一種雙極化集成平面透鏡天線的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種雙極化集成平面透鏡天線，屬于通信技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 天線作為通信系統(tǒng)中的重要組成部分，對于整個系統(tǒng)的性能有較大的影響。毫米 波天線受制于較小的物理尺寸和較高的金屬損耗，在設(shè)計時和射頻天線有所區(qū)別。目前， 國內(nèi)外對于毫米波天線的研宄多集中在用于衛(wèi)星天線的Ka-波段，西方用于毫米波通信的 57-66GHZ頻段，以及用于成像的E-波段，而對Q-頻段天線的研宄寥寥無幾，關(guān)于Q-頻段的 廣品基本處于空白狀態(tài)。
[0003] 在毫米波頻段，基片的介質(zhì)損耗和金屬層引起的金屬損耗變得相當(dāng)可觀。射頻頻 段通過增加陣元數(shù)提高增益的方法在總增益接近30dBi時遇到了瓶頸，陣元數(shù)增加提高的 陣因子幾乎與饋電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的損耗相抵消。因此，大量研宄開始轉(zhuǎn)向口徑天線。口徑天線 的饋電在空氣中完成，有效降低了損耗，以拋物面天線和卡塞格倫天線為代表的大口徑天 線在雷達(dá)、射電天文等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。然而，此類天線仍然具有較高的剖面，金屬層較厚， 質(zhì)量較重，不利于安裝和集成。
[0004] 基于上述，平面電磁透鏡開始得以普及。通過透鏡表面對來自饋源的電磁波進(jìn)行 調(diào)相，從而在發(fā)射模式下，將球面波轉(zhuǎn)化成平面波，在接收模式下將平面波轉(zhuǎn)化成球面波。 其產(chǎn)生相移的方法可分為兩類：通過金屬單元調(diào)相和通過介質(zhì)單元打孔調(diào)相，此二者的工 作原理較為相近。金屬單元法通過在介質(zhì)表面的金屬單元產(chǎn)生諧振，通過控制工作頻率與 諧振頻率的間距產(chǎn)生相移；介質(zhì)打孔法通過在介質(zhì)上打孔改變介質(zhì)的等效介電常數(shù)，從而 產(chǎn)生相移。
[0005] 一方面，但是受物理尺寸的限制，金屬單元的相移能力相對有限，很難通過單層 PCB實現(xiàn)足夠的相移，常見的解決方案包括將數(shù)層印刷了諧振單元的單層PCB垂直放置或 直接使用多層PCB工藝滿足相移要求。介質(zhì)打孔可通過單層結(jié)構(gòu)實現(xiàn)足夠的相移，由于其 實現(xiàn)相移方法的不同，其單元尺寸較小，可以保證較大的斜入射角，但受限于電長度，其單 元往往較厚。而介質(zhì)打孔單元由于孔徑的離散性，其相移樣本的離散高較高，會提高量化誤 差，需要在設(shè)計時予以解決。
[0006] 另一方面，出于對于成本的節(jié)約，工業(yè)化對高增益天線同時提出了雙極化的要求， 通過實現(xiàn)天線的雙極化，可以保證一副天線起到原先兩幅天線的作用，這無疑可以大大降 低成本。但是，平面結(jié)構(gòu)的天線往往無法產(chǎn)生等同于立體結(jié)構(gòu)天線的隔離度和極化鑒別度， 這對于天線的設(shè)計也具有較大的挑戰(zhàn)。
[0007] 此外，出于工業(yè)化的需求，毫米波透鏡天線的集成也是研宄的分支，通過饋源和透 鏡的一體化集成可以保證透鏡和周圍電路的無縫連接，在工業(yè)化生產(chǎn)上有較大的前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 發(fā)明目的：針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題與不足，本發(fā)明提供一種采用PCB工藝，在 介質(zhì)基片實現(xiàn)的工作Q-頻段的雙極化集成平面透鏡天線。
[0009] 技術(shù)方案：一種雙極化集成平面透鏡天線，該天線為分層結(jié)構(gòu)，從上到下依次設(shè)有 平面透鏡、次級饋源、雙極化初級饋源和用于支撐的金屬天線支架。平面透鏡、次級饋源和 雙極化初級饋源均固定在金屬支架上。
[0010] 進(jìn)一步的，平面透鏡、次級饋源和雙極化初級饋源均由介質(zhì)基片制成，其中次級饋 源和雙極化初級饋源的介質(zhì)基片上下表面上設(shè)有金屬面，上表面的金屬面稱為正面，下表 面的金屬面稱為反面。
[0011] 進(jìn)一步的，平面透鏡為正方形，平面透鏡上設(shè)置了若干個非金屬化孔，非金屬化孔 的排列通過相位補償分布和單元相位補償能力所決定。
[0012] 進(jìn)一步的，次級饋源包括印刷在正面中部的四個正方形貼片和反面中部的四個正 方形貼片，兩組貼片的相對位置完全一致。通過正反面四組正方形貼片，調(diào)節(jié)出射增益，進(jìn) 而保證透鏡的效率最高。
[0013] 進(jìn)一步的，雙極化初級饋源包括內(nèi)側(cè)基片集成波導(dǎo)背腔環(huán)天線，位于內(nèi)側(cè)基片集 成波導(dǎo)背腔環(huán)天線外側(cè)外圍的基片集成波導(dǎo)。其中內(nèi)側(cè)基片集成波導(dǎo)背腔環(huán)天線的正面中 部位置設(shè)置有輻射環(huán)，外側(cè)基片集成波導(dǎo)的反面設(shè)置有微帶線。
[0014] 進(jìn)一步的，雙極化初級饋源所在基片上設(shè)置了若干金屬化孔。該組金屬化孔包含 構(gòu)成腔體的金屬化孔，作為感性匹配的金屬化孔，構(gòu)成基片集成波導(dǎo)的金屬化孔，以及實現(xiàn) 端口隔離并且破壞背腔諧振模式的通孔。
[0015] 進(jìn)一步的，平面透鏡和次級饋源的間隙，以及次級饋源和雙極化初級饋源的間隙 均設(shè)有空氣層。其中，平面透鏡和次級饋源的間隙取決于生產(chǎn)的需求，當(dāng)此間隙越大時，增 益越高。
[0016] 進(jìn)一步的，平面透鏡固定在金屬支架底板的正面凹槽內(nèi)，雙極化初級饋源固定在 底板的反面。其中，底板厚度為3mm，正面凹槽的深度為0. 25mm。
[0017] 進(jìn)一步的，天線支架外側(cè)包裹了厚度為2毫米的聚四氟乙烯加工而成的天線罩， 該天線罩的相對介電常數(shù)為2. 55。
[0018] 有益效果：本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點：
[0019] 1、天線的增益較高，通過平面透鏡的結(jié)構(gòu)，可以保證31dBi的實測增益。
[0020] 2、天線可以實現(xiàn)雙極化，在實際應(yīng)用中，大大節(jié)省了成本。
[0021] 3、天線的所有部件均固定在金屬支架上，結(jié)構(gòu)牢固，可以通過進(jìn)一步處理，實現(xiàn)防 水。
[0022] 4、天線的平面結(jié)構(gòu)保證天線可以和電路無縫連接。
[0023] 5、整個天線各部分全部利用印刷電路板工藝生產(chǎn)，成本低、精度高、重復(fù)性好，適 合大批量生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0024] 圖1為雙極化集成平面透鏡天線實施例的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025] 圖2為平面透鏡實施例的示意圖；
[0026] 圖3為雙極化集成平面透鏡天線實施例的次級饋源的平面示意圖；
[0027] 圖4為雙極化集成平面透鏡天線實施例的雙極化初級饋源的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028] 圖5為雙極化集成平面透鏡天線實施例的雙極化初級饋源中背腔環(huán)天線的示意 圖；
[0029] 圖6為實施例天線的輸入端反射系數(shù)和端口隔離度測試的結(jié)果圖；
[0030] 圖7為實施例天線的方向圖測試的結(jié)果圖；
[0031] 圖8為實施例天線的頻率-增益曲線。
【具體實施方式】
[0032] 下面結(jié)合具體實施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價 形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0033] 如圖1-5所示，雙極化集成平面透鏡天線為分層結(jié)構(gòu)，從上到下依次設(shè)有平面透 鏡1、次級饋源2、雙極化初級饋源3和用于支撐的金屬天線支架4。
[0034] 平面透鏡1為正方形，邊長為L1，厚度為H1，平面透鏡上設(shè)置了若干非金屬化孔 11，非金屬化孔的排列通過相位補償分布和單元相位補償能力所決定。
【主權(quán)項】
1. 一種雙極化集成平面透鏡天線，其特征在于：該天線為分層結(jié)構(gòu)，從上到下依次設(shè) 有平面透鏡（1)、次級饋源（2)、雙極化初級饋源（3)和用于支撐的金屬天線支架（4);平面 透鏡（1)、次級饋源（2)和雙極化初級饋源（3)均固定在金屬支架上； 所述平面透鏡（1)、次級饋源（2)和雙極化初級饋源（3)均由介質(zhì)基片制成，其中次級 饋源（2)和雙極化初級饋源（3)的介質(zhì)基片上下表面上設(shè)有金屬面，上表面的金屬面稱為 正面，下表面的金屬面稱為反面， 所述平面透鏡（1)為正方形，平面透鏡（1)上設(shè)置了若干個非金屬化孔（11)，非金屬化 孔（11)的排列通過相位補償分布和單元相位補償能力所決定。
2. 如權(quán)利要求1所述的雙極化集成平面透鏡天線，其特征在于：次級饋源（2)包括印 刷在正面中部的四個正方形貼片和反面中部的四個正方形貼片，兩組貼片的相對位置完全 一致；通過調(diào)整正方形貼片的尺寸及同面相鄰兩個貼片的間距，調(diào)節(jié)出射增益。
3. 如權(quán)利要求1所述的雙極化集成平面透鏡天線，其特征在于：所述雙極化初級饋源 (3)包括內(nèi)側(cè)基片集成波導(dǎo)背腔環(huán)天線（31)和外側(cè)外圍基片集成波導(dǎo)（32);其中內(nèi)側(cè)基片 集成波導(dǎo)背腔環(huán)天線（31)的正面中部位置設(shè)置有輻射環(huán)（311)，外側(cè)基片集成波導(dǎo)（32)的 反面設(shè)置有微帶線（321)。
4. 如權(quán)利要求1所述的雙極化集成平面透鏡天線，其特征在于：所述雙極化初級饋源 (3)所在基片上設(shè)置了若干金屬化孔；該組金屬化孔包含構(gòu)成腔體的金屬化孔（331)，作為 感性匹配的金屬化孔（332)，構(gòu)成基片集成波導(dǎo)的金屬化孔（333)，以及實現(xiàn)端口隔離并且 破壞背腔諧振模式的通孔（334)。
5. 如權(quán)利要求1所述的雙極化集成平面透鏡天線，其特征在于：所述平面透鏡（1)和 次級饋源（2)之間設(shè)有間隙，次級饋源（2)和雙極化初級饋源（3)之間設(shè)有間隙；平面透鏡 (1)和次級饋源⑵之間的間隙，以及次級饋源⑵和雙極化初級饋源⑶的間隙均設(shè)有空 氣層。
6. 如權(quán)利要求1所述的雙極化集成平面透鏡天線，其特征在于：所述平面透鏡（1)固 定在金屬支架（4)底板的正面凹槽內(nèi)，次級饋源（2)和雙極化初級饋源（3)分別固定在底 板的正面和反面；其中，底板厚度為3mm，正面凹槽的深度為0. 25mm。
7. 如權(quán)利要求1所述的雙極化集成平面透鏡天線，其特征在于：所述天線支架（4)外 側(cè)包裹了厚度為2毫米的聚四氟乙烯加工而成的天線罩（7)，該天線罩（7)的相對介電常數(shù) 為 2. 55。
【專利摘要】本實用新型公開了一種雙極化集成平面透鏡天線，該天線為分層結(jié)構(gòu)，從上到下依次設(shè)有平面透鏡、次級饋源和雙極化初級饋源，外附有金屬天線支架；本實用新型基于平面基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，采用基片集成波導(dǎo)背腔環(huán)天線作為雙極化饋源，對次級饋源進(jìn)行饋電，次級饋源和初級饋源共同形成一等效饋源對平面透鏡進(jìn)行饋電，從而在透鏡上得到相位補償，由球面波轉(zhuǎn)換成平面波，從而實現(xiàn)高增益、高效率、穩(wěn)定的波束指向的天線。本實用新型在Q-LINKPAN應(yīng)用背景下，針對平面集成和小型化的長距離無線通信系統(tǒng)的發(fā)展需求，實現(xiàn)了高增益、雙極化、低剖面，易于和毫米波電路集成的天線。該天線具有設(shè)計簡單，結(jié)構(gòu)牢固，體積緊湊，可以和平面電路集成的特點。
【IPC分類】H01Q7-00, H01Q19-06, H01Q1-38, H01Q1-12
【公開號】CN204596983
【申請?zhí)枴緾N201520171562
【發(fā)明人】洪偉, 虞舜華, 張彥, 蒯振起, 江梅, 姚雄生, 王銀行, 張軍, 江華
【申請人】江蘇中興微通信息科技有限公司, 東南大學(xué)
【公開日】2015年8月26日
【申請日】2015年3月25日