專利名稱：通過介質(zhì)加載來降低有限角度掃描的微帶天線陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及上層介質(zhì)板加載的數(shù)字波束形成微帶天線陣列，尤其是一種可以在有限角度掃描內(nèi)降低陣列產(chǎn)生的柵瓣，屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
數(shù)字波形成(DBF)技術(shù)1959年由Van Atta提出，被認(rèn)為是現(xiàn)代雷達(dá)發(fā)展的一項(xiàng)革命性變革。近年來隨著微波集成電路、超大規(guī)模與超高速集成電路等的飛速發(fā)展以及各種先進(jìn)高效的數(shù)字波束形成算法的相繼問世，這一技術(shù)的應(yīng)用已成現(xiàn)實(shí)，顯示出了巨大的應(yīng)用前景。而數(shù)字波束形成雷達(dá)系統(tǒng)中存在的主要問題是造價(jià)高，造成成本高的原因是由于每個陣元都需要一個收發(fā)組件。目前已經(jīng)有不少研究發(fā)表來解決這一問題。利用子陣的方式，即幾個天線單元共用一套收發(fā)組件，可以使得收發(fā)組件的數(shù)量大大降低，從而降低了雷達(dá)系統(tǒng)的造價(jià)。其不足在于幅、相的控制只在子陣的端□，因此由于幅、相的誤差同樣會導(dǎo)致柵瓣的出現(xiàn)。另外還可以禾Ij用重疊子陣白勺方式("Optimized weighting of uniform subarrays of unequal sizes”，IEEE Trans. Antennas Propag. , vol. 53, April. 2007，pp. 1207—1210)，或者通過整體陣列的優(yōu)化來打亂周期性從而抑制柵瓣的產(chǎn)生(“Aperiodic array consisting of subarrays for use in small mobile earth stations, ” IEEE Trans. Antennas Propag. , vol. 53, Jun. 2005, pp. 2004-2010)。但是這些方式的不足都是以設(shè)備或算法的復(fù)雜性為代價(jià)的，在實(shí)際的工程應(yīng)用中受到限制。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種介質(zhì)基板加載的微帶天線陣列結(jié)構(gòu)。該天線陣列能在有限角度掃描時(shí)具有柵瓣低的特點(diǎn)，可應(yīng)用于數(shù)字波束形成(DBF)雷達(dá)系統(tǒng)中。實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型目的的技術(shù)解決方案為一種在進(jìn)行波束掃描時(shí)降低柵瓣的微帶天線陣列，包括上層介質(zhì)板、介質(zhì)基板、微帶貼片天線、支撐柱、金屬底板、同軸接頭、金屬接地板；金屬接地板印刷在介質(zhì)基板的下表面，介質(zhì)基板的上表面蝕刻微帶貼片天線；金屬底板緊貼在介質(zhì)基板下方，同軸接頭固定在金屬底板下方；上層介質(zhì)板位于介質(zhì)基板的正上方，并通過支撐柱相互連接，支撐柱的高度為0. 48 λ ^o. 52 λ，上層介質(zhì)板與介質(zhì)基板之間為空氣。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)本實(shí)用新型將介質(zhì)板加載于微帶天線陣列上，實(shí)現(xiàn)了在有限角度掃描時(shí)柵瓣的減小。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)方式簡單，并不增加天線的口徑面積；只通過在普通微帶天線上方的介質(zhì)板就能達(dá)到減小柵瓣的目的，因此不需要復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)或者復(fù)雜的陣列的排列結(jié)構(gòu)。從而有效的提高數(shù)字波束形成天線的性能，在雷達(dá)和通信中有較好的應(yīng)用價(jià)值。

[0007]圖1為本實(shí)用新型天線單元結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。圖2為本實(shí)用新型天線單元結(jié)構(gòu)的俯視圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例的基本結(jié)構(gòu)的俯視圖。圖4為本發(fā)明實(shí)施例的基本結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。圖5為本發(fā)明實(shí)施例的柵瓣電平隨掃描角度變化曲線圖。圖6為本發(fā)明實(shí)施例的不加載上層介質(zhì)板天線輻射方向圖。圖7為本發(fā)明實(shí)施例的加載上層介質(zhì)板天線輻射方向圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述。圖1和圖2所示，本實(shí)用新型涉及一種在進(jìn)行波束掃描時(shí)降低柵瓣的微帶天線陣列，包括上層介質(zhì)板1、介質(zhì)基板2、微帶貼片天線3、支撐柱4、金屬底板5、同軸接頭6、金屬接地板7 ；金屬接地板7印刷在介質(zhì)基板2的下表面，介質(zhì)基板2的上表面蝕刻微帶貼片天線3 ；金屬底板5緊貼在介質(zhì)基板2下方，同軸接頭6固定在金屬底板5下方；上層介質(zhì)板 1位于介質(zhì)基板2的正上方，并通過支撐柱4相互連接，支撐柱4的高度為0. 48 λ ^O. 52 λ， 上層介質(zhì)板1與介質(zhì)基板2之間為空氣。上層介質(zhì)基板1的厚度為0. 03 λ ^O. 06 λ，介電常數(shù)范圍為6 15。介質(zhì)基板2的厚度為0. 1 λ ^O. 49 λ，介電常數(shù)范圍為2 15。本實(shí)用新型中可減小柵瓣的微帶天線單元是利用印刷電路的制作技術(shù)，即直接將微帶貼片天線3及金屬接地板7分別印制在介質(zhì)基板2的兩面上。通過機(jī)加工將上層介質(zhì)板1、介質(zhì)基板2和金屬底板5加工成同樣的大小，并分別在上層介質(zhì)板1、介質(zhì)基板2和金屬底板5上打出相應(yīng)的安裝孔用于固定支撐柱4。在金屬底板5上需要打穿墻孔用于通過同軸接頭6為微帶貼片天線饋電。上層介質(zhì)板1的介電常數(shù)和它的厚度以及支撐柱4的高度，即空氣層的厚度，都影響著降低陣列柵瓣的性能。上層介質(zhì)板的介電常數(shù)一般很高(10左右)。支撐柱4的高度約為0.5λ，可以根據(jù)工作頻段的不同，對高度進(jìn)行調(diào)整達(dá)到減小天線單元波束寬度的效果。 上層介質(zhì)板1用于構(gòu)成微帶天線陣列是實(shí)現(xiàn)了天線有限角度掃描時(shí)柵瓣的減小。天線陣列的波束掃描可以視為是陣因子的掃描，由于天線單元的波束寬度減小使得天線單元方向圖與陣因子方向圖相乘后，使得天線的柵瓣減小。在本實(shí)用新型的實(shí)施例中，結(jié)合圖3、圖4，這是一個1 X 8的微帶天線單元陣列。天線單元3經(jīng)過現(xiàn)代光刻工藝制作印制在介質(zhì)基板2上。天線單元的尺寸為10. 6X8. 89mm, 中心頻率為10GHz。介質(zhì)基板2的介電常數(shù)為2. 7，厚度為1mm。安裝孔8是通過機(jī)加工的得到的過孔用于固定上層介質(zhì)板1和支撐柱4 ；上層介質(zhì)板1的大小與介質(zhì)基板2的大小相同，介電常數(shù)為10厚度為1.5mm。上層介質(zhì)板1與介質(zhì)基板2間的距離為15mm。支撐柱 4的高度為15mm正好為二分之一的工作波長，介電常數(shù)ε =2. 08的塑料材料并通過螺絲將上層介質(zhì)板1和介質(zhì)基板2固定在一起。本實(shí)施例中，天線陣列的單元間距為一個波長，圖5給出了柵瓣的電平高度隨掃描角度變化的情況。虛線為沒有上層介質(zhì)板1時(shí)天線的柵瓣電平，實(shí)線為加載上層介質(zhì)板后柵瓣電平。可以看到在有限掃描的角度內(nèi)，采用介質(zhì)板加載的結(jié)構(gòu)可以降低天線的柵瓣。 本實(shí)施例的實(shí)物設(shè)計(jì)中，選擇主瓣的掃描角度為15°。單元間的相位差通過微帶線功分器9來實(shí)現(xiàn)。本實(shí)施例的實(shí)物設(shè)計(jì)模擬了在一個數(shù)字波束形成或相控陣系統(tǒng)中，天線的各個單元權(quán)重相同且波束指向15°這一狀態(tài)下的方向圖的情況，同時(shí)可以反映在這一狀態(tài)下柵瓣的情況。根據(jù)天線理論可以知道，當(dāng)單元間距增大時(shí)會產(chǎn)生柵瓣。而在加入上層介質(zhì)板 1后，天線產(chǎn)生的柵瓣得到降低。 經(jīng)過實(shí)驗(yàn)后，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6和圖7所示，主瓣柵瓣出現(xiàn)在45°處，普通的陣列的柵瓣電平為-5. 93dB，在微帶陣列在加介質(zhì)板后柵瓣電平為-11. 7dB。與普通陣列相比， 本實(shí)用新型將陣列天線柵瓣電平減低了 5. 87dB，實(shí)現(xiàn)了有限角度內(nèi)天線柵瓣的降低。
權(quán)利要求1.一種通過介質(zhì)加載來降低有限角度掃描的微帶天線陣列，包括上層介質(zhì)板(1)、介質(zhì)基板O)、微帶貼片天線(3)、支撐柱G)、金屬底板(5)、同軸接頭(6)、金屬接地板(7)； 金屬接地板(7)印刷在介質(zhì)基板O)的下表面，同軸接頭(6)固定在金屬底板( 下方，其特征在于介質(zhì)基板O)的上表面蝕刻微帶貼片天線(3)；金屬底板( 緊貼在介質(zhì)基板 (2)下方，上層介質(zhì)板(1)位于介質(zhì)基板(2)的正上方，并通過支撐柱(4)相互連接，支撐柱 (4)的高度為0.48 λ、. 52 λ，上層介質(zhì)板(1)與介質(zhì)基板(2)之間為空氣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的通過介質(zhì)加載來降低有限角度掃描的微帶天線陣列，其特征在于介質(zhì)基板O)的厚度為0.1 λ、. 49 λ，介電常數(shù)范圍為纊15。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的通過介質(zhì)加載來降低有限角度掃描的微帶天線陣列，其特征在于上層介質(zhì)基板(1)的厚度為0. 03 λ ^o. 06 λ，介電常數(shù)范圍為6 15。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3中所述的通過介質(zhì)加載來降低有限角度掃描的微帶天線陣列，其特征在于微帶天線陣列上加載上層介質(zhì)板(1)介電常數(shù)為10，厚度為1.5mm;上層介質(zhì)板(1)與介質(zhì)基板O)間的距離為15mm。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種通過介質(zhì)加載來降低有限角度掃描的微帶天線陣列，包括上層介質(zhì)板、介質(zhì)基板、微帶貼片天線、支撐柱、金屬底板、同軸接頭、金屬接地板；金屬接地板印刷在介質(zhì)基板的下表面，金屬底板緊貼在介質(zhì)基板下方，同軸接頭固定在金屬底板下方；介質(zhì)基板的上表面蝕刻微帶貼片天線；上層介質(zhì)板位于介質(zhì)基板的正上方，并通過支撐柱相互連接，支撐柱的高度為0.48λ~0.52λ，上層介質(zhì)板與介質(zhì)基板之間為空氣。該技術(shù)方案結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)加工易于實(shí)現(xiàn)，測得結(jié)果精準(zhǔn)。
文檔編號H01Q21/00GK202067897SQ20102064139
公開日2011年12月7日 申請日期2010年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月4日
發(fā)明者孫為昭, 王巖, 王昊, 盛衛(wèi)星, 馬曉峰 申請人:南京理工大學(xué)