專利名稱：利用環(huán)狀金屬對單元結構天線罩的高指向天線的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種無限通信領域的發(fā)射接收系統(tǒng)的天線，特別是涉及一種利 用環(huán)狀金屬對單元結構天線罩的高指向天線。
技術背景隨著高新技術的飛速發(fā)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(xiàn)代戰(zhàn)爭更加劇了電磁領域的對抗。戰(zhàn)場態(tài)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干擾通信和通信 干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，移動電話已經(jīng)成為了人們必備的通信工具。在各種移動通信和電子對抗系統(tǒng)中，由于電磁波在自由空間的擴散和傳輸 過程中的損耗，實際有用的能量很小，這就要求在輸入功率相同的情況下，發(fā) 射接收的天線能夠有較高的增益，以保證得到足夠大的通信信號。天線增益的 高低是評價天線系統(tǒng)好壞的一個非常重要的指標。在很多無線傳輸系統(tǒng)中，都需要指向性高，能量匯聚好的天線，比如雷達 搜索目標，定向通信，目標定位等系統(tǒng)中，系統(tǒng)完成工作的好壞主要好取決于 發(fā)射天線波束的寬度，即天線的方向性。對于傳統(tǒng)的天線，方向性一般較差，半功率波束寬度一般大于20。，而對于 透鏡和反射面等傳統(tǒng)高指向天線，不僅制作工藝復雜，成本高，重量大，而且 其口徑也隨著頻率的降低而增加，而要實現(xiàn)高的方向性，更加要提高天線的口 徑，這對天線的拆裝和使用，都造成了很大不便。 發(fā)明內容為了克服現(xiàn)有的天線存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種利用環(huán)狀金 屬對單元結構天線罩的高指向天線，使其能夠達到提高增益和方向性，降低天 線尺寸的效果，用以解決傳統(tǒng)天線在移動通信中由行動不能自如、增益低、方 向性差，能耗大，移動性能差，拆裝不便，成本高等問題。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是包括微帶天線陣和3-6片天線罩，3-6片天線罩和微帶天線陣平行等間距排 列固定在有機玻璃底座插槽上，微帶天線陣平行正對安裝在天線罩沒有環(huán)狀金 屬對單元結構的一側。所述微帶天線陣它是一塊基板為介電常數(shù)為2.65且厚度lmm的微波板， 由SMA接頭饋電，通過微帶線連接4x4的微帶貼片天線陣，共有16片微帶貼 片天線，每片微帶貼片天線為11mmx9mm的金屬片，相鄰兩片微帶貼片天線之 間的中心距離相等，并在微帶線與微帶貼片天線連接處有凹槽，背面為接地金 屬板，SMA接頭由微帶天線陣接地面穿過連接微帶天線陣中心的微帶線。所述環(huán)狀金屬對單元結構每個環(huán)狀金屬單元結構為矩形金屬環(huán)，而且在 矩形金屬環(huán)的有一個寬邊有一個缺口，兩個環(huán)狀金屬單元結構缺口方向相背組 成環(huán)狀金屬對單元結構，環(huán)狀金屬對單元結構在水平和垂直方向上周期排列在 介電常數(shù)為4.6且厚度為lmm的FR4板，每片F(xiàn)R4板組成天線罩。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有的有益效果是1) 微帶天線陣輻射的無線電磁波經(jīng)過等效折射率為零的環(huán)狀金屬對結構天 線罩，能量集中在天線罩的法線方向。天線的方向性得到提高，實踐證明，在 10GHz的工作頻率，本發(fā)明天線的半功率波束寬度為6°，相應的增益為20dBi。 使用這種天線能夠增大通訊距離，改善通訊質量，節(jié)約能耗，防止干擾。2) 在雷達定位系統(tǒng)中使用，可以有效的區(qū)分不同目標的位置，準確的定位 目標位置。3) 在定向傳輸系統(tǒng)中使用，本發(fā)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，并有效的防止于其 他通訊信號的干擾以及敵方的攔截。4) 改善傳統(tǒng)天線增益過低而影響通訊距離的缺陷。由于本發(fā)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于一般的同種類的傳統(tǒng)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干擾。5) 用于衛(wèi)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(fā)明提供一種新型結構的高指向高增益的利用環(huán)狀金屬對結 構天線罩的天線，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，并產(chǎn)生了實用的效果，確實具有增進的功效，從而更加適于實用。
圖1是利用環(huán)狀金屬對結構天線罩的高指向天線整體結構俯視圖。 圖2是天線罩的條狀金屬單元結構。(a)俯視圖，(b)正視圖。 圖3是環(huán)狀金屬對屬結構天線罩的正視圖。 圖4是微帶天線陣。圖中1、 SMA接頭，2、微帶天線陣，3、利用環(huán)狀金屬對結構天線罩，4、 環(huán)狀金屬對單元結構，5、微帶線，6、微帶貼片天線。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。如圖1所示，本發(fā)明包括微帶天線陣2和3-6片天線罩3， 3-6片天線罩3 和微帶天線陣2平行等間距排列固定在有機玻璃底座插槽上，微帶天線陣2平 行正對安裝在天線罩3沒有環(huán)狀金屬對單元結構4的一側，微帶天線陣2與天 線罩3的距離為5mm。如圖4所示，所述微帶天線陣2:它是一塊基板為介電常數(shù)為2.65且厚度 lmm的微波板，由SMA接頭1饋電，通過微帶線5連接4><4的微帶貼片天線 陣2，共有16片微帶貼片天線6，每片微帶貼片天線為11mmx9mm的金屬片， 相鄰兩片微帶貼片天線之間的中心距離相等為21mm，并在微帶線與微帶貼片天 線連接處有l(wèi)mm寬2mm深的凹槽，背面為接地金屬板，SMA接頭1由微帶天 線陣接地面穿過連接微帶天線陣中心的微帶線5，每段并聯(lián)的微帶線寬度為 0.75mm，長度為21mm，在每一個過渡段微帶線的寬度1.55mm，長度為9mm， 通過微帶線5到每片微帶貼片天線6的長度相同。如圖2、圖3所示，所述環(huán)狀金屬對單元結構4:每個環(huán)狀金屬單元結構為 矩形金屬環(huán)，而且在矩形金屬環(huán)的有一個寬邊有一個缺口，兩個環(huán)狀金屬單元 結構缺口方向相背組成環(huán)狀金屬對單元結構4，環(huán)狀金屬對的線寬為0.27mm， 每一個金屬環(huán)的長度2.75mm，寬度2.19mm，開口寬度0.21mm,兩個相背的環(huán) 狀結構距離0.21mm，環(huán)狀金屬對單元結構4在水平和垂直方向上周期排列在介 電常數(shù)為4.6且厚度為lmm的FR4板，水平方向間隔分別為2.25mm，垂直方 向間隔分別為1.41mm，水平方向共50個環(huán)狀金屬對結構單元，共250mm，垂 直方向共25個環(huán)狀金屬對結構單元，共90mm， FR4板的厚度lmm，每片F(xiàn)R4 板組成一片天線罩3，相鄰兩片天線罩3之間的距離為5mm， 一共有5層天線 罩3。由于環(huán)狀金屬對的單元結構小于工作波長，可以將環(huán)狀金屬對結構組成的 天線罩等效于均勻介質，環(huán)狀金屬對的單元結構在電磁波的激勵下產(chǎn)生磁諧振， 使天線罩的等效均勾介質的磁導率產(chǎn)生諧振，等效均勻介質為色散介質，即磁 導率隨著頻率的變化由負數(shù)變?yōu)檎龜?shù)，其中包括磁導率為零的頻率點。通過測 量環(huán)狀金屬對單元結構S參數(shù)，可以得到它的等效磁導率為0。由公式<formula>formula see original document page 6</formula>這里n為折射率，c是光速，//是環(huán)狀金屬對單元結構構成的等效均勻介質的磁 導率，s是環(huán)狀金屬對單元結構構成的等效均勻介質的介電常數(shù)，得到這種由環(huán) 狀金屬對單元結構組成的天線罩的等效折射率為0，由于<formula>formula see original document page 6</formula>ni，n分別是入射介質和出射介質的折射率，《，《分別是入射角和出射角，在 這里，",即為環(huán)狀金屬對單元結構構成的等效均勻介質的折射率，因為",為零，，所以從天線罩(3)出射的能量的出射角《為零，因此由該天線罩出射的能量集 中在天線罩的法線方向，得到較高的方向性，同時天線罩的匯聚作用使法線的 主出射方向的增益提高。本發(fā)明的工作頻率為10GHz，如果要工作在其他頻率，需要根據(jù)工作波長 比例調整微帶天線陣、微帶線以及條狀金屬結構的尺寸。以上所述，僅是本發(fā)明的在10GHz特定頻率的較佳實例而已，并非對本發(fā) 明作任何形式上的限定，任何熟悉本專業(yè)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(fā)明技術方案 內容，依據(jù)本發(fā)明的技術實質對以上實例所作的任何簡單修改、等同變化與修 飾，均仍屬于本發(fā)明技術方案的范圍內。
權利要求
1.一種利用環(huán)狀金屬對單元結構天線罩的高指向天線，其特征在于包括微帶天線陣(2)和3-6片天線罩(3)，3-6片天線罩(3)和微帶天線陣(2)平行等間距排列固定在有機玻璃底座插槽上，微帶天線陣(2)平行正對安裝在天線罩(3)沒有環(huán)狀金屬對單元結構(4)的一側。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種利用環(huán)狀金屬對單元結構天線罩的高指向天 線，其特征在于，所述微帶天線陣(2):它是一塊基板為介電常數(shù)為2.65且厚度 lmm的微波板，由SMA接頭(1)饋電，通過微帶線(5)連接4x4的微帶貼 片天線陣(2)，共有16片微帶貼片天線(6)，每片微帶貼片天線為11mmx9mm 的金屬片，相鄰兩片微帶貼片天線之間的中心距離相等，并在微帶線與微帶貼 片天線連接處有凹槽，背面為接地金屬板，SMA接頭(1)由微帶天線陣接地面 穿過連接微帶天線陣中心的微帶線(5)。
3. 根據(jù)權利要求1所述的一種利用環(huán)狀金屬對單元結構天線罩的高指向天 線，其特征在于，所述環(huán)狀金屬對單元結構(4):每個環(huán)狀金屬單元結構為矩形 金屬環(huán)，而且在矩形金屬環(huán)的有一個寬邊有一個缺口，兩個環(huán)狀金屬單元結構 缺口方向相背組成環(huán)狀金屬對單元結構(4)，環(huán)狀金屬對單元結構(4)在水平和垂 直方向上周期排列在介電常數(shù)為4.6且厚度為lmm的FR4板，每片F(xiàn)R4板組成 天線罩(3)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用環(huán)狀金屬對單元結構天線罩的高指向天線。包括微帶天線陣及其連接的饋源，和前面由環(huán)狀金屬對單元結構組成的多層天線罩。制作在FR4印刷電路板的環(huán)狀金屬對單元結構作為微帶天線陣的天線罩，其等效的磁導率可以通過改變印刷電路板之間的距離調整為零，得到相應的等效折射率為零。微帶天線陣發(fā)射的電磁波通過該天線罩時能量集中在天線罩的法線方向，達到匯聚能量的效果，提高了天線整體的方向性和增益。本發(fā)明可以應用于通信、雷達等各種無線傳輸和定向通信及干擾的發(fā)射接收系統(tǒng)中。與傳統(tǒng)的天線相比，本發(fā)明的系統(tǒng)結構具有結構簡單小巧，拆裝方便，成本低廉，方向性好，增益高等優(yōu)點。
文檔編號H01Q19/00GK101404355SQ20081012207
公開日2009年4月8日 申請日期2008年10月31日 優(yōu)先權日2008年10月31日
發(fā)明者冉立新, 濤 姜, 崔萬照, 亮 彭, 王志宇, 皇甫江濤, 偉 馬 申請人:浙江大學;中國航天科技集團公司第五研究院第五○四研究所