專利名稱：一種采用介質(zhì)透鏡、異形輻射器的高增益高效率平板天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用介質(zhì)透鏡、異形輻射器的高增益高效率平板天線，屬于衛(wèi)星通信平板天線的技術(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，平板天線相對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。現(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:例如，中國專利申請CN 101752655A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。但是該專利申請的工作頻率較低: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傳輸?shù)囊螅瑧?yīng)用領(lǐng)域受限。例如，中國專利申請CN 101005156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；第一對稱型輻射單元，配置于該第一表面上，且該第一對稱型輻射單元具有第一輻射部與第二輻射部；第二對稱型輻射單元，配置于該第二表面上，且該第二對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，中國專利CN 101483271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)簡單，但是帶寬較窄，使用微波介質(zhì)板效率低。例如，中國專利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，溝槽處的電場與縫隙處的電場相位相反，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
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種采用介質(zhì)透鏡、異形輻射器的高增益高效率平板天線。本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種采用介質(zhì)透鏡、異形輻射器的高增益高效率平板天線，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；所述的輻射層包括多個(gè)輻射單元，每個(gè)輻射單元中包括異形輻射器和與異形輻射器相對的輻射縫；所述異形輻射器包括雙曲面結(jié)構(gòu)部分和圓錐桶結(jié)構(gòu)部分，所述雙曲面的函數(shù)是:x(t)=0, y(t)=t, z(t) = -\la2 + azt21b2 ；t G (_22mm，22mm), a=18, b=10 ;所述圓錐桶結(jié)構(gòu)部分包括側(cè)壁和底面,所述側(cè)壁與底面之間的夾角a =19.7° ;所述雙曲面的頂點(diǎn)與所述圓錐桶的底面相切，所述雙曲面的頂點(diǎn)集合成的直線與所述圓錐桶的底面的直徑重合；所述雙曲面與圓錐桶相交形成異形邊緣，所述異形邊緣以上部分為所述雙曲面結(jié)構(gòu)部分，所述異形邊緣以下為圓錐桶結(jié)構(gòu)部分；在所述的輻射層上還設(shè)置有介質(zhì)透鏡層，所述介質(zhì)透鏡層包括多個(gè)介質(zhì)透鏡單元，所述每個(gè)介質(zhì)透鏡單元包括2個(gè)曲面相對設(shè)置的介質(zhì)透鏡，所述每個(gè)介質(zhì)透鏡單元與輻射層上的I個(gè)輻射單元對齊設(shè)置。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述每個(gè)介質(zhì)透鏡的介電常數(shù)為2.6，所述介質(zhì)透鏡的曲面呈以下函數(shù):x(t)=0, y (t)=t, z (t) =Amsin (Bmt), t G (0, 21mm), Am 為正弦函數(shù)的振幅,Am 越大曲面越厚為正弦函數(shù)的角頻率，Bm越大曲面彎曲度越大。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)異形輻射器，所述16個(gè)異形輻射器按照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)異形輻射器對齊。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)耦合孔對齊。本發(fā)明的優(yōu)勢在于:本發(fā)明所述的平板天線采用純金屬結(jié)構(gòu)組成，輻射層包括結(jié)構(gòu)新穎的異形輻射器:通過半波長的輻射縫將諧振腔和異形輻射器耦合在一起，電磁波由異形輻射器向空間輻射，異形輻射器是由雙曲面切割圓錐桶形成，使電磁波沿異形輻射器的雙曲面結(jié)構(gòu)部分等幅同相的輻射出去，并且所述異形輻 射器的雙曲面結(jié)構(gòu)部分也能減弱相鄰異形輻射器的相互電磁干擾。同時(shí)在本發(fā)明所述輻射層上設(shè)置有介質(zhì)透鏡層，使電磁波最終經(jīng)介質(zhì)透鏡層輻射出去，通過介質(zhì)透鏡增加了輻射的效率和增益。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、剖面低、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是本發(fā)明的發(fā)散結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明所述介質(zhì)透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明的輻射層的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明中單個(gè)異形輻射器的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明的諧振腔層；圖6是本發(fā)明的耦合層；圖7是本發(fā)明的饋電層；圖8利用HFSS對本發(fā)明所述平板天線所作出的仿真結(jié)果；在圖1-7所不，1、介質(zhì)透鏡層；2、福射層；3、諧振腔層；4、|禹合層；5、饋電層；6、介質(zhì)透鏡；7、異形輻射器；8、輻射縫；9、諧振腔；10、耦合孔；11、T形波導(dǎo)；12、臺階；13、T形波導(dǎo)；14、饋電口 ；15、異形福射器的雙曲面結(jié)構(gòu)部分；16、異形福射器的圓錐桶結(jié)構(gòu)部分；17、所述雙曲面與圓錐桶相交形成異形邊緣；18、圓錐桶的底面；19、雙曲面的頂點(diǎn)集合成的直線；其中a為所述圓錐桶的側(cè)壁與底面之間的夾角。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例和說明書附圖對本發(fā)明做詳細(xì)的說明，但不限于此。實(shí)施例一種采用介質(zhì)透鏡、異形輻射器的高增益高效率平板天線，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 ;所述的輻射層2包括多個(gè)輻射單元，每個(gè)輻射單元中包括異形輻射器7和與異形輻射器7相對的輻射縫8 ;所述異形輻射器7包括雙曲面結(jié)構(gòu)部分15和圓錐桶結(jié)構(gòu)部分16，所述雙曲面的函數(shù)是:x(t)=0, y (t)=t, -{t) = ^a2 +a2tz /h2 ； t G (_22mm，22mm)，a=18, b=10 ;所述圓錐桶結(jié)構(gòu)部分16包括側(cè)壁和底面18，所述側(cè)壁與底面之間的夾角a=19.7° ;所述雙曲面的頂點(diǎn)與所述圓錐桶的底面18相切，所述雙曲面的頂點(diǎn)集合成的直線與所述圓錐桶的底面18的直徑重合；所述雙曲面與圓錐桶相交形成異形邊緣17，所述異形邊緣17以上部分為所述雙曲面結(jié)構(gòu)部分15，所述異形邊緣17以下為圓錐桶結(jié)構(gòu)部分16 ；在所述的輻射層2上還設(shè)置有介質(zhì)透鏡層1，所述介質(zhì)透鏡層包括多個(gè)介質(zhì)透鏡單元，所述每個(gè)介質(zhì)透鏡單元包括2個(gè)曲面相對設(shè)置的介質(zhì)透鏡6，所述每個(gè)介質(zhì)透鏡單元與輻射層上的I個(gè)輻射單元對齊設(shè)置。所述每個(gè)介質(zhì)透鏡6的介電常數(shù)為2.6，所述介質(zhì)透鏡6的曲面呈以下函數(shù):x(t)=0, y (t)=t, z (t) =Amsin (Bmt), t G (0, 21mm), Am 為正弦函數(shù)的振幅,Am 越大曲面越厚；Bm為正弦函數(shù)的角頻率，Bm越大曲面彎曲度越大。所述每個(gè)輻射單元包括16個(gè)異形輻射器7，所述16個(gè)異形輻射器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)異形輻射器7對齊。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)與所述耦合層上的I個(gè)耦合單元對齊。所述每個(gè)饋電單元中的饋電網(wǎng)絡(luò)包括3個(gè)相互級聯(lián)的T形波導(dǎo)，在其中所述2個(gè)T形波導(dǎo)11上設(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對齊。經(jīng)測試，如圖8所示，HFSS對本發(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
1.一種采用介質(zhì)透鏡、異形輻射器的高增益高效率平板天線，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；所述的輻射層包括多個(gè)輻射單元，其特征在于，所述每個(gè)輻射單元中包括異形輻射器和與異形輻射器相對的輻射縫；所述異形輻射器包括雙曲面結(jié)構(gòu)部分和圓錐桶結(jié)構(gòu)部分，所述雙曲面的函數(shù)是:x(t)=0, y (t)=t, (/) = ^a2 +a2121b1 ； t G (_22mm，22mm)，a=18, b=10 ;所述圓錐桶結(jié)構(gòu)部分包括側(cè)壁和底面，所述側(cè)壁與底面之間的夾角a =19.7° ;所述雙曲面的頂點(diǎn)與所述圓錐桶的底面相切，所述雙曲面的頂點(diǎn)集合成的直線與所述圓錐桶的底面的直徑重合；所述雙曲面與圓錐桶相交形成異形邊緣，所述異形邊緣以上部分為所述雙曲面結(jié)構(gòu)部分，所述異形邊緣以下為圓錐桶結(jié)構(gòu)部分； 在所述的輻射層上還設(shè)置有介質(zhì)透鏡層，所述介質(zhì)透鏡層包括多個(gè)介質(zhì)透鏡單元，所述每個(gè)介質(zhì)透鏡單元包括2個(gè)曲面相對設(shè)置的介質(zhì)透鏡，所述每個(gè)介質(zhì)透鏡單元與輻射層上的I個(gè)輻射單元對齊設(shè)置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用介質(zhì)透鏡、異形輻射器的高增益高效率平板天線，其特征在于，所述每個(gè)介質(zhì)透鏡的介電常數(shù)為2.6，所述介質(zhì)透鏡的曲面呈以下函數(shù):x(t)=0, y (t)=t, z (t) =Amsin (Bmt), t G (0, 21mm), Am 為正弦函數(shù)的振幅，Am 越大曲面越厚；Bm為正弦函數(shù)的角頻率，Bm越大曲面彎曲度越大。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用介質(zhì)透鏡、異形輻射器的高增益高效率平板天線，其特征在于，所述每個(gè)輻射單元包括16個(gè)異形輻射器，所述16個(gè)異形輻射器按照4行X4列的排列方式設(shè)置在所述輻射層上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一 種采用介質(zhì)透鏡、異形輻射器的高增益高效率平板天線，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)異形輻射器對齊。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種采用介質(zhì)透鏡、異形輻射器的高增益高效率平板天線，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)諧振腔對齊。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種采用介質(zhì)透鏡、異形輻射器的高增益高效率平板天線，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)耦合單元對齊。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種采用介質(zhì)透鏡、異形輻射器的高增益高效率平板天線，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)耦合孔對齊。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采用介質(zhì)透鏡、異形輻射器的高增益高效率平板天線，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；所述的輻射層包括多個(gè)輻射單元，每個(gè)輻射單元中包括異形輻射器和與異形輻射器相對的輻射縫；在所述的輻射層上還設(shè)置有介質(zhì)透鏡層。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、剖面低、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H01Q19/06GK103094677SQ201210560490
公開日2013年5月8日 申請日期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 申請人:山東國威衛(wèi)星通信有限公司