專利名稱：一種高定向雙波束掃描毫米波平板天線的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種高定向雙波束掃描毫米波天線，尤其是可實現(xiàn)毫米波的高定向的雙波束輻射的掃描天線。
背景技術：
毫米波是指波長介于1 IOmm之間的電磁波，被廣泛應用于目標探測，例如汽車防撞雷達，等等。毫米波用于目標探測，其主要優(yōu)點在于1)穩(wěn)定的探測性能。不受被測物體表面形狀、顏色等的影響。2、良好的環(huán)境適應性。毫米波雷達的穿透能力很強，其測距精度受雨、雪、霧及陽光的影響。為了分辨目標的方位和速度，必須要求探測天線具有高定向性，并且要求對角度進行掃描。目前用于毫米波雷達探測的天線主要有相共振天線和喇叭天線。相共振天線利用移相器控制每個輻射單元的相位達到指定角度的高定向輻射，其指向性高，輻射功率大，角度控制容易。但是要得到高的指向性，需要大量的移相器，且移相器價格相當昂貴，對于一般價格中低檔的汽車，基于相共振的防撞雷達可能要占到成本的一半，乃至更高。并且運行中需要制冷，體積龐大，安裝也相當不便，這些主要缺點嚴重限制了其在民用市場的應用。 喇叭天線的高定向輻射來自于大口徑的喇叭天線，而角度掃描是利用支撐喇叭天線的旋轉陀螺控制，價格便宜。但是機械掃描速度慢，故障率高。喇叭天線體積與定向性成正比，指向性越高，喇叭口面越大，長度越長。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種高定向雙波束掃描毫米波平板天線，是一種可實現(xiàn)高定向輻射的雙波束毫米波天線，天線輻射方位角通過掃描頻率來嚴格控制。這種天線由平板印刷電路板制作而成，成本低廉，厚度超薄，容易與器件集成。為達到以上目的，本發(fā)明所采用的解決方案是本發(fā)明的天線需含有平面金屬花樣層、介質層、下底板金屬層，以及微波饋源。平面金屬花樣層、介質層、下底板金屬層可以由雙面印刷電路板制成，由于工作在微波波段， 所以對雙面電路板的上下表面金屬種類，厚度無特殊要求。微波饋源可以是普通單極子天線、偶極子天線、微帶天線或者其他基本微波饋源。平面金屬花樣層由平面內周期排列的金屬帶構成，金屬花樣層和下底板金屬以及中間的介質層構成了電磁波微腔，形成相干磁諧振表面態(tài)，此相干磁諧振表面態(tài)通過金屬花樣層中金屬空氣，向自由空間輻射高空間相干電磁波，形成雙波束高定向天線。相干磁諧振表面態(tài)的形成是高定向電磁輻射的關鍵，它由單個金屬花樣層和金屬底板以及中間的介質中存在的腔模通過周期結構的布拉格散射耦合而成。布拉格散射要求金屬花樣層的周期與工作頻率在介質中的波長相比擬，因此本發(fā)明的金屬花樣層的周期大約等于工作頻帶上帶邊頻點的電磁波在介質中的波長，例如本發(fā)明實施例1中選取周期為4mm，工作頻帶上帶邊為60GHz，在介質中的波長約為3. 4mm。一個周期內的金屬花樣可以由一維排列的金屬帶組成。金屬帶可以由一個金屬帶或者多個寬度不同、間隔不同的金屬帶；或者多個寬度不同、間隔相同的金屬帶組成。金屬花樣層也可以由二維排列而成的金屬方片，或者金屬圓片，或者金屬圓環(huán)組成。金屬花樣之間的間隙決定了磁諧振表面態(tài)和自由空間電磁波的耦合系數(shù)，耦合系數(shù)越小，輻射場空間相干性越高，定向性越好。本發(fā)明的特點是利用很小的光柵間隙實現(xiàn)高定向的電磁波輻射，光柵間隙需小于周期的五分之一。周期結構對不同頻率的電磁波的調制不一樣，不同工作頻率的電磁波輻射方位角不同，因此通過對微波饋源的電磁波的頻率調節(jié)，可以控制天線的輻射方位角，達到全方位的目標探測。要形成一個好的磁諧振表面態(tài)，本發(fā)明的介質層厚度需遠小于工作波長，例如實施例1所采用的印刷電路板介質層厚度為0. 8mm。介質層的介電常數(shù)和光柵的周期共同決定了本發(fā)明的工作頻率， 在保持周期不變的情況下，介電常數(shù)越高，工作頻率越低。由于采用了上述方案，本發(fā)明具有以下特點1、本發(fā)明的定向性由金屬花樣之間的空氣間隙控制。小的空氣間隙可以產生高定向電磁波輻射。2、本發(fā)明的工作頻率由周期和介質的介電常數(shù)決定，工作頻帶可調。3、本發(fā)明通過調節(jié)頻率來調控電磁波的輻射方位角。電調的方式使得輻射方位角控制精確，反應靈敏。4、本發(fā)明整體厚度薄，一般可以小于λ/10。遠小于相共振天線和喇叭天線的尺寸，方便集成，容易安裝。5、本發(fā)明由印刷電路板制成，價格便宜。本發(fā)明可用于1、汽車防撞雷達；2、毫米波目標探測；3、移動通信用智能天線。


圖IA為本發(fā)明實施例1的結構示意圖。圖IB為本發(fā)明實施例1的平面金屬花樣層示意圖。圖2為本發(fā)明實施例在40. OGHz時的輻射方向圖。圖3為本發(fā)明實施例在53. 5GHz時的輻射方向圖。
具體實施例方式以下結合附圖所示實施例對本發(fā)明作進一步的說明。本發(fā)明實施例中是工作在30-53. 5GHz的高定向雙波束掃描毫米波平板天線，其結構示意圖如圖1，由平面金屬花樣層、介質層和下底板金屬層以及偶極子天線組成；其中平面金屬花樣層1、介質層2、下底板金屬層3由印刷電路板制作而成，整個電路板長度和寬度需大于工作波長的兩倍，本實施例采用的電路板大小為8cmX8cm大小，介質層厚度為 0. 8mm，金屬層厚度為0. 017mm。平面金屬花樣層1的金屬結構由周期排列而成的金屬帶組成，金屬帶寬度為3. 8mm,周期為4mm。印刷電路板的介質層2，厚度為0. 127mm，介電常數(shù)為 2. 2，其下為下底板金屬層3。本實施例所采用的是普通偶極子天線饋源4，其放置于光柵層1中心上方，用同軸電纜與微波電路連接。本實施例平面金屬花樣層的金屬帶，下底板金屬和介質層產生的相干表面態(tài)使偶極子天線饋源與整體結構產生強烈耦合。此相干表面態(tài)通過金屬帶之間的縫隙與自由空間平面波的弱耦合輻射到自由空間產生高空間相干(也就是高定向性)電磁波遠場輻射，縫隙的大小決定了耦合系數(shù)的大小，本實施例中采用的縫隙寬度為0. 2mm，等于二十分之一波長，產生的高定向電磁波輻射方向角小于5度。輻射方向圖如圖2、圖3。而輻射的方位角受周期結構調制，不同頻率對應的波長不一樣，因此該結構能達到調控電磁波輻射方位角的作用，輻射方位角能由-60 0度調節(jié)，圖2、圖3表明頻率30GHz上升到53. 5GHz時，輻射方位角的主極大可由60度調節(jié)到0度。整個天線結構具有空間鏡像對稱性，因此輻射方向圖也是關于0度對稱，為雙波束形式。與現(xiàn)有高定向喇叭天線相比，本發(fā)明是平面結構，縱向尺寸超薄，容易與器件集成，電掃描代替機械掃描，穩(wěn)定性高，掃描速度快。與價格昂貴的相共振雷達天線相比，價格低廉，整個天線成本不及相共振一個單元。上述的對實施例的描述是為便于該技術領域的普通技術人員能理解和應用本發(fā)明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于這里的實施例，本領域技術人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對于本發(fā)明做出的改進和修改都應該在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種高定向雙波束掃描毫米波平板天線，其特征在于其包括平面金屬花樣層、介質層、下底板金屬層及微波饋源，平面金屬花樣層的金屬結構和下底板金屬以及中間的介質層構成電磁波微腔，形成相干表面態(tài)，微波饋源放置于平面金屬花樣層的中心上方。
2.如權利要求1所述的高定向雙波束掃描毫米波平板天線，其特征在于所述平面金屬花樣層、介質層和下底板金屬層從上至下依次相疊，由雙面印刷電路板制成，電路板介質層小于工作波長的三分之一，電路板長度和寬度需大于工作波長的兩倍。
3.如權利要求1所述的高定向雙波束掃描毫米波平板天線，其特征在于所述平面金屬花樣層中金屬花樣之間的空氣縫隙必須小于周期的五分之一。
4.如權利要求1所述的高定向雙波束掃描毫米波平板天線，其特征在于所述平面金屬花樣層的周期與電磁波在介質中的波長相比擬。
5.如權利要求1所述的高定向雙波束掃描毫米波平板天線，其特征在于所述平面金屬花樣層由一維排列的金屬帶組成，或者由二維排列的金屬方片、金屬圓片、或金屬圓環(huán)組成。
6.如權利要求5所述的高定向雙波束掃描毫米波平板天線，其特征在于所述一個周期內的金屬帶由一個金屬帶組成；或者由多個寬度不同、間隔不同的金屬帶組成；或者由多個寬度不同、間隔相同的金屬帶組成。
7.如權利要求1所述的高定向雙波束掃描毫米波平板天線，其特征在于所述微波饋源為普通單極子天線、偶極子天線、微帶天線。
全文摘要
一種高定向雙波束掃描毫米波平板天線，其包括平面金屬花樣層、介質層、下底板金屬層及微波饋源，平面金屬花樣層、介質層和下底板金屬層從上之下依次相疊，由普通雙面印刷電路板制成。平面金屬花樣層的金屬光柵和下底板金屬以及中間的介質層構成電磁波微腔，與入射平面電磁波形成相干表面態(tài)，微波饋源放置于平面光柵層的中心上方。本發(fā)明的天線高定向雙波束輻射電磁波，輻射方位角可精確控制，反應靈敏，成本低廉、厚度超薄。
文檔編號H01Q13/08GK102237569SQ20101016944
公開日2011年11月9日 申請日期2010年5月7日 優(yōu)先權日2010年5月7日
發(fā)明者余興, 張冶文, 曹揚, 李宏強, 樊元成, 武超, 陳鴻, 韓縉, 魏澤勇 申請人:同濟大學