CN110931967A - 一种k波段天线、k波段阵列天线以及制备方法 - Google Patents

一种k波段天线、k波段阵列天线以及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种K波段天线、K波段阵列天线以及制备方法，所述K波段天线包括：天线单元、微带短截线以及馈电网络；所述天线单元包括准锥体喇叭和偶极子，所述偶极子作为馈源激励所述准锥体喇叭，实现带宽拓宽；所述天线单元还可以包括寄生环，通过所述偶极子与所述寄生环间的耦合作用，实现带宽拓宽；所述K波段阵列天线包括2×2天线单元阵列、微带短截线以及1分4的馈电网络，通过引入2×2天线单元阵列，提高天线增益；所述准锥体喇叭采用选择性激光熔化3D打印技术，所述馈电网络、所述微带短截线、所述偶极子以及所述寄生环均采用湿蚀刻法制备，从而节省时间并简化工艺。

Description

一种K波段天线、K波段阵列天线以及制备方法
技术领域
本发明涉及天线领域，具体涉及一种K波段天线、K波段阵列天线以及制备方法。
背景技术
K波段天线在通信、防撞雷达和航空航天上得到了广泛的应用。对通信的全球可用性、可靠性以及性能的要求越来越高，特别是在海上和农村地区。随着物联网和第五代(5G)通信的出现，通信天线需要更宽的带宽来克服前所未有的挑战。
常用于通信的地面接收终端频谱范围是19.6GHz-21.2GHz，为了满足日益增长的数据流需求，需要更充分在18.6GHz-22.2GHz范围内覆盖带宽,提高在18.6GHz-22.2GHz范围内的阻抗带宽。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供了一种K波段天线、K波段阵列天线以及制备方法，解决了现有技术中天线的带宽无法充分覆盖在18.6GHz-21.2GHz范围内的问题，提高在18.6GHz-21.2GHz范围内的阻抗带宽。
本发明实施例提供了一种K波段天线，所述K波段天线包括：天线单元、微带短截线以及馈电网络；
所述天线单元包括：
准锥体喇叭；
偶极子，所述偶极子对称地设置在第一基板的上层和底层；
所述微带短截线对称地设置在所述第一基板的上层和底层，所述微带短截线与对应的所述偶极子连接；
所述馈电网络对称地设置在所述第一基板的上层和底层，所述馈电网络与对应的所述微带短截线相连，所述馈电网络用于输入信号，激励所述准锥体喇叭；
其中，所述偶极子处于准锥体喇叭之中，通过所述偶极子作为馈源激励所述准锥体喇叭，进而实现带宽拓宽。
优选地，所述准锥体喇叭采用选择性激光熔化3D打印技术，利用金属粉末一体成型。
优选地，所述天线单元包括寄生环，所述寄生环设置于所述偶极子的正上方，其中，通过所述偶极子与所述寄生环间的耦合作用，进一步实现带宽拓宽。
除了提高天线的阻抗带宽外，通信在长距离传输过程中需要克服大气损失，因此需要高增益的天线。为了提高K波段天线的增益，本发明实施例还提供一种K波段阵列天线，所述K波段阵列天线包括：2×2天线单元阵列、微带短截线以及1分4的馈电网络；
所述2×2天线单元阵列是通过将上述的天线单元进行2×2阵列获得；
所述微带短截线对称地设置在所述第一基板的上层和底层，所述微带短截线与对应的所述偶极子连接；
所述1分4的馈电网络对称地设置在所述第一基板的上层和底层，所述馈电网络与对应的所述微带短截线相连，所述1分4的馈电网络为1个输入，分为4个信号，进而激励4个所述准锥体喇叭。
本发明实施例还提供一种K波段天线的制备方法，所述方法包括：
采用选择性激光熔化3D打印技术,利用金属粉末一体成型，得到2×2准锥体喇叭阵列，其中所述准锥体喇叭阵列的侧面预留有间隙；
采用湿蚀刻法在第一基板的顶层和底层制造2×2偶极子阵列、微带短截线以及1分4的馈电网络；
对所述第一基板进行裁剪；
将所述包括偶极子阵列、微带短截线以及1分4的馈电网络的第一基板插入所述准锥体喇叭阵列侧面预留的间隙中，组装获得K波段阵列天线。
优选地，所述方法包括：在第二基板的一侧采用湿蚀刻法制造寄生环，并将带有寄生环的第二基板组装在所述偶极子阵列的正上方，进而获得带寄生环的K波段天线，其中第二基板带有寄生环的一侧面向所述偶极子阵列。
优选地，所述第一基板的厚度为0.508mm，为所述第一基板预留的间隙高度为1.1mm，所述第一基板插入所述间隙后，所述第一基板与所述间隙的上下壁之间的距离分别为0.4mm和0.2mm。
与现有的K波段天线相比，本发明提供的一种K波段天线采用偶极子作为馈源激励准锥体喇叭，偶极子激励的准锥体喇叭天线的带宽大幅度拓宽。进一步地，通过加入寄生环，偶极子产生的电磁场与寄生环耦合，使天线的品质因数降低，带宽进一步拓宽。将4个天线单元，进行2×2阵列，得到一种K波段阵列天线，可以提高天线的增益。同时，在本发明中，在天线的制备过程中同时使用印刷电路板工艺和3D打印技术，简化了工艺，提高了效率。
附图说明
图1(a)是本发明天线单元的组合示意图；
图1(b)是本发明天线单元的侧视示意图；
图1(c)是本发明寄生环的俯视示意图；
图1(d)是本发明偶极子和微带短截线的俯视示意图；
图2是本发明天线单元的参数列表；
图3是带寄生环和不带寄生环的天线单元的S参数仿真图；
图4(a)是本发明天线单元在t＝0时的电场分布图；
图4(b)是本发明天线单元在t＝T/8时的电场分布图；
图4(c)是本发明天线单元在t＝T/4时的电场分布图；
图4(d)是本发明天线单元在t＝3T/8时的电场分布图；
图5(a)是本发明寄生环在t＝0时的表面电流分布图；
图5(b)是本发明寄生环在t＝T/4时的表面电流分布图；
图5(c)是本发明寄生环在t＝T/2时的表面电流分布图；
图5(d)是本发明寄生环在t＝3T/4时的表面电流分布图；
图6(a)是本发明阵列天线的示意图；
图6(b)是本发明偶极子阵列、微带短截线以及1分4的馈电网络的示意图；
图7是本发明1分4的馈电网络的参数列表；
图8(a)是本发明准锥体喇叭阵列的俯视图；
图8(b)是本发明准锥体喇叭阵列的底视图；
图8(c)是本发明准锥体喇叭阵列的侧视图；
图9(a)是本发明偶极子阵列、微带短截线以及1分4的馈电网络的俯视图；
图9(b)是本发明寄生环的俯视图；
图9(c)本发明不带寄生环的阵列天线的俯视图；
图9(d)本发明带寄生环的阵列天线的俯视图；
图10(a)是本发明带寄生环的阵列天线的S参数仿真和测试对比图；
图10(b)是本发明带寄生环的阵列天线的增益仿真和测试对比图；
图10(c)是本发明带寄生环的阵列天线在20.4GHz时E平面辐射模式仿真和测试对比图；
图10(d)是本发明带寄生环的阵列天线在20.4GHz时H平面辐射模式仿真和测试对比图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，并不用于限定本发明。
实施例1
图1(a)是本发明天线单元的组合示意图，如图1(a)所示，天线单元包括准锥体喇叭、偶极子以及寄生环，从下到上依次是准锥体喇叭、偶极子以及寄生环。
图1(b)是本发明天线单元的侧视示意图，如图1(b)所示，准锥体喇叭的张角是70.6°，带有偶极子的第一基板S1内嵌于准锥体喇叭之中，从而使第一基板S1的上层和底层上的偶极子处于准锥体喇叭之中。
图1(c)是本发明寄生环的俯视示意图，其中，需要说明的是，只在第二基板的一侧设置有寄生环，且在组装后带有寄生环的一侧是正对于偶极子。第二基板为Rogers 5880，厚度为0.254mm，选用此厚度的基板是出于降低介质损耗的考虑，因为过厚的基板会导致介电损耗的增加，进而导致增益降低。
图1(d)是本发明偶极子和微带短截线的俯视示意图，如图1(d)所示，偶极子与微带短截线相连接，偶极子与微带短截线的夹角为45°，微带短截线为四分之一波长，引入微带短截线的作用是减小由同轴馈电端口和偶极子的阻抗不匹配引起的回波损耗，其中同轴馈电端口为50Ω。其中，需要说明的是偶极子和微带短截线对称地设置于第一基板S1的上层和底层，第一基板S1的上层和底层均只包括一个偶极子，图1(d)中虽然绘制了两个对称的偶极子，但是图1(d)只是为了表示出第一基板S1的上层的偶极子和底层的偶极子之间的位置关系，图中右侧偶极子只是为了方便理解上层的偶极子和底层的偶极子之间的位置关系而示意性地绘制的，可以理解为图1(d)中左侧的偶极子是设于第一基板S1上层的偶极子，而右侧的偶极子是设于第一基板S1底层的偶极子。此外，第一基板S1为Rogers 5880，第一基板S1的厚度为0.508mm，相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009。
图2是本发明天线单元的参数列表，示出了本发明天线单元的具体尺寸，结合图1(a)、图1(b)、图1(b)以及图1(d)可得出本实施例中天线单元的具体结构，表中L1代表准锥体喇叭底面的长度，W1代表准锥体喇叭底面的宽度，H1代表准锥体喇叭的高度。L3代表第一基板S1的长度，W3代表第一基板S1的宽度，H2代表第一基板S1的厚度。L2代表第二基板S2的长度，W2代表第二基板S2的宽度，H3代表第二基板S2的厚度。D1代表寄生环的外直径，D2代表寄生环的内直径。L4代表偶极子的长度，W4代表偶极子的宽度。L5代表微带短截线的长度，W5代表微带短截线的宽度。
图3是带寄生环和不带寄生环的天线单元的S参数仿真图。如图3所示，实线代表不带寄生环的天线单元的S参数(S-parameter)-频率(Frequency)关系仿真曲线，虚线代表带寄生环的天线单元的S参数(S-parameter)-频率(Frequency)关系仿真曲线。按S<-10dB计算，本发明中不带寄生环的阵列天线实现了在18.6GHz-21.5GHz范围内的带宽覆盖，而且在18.6GHz-21.5GHz范围内实现了16.7％的阻抗带宽。偶极子本质上是一个驻波天线，而驻波天线的阻抗带宽都相对比较窄，最原始的偶极子天线的阻抗带宽只有8％左右。喇叭天线就是典型的行波天线，行波天线的阻抗带宽都相对较宽，普通的线极化喇叭天线要么是由波导端口馈电，要么是同轴馈电探针馈电，馈源产生的电场矢量末端在一个周期内是一条直线。偶极子天线也是线极化天线，本发明中将偶极子与准锥体喇叭结合，将偶极子天线作为馈源激励准锥体喇叭，行波准锥体喇叭的固有宽带特性有助于扩展偶极子的阻抗带宽。
此外，图4(a)是本发明天线单元在t＝0时的电场分布图，图4(b)是本发明天线单元在t＝T/8时的电场分布图，图4(c)是本发明天线单元在t＝T/4时的电场分布图，图4(d)是本发明天线单元在t＝3T/8时的电场分布图，通过观察电场在不同时刻的分布，可以发现电场值为零的地方一直在移动，这说明本发明的天线是一个行波天线。
根据图3可以得出，按S<-10dB计算，本发明中带寄生环的天线单元在18.3GHz-22.7GHz范围内实现了21.6％的阻抗带宽，天线单元中增加寄生环后会进一步拓宽天线带宽覆盖范围，以及在此范围内的阻抗带宽。本发明在偶极子的上方设置寄生环的作用是通过偶极子和寄生环间的有益相互耦合，使得天线的品质因素降低，进而使天线单元带宽进一步扩展。
具体地，偶极子本质上是一种驻波天线，偶极子的阻抗带宽相对较窄，图5(a)是本发明寄生环在t＝0时的表面电流分布图，图5(b)是本发明寄生环在t＝T/4时的表面电流分布图，图5(c)是本发明寄生环在t＝T/2时的表面电流分布图，图5(d)是本发明寄生环在t＝3T/4时的表面电流分布图，其中T代表一个周期，通过观察可以发现寄生环上的表面电流在一个周期内的分布类似于偶极子天线的表面电流在一个周期内的分布，因此，被偶极子耦合的寄生环作为带宽扩展的寄生元件。加入寄生环后，偶极子天线产生的电磁场通过耦合的方式传播到寄生环上面，使得偶极子天线的品质因素降低，带宽扩展。
实施例2
本实施例提供一种K波段阵列天线，图6(a)是本发明阵列天线的示意图，如图6(a)所示，本发明的阵列天线包括将2×2天线单元阵列、微带短截线以及1分4的馈电网络。2×2天线单元阵列中是由4个天线单元进行2×2阵列而得到，1分4的馈电网络为1个输入，分为4个信号，进而激励4个所述准锥体喇叭。准锥体喇叭阵列是采用选择性激光熔化3D打印技术,利用金属粉末一体成型。Cover代表组装阵列天线时需要将含有寄生环的第二基板S2放置在准锥体喇叭阵列的开口辐射处，即偶极子的正上方。Insert代表组装阵列天线时需要将第二基板S2从准锥体喇叭阵列的侧面插入，Gap代表准锥体喇叭阵列侧面预留的间隙，将第二基板S2从准锥体喇叭阵列的侧面预留的间隙插入即可，对于间隙的预留高度需要考虑以下几方面，首先是第一基板S1的厚度，其次是增加间隙将增加相邻天线单元的互耦，并进一步干扰方向图。最后，缩小间隙可能不能够为制造公差空出足够的空间，进而可能导致由于微带短截线和金属准锥体喇叭的接触而造成的短路。第一基板S1的厚度为0.508mm，综合考虑以上因素，第一基板S1中间隙高度预留为1.1mm,通过进行组装时，将带有偶极子阵列、微带短截线以及1分4的馈电网络的第一基板S1从第一基板S1预留的间隙中插入，插入后第一基板S1与间隙的上下壁之间的距离分别为0.4mm和0.2mm。此外，如图6(b)所示，第一基板S1进行了裁剪，进行裁剪的原因是图6(a)中的天线单元1和天线单元2之间是完全隔开的，中间没有开缝，这样的作用是为减小相邻端口之间相互耦合，此处的相邻端口是指天线单元1和天线单元2。
图7是本发明1分4的馈电网络的参数列表，结合图6(b)，可以具体的得到本实施例的1分4的馈电网络。
图8(a)是本发明准锥体喇叭阵列的俯视图，如图8(a)所示，本发明准锥体喇叭是一个锥形结构；图8(b)是本发明准锥体喇叭阵列的底视图；图8(c)是本发明准锥体喇叭阵列的侧视图。
图9(a)是本发明偶极子阵列、微带短截线以及1分4的馈电网络的俯视图，如图9(a)所示，第一基板S1的上层包括4个偶极子，偶极子按2×2阵列方式排布，每个偶极子与对应的微带短截线连接，偶极子与微带短截线之间的夹角为45°，进一步地，图9(a)并没有示出的地方是第一基板S1的下层包括4个偶极子，偶极子按2×2阵列方式排布，每个偶极子与对应的微带短截线连接，偶极子与微带短截线之间的夹角为45°。
图9(b)是本发明寄生环的俯视图，寄生环只制作在第二基板的一侧。
图9(c)本发明不带寄生环的阵列天线的俯视图。
图9(d)本发明带寄生环的阵列天线的俯视图，图9(d)是完成组装后的阵列天线的俯视图，完成组装后的阵列天线的寄生环在内侧，正对着偶极子，因此，图中并不能直接显示出。阵列天线在具体工作时，信号经过1分4的馈电网络等幅同相的分给每一个天线单元，在每一个偶极子天线单元与1分4的馈电网络端口之间通过四分之一波长的微带短截线连接，用来实现阻抗匹配。
图10(a)是本发明带寄生环的阵列天线的S参数仿真和测试对比图,其中Simulation为仿真模拟曲线，Measurement为实际测量曲线，Frequency为天线工作频率，S-parameter为S参数，按S<-10dB计算，本发明阵列天线实现了在18.3GHz-22.7GHz范围内的带宽覆盖，而且在18.3GHz-22.7GHz范围内实现了21.6％的阻抗带宽，满足通信所需19.6GHz-21.2GHz带宽范围。仿真曲线和测量曲线之间基本趋势一致，存在的偏差主要是因为实际阵列天线在制作过程中，很难精确控制第一基板S1与准锥体喇叭壁之间的距离与仿真值一致，而馈电网络平行微带线的阻抗随着第一基板S1和准锥体喇叭之间距离的轻微改变波动大，进而造成了仿真曲线与测试曲线的偏差。
图10(b)是本发明带寄生环的阵列天线的增益仿真和测试对比图，Simulated为仿真模拟曲线，Measured为实际测量曲线，Frequency为天线工作频率，Gain为增益，如图10(b)所示，在18.3GHz-22.7GHz频段范围内，本发明阵列天线的增益大于13.7dBi，在20.4GHz时实现了最大增益，最大增益为15.2dBi，在18.2GHz-23.9GHz范围内具有3-dB增益带宽。
图10(c)示出了本发明带寄生环的阵列天线在20.4GHz时在E平面上的辐射模式，Radiation Pattern指辐射模式，Sim co-pol指仿真主极化线，Mea co-pol指实际测量主极化线，Sim x-pol指仿真交叉极化线，Mea x-pol指实际测量交叉极化线。
图10(d)示出了本发明带寄生环的阵列天线在20.4GHz时在H平面上的辐射模式，Radiation Pattern指辐射模式，Sim co-pol指仿真主极化线，Mea co-pol指实际测量主极化线，Sim x-pol指仿真交叉极化线，Mea x-pol指实际测量交叉极化线，可以看出，仿真结果与测量结果趋势是一致的。
实施例3
本实施例提供一种K波段阵列天线的制备方法，具体包括：
步骤S1：采用选择性激光熔化3D打印技术,利用金属粉末一体成型，得到2×2准锥体喇叭阵列，其中准锥体喇叭阵列的侧面预留有间隙。
选择性激光熔化3D打印技术是利用金属粉末在激光束的热作用下完全熔化、经冷却凝固而成型的一种技术。在高激光能量密度作用下，金属粉末完全熔化，经散热冷却后可实现与固体金属冶金焊合成型。选择性激光熔化3D打印技术正是通过此过程层层累积成型出三维实体的快速成型技术。
步骤S2：采用湿蚀刻法在第一基板S1的顶层和底层制造2×2偶极子阵列、微带短截线以及1分4的馈电网络。
步骤S3：对第一基板S1进行裁剪。
步骤S4：将包括偶极子阵列、微带短截线以及1分4的馈电网络的第一基板S1插入准锥体喇叭阵列侧面预留的间隙中，组装获得K波段阵列天线。
本实施例的第一基板的厚度为0.508mm，为第一基板预留的间隙高度为1.1mm，第一基板插入间隙后，第一基板与间隙的上下壁之间的距离分别为0.4mm和0.2mm。
本实施例提供的一种K波段阵列天线的制备方法，还包括在第二基板S2的一侧采用湿蚀刻法制造寄生环，并将带有寄生环的第二基板S2组装在偶极子阵列的正上方，进而获得带寄生环的K波段天线，其中第二基板带有寄生环的一侧面向偶极子阵列。
需要说明的是在实际制备过程中，步骤S1、步骤S2和步骤S3顺序不受限制，可按实际情况进行。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法所固有的要素。
以上对本发明所提供的一种K波段天线、一种K波段阵列天线以及制备方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种K波段天线，其特征在于，所述K波段天线包括：天线单元、微带短截线以及馈电网络；
所述天线单元包括：
准锥体喇叭；
偶极子，所述偶极子对称地设置在第一基板的上层和底层；
所述微带短截线对称地设置在所述第一基板的上层和底层，所述微带短截线与对应的所述偶极子连接；
所述馈电网络对称地设置在所述第一基板的上层和底层，所述馈电网络与对应的所述微带短截线相连，所述馈电网络用于输入信号，激励所述准锥体喇叭；
其中，所述偶极子处于准锥体喇叭之中，通过所述偶极子作为馈源激励所述准锥体喇叭，进而实现带宽拓宽。
2.根据权利要求1所述的K波段天线，其特征在于，所述准锥体喇叭采用选择性激光熔化3D打印技术，利用金属粉末一体成型。
3.根据权利要求1所述的K波段天线，其特征在于，所述天线单元包括寄生环，所述寄生环设置于所述偶极子的正上方，其中，通过所述偶极子与所述寄生环间的耦合作用，进一步实现带宽拓宽。
4.一种K波段阵列天线，其特征在于，所述K波段阵列天线包括：2×2天线单元阵列、微带短截线以及1分4的馈电网络；
所述2×2天线单元阵列是通过将权利要求1-3任一所述的天线单元进行2×2阵列获得；
所述微带短截线对称地设置在所述第一基板的上层和底层，所述微带短截线与对应的所述偶极子连接；
所述1分4的馈电网络对称地设置在所述第一基板的上层和底层，所述馈电网络与对应的所述微带短截线相连，所述1分4的馈电网络为1个输入，分为4个信号，进而激励4个所述准锥体喇叭。
5.一种K波段阵列天线的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
采用选择性激光熔化3D打印技术,利用金属粉末一体成型，得到2×2准锥体喇叭阵列，其中所述准锥体喇叭阵列的侧面预留有间隙；
采用湿蚀刻法在第一基板的顶层和底层制造2×2偶极子阵列、微带短截线以及1分4的馈电网络；
对所述第一基板进行裁剪；
将所述包括偶极子阵列、微带短截线以及1分4的馈电网络的第一基板插入所述准锥体喇叭阵列侧面预留的间隙中，组装获得权利要求4所述的K波段阵列天线。
6.根据权利要求5所述的K波段阵列天线的制备方法，其特征在于，所述方法包括：在第二基板的一侧采用湿蚀刻法制造寄生环，并将带有寄生环的第二基板组装在所述偶极子阵列的正上方，进而获得带寄生环的K波段天线，其中第二基板带有寄生环的一侧面向所述偶极子阵列。
7.根据权利要求5所述的K波段天线的制备方法，其特征在于，所述第一基板的厚度为0.508mm，为所述第一基板预留的间隙高度为1.1mm，所述第一基板插入所述间隙后，所述第一基板与所述间隙的上下壁之间的距离分别为0.4mm和0.2mm。
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