CN109687104A - 一种宽水平角窄俯仰角单狭缝天线及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种宽水平角窄俯仰角单狭缝天线，其包括一金属空腔和填充于金属空腔的腔体内的介质层，所述金属空腔具有沿其长度方向延伸的第一壁，在第一壁上开设有多个等间距排布的狭缝，且该金属空腔的一端设有馈电点，另一端的腔体内填充有吸波材料。本发明还提供了该天线的制作方法。本发明的天线通过采用单排缝隙结构，一方面使得制作出的天线的波束具有宽水平角窄俯仰角的特点，进而实现俯仰角控制；此外，馈电点和吸波材料的设置，实现了能量通过狭缝面向外高效辐射，满足对交汇飞行目标的大范围探测。
Description
技术领域
本发明属电子技术领域，具体涉及一种宽水平角窄俯仰角单狭缝天线及其制作方法。
背景技术
毫米波传感器可对速度和距离进行探测，成为未来发展的趋势，对天线的波束、增益和体积都提出了特殊的要求，迫切要求有体积小、增益高、波束可控的天线结构与之匹配，优化设计天线与射频和中频电路集成将有利于进一步提高探测器微系统的探测能力和降低其重量和体积，以适应实际空空目标近距离探测需要。
毫米波与光波相比，由于其大气窗口传播时的衰减小，受自然光和热辐射源影响小，在通信、雷达、制导、遥感技术、射电天文学和波谱学方面都有重大的意义。利用大气窗口的毫米波频率可实现大容量的卫星-地面通信或窄束和低旁瓣性能，可实现低仰角精密跟踪雷达和成像雷达。在远程导弹或航天器重返大气层时，需采用能顺利穿透等离子体的毫米波实现通信和制导。毫米波探测器也可应用于引信探测。
现有的毫米波天线分为微带天线和狭缝。其中，微带天线可以实现基于PCB板的能量辐射，优点是容易设计集成，缺点是波束可控性较差，多为球形波束。狭缝天线优点是波束可控性好，然而常规的狭缝天线为双缝隙天线，存在水平角较窄的缺点，影响目标探测。
单缝隙天线的波束具有宽水平角窄俯仰角的特点，然而由于常规探测天线增益较低，通常小于10dB，因此通常工作频段较低，小于24GHz，因此现有的单缝隙天线无法用于毫米波波段以实现毫米波天线的宽水平角的目标探测。
发明内容
本发明的目的是提供一种宽水平角窄俯仰角单狭缝天线及其制作方法,以解决现有的缝隙天线的水平角较小的问题，同时获得较强的增益和方向性。
为了实现上述目的，本发明提供了一种宽水平角窄俯仰角单狭缝天线，其包括一金属空腔和填充于金属空腔的腔体内的介质层，所述金属空腔具有沿其长度方向延伸的第一壁，在第一壁上开设有多个等间距排布的狭缝，且该金属空腔的一端设有馈电点，另一端的腔体内填充有吸波材料。
所述金属空腔具有与第一壁彼此相对的第二壁，所述馈电点设置在金属空腔1的第二壁上。
所述馈电点包括贴设在第二壁的外表面的玻璃绝缘子和贯穿第二壁并插入介质层的馈电针，所述玻璃绝缘子与所述馈电针焊接。
所述金属空腔为长方体形状，该长方体的长度L为60-80mm，宽度W为5-6mm，高度H为3-5mm。
相邻两个所述狭缝的中心之间的间距为5-7mm，且所述狭缝的中心和天线的中心轴线的间距为0-0.5mm。
所述狭缝由长度为l、宽度为2×r的矩形以及位于该矩形两侧的半径为r的半圆形构成，矩形的长度l的范围在2-2.2mm之间，半圆形的半径r的范围在0.3-0.4mm之间。
所述金属空腔远离所述馈电点的一端开口，在该开口处设有固定在金属空腔上的盖板。
所述金属空腔的材质为Cu，其上电镀有Ag，所述介质层的介质的介电常数为2.1-2.5，所述吸波材料的垂直入射最大反射率优于-15dB。
另一方面，本发明提供了一种宽水平角窄俯仰角单狭缝天线的制作方法，包括：
S1：加工出形状为长方体且一端开口的金属空腔，该金属空腔具有沿其长度方向延伸且彼此相对的第一壁和第二壁；
S2：在金属空腔的远离开口的一端的第二壁上激光打孔，形成馈电孔，并在金属空腔的第一壁上激光打孔，形成多个等间距排布的狭缝；
S3：在腔体中填充介质，形成介质层，对齐所述步骤S2中的馈电孔在介质层上激光打孔；
S4：在馈电孔处安装玻璃绝缘子和馈电针；
S5：在金属空腔的开口的一端的腔体内填充吸波材料，再加装盖板，形成完整天线。
其中，所述步骤S1还包括设计所述宽水平角窄俯仰角单狭缝天线的尺寸，包括：
S11：确定长方体的金属空腔的尺寸，并确定狭缝的长度和宽度；
S12：调节金属空腔的馈电点的位置来获得最大的能量辐射；
S13：通过改变狭缝的中心之间的间距来调节俯仰角大小；
S14：通过改变狭缝的中心与金属空腔的中轴线的距离来调节水平角大小；
S15：形成设计图，基于HFSS仿真获得天线的方向图；
S16：绘制天线三维结构图。
本发明的宽水平角窄俯仰角单狭缝天线，通过采用单排缝隙结构，一方面使得制作出的天线的波束水平角大于90度，可以仅仅通过四组天线实现周视探测，简化了加工流程，降低制作成本，另一方面使得制作出的天线的波束俯仰角小于10度，可以通过结构变化调节波束角度形状，克服常规微带天线方向性较难控制的不足，进而实现俯仰角控制；此外，由于在天线的金属腔体两端分别设置馈电点和吸波材料，通过馈电点的位置设计，并通过吸波材料防止波的反射损耗，实现能量通过狭缝面向外高效辐射，使增益达到13dB以上，满足对交汇飞行目标的大范围探测。另外，本发明的宽水平角窄俯仰角单狭缝天线通过采用在空腔中填充介电常数为2.1-2.5的介质，实现天线的小型化。
附图说明
图1为根据本发明的一个实施例的宽水平角窄俯仰角单狭缝天线的结构示意图；
图2为如图1所示的宽水平角窄俯仰角单狭缝天线的俯视图；
图3为如图2所示的宽水平角窄俯仰角单狭缝天线的狭缝的局部放大示意图；
图4为如图1所示的宽水平角窄俯仰角单狭缝天线的底视图；
图5为沿图4中的A-A线的截面图；
图6为本发明实施例垂直角和水平角测试图。
其中，1-金属空腔，11-第一壁，111-狭缝，12-第二壁，2-介质层，3-馈电点，31-玻璃绝缘子，32-馈电针，4-吸波材料，5-盖板。
具体实施方式
如图1所示为根据本发明的一个实施例的宽水平角窄俯仰角单狭缝天线，其包括一金属空腔1和填充于金属空腔1的腔体内的介质层2，金属空腔1的一端(即腔体头端)设有馈电点3，且金属空腔1的另一端(即腔体尾端)的腔体内填充有吸波材料4，以实现高效能量辐射。该金属空腔1远离馈电点3的一端开口，在该开口处设有通过焊接固定在金属空腔1上的盖板5，盖板5采用Cu材料，厚度为1.5±0.1mm。
金属空腔1为长方体形状，其具有沿其长度方向延伸且彼此相对的第一壁11和第二壁12，该长方体的长度L为60-80mm，宽度W为5-6mm，高度H为3-5mm，且第一壁11和第二壁12的壁厚为0.3-0.6mm。优选地，金属空腔1的材质为Cu，且其上电镀有Ag，以避免金属空腔1发生氧化，同时保持内腔表面光洁度合导电性，从而保证功率增益。该电镀层的厚度为0.3mm，当然，也可选择0.3-0.6mm的任意厚度，通常为0.3mm厚度。介质层2的介质的介电常数为2.1-2.5，例如可以采用聚四氟乙烯。吸波材料4的垂直入射最大反射率优于-15dB，可以采用硬聚氨酯(8-12％碳加载比例)材料，以实现高效能量辐射。此外，金属空腔1还可以采用Al或Al合金，表面镀银。
如图2所示为如图1所示的宽水平角窄俯仰角单狭缝天线的俯视图，其中，在第一壁11上开设有多个等间距排布的狭缝111，相邻两个狭缝111的中心O之间的间距为5-7mm，具体大小可以根据所需的俯仰角大小来进行调节，从而形成如图分布的单排狭缝序列。狭缝111的中心O和天线的中心轴线C的间距为0-0.5mm，具体大小可以根据所需的水平角大小来进行调节。
如图3所示，狭缝111的形状均为圆角矩形，其由长度为l，宽度为2×r的矩形以及位于该矩形两侧的半径为r的半圆形构成，矩形的长度l的范围在2-2.2mm之间，半圆形的半径r的范围在0.3-0.4mm之间。
如图4-图5所示，馈电点3设置在金属空腔1的第二壁12上，其包括贴设在第二壁12的外表面的玻璃绝缘子31和贯穿第二壁12并插入介质层2的馈电针32，其中，玻璃绝缘子31与馈电针32通过焊接方式固定在一起，且玻璃绝缘子31通过焊接固定于金属空腔1上。所述馈电点3与最接近于该馈电点3的狭缝111的中心点在长度方向上的距离为1-3mm。
上文所述宽水平角窄俯仰角单狭缝天线在工作时，其工作频段为Ka波段，优选工作频率范围为35GHz-39GHz，因此该宽水平角窄俯仰角单狭缝天线可应用于Ka波段探测器。所述天线波束方位角范围为90(±10°)，所述天线波束垂直角范围为小于12°。所述天线增益大于12dB。
根据上文所述的宽水平角窄俯仰角单狭缝天线，其制作方法的一个实施例的步骤如下：
S1：加工出形状为长方体且一端开口的金属空腔1，该金属空腔1具有沿其长度方向延伸且彼此相对的第一壁11和第二壁12；
所述步骤S1还包括设计本发明的宽水平角窄俯仰角单狭缝天线的尺寸，具体包括以下步骤：
S11：确定长方体的金属空腔1的尺寸，并确定狭缝111的长度和宽度；
此时，狭缝111的间距，以及狭缝111与金属空腔1的中轴线的距离可调，且馈电点3的位置可调。
S12：调节金属空腔1的馈电点3的位置来获得最大的能量辐射；
S13：通过改变狭缝111的中心O之间的间距来调节俯仰角大小；
S14：通过改变狭缝111的中心O与金属空腔1的中轴线的距离来调节水平角大小；
S15：形成设计图，基于HFSS仿真获得天线的方向图；
S16：绘制天线三维结构图。
在本实施例中，金属空腔1的材质为Cu，该长方体的长L为70mm，宽W为5.5mm，高度H为4mm，且第一壁11和第二壁12的壁厚均为0.4mm。此外，金属空腔1的尺寸可以根据需要进行调节。此外，金属空腔1还可以采用Al或Al合金。
S2：在金属空腔1的第二壁12上激光打孔，形成馈电孔，并在金属空腔1的第一壁11上激光打孔，形成多个等间距排布的狭缝111；
相邻两个所述狭缝111的中心O之间的间距为5-7mm，且所述狭缝111的中心O和天线的中轴线C的间距可以为0、0.1、0.2、0.3、0.4或0.5mm。
此外，所述步骤S3还包括：激光打孔完成后，在金属空腔1的表面电镀Ag；
S3：在腔体中填充介电常数为2.1-2.5的介质，形成介质层2，对齐所述步骤S2中的馈电孔在介质层2上激光打孔；其中，孔直径为Φ0.3±0.05mm，
S4：在馈电孔处安装玻璃绝缘子31和馈电针32，用焊枪将玻璃绝缘子31和馈电针32焊接在一起，得到馈电点3；
S5：在金属空腔1的开口的一端(即尾端)的腔体内填充吸波材料4，再加装盖板5，形成完整天线。
实验结果与分析
对根据上文所述的制作方法制作的宽水平角窄俯仰角单狭缝天线选择频点37.5Ghz进行测试，获得的垂直角和水平角测试数据如图6所示。该宽水平角窄俯仰角单狭缝天线的频率f＝37.5GHz，主波瓣增益13.57GHz，3dB方位面(水平角)波束宽度104度，俯仰角(垂直角)波束宽度为9.8度，俯仰面旁瓣抑制-17.3dB。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种宽水平角窄俯仰角单狭缝天线，其特征在于，其包括一金属空腔(1)和填充于金属空腔(1)的腔体内的介质层(2)，所述金属空腔(1)具有沿其长度方向延伸的第一壁(11)，在第一壁(11)上开设有多个等间距排布的狭缝(111)，且该金属空腔(1)的一端设有馈电点(3)，另一端的腔体内填充有吸波材料(4)。
2.根据权利要求1所述的宽水平角窄俯仰角单狭缝天线，其特征在于，所述金属空腔(1)具有与第一壁(11)彼此相对的第二壁(12)，所述馈电点(3)设置在金属空腔1的第二壁(12)上。
3.根据权利要求2所述的宽水平角窄俯仰角单狭缝天线，其特征在于，所述馈电点(3)包括贴设在第二壁(12)的外表面的玻璃绝缘子(31)和贯穿第二壁(12)并插入介质层(2)的馈电针(32)，所述玻璃绝缘子(31)与所述馈电针(32)焊接。
4.根据权利要求1所述的宽水平角窄俯仰角单狭缝天线，其特征在于，所述金属空腔(1)为长方体形状，该长方体的长度L为60-80mm，宽度W为5-6mm，高度H为3-5mm。
5.根据权利要求1所述的宽水平角窄俯仰角单狭缝天线，其特征在于，相邻两个所述狭缝(111)的中心(O)之间的间距为5-7mm，且所述狭缝(111)的中心(O)和天线的中心轴线(C)的间距为0-0.5mm。
6.根据权利要求1所述的宽水平角窄俯仰角单狭缝天线，其特征在于，所述狭缝(111)由长度为l、宽度为2×r的矩形以及位于该矩形两侧的半径为r的半圆形构成，矩形的长度l的范围在2-2.2mm之间，半圆形的半径r的范围在0.3-0.4mm之间。
7.根据权利要求1所述的宽水平角窄俯仰角单狭缝天线，其特征在于，所述金属空腔(1)远离所述馈电点(3)的一端开口，在该开口处设有固定在金属空腔(1)上的盖板(5)。
8.根据权利要求1所述的宽水平角窄俯仰角单狭缝天线，其特征在于，所述金属空腔(1)的材质为Cu、Al或Al合金，其上电镀有Ag，所述介质层(2)的介质的介电常数为2.1-2.5，所述吸波材料(4)的垂直入射最大反射率优于-15dB。
9.一种宽水平角窄俯仰角单狭缝天线的制作方法，其特征在于，包括：
S1：加工出形状为长方体且一端开口的金属空腔(1)，该金属空腔(1)具有沿其长度方向延伸且彼此相对的第一壁(11)和第二壁(12)；
S2：在金属空腔(1)的远离开口的一端的第二壁(12)上激光打孔，形成馈电孔，并在金属空腔(1)的第一壁(11)上激光打孔，形成多个等间距排布的狭缝(111)；
S3：在腔体中填充介质，形成介质层(2)，对齐所述步骤S2中的馈电孔在介质层(2)上激光打孔；
S4：在馈电孔处安装玻璃绝缘子(31)和馈电针(32)，得到馈电点(3)；
S5：在金属空腔(1)的开口的一端的腔体内填充吸波材料(4)，再加装盖板(5)，形成完整天线。
10.根据权利要求9所述的宽水平角窄俯仰角单狭缝天线的制作方法，其特征在于，所述步骤S1还包括设计所述宽水平角窄俯仰角单狭缝天线的尺寸，包括：
S11：确定长方体的金属空腔(1)的尺寸，并确定狭缝(111)的长度和宽度；
S12：调节金属空腔(1)的馈电点(3)的位置来获得最大的能量辐射；
S13：通过改变狭缝(111)的中心(O)之间的间距来调节俯仰角大小；
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