專利名稱：毫米波平面天線及其陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工作于毫米波段的平面天線以及平面天線陣列。
背景技術(shù)：
平面天線，例如微帶貼片天線和平面槽天線等，由于其重量輕、制造成本低、易于 集成、方便大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)而廣泛用于各種現(xiàn)代通信系統(tǒng)中。但是傳統(tǒng)的平面天線在毫 米波段存在各種缺陷，例如容易激發(fā)表面波、方向圖不均勻、頻帶窄、天線輻射效率低等。表 面波的激發(fā)使得平面天線存在方向圖惡化、增益降低、帶寬變窄、損耗增加和天線輻射效率 降低等缺陷。介質(zhì)損耗、導(dǎo)體損耗、表面波損耗是造成平面天線天線輻射效率低的主要原 因。對(duì)于工作頻率較低，介質(zhì)基板厚度遠(yuǎn)小于工作波長的平面天線而言，介質(zhì)損耗與導(dǎo)體損 耗較小，表面波損耗可以忽略不計(jì)。隨著工作頻率的增加，波長減小到毫米波段時(shí)，平面天 線的介質(zhì)損耗與導(dǎo)體損耗增加，表面波損耗增加并隨著介質(zhì)基板厚度與波長的相對(duì)尺寸變 大而成為影響平面天線損耗與天線輻射效率的主要因素。為了抑制或消除表面波，達(dá)到減小毫米波天線的損耗、提高毫米波天線輻射效率 的目的，國內(nèi)外的研究工作主要集中在以下兩個(gè)方向通過在金屬地板上蝕洞或者是在 介質(zhì)基板中打孔形成周期性電磁帶隙結(jié)構(gòu)(EBG)抑制表面波；利用微機(jī)械加工工藝技術(shù) (Micromachining Technique)構(gòu)造空氣介質(zhì)基板，消除表面波同時(shí)降低介質(zhì)損耗。電磁帶 隙結(jié)構(gòu)主要通過在中心工作頻率附近形成表面波傳輸?shù)慕麕В种票砻娌ǖ膫鬏?，或者?將表面波傳輸引導(dǎo)到遠(yuǎn)離中心工作頻率的頻段。這種方法研制的毫米波天線最大的缺點(diǎn)在 于體積很大，同時(shí)加工過程復(fù)雜，不易于集成。利用微機(jī)械加工工藝技術(shù)研制的毫米波天線 往往體積較大，不利于與微帶線路集成，同時(shí)不適合構(gòu)成大型毫米波平面天線陣列。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的不足，提供一種可減小損耗、提高天線輻 射效率的毫米波平面天線及其陣列。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案具體如下本發(fā)明的其中一種毫米波 平面天線包括金屬貼片、介質(zhì)基板、金屬地板和接地柱，所述金屬貼片置于介質(zhì)基板的上表 面上，介質(zhì)基板的下表面與金屬地板的上表面固定；所述金屬貼片與金屬地板的上表面平 行；所述金屬貼片上開有一對(duì)以上相同的第一條形槽，每對(duì)第一條形槽呈左右對(duì)稱分布，每 對(duì)第一條形槽的對(duì)稱中心線重合，各第一條形槽的長度方向的中心線相互平行，各第一條 形槽的長度為工作波長的1/2 ；所述接地柱垂直貫穿介質(zhì)基板，所述接地柱在第一條形槽 所在區(qū)域的外周沿周向間隔分布，各接地柱的兩端分別與金屬貼片、金屬地板接觸。進(jìn)一步地，本發(fā)明所述介質(zhì)基板的厚度為工作波長的1/4 1/3。進(jìn)一步地，本發(fā)明所述金屬貼片上還開有一對(duì)相同的第二條形槽，該對(duì)第二條形 槽在各所述接地柱所圍成的區(qū)域內(nèi)且該對(duì)第二條形槽呈上下對(duì)稱分布，第二條形槽的長度 方向的中心線相互平行，所述第一條形槽為一對(duì)，第一條形槽的對(duì)稱中心線與第二條形槽的對(duì)稱中心線垂直，第二條形槽的長度為工作波長的1/4 3/4，各第一條形槽、第二條形 槽相互之間間隔開來。進(jìn)一步地，本發(fā)明所述第二條形槽與第一條形槽相同，第一條形槽的長度方向的 中心線到第一條形槽的對(duì)稱中心線的距離相等于第二條形槽的長度方向的中心線到第二 條形槽的對(duì)稱中心線的距離。本發(fā)明的另一種毫米波平面天線包括金屬貼片、介質(zhì)基板、金屬地板和接地柱，所 述金屬貼片置于介質(zhì)基板的上表面上，介質(zhì)基板的下表面與金屬地板的上表面固定；所述 金屬貼片與金屬地板的上表面平行；所述金屬貼片上開有四個(gè)相同的直角L型槽，該四個(gè) 直角L型槽圍成一個(gè)矩形區(qū)域，各直角L型槽的直角頂點(diǎn)分別為所述矩形區(qū)域的四個(gè)頂點(diǎn)， 位于所述矩形區(qū)域的同一對(duì)角線兩端的兩個(gè)所述直角L型槽的內(nèi)角相對(duì)，四個(gè)直角L型槽 呈左右對(duì)稱且上下對(duì)稱分布，各直角L型槽相互之間間隔開來；所述矩形區(qū)域的相鄰兩個(gè) 邊的邊長為工作波長的1/4 3/4 ；所述接地柱垂直貫穿介質(zhì)基板，所述接地柱在四個(gè)直角 L型槽所圍成的矩形區(qū)域外周沿周向間隔分布，各接地柱的兩端分別與金屬貼片、金屬地板 接觸。進(jìn)一步地，本發(fā)明所述介質(zhì)基板的厚度為工作波長的1/4 1/3。進(jìn)一步地，本發(fā)明所述直角L型槽的相鄰兩條直角邊的邊長相等；所述矩形區(qū)域 的相鄰兩個(gè)邊的邊長相等且為工作波長的1/2。本發(fā)明的一種毫米波平面天線陣列包括金屬貼片、介質(zhì)基板、金屬地板和接地柱， 所述介質(zhì)基板的厚度為工作波長的1/4 1/3，所述金屬貼片置于介質(zhì)基板的上表面上，介 質(zhì)基板的下表面與金屬地板的上表面固定；所述金屬貼片與金屬地板的上表面平行；所述 接地柱垂直貫穿介質(zhì)基板，各接地柱的兩端分別與金屬貼片、金屬地板接觸；所述接地柱在 金屬貼片上的正投影形成由mXn個(gè)正方形子區(qū)域構(gòu)成的矩形區(qū)域，所述接地柱在金屬貼 片上的正投影相應(yīng)地位于各正方形子區(qū)域的各邊界線上，在每個(gè)正方形子區(qū)域內(nèi)于金屬貼 片上設(shè)有天線輻射單元；每個(gè)所述天線輻射單元由兩個(gè)第一條形槽和兩個(gè)與第一條形槽相 同的第二條形槽組成，所述第一條形槽和第二條形槽圍成正方形區(qū)域，該正方形區(qū)域與該 天線輻射單元所在的所述正方形子區(qū)域的對(duì)角線重合；兩個(gè)第一條形槽的長度方向的中心 線相互平行且兩個(gè)第一條形槽呈左右對(duì)稱，兩個(gè)第二條形槽的長度方向的中心線相互平行 且兩個(gè)第二條形槽呈上下對(duì)稱，第一條形槽和第二條形槽的長度為工作波長的1/2，第一條 形槽的對(duì)稱中心線與第二條形槽的對(duì)稱中心線垂直，第一條形槽的長度方向的中心線與兩 個(gè)第一條形槽的對(duì)稱中心線的距離等于第二條形槽的長度方向的中心線與兩個(gè)第二條形 槽的對(duì)稱中心線的距離，各第一條形槽、第二條形槽相互之間間隔開來。本發(fā)明的另一種毫米波平面天線陣列包括金屬貼片、介質(zhì)基板、金屬地板和接地 柱，所述介質(zhì)基板的厚度為工作波長的1/4 1/3，所述金屬貼片置于介質(zhì)基板的上表面 上，介質(zhì)基板的下表面與金屬地板的上表面固定；所述金屬貼片與金屬地板的上表面平行； 所述接地柱垂直貫穿介質(zhì)基板，各接地柱的兩端分別與金屬貼片、金屬地板接觸；所述接地 柱在金屬貼片上的正投影形成由mXn個(gè)正方形子區(qū)域構(gòu)成的矩形區(qū)域，所述接地柱在金 屬貼片上的正投影相應(yīng)地位于各正方形子區(qū)域的各邊界線上，在每個(gè)正方形子區(qū)域內(nèi)于金 屬貼片上設(shè)有天線輻射單元，每個(gè)所述天線輻射單元由四個(gè)相同的直角L型槽組成，所述 四個(gè)直角L型槽圍成一個(gè)正方形區(qū)域，各直角L型槽的直角頂點(diǎn)分別為所述正方形區(qū)域的四個(gè)頂點(diǎn)，位于所述正方形區(qū)域的同一對(duì)角線兩端的兩個(gè)所述直角L型槽的內(nèi)角相對(duì)，四 個(gè)直角L型槽呈左右對(duì)稱且上下對(duì)稱分布，各直角L型槽相互之間間隔開來；所述正方形區(qū) 域的邊長為工作波長的1/2 ；該正方形區(qū)域與該天線輻射單元所在的所述正方形子區(qū)域的 對(duì)角線重合；所述直角L型槽的相鄰兩條直角邊的邊長相等。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是(1)傳統(tǒng)的微帶貼片天線工作時(shí)，電磁場分布主要集中在介質(zhì)基板中，尤其是集中 在微帶貼片的邊緣區(qū)域。本發(fā)明通過在金屬貼片上開槽的方式使得平面天線工作時(shí)電磁場 主要分布在所開第一條形槽中，與傳統(tǒng)微帶貼片天線相比介質(zhì)損耗更低；同時(shí)通過在金屬 貼片上開一對(duì)以上的對(duì)稱分布、相互平行的第一條形槽使得輻射方向圖均勻。通過在第一 條形槽所在區(qū)域的外周沿周向間隔設(shè)置接地柱，可截?cái)啾砻娌ǖ臋M向傳輸，消除表面波損 耗，提高天線輻射效率，使得本發(fā)明平面天線特別適合毫米波平面天線的應(yīng)用。(2)本發(fā)明毫米波平面天線在金屬貼片上設(shè)置了第一條形槽、第二條形槽，該天 線結(jié)構(gòu)具有介質(zhì)損耗不隨介質(zhì)基板的厚度增加而變大的特性，同時(shí)由于接地柱消除了表面 波，使得介質(zhì)基板的厚度可以到增加到工作波長的1/4 1/3，從而使本發(fā)明毫米波平面天 線在減小損耗的同時(shí)保證了工作帶寬，并提高天線增益，優(yōu)化天線整體性能。(3)本發(fā)明通過在金屬貼片上設(shè)置四條直角L型槽替代所述一對(duì)第一條形槽和一 對(duì)第二條形槽，該天線結(jié)構(gòu)同樣具有介質(zhì)損耗不隨介質(zhì)基板的厚度增加而變大的特性。在 四條直角L型槽所在區(qū)域的外周沿周向間隔設(shè)置接地柱，消除了表面波損耗，提高天線輻 射效率。由于表面波的消除，通過增加介質(zhì)基板的厚度到為工作波長的1/4 1/3，使得天 線工作帶寬增加，天線增益提高，天線整體工作性能優(yōu)化。(4)本發(fā)明毫米波平面天線及其陣列利用在金屬貼片上開一對(duì)相同的第一條形槽 和一對(duì)相同的第二條形槽或者是四個(gè)相同的直角L型槽構(gòu)成左右對(duì)稱且上下對(duì)稱的天線 結(jié)構(gòu)，采用不同的饋電時(shí)可以方便實(shí)現(xiàn)線性極化、雙線性極化和圓極化。(5)本發(fā)明以一對(duì)相同的第一條形槽和一對(duì)相同的第二條形槽或者是四個(gè)相同的 直角L型槽作為天線輻射單元，在每個(gè)天線輻射單元的外周沿周向間隔設(shè)置接地柱構(gòu)成天 線陣列。接地柱截?cái)鄼M向傳輸?shù)谋砻娌上砻娌〒p耗、提高天線輻射效率，同時(shí)消除天 線輻射單元間由于表面波引起的互耦合，降低本發(fā)明平面天線陣列的耦合損耗。通過增加 介質(zhì)基板的厚度到為工作波長的1/4 1/3使得本發(fā)明毫米波平面天線陣列工作帶寬增 加，天線增益提高，天線整體工作性能優(yōu)化。
圖1是毫米波平面天線結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1的A-A剖面圖；圖3是毫米波圓極化平面天線結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是毫米波平面直角L型槽天線結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是毫米波平面天線陣列結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是由第一條形槽和第二條形槽構(gòu)成的天線輻射單元結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是由直角L型槽構(gòu)成的天線輻射單元結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖1和圖2所示，本發(fā)明毫米波平面天線包括金屬貼片2、介質(zhì)基板1、金屬地板 5和接地柱4，金屬貼片2粘貼或放置于介質(zhì)基板1的上表面上，介質(zhì)基板1的下表面與金 屬地板5的上表面固定。在本發(fā)明中，金屬貼片2上開有一對(duì)以上相同的第一條形槽。而 在圖1所示的實(shí)施例中則開有兩對(duì)相同的第一條形槽，其中，第一條形槽31和第一條形槽 31’為一對(duì)，另一對(duì)為第一條形槽32和第一條形槽32’。第一條形槽31和第一條形槽31’ 以直線kk’為對(duì)稱中心線呈左右對(duì)稱分布，組成第一對(duì)第一條形槽。第一條形槽31的長度 方向的中心線Ab1和第一條形槽31’的長度方向的中心線a/b/相互平行。第一條形槽 32和第一條形槽32’亦以直線kk’為對(duì)稱中心線呈左右對(duì)稱分布，組成第二對(duì)第一條形槽， 第一條形槽32的長度方向的中心線a2b2和第一條形槽32’的長度方向的中心線a2’ b2’相 互平行。由上可知，第一對(duì)第一條形槽和第二對(duì)第一條形槽的對(duì)稱中心線重合。由于第一 對(duì)第一條形槽31和第一條形槽31’與第二對(duì)第一條形槽32和第一條形槽32’都呈對(duì)稱分 布且相互分別平行，使得本發(fā)明毫米波平面天線相比較于傳統(tǒng)的平面槽天線而言，遠(yuǎn)區(qū)場 輻射方向圖均勻。各第一條形槽的長度為工作波長的1/2，以保證本發(fā)明毫米波平面天線的 中心工作頻率為f。。工作波長與中心工作頻率f。以及介質(zhì)基板1所選擇的材料有關(guān)。各 接地柱4垂直貫穿介質(zhì)基板1，各接地柱4的兩端分別與金屬貼片2、金屬地板5接觸。各 接地柱4在第一條形槽32和第一條形槽32’所在區(qū)域的外周沿周向間隔分布，使得各第一 條形槽位于由各接地柱4在金屬貼片2上的正投影的幾何中心的連線所圍成的區(qū)域內(nèi)。根 據(jù)全反射理論，表面波在介質(zhì)基板1和空氣的交界面形成。表面波在介質(zhì)基板1中沿橫向 傳輸至接地柱4所在位置時(shí)，接地柱4改變表面波傳輸?shù)倪吔鐥l件，截?cái)嗔吮砻娌ǖ臋M向傳 輸，消除了本發(fā)明毫米波平面天線的表面波損耗，大幅度提高天線輻射效率。同時(shí)，由于本 發(fā)明毫米波平面天線工作時(shí)電磁場主要分布在各第一條形槽中及其周圍的空氣和介質(zhì)基 板1中，各接地柱4并不影響各第一條形槽中的場分布，在消除表面波的同時(shí)保證天線其他 工作性能不受影響。本發(fā)明毫米波平面天線的接地柱4的實(shí)現(xiàn)方式相比較于周期性電磁帶 隙結(jié)構(gòu)(EBG)或者是微機(jī)械加工工藝技術(shù)(Micromachining Technique)而言，對(duì)工藝要求 低，加工更方便。進(jìn)一步地，本發(fā)明毫米波平面天線中的介質(zhì)基板1的厚度為工作波長的1/4 1/3。對(duì)于傳統(tǒng)的平面天線，介質(zhì)基板的厚度不宜大于1/10工作波長，否則會(huì)激發(fā)起強(qiáng)烈 的表面波，引起方向圖惡化，帶來表面波損耗的大幅度增加。而本發(fā)明毫米波平面天線工 作時(shí)，由于金屬貼片上設(shè)有第一條形槽，電磁場主要分布在各第一條形槽中及其周圍的空 氣和介質(zhì)基板1中，因而本發(fā)明毫米波平面天線的介質(zhì)損耗不隨介質(zhì)基板1的厚度增加而 變大。同時(shí)接地柱4消除了表面波，使得介質(zhì)基板1的厚度可以增大到工作波長的1/4 1/3，從而使本發(fā)明毫米波平面天線在減小損耗的同時(shí)保證了工作帶寬。當(dāng)介質(zhì)基板1的厚 度小于工作波長的1/4或者大于工作波長的1/3時(shí)，本發(fā)明毫米波平面天線的天線增益開 始降低，工作帶寬開始變窄。更進(jìn)一步地，本發(fā)明毫米波平面天線中介質(zhì)基板1的厚度約為工作波長的1/4。根 據(jù)電磁場電磁波理論中的鏡像原理，對(duì)于放置于空氣中的本發(fā)明毫米波平面天線而言，金 屬貼片2與平行的金屬地板5之間的垂直間距(即介質(zhì)基板1的厚度)選擇為工作波長的 1/4時(shí)能獲得的天線增益最大。
參看圖1和圖2，本發(fā)明毫米波平面天線可以采用小孔耦合饋電。該饋電結(jié)構(gòu)為 金屬地板5上設(shè)有矩形耦合通孔9，矩形耦合通孔9與各第一條形槽平行。介質(zhì)基板7的上 表面與金屬地板5的下表面粘貼在一起，介質(zhì)基板7的下表面粘貼饋線6。輸入能量通過饋 線6傳輸并通過耦合通孔9耦合至各第一條形槽。本發(fā)明毫米波平面天線也可以采用同軸 探針饋電，同軸探針垂直貫穿介質(zhì)基板1與金屬貼片2接觸。如圖3所示，本發(fā)明毫米波平面天線可以在金屬貼片2上只開一對(duì)第一條形槽，即 第一條形槽31和第一條形槽31’，第一條形槽31和第一條形槽31’以直線kk’為對(duì)稱中 心線呈左右對(duì)稱分布，第一條形槽31長度方向的中心線^b1和第一條形槽31’長度方向的 中心線a/ b/相互平行。與此同時(shí)，金屬貼片2上還開有一對(duì)相同的第二條形槽，包括第 二條形槽311和第二條形槽311’，第二條形槽311和第二條形槽311’以直線I^k1 ’為對(duì)稱 中心線呈上下對(duì)稱分布，第二條形槽311長度方向的中心線anbn和第二條形槽311’長度 方向的中心線an’bn’相互平行。第二條形槽311和第二條形槽311’的長度為工作波長 的1/4 3/4。第一條形槽31和第一條形槽31’的對(duì)稱中心線kk’與第二條形槽311和 第二條形槽311’的對(duì)稱中心線I^k1 ’垂直。各第一條形槽、第二條形槽相互之間間隔開來 以使相互不接觸。當(dāng)各第一條形槽與各第二條形槽同時(shí)被激勵(lì)時(shí)，本發(fā)明毫米波平面天線 實(shí)現(xiàn)圓極化工作方式。本實(shí)施方式中采用同軸探針饋電方式說明本發(fā)明毫米波平面天線的 圓極化工作方式。同軸探針與金屬貼片2接觸的位置在點(diǎn)H和點(diǎn)V處。點(diǎn)H位于第二條形 槽311和第二條形槽311’之間的對(duì)稱中心線Iqk1，上，點(diǎn)V位于第一條形槽31和第一條 形槽31’之間的對(duì)稱中心線kk’上。在點(diǎn)H處，同軸探針垂直貫穿介質(zhì)基板1與金屬貼片 2接觸，由于各第一條形槽長度為工作波長的1/2，在第一條形槽31和第一條形槽31’中能 激勵(lì)起中心工作頻率為f。的輻射水平極化波的場分布。在點(diǎn)V處，同軸探針垂直貫穿介質(zhì) 基板1與金屬貼片2接觸，由于各第二條形槽長度為工作波長的1/4 3/4，在第二條形槽 311和第二條形槽311’中能激勵(lì)起中心工作頻率為l/2f。 3/2f。的輻射垂直極化波的場 分布。此時(shí)，第一條形槽31和第一條形槽31’所輻射的水平極化波在遠(yuǎn)區(qū)場的場量與第二 條形槽311和第二條形槽311’所輻射的垂直極化波在遠(yuǎn)區(qū)場的場量在一定立體角范圍內(nèi) 相位差為90度，可以實(shí)現(xiàn)圓極化。進(jìn)一步地，本發(fā)明毫米波平面天線的第二條形槽311和第二條形槽311’的長度與 第一條形槽31和第一條形槽31’的長度相等，第一條形槽31的長度方向的中心線^b1或 者第一條形槽31’的長度方向的中心線a/b/到第一條形槽的對(duì)稱中心線kk’的距離等 于第二條形槽311的長度方向的中心線Aib11或者第二條形槽311’的長度方向的中心線 B1^b11'到第二條形槽的對(duì)稱中心線I^k1 ’的距離。由于各第一條形槽和各第二條形槽組成 左右對(duì)稱且上下對(duì)稱的天線結(jié)構(gòu)，本發(fā)明毫米波平面天線采用不同的饋電方式時(shí)可以實(shí)現(xiàn) 線極化、雙線性極化和圓極化。作為本發(fā)明的另一實(shí)施方式，如圖4所示，在金屬貼片2開有四個(gè)相同的直角L型 槽，包括直角L型槽81、直角L型槽81，、直角L型槽82和直角L型槽82，。直角L型槽81、 直角L型槽81，、直角L型槽82和直角L型槽82’圍成一個(gè)矩形區(qū)域ABDC，各直角L型槽 的直角頂點(diǎn)分別為矩形區(qū)域ABDC的四個(gè)頂點(diǎn)。位于矩形區(qū)域ABDC的同一對(duì)角線兩端的兩 個(gè)直角L型槽81和直角L型槽81’的內(nèi)角相對(duì)，直角L型槽82和直角L型槽82’的內(nèi)角 相對(duì)，其中，直角L型槽81和直角L型槽82’、直角L型槽82和直角L型槽81’呈左右對(duì)稱分布，且直角L型槽81和直角L型槽82、直角L型槽82’和直角L型槽81’呈上下對(duì)稱分 布，直角L型槽81、直角L型槽82’、直角L型槽82和直角L型槽81’相互之間間隔開來以 確保相互之間不接觸。矩形區(qū)域ABDC的相鄰兩個(gè)邊的邊長分別為工作波長的1/4 3/4。 矩形區(qū)域ABDC的一邊約為工作波長的1/2，保證天線的中心工作頻率為f。，同時(shí)矩形區(qū)域 ABDC的另一邊為工作波長的1/4 3/4，使得天線加上饋電正常工作時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)圓極化。接 地柱4垂直貫穿介質(zhì)基板1，接地柱4在四個(gè)直角L型槽所圍成的矩形區(qū)域ABDC的外周一 定距離處沿周向間隔分布。各直角L型槽位于各接地柱4在金屬貼片2上的正投影的幾何 中心的連線所圍成的區(qū)域內(nèi)。各接地柱4的兩端分別與金屬貼片2、金屬地板5接觸。采用 合適的饋電方式可以在矩形區(qū)域ABDC的左右兩邊的直角L型槽中激發(fā)起輻射水平極化波 的場分布。在矩形區(qū)域ABDC的上下兩邊的直角L型槽中激發(fā)起輻射垂直極化波的場分布。 此時(shí)，直角L型槽81、直角L型槽81’、直角L型槽82和直角L型槽82’所輻射的水平極化 波在遠(yuǎn)區(qū)場的場量與所輻射的垂直極化波在遠(yuǎn)區(qū)場的場量在一定立體角范圍內(nèi)相位差為 90度，可以實(shí)現(xiàn)圓極化。進(jìn)一步地，本發(fā)明該實(shí)施方式的四個(gè)直角L型槽的相鄰兩條直角邊的邊長相等， 四個(gè)直角L型槽所圍成的矩形區(qū)域ABDC的相鄰兩個(gè)邊的邊長相等且為工作波長的1/2。由 于各直角L型槽組成左右對(duì)稱且上下對(duì)稱的天線結(jié)構(gòu)，本發(fā)明毫米波平面天線采用不同的 饋電方式時(shí)可以實(shí)現(xiàn)線極化、雙線性極化和圓極化。如圖5所示，本發(fā)明毫米波平面天線陣列包括金屬貼片2、介質(zhì)基板1、金屬地板5 和接地柱4，介質(zhì)基板1的厚度為工作波長的1/4 1/3，金屬貼片2置于介質(zhì)基板1的上 表面上，介質(zhì)基板1的下表面與金屬地板5的上表面固定。金屬貼片2與金屬地板5的上 表面平行。接地柱4垂直貫穿介質(zhì)基板1，各接地柱4的兩端分別與金屬貼片2、金屬地板 5接觸。各接地柱4在金屬貼片2上的正投影形成由mXn個(gè)正方形子區(qū)域構(gòu)成的矩形區(qū) 域0PQR，接地柱在金屬貼片2上的正投影相應(yīng)地位于各正方形子區(qū)域的各邊界線上，在每 個(gè)正方形子區(qū)域內(nèi)于金屬貼片2上設(shè)有天線輻射單元，如圖6所示，接地柱4在金屬貼片2上的正投影間隔地分布在正方形子區(qū)域EFGH 的各邊界線EF、re、GH和HE上。在正方形子區(qū)域EFGH內(nèi)，天線輻射單元由第一條形槽31、 第一條形槽31’、第二條形槽311和第二條形槽311’組成。第二條形槽311和第二條形槽 311，與第一條形槽31、第一條形槽31，相同，第一條形槽31和第一條形槽31，與第二條形 槽311和第二條形槽311，圍成另一個(gè)正方形區(qū)域E，F(xiàn)，G，H，，該正方形區(qū)域E，F(xiàn)，G，H， 與該天線輻射單元所在的正方形子區(qū)域EFGH的對(duì)角線重合。第一條形槽31和第一條形槽 31’呈左右對(duì)稱，第一條形槽31長度方向的中心線^b1和第一條形槽31’長度方向的中心 線a/ b/相互平行。第二條形槽311和第二條形槽311’呈上下對(duì)稱分布，第二條形槽311 長度方向的中心線anbn和第二條形槽311’長度方向的中心線an’ bn’相互平行。各第一 條形槽和各第二條形槽的長度為工作波長的1/2。兩個(gè)第一條形槽的對(duì)稱中心線kk’與兩 個(gè)第二條形槽的對(duì)稱中心線I^k1 ’垂直，第一條形槽31的長度方向的中心線^b1或者第一 條形槽31’的長度方向的中心線a/b/到第一條形槽的對(duì)稱中心線kk’的距離等于第二 條形槽311的長度方向的中心線anbn或者第二條形槽311’的長度方向的中心線an’ bn’ 到第二條形槽的對(duì)稱中心線I^k1 ’的距離。各第一條形槽、第二條形槽間隔開來以使相互之 間不接觸。
作為本發(fā)明毫米波平面天線陣列的另一實(shí)施方式，如圖7所示，接地柱4在金屬 貼片2上的正投影間隔地分布在正方形子區(qū)域IJKL的各邊界線IJ、JK、KL和LI上。在正 方形子區(qū)域IJKL內(nèi)，天線輻射單元由四個(gè)相同的直角L型槽組成，包括直角L型槽81、直 角L型槽81’、直角L型槽82和直角L型槽82’，各直角L型槽的相鄰兩條直角邊的邊長相 等。直角L型槽81、直角L型槽81’、直角L型槽82和直角L型槽82’圍成一個(gè)正方形區(qū) 域I’ J’ K’ L’，該正方形區(qū)域I’ J’ K’ L’與該天線輻射單元所在的所述正方形子區(qū)域IJKL 的對(duì)角線重合，各直角L型槽的直角頂點(diǎn)分別為正方形區(qū)域I’ J’ K’ L’的四個(gè)頂點(diǎn)。正方 形區(qū)域I’ J’ K’ L’的邊長為工作波長的1/2。位于所述正方形區(qū)域I’ J’ K’ L’的同一對(duì)角 線兩端的直角L型槽81和直角L型槽81’的內(nèi)角相對(duì)，直角L型槽82和直角L型槽82’ 的內(nèi)角相對(duì)。直角L型槽81、直角L型槽81’、直角L型槽82和直角L型槽82’呈左右對(duì) 稱且上下對(duì)稱分布，相互之間間隔開來。各輻射單元組成天線陣列時(shí)，由于電磁波的橫向傳輸存在互耦合，接地柱4消除 了各天線輻射單元之間由于表面波的橫向傳輸造成的互耦合，與傳統(tǒng)毫米波平面天線陣列 相比，輻射方向圖均勻，耦合損耗降低。本發(fā)明毫米波平面天線陣列的各輻射單元具有上下對(duì)稱且左右對(duì)稱的天線結(jié)構(gòu)， 當(dāng)采用不同的饋電方式本發(fā)明毫米波平面天線陣列可以實(shí)現(xiàn)線極化、雙線性極化和圓極 化。
權(quán)利要求
一種毫米波平面天線，其特征是包括金屬貼片、介質(zhì)基板、金屬地板和接地柱，所述金屬貼片置于介質(zhì)基板的上表面上，介質(zhì)基板的下表面與金屬地板的上表面固定；所述金屬貼片與金屬地板的上表面平行；所述金屬貼片上開有一對(duì)以上相同的第一條形槽，每對(duì)第一條形槽呈左右對(duì)稱分布，每對(duì)第一條形槽的對(duì)稱中心線重合，各第一條形槽的長度方向的中心線相互平行，各第一條形槽的長度為工作波長的1/2；所述接地柱垂直貫穿介質(zhì)基板，所述接地柱在第一條形槽所在區(qū)域的外周沿周向間隔分布，各接地柱的兩端分別與金屬貼片、金屬地板接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的毫米波平面天線，其特征是所述介質(zhì)基板的厚度為工作波 長的1/4 1/3。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的毫米波平面天線，其特征是所述金屬貼片上還開有一 對(duì)相同的第二條形槽，該對(duì)第二條形槽在各所述接地柱所圍成的區(qū)域內(nèi)且該對(duì)第二條形槽 呈上下對(duì)稱分布，第二條形槽的長度方向的中心線相互平行，所述第一條形槽為一對(duì)，第一 條形槽的對(duì)稱中心線與第二條形槽的對(duì)稱中心線垂直，第二條形槽的長度為工作波長的 1/4 3/4，各第一條形槽、第二條形槽相互之間間隔開來。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的毫米波平面天線，其特征是所述第二條形槽與第一條形槽 相同，第一條形槽的長度方向的中心線到第一條形槽的對(duì)稱中心線的距離相等于第二條形 槽的長度方向的中心線到第二條形槽的對(duì)稱中心線的距離。
5.一種毫米波平面天線，其特征是包括金屬貼片、介質(zhì)基板、金屬地板和接地柱，所 述金屬貼片置于介質(zhì)基板的上表面上，介質(zhì)基板的下表面與金屬地板的上表面固定；所述 金屬貼片與金屬地板的上表面平行；所述金屬貼片上開有四個(gè)相同的直角L型槽，該四個(gè) 直角L型槽圍成一個(gè)矩形區(qū)域，各直角L型槽的直角頂點(diǎn)分別為所述矩形區(qū)域的四個(gè)頂點(diǎn)， 位于所述矩形區(qū)域的同一對(duì)角線兩端的兩個(gè)所述直角L型槽的內(nèi)角相對(duì)，四個(gè)直角L型槽 呈左右對(duì)稱且上下對(duì)稱分布，各直角L型槽相互之間間隔開來；所述矩形區(qū)域的相鄰兩個(gè) 邊的邊長為工作波長的1/4 3/4 ；所述接地柱垂直貫穿介質(zhì)基板，所述接地柱在四個(gè)直角 L型槽所圍成的矩形區(qū)域外周沿周向間隔分布，各接地柱的兩端分別與金屬貼片、金屬地板 接觸。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的毫米波平面天線，其特征是所述介質(zhì)基板的厚度為工作波 長的1/4 1/3。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的毫米波平面天線，其特征是所述直角L型槽的相鄰兩 條直角邊的邊長相等；所述矩形區(qū)域的相鄰兩個(gè)邊的邊長相等且為工作波長的1/2。
8.一種毫米波平面天線陣列，其特征是包括金屬貼片、介質(zhì)基板、金屬地板和接地 柱，所述介質(zhì)基板的厚度為工作波長的1/4 1/3，所述金屬貼片置于介質(zhì)基板的上表面 上，介質(zhì)基板的下表面與金屬地板的上表面固定；所述金屬貼片與金屬地板的上表面平行； 所述接地柱垂直貫穿介質(zhì)基板，各接地柱的兩端分別與金屬貼片、金屬地板接觸；所述接地 柱在金屬貼片上的正投影形成由mXn個(gè)正方形子區(qū)域構(gòu)成的矩形區(qū)域，所述接地柱在金 屬貼片上的正投影相應(yīng)地位于各正方形子區(qū)域的各邊界線上，在每個(gè)正方形子區(qū)域內(nèi)于金 屬貼片上設(shè)有天線輻射單元；每個(gè)所述天線輻射單元由兩個(gè)第一條形槽和兩個(gè)與第一條形 槽相同的第二條形槽組成，所述第一條形槽和第二條形槽圍成正方形區(qū)域，該正方形區(qū)域 與該天線輻射單元所在的所述正方形子區(qū)域的對(duì)角線重合；兩個(gè)第一條形槽的長度方向的中心線相互平行且兩個(gè)第一條形槽呈左右對(duì)稱，兩個(gè)第二條形槽的長度方向的中心線相互 平行且兩個(gè)第二條形槽呈上下對(duì)稱，第一條形槽和第二條形槽的長度為工作波長的1/2，第 一條形槽的對(duì)稱中心線與第二條形槽的對(duì)稱中心線垂直，第一條形槽的長度方向的中心線 與兩個(gè)第一條形槽的對(duì)稱中心線的距離等于第二條形槽的長度方向的中心線與兩個(gè)第二 條形槽的對(duì)稱中心線的距離，各第一條形槽、第二條形槽相互之間間隔開來。
9. 一種毫米波平面天線陣列，其特征是包括金屬貼片、介質(zhì)基板、金屬地板和接地 柱，所述介質(zhì)基板的厚度為工作波長的1/4 1/3，所述金屬貼片置于介質(zhì)基板的上表面 上，介質(zhì)基板的下表面與金屬地板的上表面固定；所述金屬貼片與金屬地板的上表面平行； 所述接地柱垂直貫穿介質(zhì)基板，各接地柱的兩端分別與金屬貼片、金屬地板接觸；所述接地 柱在金屬貼片上的正投影形成由mXn個(gè)正方形子區(qū)域構(gòu)成的矩形區(qū)域，所述接地柱在金 屬貼片上的正投影相應(yīng)地位于各正方形子區(qū)域的各邊界線上，在每個(gè)正方形子區(qū)域內(nèi)于金 屬貼片上設(shè)有天線輻射單元，每個(gè)所述天線輻射單元由四個(gè)相同的直角L型槽組成，所述 四個(gè)直角L型槽圍成一個(gè)正方形區(qū)域，各直角L型槽的直角頂點(diǎn)分別為所述正方形區(qū)域的 四個(gè)頂點(diǎn)，位于所述正方形區(qū)域的同一對(duì)角線兩端的兩個(gè)所述直角L型槽的內(nèi)角相對(duì)，四 個(gè)直角L型槽呈左右對(duì)稱且上下對(duì)稱分布，各直角L型槽相互之間間隔開來；所述正方形區(qū) 域的邊長為工作波長的1/2 ；該正方形區(qū)域與該天線輻射單元所在的所述正方形子區(qū)域的 對(duì)角線重合；所述直角L型槽的相鄰兩條直角邊的邊長相等。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種毫米波平面天線及其陣列。其中，毫米波平面天線包括金屬貼片、介質(zhì)基板、金屬地板和接地柱，金屬貼片置于介質(zhì)基板的上表面上，介質(zhì)基板的下表面與金屬地板的上表面固定；金屬貼片與金屬地板的上表面平行；金屬貼片上開有一對(duì)以上相同的第一條形槽，每對(duì)第一條形槽呈左右對(duì)稱分布，每對(duì)第一條形槽的對(duì)稱中心線重合，各第一條形槽的長度方向的中心線相互平行，各第一條形槽的長度為工作波長的1/2；接地柱垂直貫穿介質(zhì)基板，接地柱在第一條形槽所在區(qū)域的外周沿周向間隔分布，各接地柱的兩端分別與金屬貼片、金屬地板接觸。本發(fā)明可減小毫米波天線的損耗、提高毫米波天線的輻射效率，同時(shí)保證天線工作帶寬、提高天線增益。
文檔編號(hào)H01Q1/48GK101982898SQ201010265359
公開日2011年3月2日 申請(qǐng)日期2010年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月24日
發(fā)明者吳錫東, 李韻 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)