CN110233339B - 一种低剖面透射阵天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低剖面透射阵天线，包括透射阵面、反射阵面、馈源天线和尼龙柱，透射阵面和反射阵面之间通过四个尼龙柱支撑，使得透射阵面和反射阵面之间的距离保持为焦距的三分之一；反射阵面由印制在接地介质板上固定周期排布的金属贴片和印制在介质板另一面上的整片金属地板构成；透射阵面印制在多层介质板上，包含三层金属层，其中上下两层金属层通过金属过孔相连；中间金属层与上下两层金属层不相连；下层金属层为矩形结构的下层金属片阵列，下层金属片作为贴片天线，其极化与馈源天线极化正交。本发明为一种高增益、低剖面，且重量轻、成本低和易于组装的透射阵天线。

Description

一种低剖面透射阵天线
技术领域
本发明涉及天线领域，特别是涉及低剖面折合透射阵天线。
背景技术
透射阵是由亚波长单元构成的一种离散的平面透镜，它是利用离散的透射型单元，将入射波转换成沿指定方向上传播的出射平面波，来实现聚集波束的作用。由于透射阵的馈源位于口径面的后方有效避免了存在于反射阵中的口径遮挡问题，同时透射阵天线具有旁瓣和后瓣电平小、定向性高等优点使其在无线通信、雷法、成像、导航等领域极具应用潜力。
现有透射阵天线采用空间馈电结构，利用馈源直接照射透射阵面。这种结构的天线由于其焦径比确定，对于越大口面的天线，焦距会越大。因此高增益大孔径透射阵天线的厚度也会变得非常大。
因此，提出一种低剖面透射阵列天线，采用透射阵面与反射面结合的方法，利用光路折合的方法有效的降低透射阵天线的剖面高度，采用多层板印刷工艺制作透射阵面和反射阵面，能够获得高增益、低剖面且重量轻、成本低和易组装集成的低剖面透射阵天线。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种高增益、低剖面，且重量轻、成本低和易于组装的透射阵天线。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
一种低剖面透射阵天线，包括透射阵面、反射阵面、馈源天线和尼龙柱，所述透射阵面和反射阵面之间通过四个尼龙柱支撑，使得透射阵面和反射阵面之间的距离保持为透射阵面焦距的三分之一；
所述反射阵面由印制在介质板上固定周期排布的金属贴片和印制在介质板另一面上的整片金属地板构成；
所述透射阵面包括多层介质板，在多层介质板上设置有三层金属层，其中上下两层金属层通过金属过孔相连；中间金属层与上下两层金属层不相连；下层金属层为带有U型缝隙的矩形结构的下层金属片阵列，下层金属片作为贴片天线，其极化方向与馈源天线极化方向正交，
下层金属片的U型缝隙排布方式相同，U型缝隙的开口方向与馈源天线的极化方向垂直；上层金属层为带有U型缝隙的矩形结构的上层金属片阵列；
上层金属片U型缝隙排布方式不同，其排布方式按照每个上层金属片与透射阵面中心距离d、透射阵的焦距F和工作波长λ设定：
当
Figure GDA0002398980550000021
时，上层金属片U型缝隙开口方向与下层金属片U型缝隙开口方向相同；
当
Figure GDA0002398980550000022
时，上层金属片U型缝隙开口方向与下层金属片U型缝隙开口方向相反。
对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：
进一步，所述馈源天线位于反射阵面的中心。
进一步，所述馈源天线由两层印制板制作而成，上层印制板的下表面印制一对寄生辐射贴片，下层印制板的上表面印制一对辐射贴片、匹配微带线和功率合成微带线，在下层印制板的下表面设置有SMA连接器；一对辐射贴片通过匹配微带线和功率合成微带线相连；SMA连接器分别与印制在下层印制板下表面的金属地板和印制在下层印制板上表面的功率合成微带线相连接。
进一步，所述馈源天线为微带贴片天线、喇叭天线或为缝隙天线。
进一步，所述反射阵面由印制在接地介质板上固定周期排布的金属贴片构成；反射阵面的反射波与入射波极化正交。
进一步，所述反射阵面由印制在接地介质板上固定周期排布的金属贴片构成。
进一步，所述金属贴片为竖直排布或倾斜排布。
进一步，所述透射阵面上层金属片和下层金属片的金属贴片的数目相同。
进一步，所述尼龙柱位于透射阵面和反射阵面的四个角上。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
本发明透射阵天线由于采用透射阵面实现波束汇聚，具有高增益的特点，采用包含三层金属层的多层板结构的透射阵面，具有厚度低的特点，同时采用折合的方式，将馈源发射电磁波首先通过透射面、反射面两次反射后再通过透射面对外辐射的方式，可以有效降低天线的整体剖面；由于采用印刷天线的结构，透射阵面、反射阵面均印制在介质板上，结构简单紧凑，加工方便，成本低。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1为本发明具体实施方式中低剖面透射阵天线的整体结构图；
图2为本发明具体实施方式中馈源天线的前视图；
图3为本发明具体实施方式中馈源天线上层贴片的辐射图；
图4为本发明具体实施方式中馈源天线下层贴片与馈电网络的辐射图；
图5为本发明具体实施方式中反射阵面的局部俯视图；
图6为本发明具体实施方式中透射阵面的局部前视剖面图；
图7为本发明具体实施方式中透射阵面的局部仰视图；
图8为本发明具体实施方式中透射阵面的局部俯视图；
图9为本发明具体实施方式中工作在12GHz频带的低剖面透射阵天线俯视图；
图10为本发明具体实施方式中工作在12GHz频带的低剖面透射阵天线的方向图；
图11为本发明具体实施方式中工作在12GHz频带的低剖面透射阵天线的E面方向图；
图12为本发明具体实施方式中工作在12GHz频带的低剖面透射阵天线的H面方向图。
图中：1、透射阵面；2、反射阵面；3、馈源天线；4、尼龙柱；5、寄生辐射贴片；6-1、辐射贴片；6-2、匹配微带线；6-3、功率合成微带线；7、SMA连接器；8、金属贴片；9、下层金属片；10、上层金属片；11、金属过孔；12、中层金属层。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
本具体实施方案公开了一种低剖面透射阵天线，如图1所示，本发明实施例包括透射阵面1、反射阵面2、馈源天线3和尼龙柱4。透射阵面1和反射阵面2之间通过其四个角上的尼龙柱4进行支撑，使得透射阵面1和反射阵面2之间的距离保持为透射阵面1焦距的三分之一；由于馈源天线发射电磁波首先通过透射面下层金属、反射面两次反射后再通过透射面上层金属对外辐射的方式，可以实现电磁波传播路径的折合，将馈源天线与透射面的距离降低为透射面焦距的三分之一。
反射阵面2由印制在介质板上固定周期排布的金属贴片8和印制在介质板另一面上的整片金属地板构成。
透射阵面1包括多层介质板，在多层介质板上设置有三层金属层，其中上下两层金属层通过金属过孔11相连；中间金属层12与上下两层金属层不相连；中间金属层12与上下两层金属层不相连；下层金属层为带有U型缝隙的矩形结构的下层金属片9阵列，下层金属片9作为贴片天线，其极化方向与馈源天线3的极化方向正交。
馈源天线3结构如图2-4所示。馈源天线3位于反射阵面2的中心，该馈源天线3由两层印制板制作而成，上层印制板的下表面印制一对寄生辐射贴片5，下层印制板的上表面印制一对辐射贴片6-1、匹配微带线6-2和功率合成微带线6-3，在下层印制板的下表面设置有SMA连接器7；其中，一对辐射贴片6-1通过匹配微带线6-2和功率合成微带线6-3相连；SMA连接器7分别与印制在下层印制板下表面的金属地板和印制在下层印制板上表面的功率合成微带线6-3相连接。
馈源天线3可以是微带贴片天线、喇叭天线或为缝隙天线。
反射阵面2局部结构如图5所示，由印制在接地介质板上固定周期排布的金属贴片8和印制在介质板另一面上的整片金属地板构成，金属贴片8可以是竖直排布或倾斜排布。反射阵面2可以将入射电磁波的极化旋转后反射出去。
透射阵面1结构如图6-8所示，透射阵面1通过包含三层金属层的多层印制板制作而成。三层金属包括上层金属层、中层金属层12和下层金属层；其中，下层金属层为带有U型缝隙的矩形结构的下层金属片9阵列，下层金属片9的U型缝隙排布方式相同，U型缝隙开口方向与馈源天线3极化方向垂直。由于U型缝隙开口方向与馈源天线3极化方向垂直，馈源天线3发射的电磁波将会被金属片9阵列完全反射到反射板2上。进一步，反射板2将电磁波再次反射回金属片9阵列，并实现极化旋转。进一步，极化旋转后的电磁波的极化方向与金属片9的U型缝隙的开口方向相同，金属片9阵列能够接收通过反射板2反射回来的电磁波。
上层金属层为带有U型缝隙的矩形结构的上层金属片10阵列，上层金属片10U型缝隙排布方式不同，其排布方式按照每个上层金属片10与透射阵面1中心距离d、透射阵面1的焦距F和工作波长λ设定。
当
Figure GDA0002398980550000061
时，上层金属片10U型缝隙开口方向与下层金属片9的U型缝隙开口方向相同；
当
Figure GDA0002398980550000062
时，上层金属片10U型缝隙开口方向与下层金属片9的U型缝隙开口方向相反。上层金属片10阵列位于双层印制板远离馈源天线3一侧，上层金属片10阵列将下层金属片9阵列接收到的电磁波再次辐射出去。下层金属片9与上层金属片10的形状相同，保证其工作频率相同。位于下层金属片9和位于上层金属片10通过中心处的金属过孔11连通，从而使得下层金属片9接收的电磁波能够通过上层金属片10辐射出去。下层金属片9和上层金属片10上的金属贴片的形状与数目相同。
图6-8为局部图，图6-8中下层金属片9和上层金属片10的数目仅为局部金属片的示意图，透射阵面1所包含的下层金属片9和上层金属片10的数目大于局部示意图标示的数目。
图9给出了一种工作在12GHz的低剖面透射阵面俯视图，图10给出了工作在12GHz频带的反射阵面和馈源天线俯视图，透射阵面由双层PCB板制成，两层介质板分别使用0.762mm的CLTE-XT介质板，中间粘合层为0.1mm的FR-28，上下层的金属贴片宽度为5mm，长度为5.9mm，金属过孔直径为0.2mm。透射阵面分别有23×23个上层和下层金属贴片。选取焦距F＝126mm，尼龙柱的长度为F/3＝42mm。
图11为工作在12GHz频带的低剖面透射阵天线的E面方向图，图12为工作在12GHz频带的低剖面透射阵天线的H面方向图。
从图中可以看出，该天线具备高增益的定向辐射方向图和较低的剖面高度。由于采用多层板印刷工艺制作透射阵面、反射阵面和馈源天线，该透射阵天线具有重量轻、成本低和易组装集成的特点。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种低剖面透射阵天线，其特征在于，包括透射阵面(1)、反射阵面(2)、馈源天线(3)和尼龙柱(4)，所述透射阵面(1)和反射阵面(2)之间通过四个尼龙柱(4)支撑，使得透射阵面(1)和反射阵面(2)之间的距离保持为透射阵面(1)焦距的三分之一；
所述反射阵面(2)由印制在接地介质板上固定周期排布的金属贴片(8)和印制在介质板另一面上的整片金属地板构成；
所述透射阵面(1)包括多层介质板，在多层介质板上设置有三层金属层，其中上下两层金属层通过金属过孔(11)相连；中间金属层(12)与上下两层金属层不相连；下层金属层为带有U型缝隙的矩形结构的下层金属片(9)阵列，下层金属片(9)作为贴片天线，其极化方向与馈源天线(3)的极化方向正交，
下层金属片(9)的U型缝隙排布方式相同；上层金属层为带有U型缝隙的矩形结构的上层金属片(10)阵列；
上层金属片(10)U型缝隙排布方式不同，其排布方式按照每个上层金属片(10)与透射阵面(1)中心距离d、透射阵的焦距F和工作波长λ设定：
当
Figure FDA0002398980540000011
时，上层金属片(10)U型缝隙开口方向与下层金属片(9)U型缝隙开口方向相同；
当
Figure FDA0002398980540000012
时，上层金属片(10)U型缝隙开口方向与下层金属片(9)U型缝隙开口方向相反。
2.根据权利要求1所述的一种低剖面透射阵天线，其特征在于，所述馈源天线(3)位于反射阵面(2)的中心。
3.根据权利要求1所述的一种低剖面透射阵天线，其特征在于，所述馈源天线(3)由两层印制板制作而成，上层印制板的下表面印制一对寄生辐射贴片(5)，下层印制板的上表面印制一对辐射贴片(6-1)、匹配微带线(6-2)和功率合成微带线(6-3)，在下层印制板的下表面设置有SMA连接器(7)；一对辐射贴片(6-1)通过匹配微带线(6-2)和功率合成微带线(6-3)相连；SMA连接器(7)分别与印制在下层印制板下表面的金属地板和印制在下层印制板上表面的功率合成微带线(6-3)相连接。
4.根据权利要求1所述的一种低剖面透射阵天线，其特征在于，所述馈源天线(3)为微带贴片天线、喇叭天线或为缝隙天线。
5.根据权利要求1所述的一种低剖面透射阵天线，其特征在于，所述透射阵面(1)与反射阵面(2)均为平面结构。
6.根据权利要求1所述的一种低剖面透射阵天线，其特征在于，所述金属贴片(8)为竖直排布或倾斜排布。
7.根据权利要求1所述的一种低剖面透射阵天线，其特征在于，所述透射阵面(1)下层金属片(9)和上层金属片(10)的金属贴片的数目相同。
8.根据权利要求1所述的一种低剖面透射阵天线，其特征在于，所述尼龙柱(4)位于透射阵面(1)和反射阵面(2)的四个角上。
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