一種基于非均勻特異媒質(zhì)的高品質(zhì)波束天線的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及天線賦形技術(shù)。本發(fā)明公開了一種基于非均勻特異媒質(zhì)的波束天線，利用微帶結(jié)構(gòu)構(gòu)成的非均勻特異媒質(zhì)，對天線方向圖進(jìn)行賦形。本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種基于非均勻特異媒質(zhì)的高品質(zhì)波束天線，包括輻射器和賦形單元，所述賦形單元置于所述輻射器的輻射波束前方，所述賦形單元具有微帶結(jié)構(gòu)，由介質(zhì)基板和分布在所述介質(zhì)基板表面的微帶單元構(gòu)成，利用所述微帶單元形狀、大小和位置調(diào)整所述輻射器波束形狀。本發(fā)明的賦形單元由介質(zhì)基板和分布在介質(zhì)基板表面的微帶單元構(gòu)成，具有非均勻特異媒質(zhì)特性。可以對輻射器波束形狀進(jìn)行調(diào)整，實現(xiàn)方向圖的各種賦形，為高品質(zhì)波束提供了更大的設(shè)計自由度。
【專利說明】一種基于非均勻特異媒質(zhì)的高品質(zhì)波束天線
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及天線賦形技術(shù)，特別涉及一種基于非均勻特異媒質(zhì)的高品質(zhì)波束天線。
【背景技術(shù)】
[0002]在微波應(yīng)用技術(shù)中，微波的傳輸和接收都離不開天線系統(tǒng)，如微波通信、微波探測、微波無線能量傳輸?shù)?。不同的?yīng)用領(lǐng)域，對天線系統(tǒng)有不同的要求。
[0003]微波無線能量傳輸是以微波為載體，通過天線進(jìn)行微波能量的發(fā)射和接收，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的無線能量傳送，在空間太陽能電站等諸多領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。
[0004]微波無線能量傳輸系統(tǒng)中，微波能量發(fā)射天線是關(guān)鍵設(shè)備之一，發(fā)射天線為高增益定向天線，它輻射出極窄的大功率微波波束，將微波能量集中地傳送到接收天線的口徑面。接收天線后方連接若干個整流電路，將微波能量轉(zhuǎn)換為直流能量并輸出，整流電路的整流效率(即轉(zhuǎn)換的直流能量與饋入的微波能量之比)是影響微波無線能量傳輸系統(tǒng)效率的關(guān)鍵因素之一。
[0005]高增益定向天線的輻射方向圖通常為筆狀波束，即方向圖主瓣的中心增益高而邊緣增益低，因此發(fā)射天線輻射的微波波束的中心微波功率密度大而邊緣功率密度小，這造成接收天線口徑面上的微波功率密度分布不均勻，同樣為中心大而邊緣弱。而整流電路的整流效率與饋入電路的微波功率大小密切相關(guān)，只有饋入微波功率大小適當(dāng)時，整流電路才能實現(xiàn)最大的整流效率。顯然，由于筆狀波束造成的微波功率密度分布不均勻，將嚴(yán)重制約接收系統(tǒng)的整流電路實現(xiàn)最大整流效率。
[0006]針對微波無線能量傳輸系統(tǒng)需求，非常必要設(shè)計方向圖主瓣增益均勻，即波束主瓣形狀由筆形改變?yōu)轭愃凭匦蔚陌l(fā)射天線方向圖。借用濾波器的品質(zhì)因子(即矩形系數(shù))來描述天線波束形狀，具有波束主瓣增益均勻的天線可稱為高品質(zhì)波束天線。
[0007]高品質(zhì)波束天線屬于賦形天線中一種，傳統(tǒng)的賦形天線設(shè)計方法一般可以分為:反射面賦形和陣列賦形。例如1984年在《IEEE Transactions on Antennas andPropagation))中發(fā)表的論文“The current state of the reflector antenna art，，(Vol.32, N0.4, p.313-329)介紹了反射面賦形，通過加載反射面，對饋源發(fā)出的電磁波進(jìn)行反射疊加在遠(yuǎn)場形成合適的方向圖。反射面賦形可以是多饋源元天線，也可以是單饋源的天線。多饋源反射面賦形，一方面可以通調(diào)節(jié)饋源激勵幅度和激勵相位，另一方面還可以調(diào)節(jié)反射板的形狀、大小、放置位置來對天線方向圖進(jìn)行賦形，這樣大大增加了賦形的靈活度，能夠完成對復(fù)雜方向圖的賦形。但天線系統(tǒng)的大量開銷將花費在設(shè)計和調(diào)整波束形成網(wǎng)絡(luò)上，并且復(fù)雜的波束形成網(wǎng)絡(luò)會引起射頻損耗降低天線系統(tǒng)的增益。單饋源反射面賦形克服了多饋源賦形損耗大的缺點，結(jié)構(gòu)也相對簡單，但是賦形能力有限。1985年在((Antennas and Propagation Society International Symposium〉〉中論文“Phased arraycontour beam shaping by phase optimization”(Vol.23，p.475-478)介紹了陣列賦形，該技術(shù)利用饋電功分網(wǎng)絡(luò)，通過調(diào)整陣元的激勵幅度，激勵相位，或者調(diào)整陣元之間的間隙來改變天線輻射方向圖。傳統(tǒng)的陣列賦形方法例如:切比雪夫多項式法，傅里葉變換法，泰勒法，伍德沃德法等，但這些方法很難完成對復(fù)雜方向圖的賦形。
[0008]下面簡單介紹一下本發(fā)明涉及的兩個技術(shù)名詞:特異媒質(zhì)和微帶結(jié)構(gòu)。
[0009]特異媒質(zhì)是指具有天然材料所不具備獨特物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料。例如具有負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率的左手材料、頻率選擇表面(Frequency SelectiveSurface, FSS)、高阻表面(High Impedance Surface)等。特異媒質(zhì)的獨特電磁特性使其得到了廣泛應(yīng)用，包括應(yīng)用于天線設(shè)計中，如提高天線增益，拓展天線帶寬和實現(xiàn)天線小型化
坐寸ο
[0010]微帶結(jié)構(gòu)包括介質(zhì)基板和金屬層，金屬層通常是通過涂敷工藝在介質(zhì)基板表面形成的金屬涂覆層或采用黏貼工藝形成的金屬貼片層。金屬層可以形成于介質(zhì)基板的一面或兩面,如常用的單面和雙面印刷電路板(Printed Circuit Board, PCB)。為了實現(xiàn)各種功能，通常在金屬層上通過刻蝕、剪貼工藝制成各種微帶單元，如保留在介質(zhì)基板表面的各種形狀的金屬塊(稱為微帶貼片)或在金屬層形成的各種形狀的微帶縫隙(去掉金屬部分而露出介質(zhì)基板的圖案)，這些微帶單元具有不同的功能，可以構(gòu)成微帶濾波器、微帶耦合器、微帶傳輸線、微帶天線等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題，就是提供一種基于非均勻特異媒質(zhì)的波束天線，利用微帶結(jié)構(gòu)構(gòu)成的非均勻特異媒質(zhì)，對天線方向圖進(jìn)行賦形。
[0012]本發(fā)明解決所述技術(shù)問題，采用的技術(shù)方案是，一種基于非均勻特異媒質(zhì)的高品質(zhì)波束天線，包括輻射器和賦形單元，所述賦形單元置于所述輻射器的輻射波束前方，其特征在于，所述賦形單元具有微帶結(jié)構(gòu)，由介質(zhì)基板和分布在所述介質(zhì)基板表面的微帶單元構(gòu)成，利用所述微帶單元形狀、大小和位置調(diào)整所述輻射器波束形狀。
[0013]本發(fā)明的技術(shù)方案，采用賦形單元對輻射器方向圖進(jìn)行賦形。賦形單元由介質(zhì)基板和分布在介質(zhì)基板表面的微帶單元構(gòu)成，具有非均勻特異媒質(zhì)特性。介質(zhì)基板表面的各個微帶單元，對電磁波具有不同的反射系數(shù)幅值和相位，通過改變微帶單元的形狀、大小、位置等參數(shù)，可以對輻射器波束形狀進(jìn)行調(diào)整，實現(xiàn)方向圖的各種賦形，為高品質(zhì)波束提供了更大的設(shè)計自由度。
[0014]具體的，所述微帶單元為微帶貼片。
[0015]或者，所述微帶單元為微帶縫隙。
[0016]進(jìn)一步的，所述微帶單元形狀相同或不同。
[0017]進(jìn)一步的，所述微帶單元大小相同或不同。
[0018]進(jìn)一步的，所述微帶單元之間距離相同或不同。
[0019]微帶貼片和微帶縫隙是兩種常用的微帶單元結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整微帶單元的形狀、大小、位置等參數(shù)，可以改變輻射器的方向圖，按照設(shè)計要求對輻射器方向圖賦形。
[0020]優(yōu)選的，所述輻射器為微帶天線。
[0021]采用微帶天線作為輻射器，是本發(fā)明優(yōu)選的結(jié)構(gòu)形式。微帶天線的輻射方向圖通過和微帶單元賦形，可以改變微帶天線的輻射方向圖，達(dá)到設(shè)計要求。這種系統(tǒng)具有小型化的優(yōu)點，可以用于各種便攜式設(shè)備中。[0022]具體的，所述微帶天線的介質(zhì)基板與微帶單元的介質(zhì)基板平行。
[0023]由于通常微帶天線的波束指向微帶天線基板的垂直方向，微帶天線的介質(zhì)基板與微帶單元的介質(zhì)基板平行配置，能夠最大限度的發(fā)揮賦形單元的功能，提高賦形效果。
[0024]推薦的，所述輻射器為定向天線系統(tǒng)。
[0025]定向天線系統(tǒng)可以發(fā)生定向波束，與本發(fā)明的賦形單元結(jié)合，可以發(fā)揮最大的賦形效果。
[0026]具體的，所述定向天線系統(tǒng)為拋物面反射天線。
[0027]拋物面反射天線是定向天線系統(tǒng)的比較常見的結(jié)構(gòu)形式，其發(fā)射波束指向拋物面反射器的軸線方向，將本發(fā)明的賦形單元平行放置在拋物面反射器口面前方，就可以完成拋物面反射天線系統(tǒng)的方向圖賦形。
[0028]本發(fā)明的有益效果是，能夠?qū)l(fā)射天線的波束修改為類矩形的高品質(zhì)波束，高品質(zhì)波束的均勻功率密度分布有助于微波無線能量傳輸系統(tǒng)獲得最大系統(tǒng)效率。本發(fā)明的技術(shù)方案可以應(yīng)用于各種類型天線，并且工程實施簡便易行。本發(fā)明的賦形單元是通過在介質(zhì)基板表面形成若干大小不同的微帶單元構(gòu)成，可采用微帶印刷工藝進(jìn)行加工制作，具有成本低、加工精度高和易于大批量制作的優(yōu)點。本發(fā)明可以通過對微帶單元的適當(dāng)設(shè)計，以及恰當(dāng)?shù)卣{(diào)整輻射天線和賦形單元之間距離，能夠?qū)崿F(xiàn)波束賦形，同時基本不影響輻射天線的回波損耗和工作頻點等性能指標(biāo)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1是實施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖2是圖1的P-P剖視圖；
[0031]圖3是實施例1中的微帶天線示意圖；
[0032]圖4是實施例1天線的Sll曲線圖；
[0033]圖5是實施例1天線的輻射方向圖(E面)；
[0034]圖6是實施例1天線的輻射方向圖(H面)；
[0035]圖7是實施例2的示意圖；
[0036]圖8是圖7的Q-Q剖視圖；
[0037]圖9是實施例3的示意圖；
[0038]圖10、圖11和圖12是過中心點的兩條垂直直線分割賦形單元的示意圖。
[0039]圖中，I為賦形單元；10為微帶單元(微帶貼片);11為介質(zhì)基板；2為微帶天線；20為微帶天線輻射貼片；21為微帶天線基板；22為微帶天線接地面；A、B、C和D分別為四種不同大小的正方形微帶貼片；0X和OY為過中心點的兩條垂直直線。
【具體實施方式】
[0040]下面結(jié)合附圖及實施例，詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0041]本發(fā)明的賦形單元采用介質(zhì)基板表面分布若干大小或形狀不同的微帶單元，構(gòu)成非均勻特異媒質(zhì)層。將該非均勻特異媒質(zhì)層放置在輻射器波束前方，通過調(diào)整非均勻特異媒質(zhì)層中微帶單元的形狀、大小、位置以及非均勻特異媒質(zhì)層與輻射天線之間的距離等參數(shù)，利用非均勻特異媒質(zhì)層對電磁波的反射和透射特性改變波束形狀。[0042]實施例1
[0043]本例基于非均勻特異媒質(zhì)的高品質(zhì)波束天線，結(jié)構(gòu)如圖1圖2和圖3所示，包括輻射器2和賦形單元I。本例賦形單元的作用是使天線波束主瓣增益均勻，即形成高品質(zhì)波束，并且基本不影響輻射器2的回波損耗和工作頻點等性能指標(biāo)。
[0044]本例賦形單元I具有微帶結(jié)構(gòu)，由一塊厚度為0.5mm，大小為80X80mm，介電常數(shù)為2.65的介質(zhì)基板11，及介質(zhì)基板11表面分布的4種大小不同的正方形微帶單兀10構(gòu)成，本例微帶單元10均為微帶貼片，圖1中分別標(biāo)注為正方形微帶單元A、B、C和D，它們的邊長a為分別4.0mm、4.8mm、5.8mm、6.9mm,微帶單元之間的中心間距d為14mm。圖1為該賦形單元的正視圖，圖中微帶單元A置于介質(zhì)基板11的中心位置，其上下左右等距離布置的是微帶單元B，微帶單元B外側(cè)布置微帶單元C，4個微帶單元D分別位于介質(zhì)基板11中心到對角連線的1/2處。由圖1可以看出，本例賦形單元中，由于微帶貼片的分布位置和大小不同，使這塊80X80mm的微帶結(jié)構(gòu)具有非均勻特異媒質(zhì)特性，能夠使天線波束主瓣增益均勻，形成高品質(zhì)波束。
[0045]本例輻射器2采用工作頻率為5.8GHz的微帶天線構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)包括介質(zhì)基板21、矩形輻射貼片20和接地面22。該微帶天線制作厚度為1mm、尺寸為80 X 80mm、基板21介電常數(shù)為2.65。由圖2可以看出，賦形單元I的基板11與微帶天線2的介質(zhì)基板21平行配置，并置于輻射器2的輻射波束前方，與輻射器2的距離為h，矩形輻射貼片20位于賦形單元I的中心位置O的后方。
[0046]由圖4所示的上述結(jié)構(gòu)的天線Sll曲線圖可見，加載賦形單元I前后，天線的回波損耗曲線和工作頻點基本保持不變。由圖5和圖6所示的輻射方向圖可以看出，E面和H面的方向圖頂部都變得平坦了，即將原來的筆形波束調(diào)整為更接近矩形波束，大大提高了波束功率密度的均勻性，非常適合用于提高微波輸能系統(tǒng)的微波轉(zhuǎn)換效率。改變上述微帶單元10的邊長a和中心距離d，可以調(diào)整波束形狀。也可以通過調(diào)整賦形單元I和輻射器2之間的距離h和/或微帶單元10的形狀改變輻射器2波束形狀。
[0047]實施例2
[0048]本例基于非均勻特異媒質(zhì)的高品質(zhì)波束天線結(jié)構(gòu)如圖7和圖8所示，微帶單元10采用微帶縫隙，該微帶縫隙是采用刻蝕工藝在介質(zhì)基板11表面的金屬涂覆層上，刻蝕掉金屬層形成的矩形圖案。本例天線同樣可以通過調(diào)整微帶單元10的形狀、大小、位置等調(diào)整輻射器波束形狀。本例其他結(jié)構(gòu)與實施例1相同。
[0049]實施例3
[0050]如圖9所示，本例基于非均勻特異媒質(zhì)的高品質(zhì)波束天線，其中微帶單元10形狀為圓形，可以匹配采用圓形輻射貼片的微帶天線，通過調(diào)整微帶單元的直徑大小和分布位置等參數(shù)，能夠改變輻射器的波束形狀。本例微帶單元10同樣可以是微帶貼片或微帶縫隙。
[0051]上述實施例描述的賦形單元中，微帶單元分布的共同特點是，介質(zhì)基板上分布有大小不同的微帶單元，這些微帶單元的分布關(guān)于中心點對稱，使得過該中心點的任意兩條垂直直線將賦形單元分成結(jié)構(gòu)相同的四部分，如圖10?圖12所示。這種分布規(guī)律能夠使天線波束主瓣增益均勻，形成高品質(zhì)波束。
[0052]上述實施例是采用不同大小的微帶單元，通過等間距分布得到非均勻特異媒質(zhì)特性?？梢钥闯觯景l(fā)明也可以采用相同大小的微帶單元，通過不同的分布距離得到非均勻特異媒質(zhì)特性?；蛘卟捎貌煌笮〉奈卧?，并結(jié)合不同的分布距離得到非均勻特異媒質(zhì)特性。這些不同性能特點的非均勻特異媒質(zhì)，可以產(chǎn)生不同的波束賦形效果，得到不同的波束形狀。
[0053]本發(fā)明的技術(shù)方案，同一個賦形單元中微帶單元可以有不同的形狀。根據(jù)不同的波束賦形要求，可以采用矩形和圓形組合構(gòu)成，或矩形和十字形以及圓形等組合構(gòu)成。同一個賦形單元中微帶單元既可以是微帶貼片，也可以是微帶縫隙，或者由微帶貼片和微帶縫隙混合構(gòu)成?？傊?，本發(fā)明的賦形單元中，微帶單元具有非常靈活的配置方式，可以獲得不同的賦形效果和波束形狀。本發(fā)明的述輻射器還可以采用定向天線系統(tǒng)，如拋物面反射天線等，只要將本發(fā)明的賦形單元置于輻射器波束前方，就可以對輻射器波束進(jìn)行賦形，得到不同的波束形狀。
【權(quán)利要求】
1.一種基于非均勻特異媒質(zhì)的高品質(zhì)波束天線，包括輻射器和賦形單元，所述賦形單元置于所述輻射器的輻射波束前方，其特征在于，所述賦形單元具有微帶結(jié)構(gòu)，由介質(zhì)基板和分布在所述介質(zhì)基板表面的微帶單元構(gòu)成，利用所述微帶單元形狀、大小和位置調(diào)整所述輻射器波束形狀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于非均勻特異媒質(zhì)的高品質(zhì)波束天線，其特征在于，所述微帶單元為微帶貼片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于非均勻特異媒質(zhì)的高品質(zhì)波束天線，其特征在于，所述微帶單元為微帶縫隙。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于非均勻特異媒質(zhì)的高品質(zhì)波束天線，其特征在于，所述微帶單元形狀相同或不同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于非均勻特異媒質(zhì)的高品質(zhì)波束天線，其特征在于，所述微帶單元大小相同或不同。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于非均勻特異媒質(zhì)的高品質(zhì)波束天線，其特征在于，所述微帶單元之間距離相同或不同。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于非均勻特異媒質(zhì)的高品質(zhì)波束天線，其特征在于，所述輻射器為微帶天線。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于非均勻特異媒質(zhì)的高品質(zhì)波束天線，其特征在于，所述微帶天線的介質(zhì)基板與微帶單元的介質(zhì)基板平行。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于非均勻特異媒質(zhì)的高品質(zhì)波束天線，其特征在于，所述輻射器為定向天線系統(tǒng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種基于非均勻特異媒質(zhì)的高品質(zhì)波束天線，其特征在于，所述定向天線系統(tǒng)為拋物面反射天線。
【文檔編號】H01Q13/08GK103887615SQ201410134089
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年4月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月3日
【發(fā)明者】陳星 , 黃卡瑪, 劉長軍, 郭慶功, 楊陽, 趙翔, 閆麗萍, 楊曉慶, 陳倩 申請人:四川大學(xué)