Z字形交叉縫隙圓極化背腔天線的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了Z字型交叉縫隙圓極化背腔天線，該陣列天線由上層介質(zhì)板1、耦合方腔2、中間層介質(zhì)板3和背腔4組成，中間層介質(zhì)板3的上表面腐蝕形成有交叉縫隙6，下表面腐蝕形成有饋線7；交叉縫隙6由結(jié)構(gòu)相同的兩個(gè)Z字形或倒Z字形縫隙垂直設(shè)置形成；Z字形或倒Z字形縫隙均由中間縫隙和一對(duì)相互平行的端縫隙組成，中間縫隙的兩端各有一個(gè)端縫隙且端縫隙與中間縫隙相互垂直。本實(shí)用新型天線阻抗帶寬大于25％，帶寬內(nèi)增益大于8.5dB，輻射效率大于75％，小于3dB的軸比帶寬大于23％。本實(shí)用新型整個(gè)天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，輻射效率高，同時(shí)該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了天線與網(wǎng)絡(luò)一體化設(shè)計(jì)，且可做為相控陣輻射單元，實(shí)現(xiàn)波束的控制和掃描。
【專利說明】
Z字形交叉縫隙圓極化背腔天線
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及衛(wèi)星通信、視距通信領(lǐng)域中高效率圓極化陣列天線，該天線設(shè)計(jì)的技術(shù)主要包括:圓極化技術(shù)、高效率輻射技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前在通信頻段越來越向高頻段發(fā)展，尤其在Ka波段，其頻率帶寬有25GHz(20-45GHz)，工作在此頻段的要求天線具有尺寸小、增益高、點(diǎn)波束的特性，實(shí)現(xiàn)上述性能的天線主要有以下幾種天線形式，但各有優(yōu)缺點(diǎn)。
[0003]1、波導(dǎo)縫隙天線:該形式天線是在波導(dǎo)寬邊或窄邊進(jìn)行開縫，通常有行波、駐波兩種陣列形式，但輻射單元縫隙的增益相對(duì)較低，通常只有7dB左右，由于為串饋形式，帶寬內(nèi)出現(xiàn)頻掃現(xiàn)象，隨著工作頻率的增高，要求加工精度也越高，需借助較高的焊接工藝加工制造，成品率較低，導(dǎo)致成本較高。
[0004]2、微帶貼片天線，該天線形式具有輪廓低、可集成有源器件、可實(shí)現(xiàn)輻射單元與網(wǎng)絡(luò)一體化設(shè)計(jì)的，但天線的介質(zhì)損耗較大，且存在漏波效應(yīng)，天線單元增益低、饋電網(wǎng)絡(luò)損耗大，不利用實(shí)現(xiàn)高增益天線設(shè)計(jì)。
[0005]3、反射面天線，該形式天線在Ka頻段具有很好的射頻性能，差損低、輻射效率高、實(shí)現(xiàn)圓極化輻射相對(duì)技術(shù)較為簡(jiǎn)單，但該形式天線物理尺寸較大，不適用在一些空間狹小的場(chǎng)合。
[0006]4.透鏡天線，該天線形式與反射面天線類似，通常采用饋源照射介質(zhì)球、介質(zhì)餅等，使波束聚焦，實(shí)現(xiàn)高增益照射的目的。但與反射面天線同樣具有天線體積尺寸過大，無法實(shí)現(xiàn)波束調(diào)整的功能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本實(shí)用新型的目的在于避免上述【背景技術(shù)】中的不足之處而提供一種Z字形交叉縫隙圓極化背腔天線，本實(shí)用新型損耗低，輻射效率高，方向圖副瓣低，結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高。
[0008]本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)的:Z字型交叉縫隙圓極化背腔天線，包括從上到下依次設(shè)置的上層介質(zhì)板1、耦合方腔2、中間層介質(zhì)板3和背腔4，上層介質(zhì)板I的下敷銅層腐蝕形成有輻射貼片5，背腔4為正方形;其特征在于:中間層介質(zhì)板3的上表面腐蝕形成有交叉縫隙6，下表面腐蝕形成有饋線7;交叉縫隙6由兩個(gè)Z字形縫隙或者兩個(gè)倒字Z形縫隙組成;兩個(gè)Z字形縫隙結(jié)構(gòu)相同分別為第一 Z字形縫隙11和第二 Z字形縫隙12，第一 Z字形縫隙11由中間縫隙和一對(duì)相互平行的端縫隙組成，中間縫隙的兩端各有一個(gè)端縫隙且端縫隙與中間縫隙相互垂直;第一Z字形縫隙11的中間縫隙與第二Z字形縫隙12的中間縫隙相互垂直且中心重合;中間縫隙與饋線7在中間介質(zhì)板3上表面的投影夾角為45°。
[0009]進(jìn)一步地，所述的兩個(gè)倒Z字形縫隙由兩個(gè)Z字形縫隙水平翻轉(zhuǎn)180°得到。
[0010]進(jìn)一步地，第一Z字形縫隙11的中間縫隙的寬度為0.03λ0，中間縫隙的長(zhǎng)度為0.25λ0，兩個(gè)端縫隙的長(zhǎng)度均為0.08λ0，兩個(gè)端縫隙的寬度均為0.06λ0;第二Z字形縫隙12的中間縫隙的寬度為0.03λ0，中間縫隙的長(zhǎng)度為0.2λ0，兩個(gè)端縫隙的長(zhǎng)度均為0.06λ0，兩個(gè)端縫隙的寬度均為0.06λ0;其中，λΟ為中心頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。
[0011]進(jìn)一步地，饋線7的激勵(lì)點(diǎn)位于第一Z字形縫隙11的幾何中心，饋線7的一端到激勵(lì)點(diǎn)的距離為0.05λ0，另一端為自由端。
[0012]本實(shí)用新型與【背景技術(shù)】比較有如下優(yōu)點(diǎn):
[0013]1、本實(shí)用新型的Z字形交叉縫隙圓極化背腔天線，由上層介質(zhì)板1、耦合方腔2、中間層介質(zhì)板3、背腔4組成，天線阻抗帶寬大于25 %，帶寬內(nèi)增益大于8.5dB，福射效率大于75%，小于3dB的軸比帶寬大于23%。
[0014]2、本實(shí)用新型整個(gè)天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，輻射效率高，同時(shí)該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了天線與網(wǎng)絡(luò)一體化設(shè)計(jì)，且可最為相控陣輻射單元，實(shí)現(xiàn)波束的控制和掃描。
【附圖說明】
[0015]圖1是本實(shí)用新型三維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2是本實(shí)用新型的分層示意圖。
[0017]圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例說的Z字形交叉縫隙的示意圖一。
[0018]圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例說的Z字形交叉縫隙的示意圖二。
【具體實(shí)施方式】
[0019]參照?qǐng)D1至圖4，本實(shí)用新型由上層介質(zhì)板1、耦合方腔2、中間層介質(zhì)板3和背腔4組成，圖1是本實(shí)用新型三維結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是本實(shí)用新型的分層示意圖，給出了各部件間的相對(duì)位置關(guān)系及內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成。
[0020]其中，上層介質(zhì)板I的下表面腐蝕形成有輻射貼片5，上表面的敷銅全部腐蝕掉。輻射貼片5耦合到交叉縫隙6激勵(lì)起來的電磁信號(hào)，并在其表面形成電流，并經(jīng)過介質(zhì)層輻射到自由空間;在此過程中介質(zhì)板起了天線罩的作用，對(duì)輻射貼片5起屏蔽保護(hù)作用。
[0021]耦合方腔2位于上層介質(zhì)板I的下方，中間層介質(zhì)板3的上方;呈方形結(jié)構(gòu)。其作用主要有兩個(gè)方面:I)電磁屏蔽，2)對(duì)上層介質(zhì)板起支撐作用。與傳統(tǒng)的微帶縫隙天線采用開放式(天線四周無金屬屏蔽腔)的結(jié)構(gòu)比較，采用此種電磁設(shè)計(jì)方法可獲得較高的輻射增益，通常相同單元天線增益提高0.7dB;另外，經(jīng)過加載屏蔽耦合方腔的天線，在陣列天線中使用時(shí)，陣中的單元間隔離度提高，通常提高8dB左右，陣中的輻射方向圖的質(zhì)量也明顯好于開放式的微帶天線，這對(duì)于相控陣天線波束掃描波束峰值幅度波動(dòng)平滑作用明顯。
[0022]中間層介質(zhì)板3位于耦合方腔2和背腔4之間，其上表面敷刻有交叉縫隙6，下表面敷刻有饋線7。其中，交叉縫隙6由兩個(gè)Z字形縫隙或者兩個(gè)倒Z字形縫隙組成。
[0023]交叉縫隙6由兩個(gè)Z字形縫隙組成，如圖3所示，具體結(jié)構(gòu)為:交叉縫隙6由第一Z字形縫隙11和第二Z字形縫隙12呈90°正交放置，兩個(gè)Z字形縫隙的長(zhǎng)度、寬度不相同；通過兩個(gè)Z字形縫隙的差異調(diào)節(jié)兩縫隙上激勵(lì)的電流之間的相位差，使其滿足圓極化輻射條件。每個(gè)Z字形縫隙均由中間縫隙9和一對(duì)相互平行的端縫隙10組成，中間縫隙9的兩端各有一條端縫隙10且端縫隙10與中間縫隙9相互垂直。端縫隙的寬度大于中心縫隙的寬度并與之構(gòu)成Z字形;它的作用是增加縫隙的工作帶寬，同時(shí)并不增加縫隙的橫向尺寸，這樣有利于耦合腔體的小型化設(shè)計(jì)。
[0024]交叉縫隙6由兩個(gè)倒Z字形縫隙組成，如圖4所示，具體結(jié)構(gòu)為:交叉縫隙6由第一倒Z字形縫隙13和第二倒Z字形縫隙14呈90°正交放置，兩個(gè)倒Z字形縫隙的長(zhǎng)度、寬度不相同；通過兩個(gè)倒Z字形縫隙的差異調(diào)節(jié)兩縫隙上激勵(lì)的電流之間的相位差，使其滿足圓極化輻射條件。每個(gè)倒Z字形縫隙均由中間縫隙15和一對(duì)相互平行的端縫隙16組成，中間縫隙15的兩端各有一條端縫隙16且端縫隙16與中間縫隙15相互垂直。端縫隙的寬度大于中心縫隙的寬度并與之構(gòu)成倒Z字形；它的作用是增加縫隙的工作帶寬，同時(shí)并不增加縫隙的橫向尺寸，這樣有利于耦合腔體的小型化設(shè)計(jì)。
[0025]饋線7與兩個(gè)Z字形縫隙或者兩個(gè)倒Z字形縫隙均成45°夾角，且饋線7的激勵(lì)點(diǎn)(能量集中點(diǎn))位于兩個(gè)Z字形縫隙或者兩個(gè)倒Z字形縫隙的幾何中心;這樣分別在兩個(gè)Z字形縫隙或者兩個(gè)倒Z字形縫隙上激勵(lì)起極化正交，并有一定相差的表面電流，當(dāng)電流幅度相等、相位差90°是即形成純圓極化波，當(dāng)不滿足此條件時(shí)，便形成橢圓極化波。饋線7的一端到激勵(lì)點(diǎn)的距離為0.05λο，另一端為自由端。
[0026]天線的最底層為背腔4，其成正方形結(jié)構(gòu)；作用使天線定向福射，防止電磁信號(hào)外泄，提高天線的輻射效率。
[0027]研究發(fā)現(xiàn):當(dāng)?shù)谝籞字形縫隙11或者第一倒Z字形縫隙13的中間縫隙的寬度為0.03λ0(λ0為中心頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng))，長(zhǎng)度為0.25λ0，兩條端縫隙的長(zhǎng)度均為0.08λ0，寬度均為
0.06λ0;第二 Z字形縫隙12或者第二倒Z字形縫隙14的中間縫隙的寬度為0.03λ0 (λ0為中心頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng))，長(zhǎng)度為0.2λ0，兩條端縫隙的長(zhǎng)度均為0.06λ0，寬度均為0.06λ0，天線軸比小于2dB的帶寬為15%。
[0028]本實(shí)用新型工作原理如下:當(dāng)發(fā)射信號(hào)時(shí)，發(fā)射機(jī)通過同軸電纜將發(fā)射信號(hào)輸入到饋線7，在交叉縫隙6激勵(lì)起圓極化電流，振蕩的電流形成的電場(chǎng)經(jīng)由耦合方腔2耦合到輻射貼片5上，并形成表面電流，產(chǎn)生的電磁場(chǎng)信號(hào)通過上層介質(zhì)板輻射到自由空間；天線的接收與發(fā)射為互易過程，外部信號(hào)在輻射貼片5上激勵(lì)其圓極化電流，經(jīng)由耦合方腔2耦合到交叉縫隙6并激勵(lì)起表面電流，并耦合到饋線7上，最終經(jīng)由同軸電纜輸出到外接接收機(jī)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.Z字型交叉縫隙圓極化背腔天線，包括從上到下依次設(shè)置的上層介質(zhì)板(I)、耦合方腔(2)、中間層介質(zhì)板(3)和背腔(4)，上層介質(zhì)板(I)的下敷銅層腐蝕形成有輻射貼片(5)，背腔(4)為正方形;其特征在于:中間層介質(zhì)板(3)的上表面腐蝕形成有交叉縫隙(6)，下表面腐蝕形成有饋線(7);交叉縫隙(6)由兩個(gè)Z字形縫隙或者兩個(gè)倒字Z形縫隙組成;兩個(gè)Z字形縫隙結(jié)構(gòu)相同分別為第一Z字形縫隙(11)和第二Z字形縫隙(12)，第一Z字形縫隙(11)由中間縫隙和一對(duì)相互平行的端縫隙組成，中間縫隙的兩端各有一個(gè)端縫隙且端縫隙與中間縫隙相互垂直;第一 Z字形縫隙(11)的中間縫隙與第二 Z字形縫隙(12)的中間縫隙相互垂直且中心重合;中間縫隙與饋線(7)在中間介質(zhì)板(3)上表面的投影夾角為45°。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Z字型交叉縫隙圓極化背腔天線，其特征在于:所述的兩個(gè)倒Z字形縫隙由兩個(gè)Z字形縫隙水平翻轉(zhuǎn)180°得到。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Z字型交叉縫隙圓極化背腔天線，其特征在于:第一Z字形縫隙(11)的中間縫隙的寬度為0.03λο，中間縫隙的長(zhǎng)度為0.25λο，兩個(gè)端縫隙的長(zhǎng)度均為0.08λ0，兩個(gè)端縫隙的寬度均為0.06λο;第二Z字形縫隙(12)的中間縫隙的寬度為0.03λο，中間縫隙的長(zhǎng)度為0.2λ0，兩個(gè)端縫隙的長(zhǎng)度均為0.06λ0，兩個(gè)端縫隙的寬度均為0.06λ0;其中，λ0為中心頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Z字型交叉縫隙圓極化背腔天線，其特征在于:饋線(7)的激勵(lì)點(diǎn)位于第一Z字形縫隙(11)的幾何中心，饋線(7)的一端到激勵(lì)點(diǎn)的距離為0.05λο，另一端為自由端。
【文檔編號(hào)】H01Q13/10GK205680784SQ201620526577
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月1日 公開號(hào)201620526577.0, CN 201620526577, CN 205680784 U, CN 205680784U, CN-U-205680784, CN201620526577, CN201620526577.0, CN205680784 U, CN205680784U
【發(fā)明人】宋長(zhǎng)宏
【申請(qǐng)人】中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所