CN110165396B - 基于3d打印的稀疏型介质棒天线 - Google Patents

基于3d打印的稀疏型介质棒天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于3D打印的稀疏型介质棒天线，包括介质棒和印制对数周期天线，所述的印制对数周期天线由上金属层、下金属层、介质基板和金属化过孔组成；所述介质棒的横截面上周期性地分别设有M个空气槽和N个空气孔，每个空气槽和空气孔分别位于该介质棒的外边缘和横截面内，且该空气槽和空气孔的中心分布轴线与介质棒的中心轴线相互重合；同时采用基片集成波导馈电的印制对数周期天线作为激励源，减小了馈电结构体积；该介质棒采用3D打印加工成型，易于加工复杂结构及降低了加工成本。本发明在天线工作频段内具有稳定的高增益辐射特性，可应用于X波段雷达与卫星通信等无线通信系统中。

Description

基于3D打印的稀疏型介质棒天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，特别涉及一种基于3D打印的稀疏型介质棒天线，可应用于X波段雷达与卫星通信等无线通信系统中。
背景技术
随着无线通信的发展，对于在雷达等无线通信系统中的天线性能要求也在不断地提高。其中，高增益天线由于能够有效补偿传播路径中电磁波衰减而受到广泛关注；宽带天线由于能够降低系统复杂度并提升通信容量而被广泛研究与应用。为了更好满足X波段雷达通信应用，对天线的高增益、稳定辐射方向图及低交叉极化需求在不断增加。
介质棒天线是一种由纯介质材料组成的行波天线，由于其具有宽带、高增益和高辐射效率等特性，常被用于高辐射效率、高极化纯度和高增益等场景，例如雷达通信、卫星通信等。介质棒天线的馈源可以使用波导、微带缝隙耦合等激励方式，其中，使用波导激励介质棒天线最为常见，但是这种激励方式有着工作带宽较窄、体积较大及高后向辐射的缺点。基片集成波导由上下金属表面以及两排金属化通孔阵组成，可以满足于微波系统和微波器件集成化和小型化的需求，同时具有传统矩形波导相似的传输特性。利用基片集成波导技术馈电的天线可克服传统矩形波导的缺点，具有低剖面且易于与平面电路集成的优点。对数周期天线是典型的宽带行波天线，其中，印制对数周期天线可以有效地将天线集成于平面电路中，降低了天线剖面同时保证其宽带特性。
此外，介质棒天线通常采用同种高介电常数材料加工，制作成本较高，加工结构简单，但其增益带宽较窄，增益性能有限；通常提升介质棒天线增益性能的方法就是使用双层结构，双层结构介质棒天线要求内外层介质材料采用不同介电常数的材料加工，可以更有效地控制电磁能量在内芯传播，同时可以避免高次模出现，相比传统单层结构，双层结构介质棒天线具有更高的峰值增益和更宽的增益带宽，但其加工工艺却更为复杂、加工成本高，其实际应用受到限制。
传统的单层介质棒天线存在的许多不足之处，例如增益带宽有限和馈电结构体积大；而双层结构由于是由具有不同介电常数的材料组成，增加了介质棒天线的生产复杂度及生产成本。以上问题均极大程度地限制了介质棒天线的应用范围。
例如，哈尔滨工业大学公开了一种名称为“一种小口径高增益宽频带的介质棒天线”发明专利申请(申请日2017.09.01，申请公布号107611582A)，该发明公开了一种小口径高增益宽频带的介质棒天线，该天线包括馈电结构、传输波导和介质棒透镜；馈电结构的连接端与传输波导的一端连接，所述介质透镜的一端插入传输波导的另一端内；所述馈电结构的连接端采用阶梯块结构实现。但是，该天线采用波导馈电，馈电结构体积较大，且该天线需要额外的阻抗匹配装置，增益在频带内变化较大，增益带宽较窄，辐射方向图不稳定，天线加工较为复杂。
例如，哈尔滨工业大学公开了一种名称为“一种低副瓣电平的8mm波段介质棒天线”发明专利申请(申请日2014.09.19，申请公布号CN104300230A)，该发明公开了一种低副瓣电平的8mm波段介质棒天线，该天线包括第一介质圆台段、第一介质圆柱段、第二介质圆台段、第二介质圆柱段和第三介质圆台段、子弹头形状转换介质过渡段、燕尾锥削段和矩形波导。但是，由于该天线采用波导馈电，且需要额外的匹配装置，增大馈电结构体积，天线加工较为复杂。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于3D打印的稀疏型介质棒天线。用于解决现有技术中介质棒天线增益带宽较窄、馈电结构体积大和天线结构加工受限等问题，以在实现天线在宽带匹配的前提下，获得更高的天线增益及拓展了天线增益带宽。
为实现上述的目的，具体步骤如下：
一种基于3D打印的稀疏型介质棒天线，包括介质棒和印制对数周期天线，所述的印制对数周期天线由上金属层、下金属层、介质基板和金属化过孔组成；所述的介质棒(1)的一端与印制对数周期天线辐射端通过支撑结构和螺钉相连接。
上述权利要求中，所述介质棒上周期性地分别设有M个空气槽和N个空气孔，其中，M≥6，N≥6，M、N均为正整数。每个空气槽位于该介质棒的外侧边缘上，每个空气孔位于该介质棒的任一横截面内；所述空气槽和空气孔均贯穿于整个介质棒，且空气槽和空气孔的中心轴线均平行于介质棒的中心轴线。
上述权利要求中，所述的空气槽围绕介质棒的中心轴线等角度旋转分布，其中，空气槽的个数表示为6～15。
上述权利要求中，所述的空气孔围绕介质棒的中心轴线等角度旋转分布，其中，空气孔的个数N表示为6～15。
上述权利要求中，所述的介质棒的半径R3，其中，R3表示为5～7mm。
上述权利要求中，所述的空气槽和空气孔距介质棒中心的半径为R1和R2，其中，R1表示为4～5.5mm，R2表示为2.5～3.5mm。
上述权利要求中，所述的空气槽的截面形状为矩形，其中，矩形宽度T1表示为1.3～2.5mm；空气孔(1.2)的截面形状为矩形，其中，矩形宽度T2表示为0.45mm～1.3mm。
上述权利要求中，所述的介质棒的材料相对介电常数为2.4～3.5。
本发明与现有技术相比具有如下优点
1、本发明由于采用了在介质棒的横截面上周期性地分别设有M个空气槽和N个空气孔，每个空气槽和空气孔分别位于该介质棒的外边缘和横截面内，改变了该介质棒的截面等效介电常数分布，因此，该介质棒能够等效为多层结构，从而克服了现有技术中增益带宽较窄和辐射性能不稳定等技术问题，提高了天线的辐射性能。
2、本发明由于采用基片集成波导馈电的印制对数周期天线作为激励源，降低了传输损耗，使得该天线易于集成于平面电路，克服了现有技术中馈电结构体积较大的技术问题，使得介质棒天线具有宽频带工作特性。
3、本发明由于采用了3D打印加工低介电常数介质棒，降低了加工成本，同时易于加工结构较为复杂的介质棒结构。
4、本发明由于采用了低介电常数介质棒来实现天线高增益辐射，该天线可以在不影响其宽带匹配的前提下，同时实现稳定的宽带高增益辐射。
附图说明
图1是本发明天线的整体结构示意图；
图2是本发明中介质棒的横截面示意图；
图3是本发明中印制对数周期天线俯视图；
图4是本发明天线的侧视图；
图5是本发明在7～13GHz频段范围的|S11|参数仿真图；
图6是本发明在7～13GHz频段范围的实现增益参数仿真图；
图7是本发明在8.5GHz、10GHz和11.5GHz处的E面和H面仿真辐射方向图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详细描述：
实施例1
参照图1、图2、图3和图4
一种基于3D打印的稀疏型介质棒天线，包括介质棒1和印制对数周期天线2，所述的印制对数周期天线由上金属层2.1、下金属层2.2、介质基板2.3和金属化过孔(2.4)组成；所述的介质棒1的一端与印制对数周期天线2辐射端通过支撑结构3和螺钉5相连接；
所述介质棒1上周期性地分别设有M个空气槽1.1和N个空气孔1.2，其中，M≥6，N≥6，M、N均为正整数。每个空气槽1.1位于该介质棒1的外侧边缘上，每个空气孔1.2位于该介质棒1的任一横截面内；所述空气槽1.1和空气孔1.2均贯穿于整个介质棒，且空气槽1.1和空气孔1.2的中心轴线均平行于介质棒1的中心轴线。
本发明根据等效媒质原理，通过在圆柱形介质棒的外边缘和横截面内部引入周期分布的空气槽和空气孔，通过稀疏的方式，改变了介质棒天线的等效介电常数分布，使得该介质棒天线可以等效为三层结构，其每层结构均具有不同的介电常数，且介电常数从介质棒中心到外边缘介电常数依次下降，从而使用单一材料实现等效多层结构；相比传统单一材料介质棒结构，本发明所设计的介质棒天线，具有更高的峰值增益以及更宽的增益带宽。
所述的空气槽1.1围绕介质棒1的中心轴线等角度旋转分布，其中，空气槽1.1的个数表示为6～15。本发明空气槽1.1的个数优选为12。
所述的空气孔1.2围绕介质棒1的中心轴线等角度旋转分布，其中，空气孔1.2的个数N表示为6～15。本发明空气孔1.2的个数优选为12。
所述的介质棒1的半径R3，其中，R3表示为5～7mm。本发明介质棒1的半径R3优选为6mm。
所述的空气槽1.1和空气孔1.2距介质棒1中心的半径为R1和R2，其中，R1表示为4～5.5mm，R2表示为2.5～3.5mm。本发明空气槽1.1的半径R1优选为4.8mm，空气孔1.2的半径R2优选为3.2mm。
所述的空气槽1.1的截面形状为矩形，其中，矩形宽度T1表示为1.3～2.5mm；空气孔1.2的截面形状为矩形，其中，矩形宽度T2表示为0.45mm～1.3mm。本发明空气槽1.1的宽度T1优选为1.5mm，本发明空气孔1.2的宽度T2优选为0.6mm。
所述的介质棒1的材料相对介电常数为2.4～3.5。本发明介质棒1的材料相对介电常数优选为2.9。
实施例2
所述的空气槽1.1围绕介质棒1的中心轴线等角度旋转分布，其中，空气槽1.1的个数表示为6～15。本发明空气槽1.1的个数为6。
所述的空气孔1.2围绕介质棒1的中心轴线等角度旋转分布，其中，空气孔1.2的个数N表示为6～15。本发明空气孔1.2的个数为6。
所述的介质棒1的半径R3，其中，R3表示为5～7mm。本发明介质棒1的半径R3为5mm。
所述的空气槽1.1和空气孔1.2距介质棒1中心的半径为R1和R2，其中，R1表示为4～5.5mm，R2表示为2.5～3.5mm。本发明空气槽1.1的半径R1为4mm，空气孔1.2的半径R2为2.5mm。
所述的空气槽1.1的截面形状为矩形，其中，矩形宽度T1表示为1.3～2.5mm；空气孔1.2的截面形状为矩形，其中，矩形宽度T2表示为0.45mm～1.3mm。本发明空气槽1.1的宽度T1为2.5mm，本发明空气孔1.2的宽度T2为1.3mm。
所述的介质棒1的材料相对介电常数为2.4～3.5。本发明介质棒1的材料相对介电常数优选为2.4。
实施例3
所述的空气槽1.1围绕介质棒1的中心轴线等角度旋转分布，其中，空气槽1.1的个数表示为6～15。本发明空气槽1.1的个数为15。
所述的空气孔1.2围绕介质棒1的中心轴线等角度旋转分布，其中，空气孔1.2的个数N表示为6～15。本发明空气孔1.2的个数为15。
所述的介质棒1的半径R3，其中，R3表示为5～7mm。本发明介质棒1的半径R3为7mm。
所述的空气槽1.1和空气孔1.2距介质棒1中心的半径为R1和R2，其中，R1表示为4～5.5mm，R2表示为2.5～3.5mm。本发明空气槽1.1的半径R1为5.5mm，空气孔1.2的半径R2为3.5mm。
所述的空气槽1.1的截面形状为矩形，矩形宽度T1表示为1.3～2.5mm；空气孔1.2的截面形状为矩形，其中，矩形宽度T2表示为0.45mm～1.3mm。本发明空气槽1.1的宽度T1为1.3mm，本发明空气孔1.2的宽度T2为0.45mm。
所述的介质棒1的材料相对介电常数为2.4～3.5。本发明介质棒1的材料相对介电常数优选为3.5。
以下结合仿真附图对本发明做进一步详细描述：
参照图5、图6和图7
1、仿真条件：利用商业仿真软件ANSYS HFSS v15.0对上述实例在7～13GHz频段范围内天线参数进行仿真。
2、仿真内容：对天线在7～13GHz频段范围内的|S11|参数、实现增益参数以及天线在8.5GHz、10GHz和11.5GHz处的辐射方向图进行仿真计算。
从图5可见，图中横坐标表示为天线工作频率(GHz)，纵坐标表示|S11|(dB)。本发明的天线能够工作在7.57～12.27GHz频段范围，在该范围内其|S11|均小于－10dB，且相对工作带宽为47.4％。
3、仿真内容：对天线在7～13GHz频段范围内的实现增益参数进行仿真计算。
从图6可见，图中横坐标表示为天线工作频率(GHz)，纵坐标表示为天线增益(dBi)。本发明天线在8～12GHz范围内天线增益均大于11.2dB，平均增益为12.7dB；天线在工作频段内的峰值增益为13.6dB，1-dB相对增益带宽为26％(8.8～11.42GHz)，3-dB增益带宽为45.4％(7.73～12.27GHz)。
4、仿真内容：对上述实例天线在8.5GHz、10GHz和11.5GHz处的辐射方向图进行仿真计算，从图7中可见，其中：
图7(a)是本实施例在8.5GHz时的E面和H面的辐射方向图
图7(b)是本实施例在10GHz时的E面和H面的辐射方向图
图7(c)是本实施例在11.5GHz时的E面和H面的辐射方向图
从图7中可知，本发明天线最大辐射方向在宽带内保持在z轴方向，且与介质棒和基板所在平面平行，属于端射天线。本实施例的最大辐射方向增益为13.6dB，具有宽带稳定辐射性能和低交叉极化特性。
以上仿真结果说明，本发明天线可以在保证宽带匹配的前提下，实现宽带稳定高增益端射。
以上描述仅为本发明的一个优选实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和设计原理后，都可能在基于本发明的原理和结构的情况下，进行形式上和细节上的各种修正和改变，例如对天线结构的各种参数的改变。但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于3D打印的稀疏型介质棒天线，包括介质棒(1)和印制对数周期天线(2)，所述的印制对数周期天线(2)由上金属层(2.1)、下金属层(2.2)、介质基板(2.3)和金属化过孔(2.4)组成；所述的介质棒(1)的一端与印制对数周期天线(2)辐射端通过支撑结构(3)和螺钉(5)相连接，其特征在于：
所述介质棒(1)上周期性地分别设有M个空气槽(1.1)和N个空气孔(1.2)，其中，M≥6，N≥6，M、N均为正整数，每个空气槽(1.1)位于该介质棒(1)的外侧边缘上，每个空气孔(1.2)位于该介质棒(1)的任一横截面内；所述空气槽(1.1)和空气孔(1.2)均贯穿于整个介质棒，且空气槽(1.1)和空气孔(1.2)的中心轴线均平行于介质棒(1)的中心轴线。
2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的稀疏型介质棒天线，其特征在于，所述的空气槽(1.1)围绕介质棒(1)的中心轴线等角度旋转分布，其中，空气槽(1.1)的个数表示为6～15。
3.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的稀疏型介质棒天线，其特征在于，所述的空气孔(1.2)围绕介质棒(1)的中心轴线等角度旋转分布，其中，空气孔(1.2)的个数N表示为6～15。
4.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的稀疏型介质棒天线，其特征在于，所述的介质棒(1)的半径R3，其中，R3表示为5～7mm。
5.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的稀疏型介质棒天线，其特征在于，所述的空气槽(1.1)和空气孔(1.2)距介质棒(1)中心的半径为R1和R2，其中，R1表示为4～5.5mm，R2表示为2.5～3.5mm。
6.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的稀疏型介质棒天线，其特征在于，所述的空气槽(1.1)的截面形状为矩形，其中，矩形宽度T1表示为1.3～2.5mm；空气孔(1.2)的截面形状为矩形，其中，矩形宽度T2表示为0.45mm～1.3mm。
7.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的稀疏型介质棒天线，其特征在于，所述的介质棒(1)的材料相对介电常数为2.4～3.5。
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