CN112838379B - 一种基于3d打印技术的磁电偶极子天线阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种基于3D打印技术的磁电偶极子天线阵列，包括阵列主体、第一矩形反射板、第二矩形反射板和同轴接头，阵列主体包括多个天线单元和功率分配网络；第一矩形反射板和第二矩形反射板分别相对固定在阵列主体的两侧；功率分配网络由三级级联的H面波导功分器构成；阵列主体、第一矩形反射板和第二矩形反射板均通过3D打印介质材料实现；功率分配网络的各个表面、天线单元伸出功率分配网络的矩形底面以及第一矩形反射板的下表面和第二矩形反射板的下表面上均设置有金属层；本发明具有结构简单、易加工、快速成型、重量轻的优点。同时，工作性能优秀，具有宽带、增益稳定、方向图稳定、低后瓣、低交叉极化的优点。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种基于3D打印技术的磁电偶极子天线阵列。
背景技术
磁电偶极子天线是一种将磁偶极子和电偶极子相结合的天线设计，两种偶极子互为互补源，当二者正交放置时，在垂直于正交面的一个方向上两个偶极子辐射的电磁波同相位叠加，在反方向上电磁波反相位相消，所以磁电偶极子天线具有优秀的单向辐射特性，方向图后瓣很低。与此同时，目前已报道的磁电偶极子天线通常还具有宽带、高增益、性能稳定等一系列优点，此类天线已成为国内外研究的热点。
在微波频段，磁电偶极子天线通常采用开放式的结构实现，其基本结构为一对与地板相连且垂直放置的金属板作为磁偶极子，另有一对水平放置的金属板与垂直金属板相连作为电偶极子(K.M.Luk and H.WONG,A New Wideband Unidirectional AntennaElement,International Journal of Microwave and Optical Technology,vol.1,no.1,pp.35-44,Jun.2006)，常用的馈电方式包括L型探针馈电、Γ型探针馈电以及差分馈电等。在此基础之上，针对不同的应用场景，多种磁电偶极子天线设计也有相关报道，例如：L.Ge等在《A Low-Profile Magneto-Electric Dipole Antenna,IEEE Transactions onAntennas and Propagation,vol.60,no.4,pp.1684-1689,Apr.2012》中采用弯折垂直金属板的方法，提出了一款低剖面的磁电偶极子天线设计；M.Li等在《A Differential-FedMagneto-Electric DipoleAntenna for UWB Applications,IEEE Transactions onAntennas and Propagation,vol.61,no.1,pp.92-99,Jan.2013》中提出了一款差分馈电的具有超宽带特性的磁电偶极子天线设计；M.Li等在《A Differential-Fed Magneto-Electric DipoleAntenna for UWB Applications,IEEE Transactions on Antennas andPropagation,vol.61,no.1,pp.92-99,Jan.2013》中采用超材料加载的方法，实现了磁电偶极子天线的小型化；L.Ge等在《A Wideband Magneto-Electric Dipole Antenna,IEEETransactions on Antennas and Propagation,vol.60,no.11,pp.4987-4991,Nov.2012》中提出了一款基于领结型结构电偶极子的磁电偶极子天线设计。
但现有的磁电偶极子天线仍存在以下问题：
1、传统微波频段的磁电偶极子天线通常为具有一定剖面的立体结构，这些结构都较为复杂。加工时可能涉及多种工艺的混合，例如：钣金工艺、线切割工艺、CNC工艺等，此外，在加工时还需将完整的天线结构拆解为多个组成部分分别加工，最后再进行后期的拼装、焊接等，这些都将导致加工难度增大且耗时耗力。
2、由于需要后期处理，所以传统设计普遍存在误差敏感性问题。后期的拼装、焊接等通常由手工完成，可能导致零部件的错位以及变形，尤其是对于L型、Γ型探针这些对天线性能影响较大的零件，这一问题格外明显。
3、目前在微波频段，已报道的传统磁电偶极子天线绝大多数为单元设计，少有阵列设计提出。若采用传统结构组成天线阵列，则由于单元数量的增加会使得如上所述的一系列问题变得更加棘手。
4、由于传统设计多采用纯金属的结构，这将导致天线重量过重，不利于天线在整个系统中的集成。
发明内容
本发明提供一种基于3D打印技术的磁电偶极子天线阵列，用以解决现有技术中存在的结构复杂、加工难度大、后期加工中误差敏感性、由于金属结构的引入而导致的重量过重、难集成等问题。
本发明提供一种基于3D打印技术的磁电偶极子天线阵列，包括阵列主体、第一矩形反射板、第二矩形反射板和用于给天线阵列馈电的同轴接头，
阵列主体包括多个天线单元和功率分配网络；
第一矩形反射板和第二矩形反射板分别相对固定在阵列主体的两侧；
其中，阵列主体、第一矩形反射板和第二矩形反射板均通过3D打印介质材料制成，功率分配网络的各个表面、天线单元伸出功率分配网络的底面以及第一矩形反射板的下表面和第二矩形反射板的下表面上均设置有金属层。
进一步地，每个天线单元均为呈十字形的介质立方体，且沿x轴伸出功率分配网络的矩形底面均设置有金属层。
进一步地，多个天线单元沿y轴排布，每个天线单元之间的间距为0.46倍的自由空间波长。
进一步地，第一矩形反射板和第二矩形反射板的高度均为四分之一波长。
进一步地，第一矩形反射板、第二矩形反射板和同轴接头与阵列主体之间均为粘结固定。
进一步地，第一矩形反射板、第二矩形反射板和同轴接头与阵列主体之间均通过氰基丙烯酸乙酯胶实现粘结固定。
进一步地，功率分配网络为三级级联的功率分配电路，分别定义为第一级功率分配电路、第二级功率分配电路和第三级功率分配电路。
进一步地，第一级功率分配电路包括一个H面波导功分器，第二级功率分配电路包括二个H面波导功分器，第三级功率分配电路包括四个H面波导功分器。
与现有技术相比，本发明能够实现的有益效果至少如下：
与现有技术相比，本发明结合3D打印技术，提出了一款基于波导结构的磁电偶极子天线阵列设计，可以有效解决传统微波频段磁电偶极子天线结构复杂、加工难度大、在后期处理时天线性能对加工误差敏感、组阵困难、重量重的问题，具有结构简单、易加工、快速成型、重量轻的优点。此外，本发明工作性能优秀，具有宽带(相对带宽29.5％，8.57-11.53GHz)、增益稳定(带内12.75±0.65dB)、方向图稳定、低后瓣(方向图前后比大于27dB)、低交叉极化的优点。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于3D打印技术的磁电偶极子天线阵列的整体结构示意图。
图2是本发明实施例提供的一种基于3D打印技术的磁电偶极子天线阵列的侧视图。
图3是本发明实施例提供的一种基于3D打印技术的磁电偶极子天线阵列的俯视图。
图4是本实施例提供的一种基于3D打印技术的磁电偶极子天线阵列中天线单元上电镀表面的示意图。
图5是本实施例提供的一种基于3D打印技术的磁电偶极子天线阵列中阵列主体上电镀表面的示意图。
图6是本实施例提供的一种基于3D打印技术的磁电偶极子天线阵列中中第一矩形反射板和第二矩形反射板上电镀表面的示意图。
图7是本实施例提供的一种基于3D打印技术的磁电偶极子天线阵列的阻抗匹配特性示意图。
图8是本实施例提供的一种基于3D打印技术的磁电偶极子天线阵列在中心频率上E-面和H-面的方向图。
图9是本实施例提供的一种基于3D打印技术的磁电偶极子天线阵列的增益特性示意图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
本实施例提供的一种基于3D打印技术的磁电偶极子天线阵列。该阵列通过3D打印介质材料以及电镀金属铜的薄层实现，所使用介质材料的介电常数为2.9，损耗角正切为0.01，在其他实施例中，可根据实际情况灵活选择介质材料。由于介质材料的密度远远小于金属，因此相比传统纯金属制成的磁电偶极子天线，本发明在重量上具有明显优势。
如图1、图2、图3所示，天线阵列包括一体成型的阵列主体、第一矩形反射板2、第二矩形反射板3和同轴接头5。其中，阵列主体包括功率分配网络4和多个天线单元1，本实施例设置了8个天线单元，可以理解的是，在其他实施例中，天线单元可以根据需求设置成其他数量。多个天线单元1均位于功率分配网络4的顶部。第一矩形反射板2和第二矩形反射板3的物理尺寸完全相同，且分别相对固定在阵列主体的两侧且位于天线单元1的下方，整个天线阵列由同轴接头5进行馈电。
八个天线单元1均为十字形的介质立方体，且均关于x轴和y轴对称，物理尺寸完全相同，与功率分配网络4紧密连接。每个天线单元1中沿x轴伸出功率分配网络4的两个矩形底面上设置有金属层，如图4所示。此外，如图5所示，整个功率分配网络4的各个表面上均有电镀的金属层。第一矩形反射板2和第二矩形反射板3的下表面也需通过电镀覆盖金属层，如图6所示。
每个天线单元1的十字形立方体结构可看作是一个沿x轴放置的矩形块和一个沿y轴放置的矩形块的组合，其中，沿x轴放置的矩形块作用为方便实现电偶极子，通过在如上所述的两个矩形底面上电镀金属层即可，沿y轴放置的矩形块其截面大小与功率分配网络4的每个波导开口大小相同，其作用为实现天线单元的阻抗匹配，使电磁波可以平稳的从波导内过度至大气环境。
功率分配网络4为三级级联的功率分配电路，分别定义为第一级功率分配电路、第二级功率分配电路和第三级功率分配电路，每级均由数量不等的H面波导功分器实现，其中第一级功率分配电路包括一个H面波导功分器，第二级功率分配电路包括二个H面波导功分器，第三级功率分配电路包括四个H面波导功分器。第一级功率分配电路的波导功分器上在与同轴接头5相对处开设有呈圆锥形的凹槽，用于实现输入端口的阻抗匹配。
加工时，首先通过3D打印分别将阵列主体、第一矩形反射板2和第二矩形反射板3用介质材料打印出来，然后对无需电镀的表面进行掩膜处理以避免这些表面被金属层覆盖，接下来对需要电镀的表面进行电镀处理，最后移除掩膜并完成组装。在组装过程中，第一矩形反射板2和阵列主体之间、第二矩形反射板3和阵列主体之间、同轴接头5和阵列主体之间的连接均通过氰基丙烯酸乙酯胶的粘合实现。
工作原理上，每个天线单元同时激励一个磁偶极子和一个电偶极子，其中磁偶极子通过功率分配网络4的其中一个波导开口实现，电偶极子通过单元中电镀了金属层的两个矩形下表面实现，磁、电偶极子相互正交，所辐射的电磁波在+z轴方向上同相位叠加，同时在-z轴方向上反相位相消，由此实现低后瓣的单向辐射。电磁波由同轴接头5馈电激励后，经过功率分配网络4被等幅同相位分配至八个天线单元。由于波导结构内填充有介质材料，所以整个天线阵列的物理尺寸要小于空气填充的阵列设计，因此天线单元之间可以实现较小间距，从而达到方向图低旁瓣的要求。本实施例中单元间距为0.46倍的自由空间波长，两个矩形反射板2、3沿z轴的高度均为四分之一波长，它们可以有效避免馈电电路对天线阵列辐射性能的影响。
天线性能方面，图7所示为天线阵列的阻抗匹配特性，可以看出在8.57-11.53GHz的范围内|S11|皆小于-10dB，相对带宽为29.5％，说明该阵列具有较宽的工作带宽。图8所示为该阵列在中心频率上E-面和H-面的方向图，方向图前后比为27dB，旁瓣低于-13dB，说明该阵列具有良好的单向辐射特性，且旁瓣和交叉极化均很低。图9所示为该阵列的增益特性，在工作频带内最高增益为13.4dB，最低为12.1dB，因此阵列的平均增益为12.75dB，增益波动为±0.65dB，可见该天线阵列在工作频带内具有非常稳定的辐射特性。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或采用现有技术加以实现。
以上所述仅为本发明的优先实施例，而非对本发明作任何形式上的限制。本领域的技术人员可在上述实施例的基础上施以各种等同的更改和改进，凡在权利要求范围内所做的等同变化和修饰，均应落入本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于3D打印技术的磁电偶极子天线阵列，其特征在于：包括阵列主体、第一矩形反射板(2)、第二矩形反射板(3)和用于给天线阵列馈电的同轴接头(5)，
阵列主体包括多个天线单元(1)和功率分配网络(4)；
第一矩形反射板(2)和第二矩形反射板(3)分别相对固定在阵列主体的两侧；
其中，阵列主体、第一矩形反射板(2)和第二矩形反射板(3)均通过3D打印介质材料制成，功率分配网络(4)的各个表面、天线单元(1)伸出功率分配网络(4)的底面以及第一矩形反射板(2)的下表面和第二矩形反射板(3)的下表面上均设置有金属层；
每个天线单元(1)均为呈十字形的介质立方体，且沿x轴伸出功率分配网络(4)的矩形底面均设置有金属层；
每个天线单元(1)的十字形立方体结构可看作是一个沿x轴放置的矩形块和一个沿y轴放置的矩形块的组合，其中，沿x轴放置的矩形块作用为方便实现电偶极子，通过在如上所述的两个矩形底面上电镀金属层即可，沿y轴放置的矩形块其截面大小与功率分配网络(4)的每个波导开口大小相同；多个天线单元(1)均位于功率分配网络(4)的顶部；第一矩形反射板(2)和第二矩形反射板(3)的物理尺寸完全相同，且分别相对固定在阵列主体的两侧且位于天线单元1的下方。
2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的磁电偶极子天线阵列，其特征在于：多个天线单元(1)沿y轴排布，每个天线单元(1)之间的间距为0.46倍的自由空间波长。
3.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的磁电偶极子天线阵列，其特征在于：第一矩形反射板(2)和第二矩形反射板(3)的高度均为四分之一波长。
4.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的磁电偶极子天线阵列，其特征在于：第一矩形反射板(2)、第二矩形反射板(3)和同轴接头(5)与阵列主体之间均为粘结固定。
5.根据权利要求4所述的一种基于3D打印技术的磁电偶极子天线阵列，其特征在于：第一矩形反射板(2)、第二矩形反射板(3)和同轴接头(5)与阵列主体之间均通过氰基丙烯酸乙酯胶实现粘结固定。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种基于3D打印技术的磁电偶极子天线阵列，其特征在于：功率分配网络(4)为三级级联的功率分配电路，分别定义为第一级功率分配电路、第二级功率分配电路和第三级功率分配电路。
7.根据权利要求6所述的一种基于3D打印技术的磁电偶极子天线阵列，其特征在于：第一级功率分配电路包括一个H面波导功分器，第二级功率分配电路包括二个H面波导功分器，第三级功率分配电路包括四个H面波导功分器。
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