
屬陣列至少由3層金屬陣列平行排列成等距的由內向外逐步擴大的等邊三角形 形狀，三組金屬陣列成120度角排列成半個正六邊行形狀的天線罩，天線罩和 偶極子天線平行放置，在偶極子天線後面平行放置金屬板，且偶極子天線的兩 條金屬臂與天線罩上的條狀金屬平行，偶極子天線放置在天線罩的中心位置。
所述的偶極子天線通過SMA接頭饋電，偶極子天線輻射出的電磁波的極化 方向為垂直極化，即平行於條狀金屬。
所述的條狀金屬為周期排列在介電常數為4.6厚度為1毫米的FR4板上， 條狀金屬的寬度為1毫米，長度9毫米，條狀金屬的水平間隔為1毫米，金屬 陣列垂直間隔1毫米，垂直方向共排列15個條狀金屬結構，共150毫米，每片 FR4板之間的距離為15毫米， 一共有5層FR4板。
本發明與背景技術相比具有的有益效果是
由以上技術方案可知，偶極子陣輻射的無線電磁波經過等效折射率為零的 條狀金屬結構天線罩，能量集中在天線罩3個口徑的法線方向。天線的波束被 分開.成60度角度輻射出去，並且3個方向的方向性得到提高.
本發明在雷達定位系統中使用，可以有效的區分不同目標的位置，準確的 定位目標位置。
本發明在定向傳輸系統中使用，本發明天線的指向性高，半功率波束寬度 窄，可以在定向傳輸中可以最大限度的降低能量隨距離的衰減，並有效的防止 於其他通訊信號的幹擾以及敵方的攔截。
本發明改善傳統天線增益過低而影響通訊距離的缺陷。由於本發明天線有 匯聚波束能量的效果，使主傳輸方向的天線增益大於一般的同種類的傳統天線 大大提高了通訊距離，同時提高通訊質量，降低能耗及對他人的幹擾。
本發明用於衛星等體積小，載重量少的高精度儀器中，可以較小儀器的負 擔，降低能耗。
綜上所述，本發明提供新型結構的高指向高增益的利用條狀金屬結構天線 罩的微帶天線，不論是在結構上或是功能上都有較大的改進，且在技術上由較 大的進步，並產生了實用的效果，確實具有增進的功效，從而更加適於實用。


圖1是利用條狀金屬結構天線罩的多波束天線整體結構。
圖2是天線罩的條狀金屬單元結構。 圖3是條狀金屬結構天線罩某個口徑的正視圖。 圖中1、偶極子天線，2、天線罩，3、金屬板，4、條狀金屬。
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的說明。
如圖1所示，本發明包括全向輻射的偶極子天線1和三組由條狀金屬4構 成的金屬陣列，每一組金屬陣列至少由3層金屬陣列平行排列成等距的由內向 外逐步擴大的等邊三角形形狀，三組金屬陣列成120度角排列成半個正六邊行 形狀的天線罩2，天線罩2和偶極子天線1平行放置，在偶極子天線1後面平行 放置金屬板3，且偶極子天線1的兩條金屬臂與天線罩2上的條狀金屬平行，偶 極子天線1放置在天線罩2的中心位置。
所述的偶極子天線1通過SMA接頭饋電，偶極子天線1輻射出的電磁波的 極化方向為垂直極化，即平行於條狀金屬。
如圖2(a)、圖2(b)、圖3所示，所述的條狀金屬4為周期排列在介電常數為 4.6厚度為1毫米的FR4板上，條狀金屬的寬度為l毫米，長度9毫米，條狀金 屬的水平間隔為1毫米，金屬陣列垂直間隔1毫米，垂直方向共排列15個條狀 金屬結構，共150毫米，每片FR4板之間的距離為15毫米， 一共有5層FR4 板。
全向輻射天線輻射的無線電磁波通過天線罩2，由於天線罩2的等效天線罩 2折射率為0，所以從天線罩2三個口徑出射的能量的出射角為零，即集中在天 線罩2三個口徑的法線方向，達到三個波束出射並且均有很高的指向性和增益。
本發明提供的天線系統結構框圖如圖1所示，包括偶極子天線1和利用條 狀金屬結構的天線罩2;通過SMA接頭向偶極子天線2饋送能量，輻射出的無 線電磁波透過利用條狀金屬結構的天線罩3發射出去。
偶極子天線採用半波長的金屬臂.
條狀金屬4的單元結構如圖2所示。條狀金屬的寬度為1毫米，長度9毫 米，條狀金屬結構的水平間隔為1毫米，3個方向的最長的板子每個排列75個 條狀金屬結構，共225毫米，垂直間隔l毫米，垂直方向共排列15個條狀金屬 結構，共150毫米，如圖3中只列了 3組。印刷電路板的厚度1毫米，每片印 刷電路板之間的距離為15毫米， 一共有5層印刷電路板。由於條狀金屬的單元結構小於工作波長，可以將條狀金屬結構組成的天線罩等效於均勻介質，條狀 金屬的單元結構在電磁波的激勵下產生電諧振，使天線罩的等效均勻介質的介 電常數e產生諧振，等效均勻介質為色散介質，即介電常數隨著頻率的變化由 負數變為正數，其中包括介電常數為零的頻率點。通過測量條狀金屬單元結構S 參數，可以得到它的等效節點常數為0。由公式
得到這種由條狀金屬結構組成的天線罩的等效折射率n為O， P為磁導率。因此 由該天線罩出射的能量集中在平板的法線方向，得到較高的方向性，這樣由3 個一模一樣的板子成一定的角度放置就在三個方向得到了 3個極窄的波束.
本發明的工作頻率為10GHz，如果要工作在其他頻率，需要根據工作波長 比例調整微帶天線、微帶線以及條狀金屬結構的尺寸。
以上所述，僅是本發明的在10GHz特定頻率的較佳實例而已，並非對本發 明作任何形式上的限定，任何熟悉本專業的技術人員可能利用上述揭示的技術 內容加以變更或修飾為等同變化的等效實例，但是凡是未脫離本發明技術方案 內容，依據本發明的技術實質對以上實例所作的任何的簡單修改、等同變化與 修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。
權利要求
1. 一種利用條狀金屬單元結構天線罩的多波束天線，其特徵在於包括全向輻射的偶極子天線(1)和三組由條狀金屬(4)構成的金屬陣列，每一組金屬陣列至少由3層金屬陣列平行排列成等距的由內向外逐步擴大的等邊三角形形狀，三組金屬陣列成120度角排列成半個正六邊行形狀的天線罩(2)，天線罩(2)和偶極子天線(1)平行放置，在偶極子天線(1)後面平行放置金屬板(3)，且偶極子天線(1)的兩條金屬臂與天線罩(2)上的條狀金屬平行，偶極子天線(1)放置在天線罩(2)的中心位置。
2. 根據權利要求1所述的一種利用條狀金屬單元結構天線罩的多波束天 線，其特徵在於所述的偶極子天線(l)通過SMA接頭饋電，偶極子天線(l)輻 射出的電磁波的極化方向為垂直極化，即平行於條狀金屬。
3. 根據權利要求1所述的一種利用條狀金屬單元結構天線罩，其特徵在於-所述的條狀金屬(4)為周期排列在介電常數為4.6厚度為1毫米的FR4板上，條 狀金屬的寬度為1毫米，長度9毫米，條狀金屬的水平間隔為1毫米，金屬陣 列垂直間隔1毫米，垂直方向共排列15個條狀金屬結構，共150毫米，每片FR4 板之間的距離為15毫米， 一共有5層FR4板。
全文摘要
本發明公開了一種利用條狀金屬單元結構天線罩的多波束天線。包括全向輻射的偶極子天線和三組由條狀金屬構成的金屬陣列和天線罩，天線罩和偶極子天線平行放置，在偶極子天線後面平行放置金屬板，且偶極子天線的兩條金屬臂與天線罩上的條狀金屬平行，偶極子天線放置在天線罩的中心位置。通過改變電路板之間的距離來調節為零，從而得到在某個工作點上它的折射率為零，當輻射源發射的電磁波通過該天線罩時，電磁波從天線罩多個平面的法線方向出射，得到了多個高增益的窄波束。本發明結構簡單，每個波束能量平均，且可根據需要分布、增益高的特點，可應用於通信、雷達等各種無線傳輸和需要多波束高增益輻射的發射接收系統中。
文檔編號H01Q9/16GK101420067SQ20081016238
公開日2009年4月29日 申請日期2008年11月25日 優先權日2008年11月25日
發明者冉立新, 葉德信, 濤 姜, 亮 彭, 王志宇, 皇甫江濤 申請人:浙江大學