專利名稱：波導(dǎo)平板陣列天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種波導(dǎo)平板陣列天線，它同時(shí)具有工作頻帶寬、效率高的優(yōu)點(diǎn)。加裝 圓極化罩1后還可實(shí)現(xiàn)圓極化接收與發(fā)射特性。
背景技術(shù)：
在通信、雷達(dá)等系統(tǒng)中天線增益及帶寬都是非常重要的指標(biāo)。微帶平板天線一般 由微帶、帶狀線等形成饋電網(wǎng)絡(luò)，輻射單元通常選擇微帶貼片、縫隙等，構(gòu)成的平板天線由 于含有介質(zhì)材料，當(dāng)頻率升高時(shí)(特別是X Ka波段)，饋電損耗增加很快，嚴(yán)重影響增益。 波導(dǎo)裂縫陣主要有駐波陣和行波陣兩大類，它們和微帶等采用印刷工藝的天線相比，制做 成本高。通常需要焊接工藝，不易大批量生產(chǎn)。同時(shí)，駐波陣的帶寬受子陣大小限制，一般 不超過10%，行波陣帶寬雖可大于10%，其波束指向隨頻率變化，波束寬度相應(yīng)變大，增益 下降。在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信等固定安裝條件下不能滿足系統(tǒng)使用要求。同時(shí)陣列末端吸收負(fù)載的 存在將天線效率進(jìn)一步降低。因此在寬帶、高效率要求的系統(tǒng)中，這兩類平板天線都無法同 時(shí)滿足系統(tǒng)要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種相比于上述現(xiàn)有技術(shù)更好的平板 天線方案，它能同時(shí)實(shí)現(xiàn)駐波帶寬大、增益高的目的。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是一種波導(dǎo)平板陣列天線，包括一個(gè)輻 射層10、矩形激勵(lì)腔體層20、波導(dǎo)E-T饋電網(wǎng)絡(luò)上層30和波導(dǎo)E-T饋電網(wǎng)絡(luò)下層40。其特 征在于1)所述的波導(dǎo)E-T饋電網(wǎng)絡(luò)上層30和波導(dǎo)E-T饋電網(wǎng)絡(luò)下層40構(gòu)成并饋波導(dǎo)饋 電網(wǎng)絡(luò)確保駐波帶寬足夠大；2)所述的波導(dǎo)E-T饋電網(wǎng)絡(luò)上層30和波導(dǎo)E-T饋電網(wǎng)絡(luò)下層40構(gòu)成的并饋波導(dǎo) 饋電網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)E面波導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)，可在波導(dǎo)正中剖開做成兩部分，因?yàn)榇似拭娌粫?huì)引起 波導(dǎo)內(nèi)電場(chǎng)分布改變，所以可以采取螺釘裝配，避免了復(fù)雜的焊接工藝；3)所述的輻射層10、矩形激勵(lì)腔體層20、波導(dǎo)E-T饋電網(wǎng)絡(luò)上層30和波導(dǎo)E-T饋 電網(wǎng)絡(luò)下層40完全采用金屬(或表面鍍涂金屬的塑料制品)及空氣構(gòu)成天線，使電磁波完 全不通過有耗介質(zhì)，提升效率，從而得到高增益；4)所述的輻射層10、矩形激勵(lì)腔體層20、波導(dǎo)E-T饋電網(wǎng)絡(luò)上層30和波導(dǎo)E-T饋 電網(wǎng)絡(luò)下層40將整個(gè)天線分成多個(gè)2X2子陣，有效地拓展駐波帶寬；5)所述的矩形激勵(lì)腔體層20采用矩形激勵(lì)腔體對(duì)稱激勵(lì)上述子陣中各輻射單元 拓展駐波帶寬；6)所述的輻射層10由成矩形陣列排列的具有匹配措施的矩形開口波導(dǎo)作為天 線陣列的輻射單元，以克服縫隙、貼片等諧振結(jié)構(gòu)作輻射單元時(shí)固有的駐波帶寬較窄的缺點(diǎn)。
7)在所述的輻射層10之上加裝圓極化罩實(shí)現(xiàn)圓極化波接收與發(fā)射能力。本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)具有如下有益效果天線工作帶寬大、增益高。子陣技術(shù)使得饋電網(wǎng)絡(luò)級(jí)數(shù)減小到在一層平面上也能 布置，顯著縮小天線厚度。矩形激勵(lì)腔體的對(duì)稱性保證子陣各輻射單元到饋電端口物理尺 寸相同，從而實(shí)現(xiàn)寬帶等相位饋電。具有高通特性的矩形開口波導(dǎo)作輻射單元，在矩形開口 波導(dǎo)與激勵(lì)腔體之間的匹配塊使腔體內(nèi)對(duì)稱同相分布的電磁能量高效地傳輸?shù)骄匦伍_口 波導(dǎo)中并輻射到自由空間。以上3點(diǎn)設(shè)計(jì)使得本發(fā)明與以往的平板天線相比工作帶寬更 寬。整個(gè)設(shè)計(jì)中沒有出現(xiàn)介質(zhì)材料，保證效率得到盡可能的提高，減小了饋電損耗。矩形激 勵(lì)腔體的對(duì)稱性保證了子陣技術(shù)得以應(yīng)用，最大程度地減少饋電網(wǎng)絡(luò)層數(shù)，從而縮短了饋 電口到每個(gè)輻射單元的路徑長度，相應(yīng)地減小了損耗，提高天線增益。


本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)由以下的實(shí)施及其附圖給出。圖1是天線從斜上方觀察時(shí)的分解構(gòu)造示意2是天線從斜下方觀察時(shí)的分解構(gòu)造示意3是子陣分解構(gòu)造示意4是子陣分解構(gòu)造示意圖(第二種匹配組合)圖5是天線加裝圓極化罩示意6是子陣在陣面上旋轉(zhuǎn)90°的布局圖
圖7是10. 7GHz方位面方向8是11. 7GHz方位面方向9是12. 7GHz方位面方向10是天線駐波比圖附圖中1.圓極化罩、2.上層電路板、3.下層電路板、10.輻射層、11.矩形開口波 導(dǎo)、12.扼流槽、13.匹配階梯、20.矩形激勵(lì)腔體層、21.矩形腔體、22.矩形窗口、23.匹配 階梯、24.匹配階梯、30.波導(dǎo)E-T饋電網(wǎng)絡(luò)上層、31.波導(dǎo)段、32.三角形匹配塊、33.矩形匹 配塊、40.波導(dǎo)E-T饋電網(wǎng)絡(luò)下層、41.終端、42.三角形匹配塊、43.矩形匹配塊、44.輸入輸 出波導(dǎo)口
具體實(shí)施例方式如圖1、2所示天線由四層結(jié)構(gòu)組成，分別是輻射層10、矩形激勵(lì)腔體層20、波導(dǎo) E-T饋電網(wǎng)絡(luò)上層30、波導(dǎo)E-T饋電網(wǎng)絡(luò)下層40。這四層結(jié)構(gòu)按順序重疊在一起構(gòu)成平板 天線，位于波導(dǎo)E-T饋電網(wǎng)絡(luò)下層40中部的輸入輸出波導(dǎo)口 44是信號(hào)的最終輸入輸出口。輻射層10上若干矩形開口波導(dǎo)11完成射頻信號(hào)從電路到自由空間的轉(zhuǎn)換。與 各種形狀的微帶貼片(矩形、圓形、橢圓形等)、振子、縫隙等工作于諧振特性的輻射單元相 比，矩形開口波導(dǎo)11具有高通特征，因此工作帶寬很大。矩形開口波導(dǎo)11作為輻射單元， 為保證不出現(xiàn)柵瓣，兩兩間距小于最高工作頻率對(duì)應(yīng)自由空間波長的0. 9倍。若干扼流槽 12用于抑制矩形開口波導(dǎo)11在E面上的互耦，同時(shí)還具有減重的功能。矩形激勵(lì)腔體層20上部與輻射層10相接。其上有若干個(gè)矩形腔體21，每個(gè)矩形
4腔體21都為四個(gè)矩形開口波導(dǎo)11提供TElO模激勵(lì)。這四個(gè)矩形開口波導(dǎo)11組成一個(gè) 2X2子陣，整個(gè)輻射陣面由多個(gè)子陣在平面上按矩形陣列方式排列組成。如圖3所示，子陣內(nèi)四個(gè)矩形開口波導(dǎo)11位于矩形腔體21的四個(gè)角上，呈對(duì)稱分 布，以實(shí)現(xiàn)寬帶等幅同相的激勵(lì)。匹配階梯13、23被設(shè)置在矩形腔體21與矩形開口波導(dǎo)11 的聯(lián)接處，完成阻抗轉(zhuǎn)換，保證電磁信號(hào)可以近似無反射地通過。第二種匹配階梯組合(圖 4) 13,24同樣可以達(dá)到此目的。矩形窗口 22位于矩形腔體21底面的正中，它將矩形腔體21 內(nèi)的信號(hào)匯聚起來并傳遞給饋電網(wǎng)絡(luò)。信號(hào)由矩形窗口 22通過波導(dǎo)段31傳遞給終端41， 矩形窗口 22起到饋電網(wǎng)絡(luò)終端負(fù)載的作用。如圖1、2所示，波導(dǎo)E-T饋電網(wǎng)絡(luò)上層30與波導(dǎo)E-T饋電網(wǎng)絡(luò)下層40合起來形 成波導(dǎo)E-T饋電網(wǎng)絡(luò)，它們的聯(lián)接面正好位于所形成的矩形波導(dǎo)長邊的中心線上。在饋電 網(wǎng)絡(luò)的最后一級(jí)E-T的每個(gè)終端41有一個(gè)三角形匹配塊42，它實(shí)現(xiàn)終端41與波導(dǎo)段31的 匹配。這兩部分實(shí)現(xiàn)電磁信號(hào)在所述的波導(dǎo)E-T饋電網(wǎng)絡(luò)和矩形激勵(lì)腔體層20之間流通。 每個(gè)終端41都對(duì)應(yīng)一個(gè)2 X 2子陣，為其饋電，它與對(duì)應(yīng)子陣的輸入輸出端口——矩形窗口 22通過波導(dǎo)段31相聯(lián)。矩形匹配塊33、43保證波導(dǎo)E-T饋電網(wǎng)絡(luò)的每一級(jí)E-T具有很小 的電壓駐波比。波導(dǎo)E-T饋電網(wǎng)絡(luò)下層40中部的輸入輸出波導(dǎo)口 44是信號(hào)的最終輸入輸 出口，它通過三角形匹配塊32實(shí)現(xiàn)良好的阻抗匹配。如圖5所示，由兩塊印制有導(dǎo)電短線的上層電路板2、下層電路板3間隔一定距離 平行安裝在一起組成圓極化罩1。將圓極化罩1間隔一定距離安裝在天線的輻射層10之上 就可接收與發(fā)射特定旋向的圓極化波(如中星9號(hào)發(fā)射的左旋圓極化信號(hào))。將圓極化罩 旋轉(zhuǎn)180°使上層電路板2在下，下層電路板3在上，間隔上述同樣距離安裝在天線的輻射 層10之上就可接收與發(fā)射和上述情況旋向相反的圓極化波(右旋圓極化信號(hào))。如圖6所示，作為天線輻射單元的矩形開口波導(dǎo)11與圖1中所示的情形相比旋轉(zhuǎn) 了 90°。這種單元布局可以接收與發(fā)射相對(duì)于圖1所示天線正交線極化方式的電磁波信 號(hào)。由于天線采取了輻射單元對(duì)稱的子陣、帶匹配階梯的矩形開口波導(dǎo)做輻射單 元等寬帶措施，整個(gè)天線的駐波帶寬及增益帶寬得到了大幅度的提高。圖10為天線在 10. 5GHz 12. 7GHz的駐波比，在2. 2GHz的帶寬內(nèi)駐波比都小于2. 5。表1列出了主要指 標(biāo)與頻率的關(guān)系，可觀察到在2GHz帶寬(10. 7GHz 12. 7GHz，相對(duì)帶寬17% )內(nèi)駐波比均 小于1. 8。表1主要指標(biāo)
權(quán)利要求
1.一種波導(dǎo)平板陣列天線包括一個(gè)輻射層(10)、矩形激勵(lì)腔體層(20)、波導(dǎo)E-T饋電 網(wǎng)絡(luò)上層(30)和波導(dǎo)E-T饋電網(wǎng)絡(luò)下層(40)，輻射層(10)由若干矩形開口波導(dǎo)(11)、扼流 槽(1 及匹配階梯(1 構(gòu)成，矩形激勵(lì)腔體層00)由若干矩形腔體(21)、矩形窗口 02) 及匹配階梯構(gòu)成，波導(dǎo)E-T饋電網(wǎng)絡(luò)上層(30)和波導(dǎo)E-T饋電網(wǎng)絡(luò)下層00)由若干 波導(dǎo)段(31)、終端(41)、三角形匹配塊(42)、矩形匹配塊(33，43)、一個(gè)三角形匹配塊(32) 及一個(gè)輸入輸出波導(dǎo)口 G4)構(gòu)成。
2.如權(quán)利要求1所述的波導(dǎo)平板陣列天線的輻射層(10)，其特征在于，由若干組，每組 4個(gè)所述的矩形開口波導(dǎo)(11)構(gòu)成矩形排列的子陣以實(shí)現(xiàn)寬帶輻射。
3.如權(quán)利要求1所述的波導(dǎo)平板陣列天線的輻射層(10)，其特征在于，由所述的扼流 槽(12)抑制兩個(gè)相鄰的矩形開口波導(dǎo)(11)間的E面互耦。
4.如權(quán)利要求1所述的波導(dǎo)平板陣列天線的矩形激勵(lì)腔體層(20)，其特征在于，所述 的矩形腔體為子陣內(nèi)的4個(gè)矩形開口波導(dǎo)(11)提供對(duì)稱的寬帶同相等幅饋電。
5.如權(quán)利要求1所述的波導(dǎo)平板陣列天線，其特征在于，設(shè)置在所述的矩形腔體與矩形開口波導(dǎo)(11)聯(lián)接處的匹配階梯組合(13，23)或(13，24)為子陣內(nèi)的4個(gè)矩形開 口波導(dǎo)(11)提供阻抗匹配。
6.如權(quán)利要求1所述的波導(dǎo)平板陣列天線，其特征在于，所述的矩形腔體內(nèi)的矩 形窗口 02)聚焦子陣的能量并成為饋電網(wǎng)絡(luò)的終端負(fù)載。
7.如權(quán)利要求1所述的波導(dǎo)平板陣列天線，其特征在于，所述的波導(dǎo)E-T饋電網(wǎng)絡(luò)的最 后一級(jí)E-T的每個(gè)終端的一個(gè)三角形匹配塊(42)、波導(dǎo)段(31)及矩形窗口 0 共同 實(shí)現(xiàn)對(duì)矩形腔體的饋電。
8.如權(quán)利要求1所述的波導(dǎo)平板陣列天線，其特征在于，將圓極化罩(1)平行地間隔一 定距離加裝在距輻射層(10)的上部實(shí)現(xiàn)圓極化波信號(hào)收發(fā)功能。
全文摘要
本發(fā)明提供一種波導(dǎo)平板陣列天線，它具有寬帶，高效率饋電的特點(diǎn)。它由矩形開口波導(dǎo)11做輻射單元，4個(gè)為1組構(gòu)成子陣，呈2×2矩形排列，由矩形腔體21為它們提供寬帶等幅同相饋電，為保證電磁波在其間高效傳輸，在每個(gè)矩形開口波導(dǎo)11與矩形腔體21交接處設(shè)置匹配階梯13、23。矩形腔體21中心有一矩形窗口22與下一層饋電網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)。為保證信號(hào)暢通，在與每個(gè)矩形窗口22相聯(lián)的饋電網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)角處均布置一個(gè)三角形匹配塊42。饋電網(wǎng)絡(luò)采用多級(jí)并聯(lián)的E-T構(gòu)成，以保證天線有足夠的帶寬。通過加裝圓極化罩實(shí)現(xiàn)圓極化波收發(fā)能力。本發(fā)明相比于現(xiàn)有平板天線有更寬的帶寬，更大的饋電效率。
文檔編號(hào)H01Q21/00GK102064380SQ201010519510
公開日2011年5月18日 申請(qǐng)日期2010年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月26日
發(fā)明者李峰 申請(qǐng)人:李峰