薄基片相位校正振子差波束平面喇叭天線的制作方法
【專利摘要】薄基片相位校正振子差波束平面喇叭天線涉及一種喇叭天線。該天線包括在介質(zhì)基板（1）上的微帶饋線（2）、喇叭天線（3）和振子（4），喇叭天線（3）由第一金屬平面（7）、第二金屬平面（8）和兩排金屬化過孔喇叭側(cè)壁（9）組成，喇叭天線（3）中有奇數(shù)個金屬化過孔陣列（11）和偶數(shù)個介質(zhì)填充波導(dǎo)（17），在喇叭天線（3）口徑面（10）上每個介質(zhì)填充波導(dǎo)（17）接有一個振子（4），左半天線（15）及所接振子（4）與右半天線（16）及所接振子（4）對稱。電磁波可同相到達(dá)振子再輻射，輻射場極化與基板平行，該天線可使用薄基板且增益高、大零深、成本低和結(jié)構(gòu)緊湊。
【專利說明】薄基片相位校正振子差波束平面喇叭天線
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種喇叭天線，尤其是一種薄基片相位校正振子差波束平面喇叭天線。
【背景技術(shù)】
[0002]喇叭天線在衛(wèi)星通信、地面微波鏈路及射電望遠(yuǎn)鏡等系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。但是，三維喇叭天線的巨大幾何尺寸制約了其在平面電路中的應(yīng)用和發(fā)展。近年來，基片集成波導(dǎo)技術(shù)的提出和發(fā)展很好的促進(jìn)了平面喇叭天線的發(fā)展。基片集成波導(dǎo)有尺寸小、重量輕、易于集成和加工制作等優(yōu)點。基于基片集成波導(dǎo)的平面的基片集成波導(dǎo)平面喇叭天線除了具有喇叭天線的特點外，還很好的實現(xiàn)了喇叭天線的小型化、輕型化，而且易于集成在微波毫米波平面電路中。傳統(tǒng)的基片集成波導(dǎo)平面喇叭天線的有一個限制，天線喇叭口基板的厚度要大于十分之一工作波長，天線才能有較好的輻射性能，不然由于反射，天線里的能量輻射不出去。這樣就要求天線基板的厚度不能太薄，在L波段等較低頻段要滿足這個要求更是十分困難，很厚的基板不僅體積和重量很大，抵消了集成的優(yōu)點，而且還增加了成本。另外這些天線輻射場的極化方向一般都是垂直于介質(zhì)基板，而有些應(yīng)用需要輻射場的極化平行于介質(zhì)基板。已有的一些天線在平面喇叭天線前面加載貼片改善薄基片平面喇叭天線的輻射，但加載的貼片尺寸較大，而且工作頻帶較窄。通常為了實現(xiàn)差波束，需要采用特別的饋電裝置，這些饋電裝置或者在平面電路中不易實現(xiàn)，或者是窄帶的移相電路。另外傳統(tǒng)的基片集成波導(dǎo)平面喇叭天線的增益相對比較低，其原因在于由于喇叭口不斷的張開，導(dǎo)致電磁波傳播到喇叭口徑面時出現(xiàn)相位不同步，輻射方向性和增益降低，使得構(gòu)成的差波束天線的零深較淺且斜率較低，影響雷達(dá)的測向精度。目前已有采用介質(zhì)加載、介質(zhì)棱鏡等方法，矯正喇叭口徑場，但是這些相位校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)增加了天線的整體結(jié)構(gòu)尺寸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]技術(shù)問題:本發(fā)明的目的是提出一種薄基片相位校正振子差波束平面喇叭天線，該天線輻射場的極化方向與介質(zhì)基板平行，可以使用非常薄的介質(zhì)基板制造，在基板的電厚度很薄的情況下，依然具有優(yōu)良的輻射性能，而且該平面喇叭天線可以矯正天線口徑面上電磁波的相位不一致，增加天線差波束的零深及提高天線差波束的斜率。
[0004]技術(shù)方案:本發(fā)明的薄基片相位校正振子差波束平面喇叭天線，其特征在于該天線包括設(shè)置在介質(zhì)基板上的微帶饋線、基片集成喇叭天線和多個振子；所述微帶饋線的第一端口是該天線的輸入輸出端口，微帶饋線的第二端口與基片集成喇叭天線相接；基片集成喇叭天線由位于介質(zhì)基板一面的第一金屬平面、位于介質(zhì)基板另一面的第二金屬平面和穿過介質(zhì)基板連接第一金屬平面和第二金屬平面的兩排金屬化過孔喇叭側(cè)壁組成，基片集成喇叭天線的兩排金屬化過孔喇叭側(cè)壁之間的寬度逐漸變大，形成一個喇叭形張口，張口的末端是基片集成喇叭天線的口徑面；基片集成喇叭天線中有奇數(shù)個金屬化過孔陣列連接第一金屬平面和第二金屬平面，金屬化過孔陣列的頭端在基片集成喇叭天線內(nèi)部，金屬化過孔陣列的尾端在基片集成喇叭天線的口徑面上；在金屬化過孔陣列中有一個中間金屬化過孔陣列把基片集成喇叭天線分成對稱的左半天線和右半天線兩部分；相鄰的兩個金屬化過孔陣列、或者是一個金屬化過孔陣列與其相鄰的一排金屬化過孔喇叭側(cè)壁，與第一金屬平面和第二金屬平面構(gòu)成介質(zhì)填充波導(dǎo)，在口徑面外每個介質(zhì)填充波導(dǎo)接有一個振子。
[0005]微帶饋線的導(dǎo)帶與第一金屬平面相接，微帶饋線的接地面與第二金屬平面相接。
[0006]介質(zhì)填充波導(dǎo)的寬度要使得電磁波可以在其中傳播而不被截止。
[0007]所述的金屬化過孔陣列中，調(diào)整相鄰兩列金屬化過孔陣列之間的距離、或者調(diào)整一列金屬化過孔陣列與基片集成波導(dǎo)喇叭天線側(cè)壁金屬化過孔之間的距離，能夠改變介質(zhì)填充波導(dǎo)的寬度，進(jìn)而調(diào)整在該介質(zhì)填充波導(dǎo)中電磁波傳播的相速，使得到達(dá)口徑面上電磁波的相位分布更均勻。
[0008]所述的金屬化過孔陣列中，改變一列或者多列金屬化過孔陣列的長度能夠改變相應(yīng)介質(zhì)填充波導(dǎo)的長度，使得到達(dá)口徑面上電磁波的相位分布更均勻。
[0009]每個振子在位于介質(zhì)基板的兩面分別有第一輻射臂和第二輻射臂，振子的第一輻射臂與基片集成喇叭天線的第一金屬平面相連，振子的第二輻射臂與基片集成喇叭天線的第二金屬平面相連，每個振子的第一輻射臂和第二輻射臂向相反的方向伸展。
[0010]左半天線所接的所有振子的第一輻射臂的伸展方向都相同，左半天線所接的所有振子的第二輻射臂的伸展方向都相同；右半天線所接的所有振子的第一輻射臂的伸展方向都相同，右半天線所接的所有振子的第二輻射臂的伸展方向都相同；左半天線所接的振子的第一輻射臂的伸展方向與右半天線所接的振子的第二輻射臂的伸展方向相同，左半天線所接的振子的第二輻射臂的伸展方向與右半天線所接的振子的第一輻射臂的伸展方向相同。
[0011]金屬化過孔喇叭側(cè)壁和金屬化過孔陣列中，相鄰的兩個金屬化過孔的間距要小于或等于工作波長的十分之一，使得構(gòu)成的金屬化過孔喇叭側(cè)壁和金屬化過孔陣列能夠等效為電壁。
[0012]在介質(zhì)填充波導(dǎo)中，電磁波主模(TE10模)的傳播相速與介質(zhì)填充波導(dǎo)的寬度有關(guān)，介質(zhì)填充波導(dǎo)的寬度越寬，主模傳播的相速越低；反之，介質(zhì)填充波導(dǎo)的寬度越窄，主模傳播的相速越高。電磁波從微帶饋線的一端輸入，經(jīng)過微帶饋線的另一端進(jìn)入基片集成波導(dǎo)喇叭天線，傳播一段距離后，遇到金屬化過孔陣列，就分別進(jìn)入各個介質(zhì)填充波導(dǎo)傳輸。
[0013]在天線口徑面上電磁波的相位分布主要由各個介質(zhì)填充波導(dǎo)的長度和寬度決定，調(diào)整相鄰金屬化過孔陣列之間的距離，就可以調(diào)節(jié)介質(zhì)填充波導(dǎo)的寬度，進(jìn)而就可以調(diào)節(jié)電磁波在各個介質(zhì)波導(dǎo)傳輸?shù)南鄬ο嗨?；調(diào)整金屬化過孔陣列的長度就相當(dāng)于調(diào)節(jié)介質(zhì)填充波導(dǎo)的長度，這樣就可以使得通過各個介質(zhì)填充波導(dǎo)的電磁波同相到達(dá)天線的口徑面，這樣在天線口徑面上每個介質(zhì)填充波導(dǎo)端口的相位都一樣。
[0014]來自各個介質(zhì)波導(dǎo)的電磁波通過天線口徑面進(jìn)入振子輻射，由于左半天線振子的輻射臂與右半天線振子的輻射臂是對稱的，因此左半天線振子輻射場的極化方向與右半天線振子輻射場的極化方向相反，這樣就在平行介質(zhì)基板的方向形成了差波束。
[0015]以上述方式就可以控制在天線口徑面上電磁波的相位分布，如果使得通過每個介質(zhì)填充波導(dǎo)傳輸電磁波同相到達(dá)天線口徑面，進(jìn)而同相的進(jìn)入每個振子輻射，輻射場的極化方向也變成與基板接近平行的水平方向，這樣不僅可以使得在電薄基片的情況下，整個天線具有優(yōu)良的輻射性能，而且也達(dá)到提高天線的口徑效率和增益的目的。
[0016]由于有多個金屬化過孔陣列把天線的口徑面分成很多個小的口徑面，每個小口徑面上接的振子的尺寸可以做的很小，這樣天線的結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸也只增加很少。
[0017]天線從饋電微帶線到振子之間，都是封閉的基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，因此饋電損耗較小。
[0018]同理也可以按照需要在天線的口徑面上實現(xiàn)特定的相位分布。
[0019]有益效果:本發(fā)明薄基片相位校正振子差波束平面喇叭天線的有益效果是，該天線輻射場的極化方向與介質(zhì)基板平行；該天線可以使用低于百分之二的波長的厚度的介質(zhì)基板制造，遠(yuǎn)低于通常平面喇叭天線所要求的十分之一波長的基板厚度，在基板的電厚度很薄的情況下，依然具有優(yōu)良的輻射性能，例如在6GHz頻率，采用環(huán)氧樹脂材料基板的厚度可以2.5_減小到0.5_，從而大大減小尺寸、重量和成本；而且該平面喇叭天線內(nèi)部嵌有金屬化過孔陣列可以矯正天線口徑面上電磁波的相位不一致，增加天線差波束的零深及提高天線差波束的斜率，天線的結(jié)構(gòu)緊湊、饋電損耗小。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0021]圖1為本發(fā)明薄基片相位校正振子差波束平面喇叭天線的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖中有:介質(zhì)基板1、微帶饋線2、基片集成喇叭天線3、振子陣列4 ;微帶饋線2的第一端口 5、微帶饋線2的第二端口 6、介質(zhì)基板I的第一金屬平面7、介質(zhì)基板I的第二金屬平面8、金屬化過孔喇叭側(cè)壁9、天線3的口徑面10、金屬化過孔陣列11、金屬化過孔陣列11的頭端12、金屬化過孔陣列11的尾端13、中間金屬化過孔陣列14、左半天線15、右半天線16、介質(zhì)填充波導(dǎo)17、微帶饋線2的導(dǎo)帶18、微帶饋線2的接地面19、振子4的第一輻射貼片20和振子4的第二輻射臂21。
【具體實施方式】
[0023]本發(fā)明所采用的實施方案是:薄基片相位校正振子差波束平面喇叭天線包括設(shè)置在介質(zhì)基板I上的微帶饋線2、基片集成喇ΡΛ天線3和多個振子4 ;所述微帶饋線2的第一端口 5是該天線的輸入輸出端口，微帶饋線2的第二端口 6與基片集成喇叭天線3相接；基片集成喇叭天線3由位于介質(zhì)基板I 一面的第一金屬平面7、位于介質(zhì)基板I另一面的第二金屬平面8和穿過介質(zhì)基板I連接第一金屬平面7和第二金屬平面8的兩排金屬化過孔喇叭側(cè)壁9組成，基片集成喇叭天線3的兩排金屬化過孔喇叭側(cè)壁9之間的寬度逐漸變大，形成一個喇叭形張口，張口的末端是基片集成喇叭天線3的口徑面10 ;基片集成喇叭天線3中有奇數(shù)個金屬化過孔陣列11連接第一金屬平面7和第二金屬平面8，金屬化過孔陣列11的頭端12在基片集成喇叭天線3內(nèi)部，金屬化過孔陣列11的尾端13在基片集成喇叭天線3的口徑面10上；在金屬化過孔陣列11中有一個中間金屬化過孔陣列14把基片集成喇叭天線3分成對稱的左半天線15和右半天線16兩部分；相鄰的兩個金屬化過孔陣列U、或者是一個金屬化過孔陣列11與其相鄰的一排金屬化過孔喇叭側(cè)壁9，與第一金屬平面7和第二金屬平面8構(gòu)成介質(zhì)填充波導(dǎo)17，在口徑面10外每個介質(zhì)填充波導(dǎo)17接有一個振子4。[0024]微帶饋線2的導(dǎo)帶18與第一金屬平面7相接，微帶饋線2的接地面19與第二金屬平面8相接。
[0025]介質(zhì)填充波導(dǎo)17的寬度要使得電磁波可以在其中傳播而不被截止。
[0026]所述的金屬化過孔陣列11中，調(diào)整相鄰兩列金屬化過孔陣列11之間的距離、或者調(diào)整一列金屬化過孔陣列11與基片集成波導(dǎo)喇叭天線3側(cè)壁金屬化過孔9之間的距離，能夠改變介質(zhì)填充波導(dǎo)17的寬度，進(jìn)而調(diào)整在該介質(zhì)填充波導(dǎo)17中電磁波傳播的相速，使得到達(dá)口徑面10上電磁波的相位分布更均勻。
[0027]所述的金屬化過孔陣列11中，改變一列或者多列金屬化過孔陣列11的長度能夠改變相應(yīng)介質(zhì)填充波導(dǎo)17的長度，使得到達(dá)口徑面10上電磁波的相位分布更均勻。
[0028]每個振子4在位于介質(zhì)基板I的兩面分別有第一輻射臂20和第二輻射臂21，振子4的第一輻射臂20與基片集成喇叭天線3的第一金屬平面7相連，振子4的第二輻射臂21與基片集成喇叭天線3的第二金屬平面8相連，每個振子4的第一輻射臂20和第二輻射臂21向相反的方向伸展。
[0029]左半天線15所接的所有振子4的第一輻射臂20的伸展方向都相同，左半天線15所接的所有振子4的第二輻射臂21的伸展方向都相同；右半天線16所接的所有振子4的第一輻射臂20的伸展方向都相同，右半天線16所接的所有振子4的第二輻射臂21的伸展方向都相同；左半天線15所接的振子4的第一輻射臂20的伸展方向與右半天線16所接的振子4的第二輻射臂21的伸展方向相同，左半天線15所接的振子4的第二輻射臂21的伸展方向與右半天線16所接的振子4的第一輻射臂20的伸展方向相同。
[0030]所述的金屬化過孔喇叭側(cè)壁9和金屬化過孔陣列11中，相鄰的兩個金屬化過孔的間距要小于或等于工作波長的十分之一，使得構(gòu)成的金屬化過孔喇叭側(cè)壁9和金屬化過孔陣列11能夠等效為電壁。
[0031]在設(shè)計時，調(diào)節(jié)電磁波到達(dá)天線口徑面10的相位主要通過調(diào)節(jié)在介質(zhì)填充波導(dǎo)17電磁波的相速和介質(zhì)填充波導(dǎo)17的長度，因此就要改變介質(zhì)填充波導(dǎo)17的寬度，所以就需要調(diào)節(jié)金屬化過孔陣列11的位置和長度。
[0032]在工藝上，薄基片相位校正振子差波束平面喇叭天線既可以采用普通的印刷電路板(PCB)工藝，也可以采用低溫共燒陶瓷(LTCC)工藝或者CM0S、Si基片等集成電路工藝實現(xiàn)。其中金屬化過孔可以是空心金屬通孔也可以是實心金屬孔，也可以是連續(xù)的金屬化壁，金屬通孔的形狀可以是圓形，也可以是方形或者其他形狀的。
[0033]在結(jié)構(gòu)上，依據(jù)同樣的原理，可以增加或者減少金屬化過孔陣列11的數(shù)量，進(jìn)而改變振子4的數(shù)量和尺寸，只要保證介質(zhì)填充波導(dǎo)17能夠傳輸主模。由于越靠近天線的金屬化過孔側(cè)壁9，電磁波到達(dá)天線口徑面10的路程越遠(yuǎn)，因此相對于離金屬化過孔側(cè)壁9較遠(yuǎn)的介質(zhì)填充波導(dǎo)17，離金屬化過孔側(cè)壁9較近的介質(zhì)填充波導(dǎo)17的寬度相對較窄以得到較高的電磁波傳輸相速。金屬化過孔陣列11陣列的形狀可以是直線、折線或其它曲線。
[0034]根據(jù)以上所述，便可實現(xiàn)本發(fā)明。
【權(quán)利要求】
1.薄基片相位校正振子差波束平面喇叭天線，其特征在于該天線包括設(shè)置在介質(zhì)基板(I)上的微帶饋線(2)、基片集成喇叭天線(3)和多個振子(4);所述微帶饋線(2)的第一端口( 5 )是該天線的輸入輸出端口，微帶饋線(2 )的第二端口( 6 )與基片集成喇叭天線(3 )相接；基片集成喇叭天線(3)由位于介質(zhì)基板(I) 一面的第一金屬平面(7)、位于介質(zhì)基板(I)另一面的第二金屬平面(8)和穿過介質(zhì)基板(I)連接第一金屬平面(7)和第二金屬平面(8)的兩排金屬化過孔喇叭側(cè)壁(9)組成，基片集成喇叭天線(3)的兩排金屬化過孔喇叭側(cè)壁(9)之間的寬度逐漸變大，形成一個喇叭形張口，張口的末端是基片集成喇叭天線(3)的口徑面(10 );基片集成喇叭天線(3 )中有奇數(shù)個金屬化過孔陣列(11)連接第一金屬平面(7 )和第二金屬平面(8)，金屬化過孔陣列(11)的頭端(12)在基片集成喇叭天線(3)內(nèi)部，金屬化過孔陣列(11)的尾端(13)在基片集成喇叭天線(3)的口徑面(10)上；在金屬化過孔陣列(11)中有一個中間金屬化過孔陣列(14)把基片集成喇叭天線(3)分成對稱的左半天線(15)和右半天線(16)兩部分；相鄰的兩個金屬化過孔陣列(11 )、或者是一個金屬化過孔陣列(11)與其相鄰的一排金屬化過孔喇叭側(cè)壁(9)，與第一金屬平面(7)和第二金屬平面(8)構(gòu)成介質(zhì)填充波導(dǎo)(17)，在口徑面(10)外每個介質(zhì)填充波導(dǎo)(17)接有一個振子(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄基片相位校正振子差波束平面喇叭天線，其特征在于微帶饋線(2)的導(dǎo)帶(18)與第一金屬平面(7)相接，微帶饋線(2)的接地面(19)與第二金屬平面(8)相接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄基片相位校正振子差波束平面喇叭天線，其特征在于介質(zhì)填充波導(dǎo)(17)的寬度要使得電磁波可以在其中傳播而不被截止。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的薄基片相位校正振子差波束平面喇叭天線，其特征在于所述的金屬化過孔陣列(11)中，調(diào)整相鄰兩列金屬化過孔陣列(11)之間的距離、或者調(diào)整一列金屬化過孔陣列(11)與基 片集成波導(dǎo)喇叭天線(3)側(cè)壁金屬化過孔(9)之間的距離，能夠改變介質(zhì)填充波導(dǎo)(17)的寬度，進(jìn)而調(diào)整在該介質(zhì)填充波導(dǎo)(17)中電磁波傳播的相速，使得到達(dá)口徑面(10 )上電磁波的相位分布更均勻。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3或4所述的薄基片相位校正振子差波束平面喇叭天線，其特征在于所述的金屬化過孔陣列(11)中，改變一列或者多列金屬化過孔陣列(11)的長度能夠改變相應(yīng)介質(zhì)填充波導(dǎo)(17)的長度，使得到達(dá)口徑面(10)上電磁波的相位分布更均勻。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄基片相位校正振子差波束平面喇叭天線，其特征在于每個振子(4)在位于介質(zhì)基板(I)的兩面分別有第一輻射臂(20)和第二輻射臂(21)，振子(4)的第一輻射臂(20)與基片集成喇叭天線(3)的第一金屬平面(7)相連，振子(4)的第二輻射臂(21)與基片集成喇叭天線(3)的第二金屬平面(8)相連，每個振子(4)的第一輻射臂(20)和第二輻射臂(21)向相反的方向伸展。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的薄基片相位幅度校正槽線差波束平面喇叭天線，其特征在于左半天線(15)所接的所有振子(4)的第一輻射臂(20)的伸展方向都相同，左半天線(15)所接的所有振子(4)的第二輻射臂(21)的伸展方向都相同；右半天線(16)所接的所有振子(4)的第一輻射臂(20)的伸展方向都相同，右半天線(16)所接的所有振子(4)的第二輻射臂(21)的伸展方向都相同；左半天線(15)所接的振子(4)的第一輻射臂(20)的伸展方向與右半天線(16)所接的振子(4)的第二輻射臂(21)的伸展方向相同，左半天線(15)所接的振子(4)的第二輻射臂(21)的伸展方向與右半天線(16)所接的振子(4)的第一輻射臂(20)的伸展方向相同。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄基片相位校正振子差波束平面喇叭天線，其特征在于所述的金屬化過孔喇叭側(cè)壁(9)和金屬化過孔陣列(11)中，相鄰的兩個金屬化過孔的間距要小于或等于工作波長的十分之一，使得構(gòu)成的金屬化過孔喇叭側(cè)壁(9)和金屬化過孔陣列(11)能夠等效為 電壁。
【文檔編號】H01Q13/02GK103618144SQ201310619383
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年11月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月29日
【發(fā)明者】殷曉星, 趙洪新, 傅曉潔 申請人:東南大學(xué)