專利名稱：高增益金屬諧振腔天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高增益天線，尤其涉及一種金屬諧振腔的高增益天線。
背景技術(shù)：
目前已有的高增益天線主要有兩種類型， 一種是陣列天線，另一種是反射面天線。
陣列天線是按照一定幅度和相位分配激勵(lì)多個(gè)輻射單元以實(shí)現(xiàn)高增益，各輻射 單元的激勵(lì)幅度和相位由饋電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。通常，天線增益要求越高，所需的輻射單 元數(shù)目越多，導(dǎo)致饋電網(wǎng)絡(luò)越復(fù)雜。復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)一方面會(huì)增大電氣設(shè)計(jì)和物理 布局的難度，另一方面饋電損耗會(huì)降低陣列天線的效率，尤其在高頻段嚴(yán)重到不再 實(shí)用。
反射面天線有空饋的拋物面天線和平面反射陣天線，能將由饋源發(fā)出的寬角域 波束聚束反射形成窄波束，從而實(shí)現(xiàn)高增益。反射面天線雖然省去了復(fù)雜的饋電網(wǎng) 絡(luò)，然而其置于反射面前方焦點(diǎn)處的饋源使得天線的整體輪廓高度達(dá)數(shù)倍工作波 長。因此，其三維立體結(jié)構(gòu)不便于安裝和攜帶。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種饋電簡單、高效率、低輪廓且準(zhǔn)平面的高增益天線，該天線在 無需饋電網(wǎng)絡(luò)的情況下，增益高于20dBi，天線效率高達(dá)60%。 本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種高增益的金屬諧振腔天線，包括金屬蓋板、金屬側(cè)板、金屬底板以及饋 源，金屬蓋板居上，金屬底板居下，金屬側(cè)板居中，三者相互連接構(gòu)成一腔體，饋 源置于該腔體內(nèi)部；金屬蓋板是一塊其上開有一組縫隙單元的金屬平板，縫隙單元 呈周期性排列；饋源包括一個(gè)位于腔體中部的饋電貼片及其周圍的一組無源寄生貼 片，饋電貼片及寄生貼片印刷在一片薄介質(zhì)基片的上表面，介質(zhì)基片的下表面貼在 金屬底板的上表面；饋電貼片通過射頻同軸接頭經(jīng)由電纜激勵(lì)。
本發(fā)明
1、采用尺寸經(jīng)恰當(dāng)設(shè)計(jì)、對工作頻帶內(nèi)的電磁波具有部分透射功能的金屬蓋 板l。天線的輻射原理如下(參考圖6):由饋源4發(fā)出的電磁波照射到蓋板1，其 中少部分能量直接經(jīng)金屬蓋板l透射，而大部分能量經(jīng)金屬蓋板1反射，反射后電磁波經(jīng)底板3反射并再次照射到金屬蓋板1。同樣地，再有少部分能量經(jīng)金屬蓋板1 透射，而大部分能量再次反射，如此反復(fù)，直到能量輻射殆盡。天線總的輻射效果 是多次透射電磁波的疊加，當(dāng)側(cè)板2的高度約等于半波長的整數(shù)倍時(shí)，各次透射波 以同相位疊加，從而實(shí)現(xiàn)高增益的輻射。
2、 采用金屬側(cè)板2防止腔體內(nèi)橫向電磁波泄漏，且金屬側(cè)板2起到支撐金屬 蓋板1的作用。工作原理如下由饋源4發(fā)出的是寬角域波束，其中大部分能量經(jīng) 金屬蓋板1和金屬底板3之間多次反射疊加而透射，同時(shí)也有部分能量以表面波和 平行板模式波的方式在腔體內(nèi)橫向傳播，橫向波不參與天線主波束方向的輻射，它 會(huì)起到增大天線副瓣、降低天線效率的不利作用，金屬側(cè)板2能有效抑制橫向波， 降低天線副瓣，提高天線效率。
3、 采用帶寄生無源貼片4-2的饋源4，與僅有饋電貼片的情況相比，天線增益 提高0.6dB以上，增益高于20dBi的頻帶展寬l倍以上。其工作原理如下饋電貼 片4-1由射頻同軸接頭經(jīng)由電纜4-1-1直接激勵(lì)，寄生無源貼片4-2由饋電貼片4-l耦合激勵(lì)，寄生無源貼片4-2略小于饋電貼片4-l，當(dāng)兩者的間距恰當(dāng)時(shí)可起引向 作用，從而增大了饋源4的有效輻射面積，使得金屬蓋板外側(cè)的天線口徑場分布比 較均勻，從而能提高天線增益并展寬天線頻帶。
4、 天線的主體部分采用導(dǎo)電良好的銅或鋁板，從而降低了成本。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)
1、 與陣列天線比較，本發(fā)明所述天線具有饋電簡單、損耗低、效率高等優(yōu) 點(diǎn)。本發(fā)明所述天線只需一個(gè)饋電點(diǎn)，因此免去了陣列天線中的饋電網(wǎng)絡(luò)，簡化了 設(shè)計(jì)流程；在普通陣列天線中，饋電網(wǎng)絡(luò)均具有一定的損耗。由于本發(fā)明所述天線 采用空間耦合饋電，避免了饋電損耗；又采用側(cè)板2抑制橫向波泄漏；以及采用寄 生無源貼片4-2提高天線的口徑效率等措施，使本發(fā)明所述天線的增益高于20 dBi，天線效率高達(dá)60%以上。
2、 與反射面天線比較，本發(fā)明所述天線具有很低的平面輪廓和結(jié)構(gòu)輕便等優(yōu) 點(diǎn)。反射面天線的輪廓高度包括焦距以及反射面和饋源本身的高度，達(dá)數(shù)倍甚至數(shù) 十倍波長。而本發(fā)明所述天線的輪廓高度包括腔體高度以及蓋板1和底板3的厚 度，通常在半波長或一倍波長左右；本發(fā)明所述天線為平面結(jié)構(gòu)，蓋板l、側(cè)板2 以及3均可采用較薄的金屬板(如厚度為0.5mm的銅或鋁板)，因此本發(fā)明所述天 線的結(jié)構(gòu)輕便，易于安裝和攜帶。
3、 與波導(dǎo)縫隙陣天線比較，本發(fā)明所述天線的設(shè)計(jì)原理簡單、加工工藝要求 低。波導(dǎo)縫隙陣天線本質(zhì)上是陣列天線，但由于波導(dǎo)縫隙陣天線通常采用金屬波導(dǎo) 開縫的形式，因此其結(jié)構(gòu)與本發(fā)明較為相似，但是兩者的設(shè)計(jì)原理截然不同。波導(dǎo)縫隙陣天線是通過合理設(shè)計(jì)縫隙單元的尺寸以及所處波導(dǎo)壁的位置以實(shí)現(xiàn)縫隙單元 的輻射幅度和相位，其設(shè)計(jì)流程較為復(fù)雜，而且通常對縫隙的加工精度要求很高， 導(dǎo)致其成本高昂。而本發(fā)明所述天線只需腔體高度約等于半波長之整數(shù)倍即可實(shí)現(xiàn) 高增益輻射，設(shè)計(jì)流程簡單；而且本發(fā)明所述天線的蓋板l只需具有適當(dāng)?shù)牟糠滞?射功能即可，對縫隙的尺寸和形狀不敏感，因此加工工藝要求較低，制造成本亦 低。
4、與Fabry-Perot諧振器天線比較，本發(fā)明所述天線具有增益高、頻帶寬等 優(yōu)點(diǎn)。與同等尺寸的Fabry-Perot諧振器天線相比，本發(fā)明所述天線的增益高出0.6 dB以上，而且頻帶能展寬l倍以上。


圖1是本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)分解示意圖。
圖3是本發(fā)明中的金屬蓋板1示意圖，以及金屬蓋板1中縫隙單元1-1的結(jié)構(gòu) 參數(shù)。
圖4是本發(fā)明中的金屬底板3和饋源4的裝配示意圖。
圖5是本發(fā)明中的饋源4的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
圖6是本發(fā)明所述天線的輻射原理示意圖。
圖7給出本發(fā)明實(shí)施例的天線"增益-頻率"響應(yīng)曲線，并與僅有饋電貼片 4-2的情況對比。
圖8給出本發(fā)明實(shí)施例的天線金屬蓋板的"透射率-頻率"響應(yīng)曲線。
具體實(shí)施方式
一種高增益的金屬諧振腔天線，包括金屬蓋板l、金屬側(cè)板2、金屬底板3以 及饋源4，金屬蓋板l居上，金屬底板3居下，金屬側(cè)板2居中，三者相互連接構(gòu)成 一腔體，饋源4置于該腔體內(nèi)部；金屬蓋板1是一塊其上開有一組縫隙單元1-1的金 屬平板成，縫隙單元l-l呈周期性排列；饋源4包括一個(gè)位于腔體中部的饋電貼片 及其周圍的無源寄生貼片4-2，饋電貼片4-1及寄生貼片4-2印刷在同一片薄介質(zhì)基 片4-3的上表面，介質(zhì)基片4-3的下表面貼在金屬底板3的上表面；饋電貼片4-l通 過射頻同軸接頭經(jīng)由電纜4-l-l激勵(lì)。 在本實(shí)施例中，
金屬側(cè)板2為環(huán)狀金屬條帶，其輪廓與金屬蓋板1和金屬底板3的邊緣對齊。 金屬側(cè)板2的高度滿足半個(gè)中心波長的整數(shù)倍，例如l倍或2倍。 金屬底板3為一金屬平板，其邊緣形狀與金屬蓋板1的邊緣形狀相同。寄生貼片4-2的數(shù)量為8個(gè)，均勻排列在饋電貼片4-l周圍，寄生貼片4-2的 尺寸小于饋電貼片4-1的尺寸。
饋電貼片4-1和寄生貼片4-2為正方形、矩形、圓形或橢圓形。
圖1和圖2給出本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，圖3和圖5分別給出了本發(fā)明中的金屬 蓋板1和饋源4的結(jié)構(gòu)示意圖和結(jié)構(gòu)參數(shù)定義。
實(shí)施例
采用1 mm厚的鋁板作為金屬蓋板1、金屬側(cè)板2和金屬底板3的板材；金屬蓋 板1和金屬底板3的外圍尺寸相同『=110 mm， ￡=11 mm;金屬蓋板1上的所有縫 隙單元l-l尺寸相同，結(jié)構(gòu)參數(shù)取『產(chǎn)1 mm，丄「7.5 mm，『2=4 mm， Z2=10 mm; 金屬側(cè)板2的外圍與金屬蓋板1和金屬底板3對齊且圍成腔體，腔體的凈高度為 llmm;饋源貼片4-1印刷在厚度為1 mm、相對介電常數(shù)為2.2的介質(zhì)基片4-3 上，介質(zhì)基片4-3的結(jié)構(gòu)參數(shù)為『3=40 mm， ￡3= 40mm;饋電貼片4-l和寄生無源 貼片4-2的結(jié)構(gòu)參數(shù)分別取『4=10 mm,丄4=10 mm，『5=7.5 mm，丄5=7.5 mm， 『6=13 mm， ￡6=13 mm;饋電接頭4-1-1采用SMA射頻接頭；天線設(shè)計(jì)的中心頻率 為13.0 GHz，中心頻率對應(yīng)的波長為23.1 mm。
圖7給出本實(shí)施例之天線的"增益-頻率"響應(yīng)曲線，與僅有饋電貼片而其它所 有結(jié)構(gòu)尺寸均相同的天線對比本實(shí)施例所達(dá)到的最大增益為22.5 dBi，增高了 0.7 dB;增益超過20 dBi的帶寬達(dá)580 MHz，頻帶展寬1. 32倍；本實(shí)施例天線在頻帶 內(nèi)的最大口徑效率為62%。
本發(fā)明可延拓涵蓋
由非矩形縫隙單元1-1構(gòu)成的金屬蓋板1，在工作頻帶內(nèi)對電磁波具有適當(dāng)?shù)?透射率；由非周期排列的縫隙單元1-1構(gòu)成的金屬蓋板1，在工作頻帶內(nèi)對電磁波 具有適當(dāng)?shù)耐干渎?；由非均勻尺寸的縫隙單元1-1構(gòu)成的金屬蓋板1，在工作頻帶 內(nèi)對電磁波具有適當(dāng)?shù)耐干渎?；由非金屬材料?gòu)成的任意形狀的側(cè)板2，能起支撐 金屬蓋板1和金屬底板3,以及部分抑制橫向波泄漏的作用；由具有相當(dāng)饋電效果 的非矩形饋電貼片4-1和寄生無源貼片4-2構(gòu)成的饋源4;由具有相當(dāng)饋電效果的 不同形狀、尺寸或位置的寄生無源貼片4-2構(gòu)成的饋源4;由具有相當(dāng)饋電效果的 其它相對介電常數(shù)值、其它厚度的介質(zhì)基片4-3構(gòu)成的饋源4。
本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)可通過以下措施來確定
第一步，確定金屬蓋板1及其縫隙單元1-1的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)，如圖3所示，目 標(biāo)是使金屬蓋板1在工作頻帶內(nèi)對電磁波的透射率/滿足公式,=2/(G+l)，式中G是增益的預(yù)設(shè)指標(biāo)值。結(jié)構(gòu)參數(shù)與透射率Z的關(guān)系，可運(yùn)用已商品化的仿真軟件 (CST, HFSS等)進(jìn)行分析和計(jì)算。本實(shí)施例中采用了 CST仿真軟件，計(jì)算得出 金屬蓋板1的"透射率-頻率"響應(yīng)曲線示于圖8。金屬蓋板1的外圍尺寸滿足公式 『x￡ = (;^/4;0x(G/;7)，式中^為中心頻率對應(yīng)的波長，7為天線的口徑效率。本實(shí) 施例中的;i^23.1mm， 77在0.4~0.7之間選取。
第二步，確定金屬側(cè)板2高度，目標(biāo)是使腔體的凈高度//滿足公式 //二iVx人/2，式中AM， 2，…，通常取1或者2。
第三步，確定饋源4的初始尺寸，如圖5所示。不失一般性，假定天線的極化 沿x方向。借鑒微帶貼片天線的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)饋電貼片4-1沿極化方向的尺寸約為 0.5V^(l + ^)/2，式中&為介質(zhì)基片4-3的相對介電常數(shù)，如本實(shí)施例中&=2.2; 而饋電貼片4-1沿垂直于極化方向的尺寸取值有較大的自由度，如本實(shí)施例中取為 正方形貼片。寄生無源貼片4-2與饋電貼片4-1的形狀相似，其尺寸的比率r =『5 /『4=￡5 /丄4在0.7-0.8之間取值較優(yōu)，如本實(shí)施例中r =0.75;寄生無源貼片4-2幾何 中心距離饋電貼片4-1幾何中心取(0.5 0.7)A較優(yōu)，如本實(shí)施例中取『6 =丄6 =13 mm =0.56;io。
第四步，以前三步所得的結(jié)構(gòu)參數(shù)為初始值，對天線進(jìn)行整體仿真，計(jì)算其各 項(xiàng)性能；根據(jù)性能與指標(biāo)的差距，有選擇地調(diào)節(jié)相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)行統(tǒng)籌優(yōu)選或 全局優(yōu)化，直至天線的各項(xiàng)性能均滿足指標(biāo)要求。
權(quán)利要求1、一種高增益的金屬諧振腔天線，包括金屬蓋板(1)、金屬側(cè)板(2)、金屬底板(3)以及饋源(4)，其特征在于金屬蓋板(1)居上，金屬底板(3)居下，金屬側(cè)板(2)居中，三者相互連接構(gòu)成一腔體，饋源(4)置于該腔體內(nèi)部；金屬蓋板(1)是一塊其上開有一組縫隙單元(1-1)的金屬平板，縫隙單元(1-1)呈周期性排列；饋源(4)包括一個(gè)位于腔體中部的饋電貼片(4-1)及其周圍的一組無源寄生貼片(4-2)，饋電貼片(4-1)及寄生貼片(4-2)印刷在一片介質(zhì)基片(4-3)的上表面，介質(zhì)基片(4-3)的下表面貼在金屬底板(3)的上表面；饋電貼片(4-1)通過射頻同軸接頭經(jīng)由電纜(4-1-1)激勵(lì)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的高增益金屬諧振腔天線，其特征在于金屬底板(3) 為一金屬平板，其邊緣形狀與金屬蓋板(1)的邊緣形狀相同。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高增益金屬諧振腔天線，其特征在于金屬側(cè)板 (2)的高度約等于所指定頻帶之中心半波長的整數(shù)倍。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的高增益金屬諧振腔天線，其特征在于金屬側(cè)板(2) 為環(huán)狀金屬條帶，其輪廓與金屬蓋板(1)和金屬底板(3)的邊緣對齊。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的高增益金屬諧振腔天線，其特征在于饋電貼片(4-1)和寄生貼片(4-2)為正方形、矩形、圓形或橢圓形。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高增益金屬諧振腔天線，其特征在于寄生貼片 (4-2)的尺寸小于饋電貼片(4-1)的尺寸。
專利摘要一種高增益金屬諧振腔天線，包括金屬蓋板、金屬側(cè)板、金屬底板以及饋源，金屬蓋板居上，金屬底板居下，金屬側(cè)板居中，三者相互連接構(gòu)成一腔體，饋源置于該腔體內(nèi)部；金屬蓋板是一塊其上開有一組縫隙單元的金屬平板，縫隙單元呈周期性排列；饋源包括一個(gè)位于腔體中部的饋電貼片及其周圍的一組無源寄生貼片，饋電貼片及寄生貼片印刷在同一片介質(zhì)基片的上表面，介質(zhì)基片的下表面貼在金屬底板的上表面；饋電貼片通過射頻同軸接頭經(jīng)由電纜激勵(lì)。該天線具有饋電簡單、增益高(可達(dá)20dBi以上)、口徑效率高(可達(dá)60％以上)、成本低的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H01Q13/08GK201378629SQ200920036329
公開日2010年1月6日 申請日期2009年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月3日
發(fā)明者吳知航, 章文勛 申請人:東南大學(xué)