CN102237569A - 一种高定向双波束扫描毫米波平板天线 - Google Patents

Abstract

一种高定向双波束扫描毫米波平板天线，其包括平面金属花样层、介质层、下底板金属层及微波馈源，平面金属花样层、介质层和下底板金属层从上之下依次相叠，由普通双面印刷电路板制成。平面金属花样层的金属光栅和下底板金属以及中间的介质层构成电磁波微腔，与入射平面电磁波形成相干表面态，微波馈源放置于平面光栅层的中心上方。本发明的天线高定向双波束辐射电磁波，辐射方位角可精确控制，反应灵敏，成本低廉、厚度超薄。

Description

一种高定向双波束扫描毫米波平板天线

技术领域

本发明涉及一种高定向双波束扫描毫米波天线，尤其是可实现毫米波的高定向的双波束辐射的扫描天线。

背景技术

毫米波是指波长介于1～10mm之间的电磁波，被广泛应用于目标探测，例如汽车防撞雷达，等等。毫米波用于目标探测，其主要优点在于：1)稳定的探测性能。不受被测物体表面形状、颜色等的影响。2)良好的环境适应性。毫米波雷达的穿透能力很强，其测距精度受雨、雪、雾及阳光的影响。为了分辨目标的方位和速度，必须要求探测天线具有高定向性，并且要求对角度进行扫描。

目前用于毫米波雷达探测的天线主要有相共振天线和喇叭天线。相共振天线利用移相器控制每个辐射单元的相位达到指定角度的高定向辐射，其指向性高，辐射功率大，角度控制容易。但是要得到高的指向性，需要大量的移相器，且移相器价格相当昂贵，对于一般价格中低档的汽车，基于相共振的防撞雷达可能要占到成本的一半，乃至更高。并且运行中需要制冷，体积庞大，安装也相当不便，这些主要缺点严重限制了其在民用市场的应用。喇叭天线的高定向辐射来自于大口径的喇叭天线，而角度扫描是利用支撑喇叭天线的旋转陀螺控制，价格便宜。但是机械扫描速度慢，故障率高。喇叭天线体积与定向性成正比，指向性越高，喇叭口面越大，长度越长。

发明内容

本发明的目的是提供一种高定向双波束扫描毫米波平板天线，是一种可实现高定向辐射的双波束毫米波天线，天线辐射方位角通过扫描频率来严格控制。这种天线由平板印刷电路板制作而成，成本低廉，厚度超薄，容易与器件集成。

为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是：

本发明的天线需含有平面金属花样层、介质层、下底板金属层，以及微波馈源。平面金属花样层、介质层、下底板金属层可以由双面印刷电路板制成，由于工作在微波波段，所以对双面电路板的上下表面金属种类，厚度无特殊要求。微波馈源可以是普通单极子天线、偶极子天线、微带天线或者其他基本微波馈源。

平面金属花样层由平面内周期排列的金属带构成，金属花样层和下底板金属以及中间的介质层构成了电磁波微腔，形成相干磁谐振表面态，此相干磁谐振表面态通过金属花样层中金属空气，向自由空间辐射高空间相干电磁波，形成双波束高定向天线。相干磁谐振表面态的形成是高定向电磁辐射的关键，它由单个金属花样层和金属底板以及中间的介质中存在的腔模通过周期结构的布拉格散射耦合而成。布拉格散射要求金属花样层的周期与工作频率在介质中的波长相比拟，因此本发明的金属花样层的周期大约等于工作频带上带边频点的电磁波在介质中的波长，例如本发明实施例1中选取周期为4mm，工作频带上带边为60GHz，在介质中的波长约为3.4mm。一个周期内的金属花样可以由一维排列的金属带组成。金属带可以由一个金属带或者多个宽度不同、间隔不同的金属带；或者多个宽度不同、间隔相同的金属带组成。金属花样层也可以由二维排列而成的金属方片，或者金属圆片，或者金属圆环组成。金属花样之间的间隙决定了磁谐振表面态和自由空间电磁波的耦合系数，耦合系数越小，辐射场空间相干性越高，定向性越好。本发明的特点是利用很小的光栅间隙实现高定向的电磁波辐射，光栅间隙需小于周期的五分之一。周期结构对不同频率的电磁波的调制不一样，不同工作频率的电磁波辐射方位角不同，因此通过对微波馈源的电磁波的频率调节，可以控制天线的辐射方位角，达到全方位的目标探测。要形成一个好的磁谐振表面态，本发明的介质层厚度需远小于工作波长，例如实施例1所采用的印刷电路板介质层厚度为0.8mm。介质层的介电常数和光栅的周期共同决定了本发明的工作频率，在保持周期不变的情况下，介电常数越高，工作频率越低。

由于采用了上述方案，本发明具有以下特点：

1、本发明的定向性由金属花样之间的空气间隙控制。小的空气间隙可以产生高定向电磁波辐射。

2、本发明的工作频率由周期和介质的介电常数决定，工作频带可调。

3、本发明通过调节频率来调控电磁波的辐射方位角。电调的方式使得辐射方位角控制精确，反应灵敏。

4、本发明整体厚度薄，一般可以小于λ/10。远小于相共振天线和喇叭天线的尺寸，方便集成，容易安装。

5、本发明由印刷电路板制成，价格便宜。

本发明可用于：

1、汽车防撞雷达；

2、毫米波目标探测；

3、移动通信用智能天线。

附图说明

图1A为本发明实施例1的结构示意图。

图1B为本发明实施例1的平面金属花样层示意图。

图2为本发明实施例在40.0GHz时的辐射方向图。

图3为本发明实施例在53.5GHz时的辐射方向图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

本发明实施例中是工作在30-53.5GHz的高定向双波束扫描毫米波平板天线，其结构示意图如图1，由平面金属花样层、介质层和下底板金属层以及偶极子天线组成；其中平面金属花样层1、介质层2、下底板金属层3由印刷电路板制作而成，整个电路板长度和宽度需大于工作波长的两倍，本实施例采用的电路板大小为8cm×8cm大小，介质层厚度为0.8mm，金属层厚度为0.017mm。平面金属花样层1的金属结构由周期排列而成的金属带组成，金属带宽度为3.8mm，周期为4mm。印刷电路板的介质层2，厚度为0.127mm，介电常数为2.2，其下为下底板金属层3。本实施例所采用的是普通偶极子天线馈源4，其放置于光栅层1中心上方，用同轴电缆与微波电路连接。

本实施例平面金属花样层的金属带，下底板金属和介质层产生的相干表面态使偶极子天线馈源与整体结构产生强烈耦合。此相干表面态通过金属带之间的缝隙与自由空间平面波的弱耦合辐射到自由空间产生高空间相干(也就是高定向性)电磁波远场辐射，缝隙的大小决定了耦合系数的大小，本实施例中采用的缝隙宽度为0.2mm，等于二十分之一波长，产生的高定向电磁波辐射方向角小于5度。辐射方向图如图2、图3。而辐射的方位角受周期结构调制，不同频率对应的波长不一样，因此该结构能达到调控电磁波辐射方位角的作用，辐射方位角能由-60～0度调节，图2、图3表明频率30GHz上升到53.5GHz时，辐射方位角的主极大可由60度调节到0度。整个天线结构具有空间镜像对称性，因此辐射方向图也是关于0度对称，为双波束形式。

与现有高定向喇叭天线相比，本发明是平面结构，纵向尺寸超薄，容易与器件集成，电扫描代替机械扫描，稳定性高，扫描速度快。与价格昂贵的相共振雷达天线相比，价格低廉，整个天线成本不及相共振一个单元。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高定向双波束扫描毫米波平板天线，其特征在于：其包括平面金属花样层、介质层、下底板金属层及微波馈源，平面金属花样层的金属结构和下底板金属以及中间的介质层构成电磁波微腔，形成相干表面态，微波馈源放置于平面金属花样层的中心上方。

2.如权利要求1所述的高定向双波束扫描毫米波平板天线，其特征在于：所述平面金属花样层、介质层和下底板金属层从上至下依次相叠，由双面印刷电路板制成，电路板介质层小于工作波长的三分之一，电路板长度和宽度需大于工作波长的两倍。

3.如权利要求1所述的高定向双波束扫描毫米波平板天线，其特征在于：所述平面金属花样层中金属花样之间的空气缝隙必须小于周期的五分之一。

4.如权利要求1所述的高定向双波束扫描毫米波平板天线，其特征在于：所述平面金属花样层的周期与电磁波在介质中的波长相比拟。

5.如权利要求1所述的高定向双波束扫描毫米波平板天线，其特征在于：所述平面金属花样层由一维排列的金属带组成，或者由二维排列的金属方片、金属圆片、或金属圆环组成。

6.如权利要求5所述的高定向双波束扫描毫米波平板天线，其特征在于：所述一个周期内的金属带由一个金属带组成；或者由多个宽度不同、间隔不同的金属带组成；或者由多个宽度不同、间隔相同的金属带组成。

7.如权利要求1所述的高定向双波束扫描毫米波平板天线，其特征在于：所述微波馈源为普通单极子天线、偶极子天线、微带天线。

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