CN116613531A - 一种微3d打印紧凑型毫米波天线及阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微3D打印紧凑型毫米波天线及阵列，采用三维金属微加工工艺进行加工，包括矩形金属背腔、天线单元结构；天线单元结构包括矩形金属贴片、矩形金属传输线、梯形贴片；矩形金属贴片第一宽边的中间开设矩形切口，矩形切口的中轴线处连接矩形金属传输线的一端，矩形金属传输线的另一端连接梯形贴片；矩形金属贴片第二宽边两侧分别开设矩形缝隙，天线单元结构的梯形贴片与矩形金属背腔上的金属外导体端口连接。本发明克服了传统PCB工艺天线损耗较大、PCB基板能够承受功率有限的缺陷，能够有效降低天线横向电尺寸，且本发明天线具有低剖面的特性，大幅度降低了天线的纵向尺寸。
Description
技术领域
本发明属于航天器微波天线技术领域，涉及一种微3D打印紧凑型毫米波天线及阵列。
背景技术
随着导弹武器系统对固体火箭发动机综合性能的要求越来越高，如高能推进剂、低特征信号推进剂等受到国内外广泛关注，因此对绝热层的耐烧蚀性能和耐冲刷性能都有了更高的要求。
目前为了进一步提高绝热层的热防护功能，往往采用复合夹层设计，如在乙丙橡胶中间复合碳纤维、芳纶织物等来提高其耐烧蚀性能。
现有技术中，橡胶与纤维织物之间的粘结性能差，导致橡胶与纤维织物之间容易剥落，从而影响绝热层的热防护功能。随着无线通信工程的发展，毫米波频段正得到人们越来越多的关注和兴趣。毫米波坐落在微波和红外频谱之间，相对于微波频段，毫米波工作频率更高，工作波长更短，相对应的通信系统的尺寸会有非常明显的缩小，在具体的通信系统中，给定孔径的尺寸，系统的工作波长越小，增益越高，波束宽度越窄。较窄的波束宽度拥有多个优点，首先，窄波束可以有效减小地面杂波对雷达系统的干扰，便于雷达进行小角度探测任务。其次，窄波束也可以有效减小多径效应带来的影响。此外，因为毫米波频段有更广阔的带宽，通过增加工作带宽，毫米波频段内的通信系统可以实现更高的传输速率和更佳的距离分辨率。
3-D打印作为增材制造技术的一种，它能够在计算机程序控制下，通过分层累叠的方式加工出十分复杂的三维立体结构。与传统加工技术相比，3-D打印技术拥有更低的加工成本，更短的制造周期，且能够拓展器件结构设计上的灵活度，因此近年来在生物，机械，电磁等众多领域中十分流行，并被广泛应用于毫米波频段的电磁器件。
传统的微波器件的加工主要分为印制电路板(Printedcircuit board,PCB)，计算机数控(Computer Numerical Control,CNC)工艺。虽然可以将现有的一些加工技术直接移植到毫米波频段，但是仍然会存在各种工艺不适配的情况，导致可以加工的器件类型、性能受限，或者加工成本、加工时间出现大幅增长，影响实际的批量制造和普及应用。因此，寻找到一种合适的专门应用于毫米波/THz器件加工的工艺，使得器件加工的成本和时间可控，具有规模化和商业普及的可能性，同时器件的设计拥有更高的灵活性或复杂度，是毫米波领域的重要问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种微3D打印紧凑型毫米波天线及阵列，利用全金属3D打印工艺，克服了传统PCB工艺天线损耗较大，且PCB基板能够承受的功率有限的缺陷；在毫米波天线设计中，能够有效降低天线横向电尺寸，为后续线型排列的无源相控阵天线的栅瓣抑制提供技术支持，与此同时，该毫米波天线具有低剖面的特性，大幅度降低了天线的纵向尺寸。
本发明解决技术的方案是：一种微3D打印紧凑型毫米波天线，包括矩形金属背腔、天线单元结构，天线单元结构置于矩形金属背腔的上表面；
天线单元结构包括矩形金属贴片、矩形金属传输线、梯形贴片；
矩形金属背腔的腔壁上设有金属外导体端口，金属外导体端口内加载一个矩形同轴内导体，天线单元结构的梯形贴片与矩形同轴内导体连接；
定义金属外导体端口的中轴线为Y方向，X方向在同一水平面内垂直Y方向，定义全部矩形结构中沿Y方向的边为长边，沿X方向的边为宽边，矩形金属贴片第一宽边的中间沿Y方向开设矩形切口，矩形切口的中轴线处连接矩形金属传输线的一端，矩形金属传输线的另一端连接梯形贴片；矩形金属贴片第二宽边两侧沿Y方向分别开设尺寸相同的第一矩形缝隙、第二矩形缝隙。
进一步的，金属外导体端口与矩形同轴内导体的尺寸根据微同轴线50Ω阻抗匹配的指标确定。
进一步的，矩形同轴内导体上设有金属探针，金属探针用于将梯形贴片与矩形同轴内导体连接在一起，进而给天线单元结构馈电；金属探针的高度为矩形同轴内导体上表面与梯形贴片下表面之间的距离。
进一步的，矩形金属贴片下表面设有第一金属支撑柱、第二金属支撑柱、第三金属支撑柱；
三个金属支撑柱用于连接矩形金属背腔的上表面与矩形金属贴片的下表面，其中，第一金属支撑柱位于矩形金属贴片宽边的对称轴上，第二金属支撑柱、第三金属支撑柱关于矩形金属贴片宽边的对称轴对称。
进一步的，所述毫米波天线采用三维金属微加工工艺的UV-LIGA光刻工艺进行加工。
进一步的，矩形同轴内导体由周向均布的介质支撑条撑起，介质支撑条两端嵌入金属外导体内；
矩形金属背腔沿X方向和Y方向均布释放孔，用来移除三维金属微加工过程中多余的光刻胶。
进一步的，矩形金属贴片的宽边W1，长边L1的取值范围是：
W1＜0.5λ，L1＜0.5λ；其中，λ为天线中心频率对应波长。
进一步的，矩形切口的宽边W2与长边L2的尺寸根据回波损耗S11＜-10dB的原则进行三维电磁仿真确定。
进一步的，梯形贴片的上底与矩形金属传输线连接。
进一步的，提供一种微3D打印紧凑型毫米波阵列，其特征在于，包括矩形金属背腔、N个天线单元结构，N＞1；
矩形金属背腔的腔壁上沿X方向等间隔设有N个金属外导体端口，每个金属外导体端口内加载矩形同轴内导体，一个矩形同轴内导体连接一个天线单元结构，相邻金属外导体端口之间的间距m3的选取原则为：其中，W1为矩形金属贴片的宽边，λ为天线中心频率对应波长。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明由于采用非对称双缝隙贴片，可使阵列天线覆盖较宽的频谱范围，使得通信系统具备更高的通信容量。
(2)本发明通过采用梯形过渡微带线，实现天线在低剖面的前提下具备较好的阻抗匹配特性，更低的剖面使得天线结构更加紧凑，能够使天线更好的与射频前端集成，
(3)本发明提出的毫米波阵列具备固定波束扫描的辐射特性，因此该天线阵列十分适合空间应用场合，为后续更大规模阵列排布奠定了理论、技术和工艺实现的基础，具有极大的应用前景与广阔市场。
附图说明
图1(a)为微3D打印紧凑型毫米波天线单元结构俯视图；
图1(b)为微3D打印紧凑型毫米波天线单元结构仰视图；
图2为微3D打印紧凑型毫米波天线阵列结构侧视图；
图3为微3D打印紧凑型毫米波天线单元端口细节图；
图4为微3D打印紧凑型毫米波天线单元回波损耗图(S11)；
图5为微3D打印紧凑型毫米波天线单元辐射方向图；
图6为微3D打印紧凑型毫米波天线阵列回波损耗(S11)；
图7为微3D打印紧凑型毫米波天线阵列波束扫描辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步阐述。
本发明所述的毫米波天线及阵列采用三维金属微加工工艺进行加工，优先采用三维金属微加工工艺的UV-LIGA光刻工艺进行加工。
如图1(a)、图2所示，毫米波天线包括矩形金属背腔7、天线单元结构；如图1(a)所示，天线单元结构包括矩形金属贴片1、矩形金属传输线5、梯形贴片6。
如图3所示，矩形金属背腔7的腔壁上设有金属外导体端口11，金属外导体端口11内加载一个矩形同轴内导体12，天线单元结构的梯形贴片6与矩形同轴内导体12连接。
定义金属外导体端口11的中轴线为Y方向，X方向在同一水平面内垂直Y方向，定义全部矩形结构(矩形金属贴片1、矩形金属传输线5、矩形切口2、第一矩形缝隙3、第二矩形缝隙4、矩形金属背腔7)中沿Y方向的边为长边，沿X方向的边为宽边，矩形金属贴片1第一宽边的中间沿Y方向开设矩形切口2，矩形切口2的中轴线处连接矩形金属传输线5的一端，矩形金属传输线5的另一端连接梯形贴片6；矩形金属贴片1第二宽边两侧沿Y方向分别开设第一矩形缝隙3、第二矩形缝隙4。
本实施例中，矩形金属贴片1的宽边W1，长边L1的取值范围具体如下：
W1＜0.5λ，L1＜0.5λ；其中，λ为天线中心频率对应波长。
本实施例中，矩形金属贴片1宽边W1为：1.8mm；长边L1为：1.85mm。
矩形切口2的宽边W2，长边L2的尺寸根据回波损耗S11＜-10dB的原则进行三维电磁仿真确定。本实施例中，W2取0.6mm；L2取0.5mm。
本实施例中，矩形金属传输线5的宽m2取0.19mm，长L4取3.3mm。
梯形贴片6的上底与矩形金属传输线5的宽边连接，梯形贴片6的上底与矩形金属传输线5的宽边均为m2。本实施例中，梯形贴片6的下底W3取0.79mm，梯形贴片6的高L3取1.5mm。
第一矩形缝隙3、第二矩形缝隙4的尺寸相同，矩形缝隙的长边均为k1，宽边均为m1；k1与m1根据回波损耗S11＜-10dB的原则进行三维电磁仿真确定。本实施例中，k1取0.6mm，m1取0.1mm。
第一矩形缝隙3、第二矩形缝隙4的具体开设位置根据回波损耗S11＜-10dB的原则进行三维电磁仿真确定。
如图1(b)所示，矩形金属贴片1下表面设有第一金属支撑柱8、第二金属支撑柱9、第三金属支撑柱10；三个金属支撑柱用于连接矩形金属背腔7的上表面与矩形金属贴片1的下表面，三个金属支撑柱8、9、10的半径均为R0，三个金属支撑柱的位置会影响天线阻抗匹配。其中，第一金属支撑柱8位于矩形金属贴片1宽边的对称轴上，第二金属支撑柱9、第三金属支撑柱10关于矩形金属贴片1宽边的对称轴对称。
金属外导体端口11与加载的矩形同轴内导体12的尺寸由微同轴线50Ω阻抗匹配的指标确定。
矩形同轴内导体12的末端设有半径为Rp的金属探针13，金属探针13用于将梯形贴片6与矩形同轴内导体12连接在一起，进而给天线单元结构馈电。金属探针13的高度为矩形同轴内导体12上表面与梯形贴片6下表面之间的距离。
所述毫米波天线在加工时，矩形同轴内导体12由周向均布的介质支撑条撑起，介质支撑条两端嵌入金属外导体11内；介质支撑条用于将矩形同轴内导体12固定在金属外导体端口11的内壁。
矩形金属背腔7沿X方向和Y方向等间距均匀开设有释放孔，用来移除三维金属微加工过程中不需要的光刻胶。
基于本发明所述的天线单元结构，一种微3D打印紧凑型毫米波阵列包括矩形金属背腔7、N个天线单元结构；矩形金属背腔7的腔壁上沿X方向等间距设有N个金属外导体端口11，每个金属外导体端口11内加载矩形同轴内导体12，一个矩形同轴内导体12连接一个天线单元结构。其中，相邻金属外导体端口11之间的间距m3的选取原则为：其中，W1为矩形金属贴片1的宽边，λ为天线中心频率对应波长。
如图2所示，矩形金属背腔7的长宽高分别记为Lg、Wg与Hg，其中高度Hg由微3D打印工艺确定，本实例采用五层微3D打印工艺，即Hg总高度为500微米(该工艺单层高度为100微米)。
本发明毫米波天线的辐射主模式由矩形金属贴片1的长边L1、宽边W1确定，电性能指标为工作频率处回波损耗S11≤-10dB，天线单元与阵列的主模式方向图分别如图5、图7所示。
本发明通过在矩形金属贴片1沿中轴线方向挖去一个矩形切口2，形成一个“凹”形金属贴片，通过调整矩形切口2的长边L2、宽边W2来获得更好的阻抗匹配。天线单元与阵列的回波损耗S11曲线分别如图4、图6所示。
本发明所述的天线及阵列能够获得较宽带宽，天线相对阻抗带宽为12％，天线单元增益大于8dBi，天线阵列增益大于14dBi，阵列天线可在0°、±15°、±28°、±42°进行波束扫描。天线具有低剖面的结构特性，其纵向尺寸仅为0.113λ(λ为天线中心频率对应波长)，因此该天线具备与射频前端易集成的优势。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种微3D打印紧凑型毫米波天线，其特征在于，包括矩形金属背腔(7)、天线单元结构，天线单元结构置于矩形金属背腔(7)的上表面；
天线单元结构包括矩形金属贴片(1)、矩形金属传输线(5)、梯形贴片(6)；
矩形金属背腔(7)的腔壁上设有金属外导体端口(11)，金属外导体端口(11)内加载一个矩形同轴内导体(12)，天线单元结构的梯形贴片(6)与矩形同轴内导体(12)连接；
定义金属外导体端口(11)的中轴线为Y方向，X方向在同一水平面内垂直Y方向，定义全部矩形结构中沿Y方向的边为长边，沿X方向的边为宽边，矩形金属贴片(1)第一宽边的中间沿Y方向开设矩形切口(2)，矩形切口(2)的中轴线处连接矩形金属传输线(5)的一端，矩形金属传输线(5)的另一端连接梯形贴片(6)；矩形金属贴片(1)第二宽边两侧沿Y方向分别开设尺寸相同的第一矩形缝隙(3)、第二矩形缝隙(4)。
2.根据权利要求1所述的一种微3D打印紧凑型毫米波天线，其特征在于，金属外导体端口(11)与矩形同轴内导体(12)的尺寸根据微同轴线50Ω阻抗匹配的指标确定。
3.根据权利要求1所述的一种微3D打印紧凑型毫米波天线，其特征在于，矩形同轴内导体(12)上设有金属探针(13)，金属探针(13)用于将梯形贴片(6)与矩形同轴内导体(12)连接在一起，进而给天线单元结构馈电；金属探针(13)的高度为矩形同轴内导体(12)上表面与梯形贴片(6)下表面之间的距离。
4.根据权利要求1所述的一种微3D打印紧凑型毫米波天线，其特征在于，矩形金属贴片(1)下表面设有第一金属支撑柱(8)、第二金属支撑柱(9)、第三金属支撑柱(10)；
三个金属支撑柱用于连接矩形金属背腔(7)的上表面与矩形金属贴片(1)的下表面，其中，第一金属支撑柱(8)位于矩形金属贴片(1)宽边的对称轴上，第二金属支撑柱(9)、第三金属支撑柱(10)关于矩形金属贴片(1)宽边的对称轴对称。
5.根据权利要求1所述的一种微3D打印紧凑型毫米波天线，其特征在于，所述毫米波天线采用三维金属微加工工艺的UV-LIGA光刻工艺进行加工。
6.根据权利要求5所述的一种微3D打印紧凑型毫米波天线，其特征在于，矩形同轴内导体(12)由周向均布的介质支撑条撑起，介质支撑条两端嵌入金属外导体(11)内；
矩形金属背腔(7)沿X方向和Y方向均布释放孔，用来移除三维金属微加工过程中多余的光刻胶。
7.根据权利要求1所述的一种微3D打印紧凑型毫米波天线，其特征在于，矩形金属贴片(1)的宽边W1，长边L1的取值范围是：
W1＜0.5λ，L1＜0.5λ；其中，λ为天线中心频率对应波长。
8.根据权利要求1所述的一种微3D打印紧凑型毫米波天线，其特征在于，矩形切口(2)的宽边W2与长边L2的尺寸根据回波损耗S11＜-10dB的原则进行三维电磁仿真确定。
9.根据权利要求1所述的一种微3D打印紧凑型毫米波天线，其特征在于，梯形贴片(6)的上底与矩形金属传输线(5)连接。
10.基于权利要求3所述天线的一种微3D打印紧凑型毫米波阵列，其特征在于，包括矩形金属背腔(7)、N个天线单元结构，N＞1；
矩形金属背腔(7)的腔壁上沿X方向等间隔设有N个金属外导体端口(11)，每个金属外导体端口(11)内加载矩形同轴内导体(12)，一个矩形同轴内导体(12)连接一个天线单元结构，相邻金属外导体端口(11)之间的间距m3的选取原则为：其中，W1为矩形金属贴片(1)的宽边，λ为天线中心频率对应波长。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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