專利名稱：一種加載左手材料的高增益高效率的平板天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種加載左手材料的高增益高效率的平板天線，屬于衛(wèi)星平板天線的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
平板天線具有重量輕、體積小、占用空間少、風(fēng)阻小、效率高等優(yōu)勢(shì)，平板天線相對(duì)于拋物面天線等其它形式的天線來說具有較高的效率，增益較高，體積小，但目前平板天線的效率在75% 80%之間，從技術(shù)層面較難突破效率80%，以實(shí)現(xiàn)更高的效率?，F(xiàn)有的平板天線結(jié)構(gòu)多樣，但多數(shù)僅滿足近距離通信的技術(shù)條件
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例如，中國(guó)專利申請(qǐng)CN101752655A公開了一種平板天線，包括一基板、多個(gè)天線本體以及一金屬層。所述多個(gè)天線本體設(shè)置在基板的一表面，且金屬層設(shè)置在基板的另一表面。金屬層具有多個(gè)凹槽，分別穿插在所述多個(gè)天線本體之間。所述多個(gè)天線本體局部地對(duì)應(yīng)于金屬層，并用以配合具有兩個(gè)以上的多路徑傳輸?shù)囊煌ㄐ畔到y(tǒng)來同時(shí)發(fā)射并接收電磁信號(hào)。但是該專利申請(qǐng)的工作頻率較低2. 4GHz，雖然體積較小，但是整個(gè)平板天線的增益不高，實(shí)際應(yīng)用中僅僅滿足近距離信號(hào)傳輸?shù)囊螅瑧?yīng)用領(lǐng)域受限。例如，中國(guó)專利申請(qǐng)CN101005156公開了一種高增益寬頻帶的平板天線，用以解決傳統(tǒng)天線結(jié)構(gòu)上無法運(yùn)用于高增益寬頻帶的問題，本發(fā)明的平板天線包括微波基板，具有第一表面及第二表面；第一對(duì)稱型輻射單元，配置于該第一表面上，且該第一對(duì)稱型輻射單元具有第一輻射部與第二輻射部；第二對(duì)稱型輻射單元，配置于該第二表面上，且該第二對(duì)稱型輻射單元具有第三輻射部與第四輻射部；及至少一個(gè)連接單元，連接該微波基板及反射板。其中該第一輻射部、該第二輻射部、第三輻射部及第四輻射部的末端采用步階結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。通過本發(fā)明的平板天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)高增益寬頻帶的目的。該專利所述的平板天線體積小、帶寬大，但是其自身增益僅滿足近距離的通信需求，對(duì)于遠(yuǎn)距離通信增益還是不夠；而且該專利也不利于組陣以實(shí)現(xiàn)更高的增益。例如，中國(guó)專利CN101483271公開了一種平板天線，包含一介質(zhì)層、一輻射金屬層及一接地金屬層。該介質(zhì)層由絕緣材料制成，具有一上表面、一下表面及一貫孔。該輻射金屬層被覆于該介質(zhì)層的上表面，具有一第一片體、一與該貫孔對(duì)應(yīng)的第一穿孔，以及一由該第一片體的第一穿孔周緣往該貫孔內(nèi)延伸的第一凸伸部。該接地金屬層被覆于該介質(zhì)層的下表面，具有一第二片體、一與該貫孔對(duì)應(yīng)的第二穿孔，以及一由該第二片體的第二穿孔周緣往該貫孔內(nèi)延伸的第二凸伸部，并且該第一凸伸部與該第二凸伸部在該貫孔內(nèi)相接觸，使該輻射金屬層與該接地金屬層形成電連接。該專利中所述的平板天線雖然增益較高，加工設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但是帶寬較窄，使用微波介質(zhì)板效率低。例如，中國(guó)專利CN101640309公開了一種平板天線結(jié)構(gòu)，包括第一金屬片、中間
層、金屬環(huán)及第二金屬片。其中中間層包括第一孔洞，中間層設(shè)置在第一金屬片之上并與第一金屬片連結(jié)；金屬環(huán)穿過第一孔洞與第一金屬片連結(jié)；且第二金屬片包括第二孔洞，第二金屬片與金屬環(huán)連結(jié)，第二金屬片與第一金屬片連結(jié)，且中間層與金屬環(huán)被第一金屬片及第二金屬片包覆。借此，第二金屬片可借由金屬環(huán)與第一金屬片電性導(dǎo)通，第一金屬片及第二金屬片間形成諧振腔，且借由改變第一孔洞及金屬環(huán)的直徑可調(diào)整天線的特性。該專利所述的平板天線設(shè)計(jì)調(diào)試較為簡(jiǎn)單，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以加工，增益較低，使用了介質(zhì)板效率低。例如，中國(guó)專利CN101719596A公開了本發(fā)明提供了一種單饋源周期溝槽縫隙平板天線。該天線由接地板和縫隙饋源兩側(cè)加載的若干周期排布溝槽結(jié)構(gòu)組成，且縫隙與鄰近溝槽間的距離小于溝槽周期。與傳統(tǒng)的周期溝槽結(jié)構(gòu)輻射機(jī)理不同，溝槽處的電場(chǎng)與縫隙處的電場(chǎng)相位相反，不能再把溝槽處看作為二次輻射源。此時(shí)，天線表面產(chǎn)生了另一種新穎的電磁振蕩模式-兩個(gè)相鄰溝槽整體作為一個(gè)次級(jí)輻射源，向空間輻射能量。該新型天線不僅具有結(jié)構(gòu)更加緊湊，設(shè)計(jì)更靈活的特點(diǎn)，與溝槽數(shù)相同的傳統(tǒng)溝槽縫隙天線相t匕，本發(fā)明的H面壓縮角更小，天線增益也有一定提高。該專利所述的平板天線較普通天線尺寸小，增益高，但是設(shè)計(jì)調(diào)試復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種加載左手材料的高增益高效率的平板天線。術(shù)語解釋左手材料是指一種介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)值的材料。電磁波在其傳播時(shí)，波矢k、電場(chǎng)E和磁場(chǎng)H之間的關(guān)系符合左手定律，因此稱之為“左手材料”。它具有負(fù)相速度、負(fù)折射率、理想成像、逆Doppler頻移、反常Cerenkov福射等奇異的物理性質(zhì)?！白笫植牧稀鳖嵉沽宋锢韺W(xué)的“右手規(guī)律”，而后者描述的是電場(chǎng)與磁場(chǎng)之間的關(guān)系及其波動(dòng)的方向。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種加載左手材料 的高增益高效率的平板天線，包括按照電磁波傳播方向依次設(shè)置的饋電層、耦合層、諧振腔層和輻射層；在所述輻射層上設(shè)置加載左手材料的介質(zhì)板。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述加載左手材料的介質(zhì)板包括介電常數(shù)為2.68的介質(zhì)板、在所述介質(zhì)板上設(shè)置有七段數(shù)碼“5”形的金屬貼片；所述相鄰金屬貼片縱向間距為SL=7. 65mm,所述相鄰金屬貼片橫向間距為SW=2. 75mm ;所述金屬貼片長(zhǎng)為ML=4. 7mm,所述金屬貼片寬為MW=2mm ;所述金屬貼片厚度為d=lmm ;所述金屬貼片按照10行X 32列的排列方式設(shè)置在所述的介質(zhì)板上。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述金屬貼片為銅金屬貼片。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述的輻射層包括多個(gè)輻射單元，每個(gè)輻射單元中包括柵格輻射器，所述每個(gè)柵格輻射器包括四個(gè)側(cè)壁圍城的矩形柵格側(cè)壁和柵格底，在所述的柵格底上設(shè)置有輻射縫。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述每個(gè)柵格輻射器的內(nèi)長(zhǎng)L=20mm、內(nèi)寬W=20mm、內(nèi)高H=8mm、柵格底厚h=lmm ;所述福射縫的長(zhǎng)FL=12mm、寬FW=2mm。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述每個(gè)輻射單元包括16個(gè)柵格輻射器，所述16個(gè)柵格輻射器按照4行X4列的排列方式設(shè)置在所述輻射層上。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述諧振腔層包括多個(gè)諧振腔單元，所述每個(gè)諧振腔單元包括4個(gè)諧振腔，所述4個(gè)諧振腔按照2行X 2列的排列方式設(shè)置在所述諧振腔層上；所述每個(gè)諧振腔與所述輻射層上4個(gè)柵格輻射器對(duì)齊。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述耦合層包括多個(gè)耦合單元，所述每個(gè)耦合單元包括4個(gè)耦合孔，所述4個(gè)耦合孔按照2行X 2行的排列方式設(shè)置在所述耦合層上；所述每個(gè)耦合孔與所述諧振腔層上的I個(gè)諧振腔對(duì)齊。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述饋電層包括多個(gè)饋電單元，每個(gè)饋電單元包括I個(gè)饋電網(wǎng)絡(luò)，所述饋電網(wǎng)絡(luò)與所述耦合層上的I個(gè)耦合單元對(duì)齊。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述每個(gè)饋電單元中的饋電網(wǎng)絡(luò)包括3個(gè)相互級(jí)聯(lián)的T形波導(dǎo)，在其中所述2個(gè)T形波導(dǎo)上設(shè)置有4個(gè)耦合縫，在另一個(gè)T形波導(dǎo)上設(shè)置有饋電口，所述4個(gè)耦合縫分別與所述耦合單元上的4個(gè)耦合孔對(duì)齊。本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于本發(fā)明所述的平板天線采用加載左手材料的介質(zhì)板設(shè)置在所述輻射層的表面，電磁波由饋電口經(jīng)T形波導(dǎo)進(jìn)入耦合孔，在耦合孔經(jīng)過臺(tái)階的作用進(jìn)入諧振腔，在諧振腔中經(jīng)過輻射縫進(jìn)入柵格輻射器，在柵格輻射器的上面附有一層加載有左手材料的介質(zhì)板，所述電磁波通過介質(zhì)板輻射出去。本發(fā)明打破現(xiàn)有平板天線設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的思維模式，經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)仿真設(shè)計(jì)出本發(fā)明獨(dú)特結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星平板天線，使整個(gè)平板天線的結(jié)構(gòu)緊湊、增益高，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)有衛(wèi)星平板天線高效率、帶寬大、小尺寸的技術(shù)要求，其平板天線的效率提高達(dá)85%以上。


圖1為本發(fā)明所述平板天線的發(fā)散結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明所述加載有左手材料的介質(zhì)板的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明所述輻射層的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明的諧振腔層；圖5是本發(fā)明的耦合層；圖6是本發(fā)明的饋電層；圖7利用HFSS對(duì)本發(fā)明所述平板天線所作出的仿真結(jié)果。在圖1-6中，1、加載有左手材料的介質(zhì)板；2、輻射層；3、諧振腔層；4、耦合層；5、饋電層；6、介質(zhì)板；7、柵格輻射器；8、輻射縫；9、諧振腔；10、耦合孔；11、T形波導(dǎo)；12、臺(tái)階；13、T形波導(dǎo)；14、饋電口 ；15、金屬貼片。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例和說明書附圖對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)的說明，但不限于此。實(shí)施例1、一種加載左手材料的高增益高效率的平板天線，包括按照電磁波傳播方向依次設(shè)置的饋電層5、耦合層4、諧振腔層3和輻射層2 ;在所述輻射層上設(shè)置加載左手材料的介質(zhì)板I。所述加載左手材料的介質(zhì)板I包括介電常數(shù)為2. 68的介質(zhì)板6、在所述介質(zhì)板6上設(shè)置有七段數(shù)碼“5”形的金屬貼片15 ;所述相鄰金屬貼片15縱向間距為SL=7. 65mm,所述相鄰金屬貼片15橫向間距為SW=2. 75mm ;所述金屬貼片15長(zhǎng)為ML=4. 7mm,所述金屬貼片15寬為MW=2mm ;所述金屬貼片15厚度為d=lmm ;所述金屬貼片15按照10行X 32列的排列方式設(shè)置在所述的介質(zhì)板6上。所述金屬貼片15為銅金屬貼片。實(shí)施例2、如實(shí)施例1所述的一種加載左手材料的高增益高效率的平板天線，其區(qū)別在于，所述的輻射層2包括多個(gè)輻射單元，每個(gè)輻射單元中包括柵格輻射器7，所述每個(gè)柵格輻射器7包括四個(gè)側(cè)壁圍城的矩形柵格側(cè)壁和柵格底，在所述的柵格底上設(shè)置有輻射縫8。所述每個(gè)柵格福射器7的內(nèi)長(zhǎng)L=20mm、內(nèi)寬W=20mm、內(nèi)高H=8mm、柵格底厚h=lmm ；所述福射縫8的長(zhǎng)FL=12mm、寬FW=2mm。所述每個(gè)輻射單元包括16個(gè)柵格輻射器7，所述16個(gè)柵格輻射器7按照4行X4列的排列方式設(shè)置在所述輻射層2上。所述諧振腔層3包括多個(gè)諧振腔單元，所述每個(gè)諧振腔單元包括4個(gè)諧振腔9，所述4個(gè)諧振腔9按照2行X2列的排列方式設(shè)置在所述諧振腔層3上；所述每個(gè)諧振腔9與所述輻射層2上4個(gè)柵格輻射 器7對(duì)齊。所述耦合層4包括多個(gè)耦合單元，所述每個(gè)耦合單元包括4個(gè)耦合孔10，所述4個(gè)耦合孔10按照2行X 2行的排列方式設(shè)置在所述耦合層4上；所述每個(gè)耦合孔10與所述諧振腔層3上的I個(gè)諧振腔9對(duì)齊。所述饋電層5包括多個(gè)饋電單元，每個(gè)饋電單元包括I個(gè)饋電網(wǎng)絡(luò)，所述饋電網(wǎng)絡(luò)與所述耦合層4上的I個(gè)耦合單元對(duì)齊。所述每個(gè)饋電單元中的饋電網(wǎng)絡(luò)包括3個(gè)相互級(jí)聯(lián)的T形波導(dǎo)，在其中所述2個(gè)T形波導(dǎo)上11設(shè)置有4個(gè)耦合縫，在另一個(gè)T形波導(dǎo)13上設(shè)置有饋電口 14，所述4個(gè)耦合縫分別與所述耦合單元上的4個(gè)耦合孔10對(duì)齊。經(jīng)測(cè)試，如圖7所示，HFSS對(duì)本發(fā)明所述平板天線所作出的仿真結(jié)果，與理想的輻射片很相近，完全適合衛(wèi)星通信的技術(shù)要求。
權(quán)利要求
1.一種加載左手材料的高增益高效率的平板天線，包括按照電磁波傳播方向依次設(shè)置的饋電層、耦合層、諧振腔層和輻射層；其特征在于，在所述輻射層上設(shè)置加載左手材料的介質(zhì)板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種加載左手材料的高增益高效率的平板天線，其特征在于，所述加載左手材料的介質(zhì)板包括介電常數(shù)為2. 68的介質(zhì)板、在所述介質(zhì)板上設(shè)置有七段數(shù)碼“5”形的金屬貼片；所述相鄰金屬貼片縱向間距為SL=7.65mm，所述相鄰金屬貼片橫向間距為SW=2. 75mm ;所述金屬貼片長(zhǎng)為ML=4. 7mm,所述金屬貼片寬為MW=2mm ;所述金屬貼片厚度為d=lmm ;所述金屬貼片按照10行X32列的排列方式設(shè)置在所述的介質(zhì)板上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種加載左手材料的高增益高效率的平板天線，其特征在于，所述“5”形的金屬貼片為銅金屬貼片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種加載左手材料的高增益高效率的平板天線，其特征在于，所述的輻射層包括多個(gè)輻射單元，每個(gè)輻射單元中包括柵格輻射器，所述每個(gè)柵格輻射器包括四個(gè)柵格側(cè)壁和與每個(gè)柵格輻射器相對(duì)設(shè)置的輻射縫。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種加載左手材料的高增益高效率的平板天線，其特征在于，所述每個(gè)柵格福射器的內(nèi)長(zhǎng)L=20mm、內(nèi)寬W=20mm、內(nèi)高H=8mm、柵格底厚h=lmm ;所述福射縫的長(zhǎng)FL=12mm、寬FW=2mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種加載左手材料的高增益高效率的平板天線，其特征在于，所述每個(gè)輻射單元包括16個(gè)柵格輻射器，所述16個(gè)柵格輻射器按照4行X 4列的排列方式設(shè)置在所述輻射層上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種加載左手材料的高增益高效率的平板天線，其特征在于，所述諧振腔層包括多個(gè)諧振腔單元，所述每個(gè)諧振腔單元包括4個(gè)諧振腔，所述4個(gè)諧振腔按照2行X 2列的排列方式設(shè)置在所述諧振腔層上；所述每個(gè)諧振腔與所述輻射層上4個(gè)柵格輻射器對(duì)齊。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種加載左手材料的高增益高效率的平板天線，其特征在于，所述耦合層包括多個(gè)耦合單元，所述每個(gè)耦合單元包括4個(gè)耦合孔，所述4個(gè)耦合孔按照2行X 2行的排列方式設(shè)置在所述耦合層上；所述每個(gè)耦合孔與所述諧振腔層上的I個(gè)諧振腔對(duì)齊。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種加載左手材料的高增益高效率的平板天線，其特征在于，所述饋電層包括多個(gè)饋電單元，每個(gè)饋電單元包括I個(gè)饋電網(wǎng)絡(luò)，所述饋電網(wǎng)絡(luò)與所述耦合層上的I個(gè)耦合單元對(duì)齊。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種加載左手材料的高增益高效率的平板天線，其特征在于，所述每個(gè)饋電單元中的饋電網(wǎng)絡(luò)包括3個(gè)相互級(jí)聯(lián)的T形波導(dǎo)，在其中所述2個(gè)T形波導(dǎo)上設(shè)置有4個(gè)耦合縫，在另一個(gè)T形波導(dǎo)上設(shè)置有饋電口，所述4個(gè)耦合縫分別與所述耦合單元上的4個(gè)耦合孔對(duì)齊。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種加載左手材料的高增益高效率的平板天線，包括按照電磁波傳播方向依次設(shè)置的饋電層、耦合層、諧振腔層和輻射層；在所述輻射層上設(shè)置加載左手材料的介質(zhì)板。本發(fā)明采用加載左手材料的介質(zhì)板設(shè)置在所述輻射層的表面，電磁波由饋電口經(jīng)T形波導(dǎo)進(jìn)入耦合孔，在耦合孔經(jīng)過臺(tái)階的作用進(jìn)入諧振腔，在諧振腔中經(jīng)過輻射縫進(jìn)入柵格輻射器，在柵格輻射器的上面附有一層加載有左手材料的介質(zhì)板，所述電磁波通過介質(zhì)板輻射出去。本發(fā)明使整個(gè)平板天線的結(jié)構(gòu)緊湊、增益高，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)有衛(wèi)星平板天線高效率、帶寬大、小尺寸的技術(shù)要求，其平板天線的效率提高達(dá)85%以上。
文檔編號(hào)H01Q1/38GK103050776SQ20121055978
公開日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2012年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月20日
發(fā)明者唐文成, 薛麗麗, 郭希濤, 劉冰 申請(qǐng)人:山東國(guó)威衛(wèi)星通信有限公司