專利名稱：一種高定向雙波束掃描毫米波平板天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高定向雙波束掃描毫米波天線，尤其是可實(shí)現(xiàn)毫米波的高定向的雙波束輻射的掃描天線。
背景技術(shù)：
毫米波是指波長介于1 IOmm之間的電磁波，被廣泛應(yīng)用于目標(biāo)探測(cè)，例如汽車防撞雷達(dá)，等等。毫米波用于目標(biāo)探測(cè)，其主要優(yōu)點(diǎn)在于1)穩(wěn)定的探測(cè)性能。不受被測(cè)物體表面形狀、顏色等的影響。2、良好的環(huán)境適應(yīng)性。毫米波雷達(dá)的穿透能力很強(qiáng)，其測(cè)距精度受雨、雪、霧及陽光的影響。為了分辨目標(biāo)的方位和速度，必須要求探測(cè)天線具有高定向性，并且要求對(duì)角度進(jìn)行掃描。目前用于毫米波雷達(dá)探測(cè)的天線主要有相共振天線和喇叭天線。相共振天線利用移相器控制每個(gè)輻射單元的相位達(dá)到指定角度的高定向輻射，其指向性高，輻射功率大，角度控制容易。但是要得到高的指向性，需要大量的移相器，且移相器價(jià)格相當(dāng)昂貴，對(duì)于一般價(jià)格中低檔的汽車，基于相共振的防撞雷達(dá)可能要占到成本的一半，乃至更高。并且運(yùn)行中需要制冷，體積龐大，安裝也相當(dāng)不便，這些主要缺點(diǎn)嚴(yán)重限制了其在民用市場(chǎng)的應(yīng)用。 喇叭天線的高定向輻射來自于大口徑的喇叭天線，而角度掃描是利用支撐喇叭天線的旋轉(zhuǎn)陀螺控制，價(jià)格便宜。但是機(jī)械掃描速度慢，故障率高。喇叭天線體積與定向性成正比，指向性越高，喇叭口面越大，長度越長。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高定向雙波束掃描毫米波平板天線，是一種可實(shí)現(xiàn)高定向輻射的雙波束毫米波天線，天線輻射方位角通過掃描頻率來嚴(yán)格控制。這種天線由平板印刷電路板制作而成，成本低廉，厚度超薄，容易與器件集成。為達(dá)到以上目的，本發(fā)明所采用的解決方案是本發(fā)明的天線需含有平面金屬花樣層、介質(zhì)層、下底板金屬層，以及微波饋源。平面金屬花樣層、介質(zhì)層、下底板金屬層可以由雙面印刷電路板制成，由于工作在微波波段， 所以對(duì)雙面電路板的上下表面金屬種類，厚度無特殊要求。微波饋源可以是普通單極子天線、偶極子天線、微帶天線或者其他基本微波饋源。平面金屬花樣層由平面內(nèi)周期排列的金屬帶構(gòu)成，金屬花樣層和下底板金屬以及中間的介質(zhì)層構(gòu)成了電磁波微腔，形成相干磁諧振表面態(tài)，此相干磁諧振表面態(tài)通過金屬花樣層中金屬空氣，向自由空間輻射高空間相干電磁波，形成雙波束高定向天線。相干磁諧振表面態(tài)的形成是高定向電磁輻射的關(guān)鍵，它由單個(gè)金屬花樣層和金屬底板以及中間的介質(zhì)中存在的腔模通過周期結(jié)構(gòu)的布拉格散射耦合而成。布拉格散射要求金屬花樣層的周期與工作頻率在介質(zhì)中的波長相比擬，因此本發(fā)明的金屬花樣層的周期大約等于工作頻帶上帶邊頻點(diǎn)的電磁波在介質(zhì)中的波長，例如本發(fā)明實(shí)施例1中選取周期為4mm，工作頻帶上帶邊為60GHz，在介質(zhì)中的波長約為3. 4mm。一個(gè)周期內(nèi)的金屬花樣可以由一維排列的金屬帶組成。金屬帶可以由一個(gè)金屬帶或者多個(gè)寬度不同、間隔不同的金屬帶；或者多個(gè)寬度不同、間隔相同的金屬帶組成。金屬花樣層也可以由二維排列而成的金屬方片，或者金屬圓片，或者金屬圓環(huán)組成。金屬花樣之間的間隙決定了磁諧振表面態(tài)和自由空間電磁波的耦合系數(shù)，耦合系數(shù)越小，輻射場(chǎng)空間相干性越高，定向性越好。本發(fā)明的特點(diǎn)是利用很小的光柵間隙實(shí)現(xiàn)高定向的電磁波輻射，光柵間隙需小于周期的五分之一。周期結(jié)構(gòu)對(duì)不同頻率的電磁波的調(diào)制不一樣，不同工作頻率的電磁波輻射方位角不同，因此通過對(duì)微波饋源的電磁波的頻率調(diào)節(jié)，可以控制天線的輻射方位角，達(dá)到全方位的目標(biāo)探測(cè)。要形成一個(gè)好的磁諧振表面態(tài)，本發(fā)明的介質(zhì)層厚度需遠(yuǎn)小于工作波長，例如實(shí)施例1所采用的印刷電路板介質(zhì)層厚度為0. 8mm。介質(zhì)層的介電常數(shù)和光柵的周期共同決定了本發(fā)明的工作頻率， 在保持周期不變的情況下，介電常數(shù)越高，工作頻率越低。由于采用了上述方案，本發(fā)明具有以下特點(diǎn)1、本發(fā)明的定向性由金屬花樣之間的空氣間隙控制。小的空氣間隙可以產(chǎn)生高定向電磁波輻射。2、本發(fā)明的工作頻率由周期和介質(zhì)的介電常數(shù)決定，工作頻帶可調(diào)。3、本發(fā)明通過調(diào)節(jié)頻率來調(diào)控電磁波的輻射方位角。電調(diào)的方式使得輻射方位角控制精確，反應(yīng)靈敏。4、本發(fā)明整體厚度薄，一般可以小于λ/10。遠(yuǎn)小于相共振天線和喇叭天線的尺寸，方便集成，容易安裝。5、本發(fā)明由印刷電路板制成，價(jià)格便宜。本發(fā)明可用于1、汽車防撞雷達(dá)；2、毫米波目標(biāo)探測(cè)；3、移動(dòng)通信用智能天線。


圖IA為本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。圖IB為本發(fā)明實(shí)施例1的平面金屬花樣層示意圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例在40. OGHz時(shí)的輻射方向圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例在53. 5GHz時(shí)的輻射方向圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖所示實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。本發(fā)明實(shí)施例中是工作在30-53. 5GHz的高定向雙波束掃描毫米波平板天線，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1，由平面金屬花樣層、介質(zhì)層和下底板金屬層以及偶極子天線組成；其中平面金屬花樣層1、介質(zhì)層2、下底板金屬層3由印刷電路板制作而成，整個(gè)電路板長度和寬度需大于工作波長的兩倍，本實(shí)施例采用的電路板大小為8cmX8cm大小，介質(zhì)層厚度為 0. 8mm，金屬層厚度為0. 017mm。平面金屬花樣層1的金屬結(jié)構(gòu)由周期排列而成的金屬帶組成，金屬帶寬度為3. 8mm,周期為4mm。印刷電路板的介質(zhì)層2，厚度為0. 127mm，介電常數(shù)為 2. 2，其下為下底板金屬層3。本實(shí)施例所采用的是普通偶極子天線饋源4，其放置于光柵層1中心上方，用同軸電纜與微波電路連接。本實(shí)施例平面金屬花樣層的金屬帶，下底板金屬和介質(zhì)層產(chǎn)生的相干表面態(tài)使偶極子天線饋源與整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)烈耦合。此相干表面態(tài)通過金屬帶之間的縫隙與自由空間平面波的弱耦合輻射到自由空間產(chǎn)生高空間相干(也就是高定向性)電磁波遠(yuǎn)場(chǎng)輻射，縫隙的大小決定了耦合系數(shù)的大小，本實(shí)施例中采用的縫隙寬度為0. 2mm，等于二十分之一波長，產(chǎn)生的高定向電磁波輻射方向角小于5度。輻射方向圖如圖2、圖3。而輻射的方位角受周期結(jié)構(gòu)調(diào)制，不同頻率對(duì)應(yīng)的波長不一樣，因此該結(jié)構(gòu)能達(dá)到調(diào)控電磁波輻射方位角的作用，輻射方位角能由-60 0度調(diào)節(jié)，圖2、圖3表明頻率30GHz上升到53. 5GHz時(shí)，輻射方位角的主極大可由60度調(diào)節(jié)到0度。整個(gè)天線結(jié)構(gòu)具有空間鏡像對(duì)稱性，因此輻射方向圖也是關(guān)于0度對(duì)稱，為雙波束形式。與現(xiàn)有高定向喇叭天線相比，本發(fā)明是平面結(jié)構(gòu)，縱向尺寸超薄，容易與器件集成，電掃描代替機(jī)械掃描，穩(wěn)定性高，掃描速度快。與價(jià)格昂貴的相共振雷達(dá)天線相比，價(jià)格低廉，整個(gè)天線成本不及相共振一個(gè)單元。上述的對(duì)實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對(duì)這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于這里的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對(duì)于本發(fā)明做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種高定向雙波束掃描毫米波平板天線，其特征在于其包括平面金屬花樣層、介質(zhì)層、下底板金屬層及微波饋源，平面金屬花樣層的金屬結(jié)構(gòu)和下底板金屬以及中間的介質(zhì)層構(gòu)成電磁波微腔，形成相干表面態(tài)，微波饋源放置于平面金屬花樣層的中心上方。
2.如權(quán)利要求1所述的高定向雙波束掃描毫米波平板天線，其特征在于所述平面金屬花樣層、介質(zhì)層和下底板金屬層從上至下依次相疊，由雙面印刷電路板制成，電路板介質(zhì)層小于工作波長的三分之一，電路板長度和寬度需大于工作波長的兩倍。
3.如權(quán)利要求1所述的高定向雙波束掃描毫米波平板天線，其特征在于所述平面金屬花樣層中金屬花樣之間的空氣縫隙必須小于周期的五分之一。
4.如權(quán)利要求1所述的高定向雙波束掃描毫米波平板天線，其特征在于所述平面金屬花樣層的周期與電磁波在介質(zhì)中的波長相比擬。
5.如權(quán)利要求1所述的高定向雙波束掃描毫米波平板天線，其特征在于所述平面金屬花樣層由一維排列的金屬帶組成，或者由二維排列的金屬方片、金屬圓片、或金屬圓環(huán)組成。
6.如權(quán)利要求5所述的高定向雙波束掃描毫米波平板天線，其特征在于所述一個(gè)周期內(nèi)的金屬帶由一個(gè)金屬帶組成；或者由多個(gè)寬度不同、間隔不同的金屬帶組成；或者由多個(gè)寬度不同、間隔相同的金屬帶組成。
7.如權(quán)利要求1所述的高定向雙波束掃描毫米波平板天線，其特征在于所述微波饋源為普通單極子天線、偶極子天線、微帶天線。
全文摘要
一種高定向雙波束掃描毫米波平板天線，其包括平面金屬花樣層、介質(zhì)層、下底板金屬層及微波饋源，平面金屬花樣層、介質(zhì)層和下底板金屬層從上之下依次相疊，由普通雙面印刷電路板制成。平面金屬花樣層的金屬光柵和下底板金屬以及中間的介質(zhì)層構(gòu)成電磁波微腔，與入射平面電磁波形成相干表面態(tài)，微波饋源放置于平面光柵層的中心上方。本發(fā)明的天線高定向雙波束輻射電磁波，輻射方位角可精確控制，反應(yīng)靈敏，成本低廉、厚度超薄。
文檔編號(hào)H01Q13/08GK102237569SQ20101016944
公開日2011年11月9日 申請(qǐng)日期2010年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月7日
發(fā)明者余興, 張冶文, 曹揚(yáng), 李宏強(qiáng), 樊元成, 武超, 陳鴻, 韓縉, 魏澤勇 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)