一種基于超材料加載的高增益喇叭天線的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微波毫米波天線技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種高增益喇叭天線。
【背景技術(shù)】
[0002]喇叭天線是現(xiàn)代通信以及雷達(dá)系統(tǒng)中常用的一種天線形式，因其具有高功率容量以及低損耗等特點(diǎn)，特別適用于大功率以及極高頻系統(tǒng)中。只是，隨著現(xiàn)代通信以及雷達(dá)系統(tǒng)的快速發(fā)展，微波毫米波天線的電性能要求越來(lái)越高，同時(shí)還向著小型化、輕量化、集成化、低成本化的方向發(fā)展，因此，喇叭天線的改進(jìn)設(shè)計(jì)仍是科學(xué)界以及工業(yè)界的一大熱點(diǎn)。
[0003]為提高喇叭天線的輻射增益進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)距離工作，楊銳等人公開(kāi)了一種介質(zhì)透鏡加載的高增益超寬帶波紋雙脊喇叭天線(楊銳、孔祥輝、王慧、雷振亞，透鏡加載的高增益超寬帶波紋雙脊喇叭天線，中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利，申請(qǐng)?zhí)?01410740432.6，申請(qǐng)日2014.12.08)，通過(guò)加載特定曲面的介質(zhì)材料，實(shí)現(xiàn)了喇叭天線輸出端口面的電磁波相位調(diào)整進(jìn)而提高了天線的輻射增益。只是該喇叭天線存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工成本高、重量重等缺點(diǎn)。Abdelrahman等人公開(kāi)了一種通過(guò)三層透射表面加載的高增益天線(A.H.Abdelrahman, A.Z.Elsherbeni, and Y.Fan, ^High-Gain and BroadbandTransmitarray Antenna Using Triple-Layer Spiral Dipole Elements, "Antennas andWireless Propagat1n Letters, IEEE, vol.13, pp.1288-1291，2014)，通過(guò)調(diào)整三層透射結(jié)構(gòu)的不同尺寸單元排布，實(shí)現(xiàn)天線輸出端口面的電磁波相位調(diào)整進(jìn)而提升天線的輻射增益。只是三層透射表面的加工誤差大、成本高，各層結(jié)構(gòu)之間耦合特性分析困難導(dǎo)致設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種基于超材料加載的高增益喇叭天線，在實(shí)現(xiàn)天線高增益輻射的前提下，同時(shí)實(shí)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)的集成化、輕量化和低成本化。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:一種基于超材料加載的高增益喇叭天線，包括標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線、超材料平板以及用于超材料平板定位固定的四個(gè)螺絲釘；所述超材料平板由印制在單層介質(zhì)基片上的多個(gè)第一超材料結(jié)構(gòu)單元、第二超材料結(jié)構(gòu)單元、第三超材料結(jié)構(gòu)單元以及第四超材料結(jié)構(gòu)單元平行緊貼排列而成，四種超材料結(jié)構(gòu)單元的具體個(gè)數(shù)與排列順序由標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線輸出端口面的尺寸以及電磁波幅度相位分布情況而定，在超材料平板的四角鉆有四個(gè)定位固定用的通孔；所述標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線的輸出端面四角鉆有四個(gè)定位固定用的螺絲孔；所述四個(gè)螺絲釘?shù)穆菁y直徑與標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線上的四個(gè)螺絲孔直徑以及超材料平板上的四個(gè)通孔直徑相同，通過(guò)四個(gè)螺絲釘將超材料平板固定在標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線的輸出端面上。
[0006]進(jìn)一步的，所述第一超材料結(jié)構(gòu)單元由印制在介質(zhì)基片正面的單層直金屬條構(gòu)成；所述第二超材料結(jié)構(gòu)單元由印制在介質(zhì)基片正面的單層工字型金屬條構(gòu)成；所述第三超材料結(jié)構(gòu)單元由印制在介質(zhì)基片正反面的雙層直金屬條構(gòu)成；所述第四超材料結(jié)構(gòu)單元由印制在介質(zhì)基片正反面的雙層直金屬縫隙構(gòu)成；所述第一超材料結(jié)構(gòu)單元、第二超材料結(jié)構(gòu)單元、第三超材料結(jié)構(gòu)單元以及第四超材料結(jié)構(gòu)單元其整個(gè)單元外邊框均成正方形，且具有相同邊長(zhǎng)。
[0007]進(jìn)一步的，所述超材料平板的外邊框尺寸不超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線I的輸出端面外邊框尺寸。
[0008]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
[0009](I)本發(fā)明所采用的超材料平板由單層平面介質(zhì)基板印制四種不同超材料結(jié)構(gòu)單元并按照一定規(guī)律平行緊貼排列而成，具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低、制備周期短、重量輕等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，因?yàn)椴捎昧怂姆N不同超材料結(jié)構(gòu)單元的組合排列，可以實(shí)現(xiàn)喇叭天線輸出端口面電磁波幅度相位的大范圍調(diào)整，進(jìn)而提高喇叭天線的輻射增益。
[0010](2)本發(fā)明是在已經(jīng)批量化生產(chǎn)使用的標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線輸出端口面上通過(guò)四個(gè)螺絲釘將超材料平板加載上去，來(lái)提升其輻射增益，應(yīng)用推廣便捷、成本低，且整體結(jié)構(gòu)具有高集成化優(yōu)點(diǎn)。
[0011](3)本發(fā)明可以通過(guò)更換不同結(jié)構(gòu)尺寸的超材料平板來(lái)輕松實(shí)現(xiàn)不同輻射特性的高增益喇叭天線，而且超材料平板還能起到保護(hù)喇叭天線免遭粉塵、沙粒填充的危險(xiǎn)，因此其適用場(chǎng)合廣泛。
【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)展開(kāi)示意圖。
[0013]圖2是本發(fā)明所采用的超材料平板正視圖。
[0014]圖3是本發(fā)明在IlOGHz極高頻遠(yuǎn)場(chǎng)E面方向圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]為了使本發(fā)明的目的、解決的技術(shù)問(wèn)題以及技術(shù)方案更加清晰，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述。
[0016]圖1為本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例總體結(jié)構(gòu)展開(kāi)示意圖，包括標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線1、超材料平板2以及用于超材料平板定位固定的四個(gè)螺絲釘3。所述超材料平板2由印制在厚度為0.127mm的低損耗Rogers 5880介質(zhì)基片20兩面的22個(gè)第一超材料結(jié)構(gòu)單元21、22個(gè)第二超材料結(jié)構(gòu)單元22、73個(gè)第三超材料結(jié)構(gòu)單元23以及46個(gè)第四超材料結(jié)構(gòu)單元24平行緊貼排列而成，在超材料平板的四角鉆有四個(gè)定位固定用的通孔25 ;所述標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線I選擇工作于75?IlOGHz的W波段標(biāo)準(zhǔn)角錐喇叭天線，在其輸出端面四角鉆有四個(gè)定位固定用的螺絲孔11 ;所述四個(gè)螺絲釘3的螺紋直徑與標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線I上的四個(gè)螺絲孔11直徑以及超材料平板上的四個(gè)通孔25直徑相同，均為2mm ;通過(guò)四個(gè)螺絲釘3將超材料平板2集成固定在標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線I的輸出端面上。
[0017]進(jìn)一步的，如圖2的超材料平板正視圖所示，所述22個(gè)第一超材料結(jié)構(gòu)單元21由印制在介質(zhì)基片20正面的單層直金屬條構(gòu)成，每個(gè)結(jié)構(gòu)單元的金屬條尺寸根據(jù)位置不同略有調(diào)整；所述22個(gè)第二超材料結(jié)構(gòu)單元22由印制在介質(zhì)基片20正面的單層工字型金屬條構(gòu)成，每個(gè)結(jié)構(gòu)單元的工字型金屬條尺寸根據(jù)位置不同也略有調(diào)整；所述73個(gè)第三超材料結(jié)構(gòu)單元23由印制在介質(zhì)基片20正反面的雙層直金屬條構(gòu)成，每個(gè)結(jié)構(gòu)單元的雙層金屬條結(jié)構(gòu)尺寸根據(jù)位置不同也略有調(diào)整；所述46個(gè)第四超材料結(jié)構(gòu)單元24由印制在介質(zhì)基片20正反面的雙層直金屬縫隙構(gòu)成，每個(gè)結(jié)構(gòu)單元的雙層直金屬縫隙尺寸同樣根據(jù)位置不同略做調(diào)整；所述第一超材料結(jié)構(gòu)單元21、第二超材料結(jié)構(gòu)單元22、第三超材料結(jié)構(gòu)單元23以及第四超材料結(jié)構(gòu)單元24雖然其內(nèi)部金屬部分結(jié)構(gòu)尺寸各不相同，但是其整個(gè)單元邊界尺寸均成正方形，且具有相同的1.5mm邊長(zhǎng)。
[0018]進(jìn)一步的，所述超材料平板2的外邊框尺寸與標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線I的輸出端面外邊框尺寸相同，均為40mm*36mm。
[0019]本發(fā)明的技術(shù)方案的原理是:第一超材料結(jié)構(gòu)單元21、第二超材料結(jié)構(gòu)單元22、第三超材料結(jié)構(gòu)單元23以及第四超材料結(jié)構(gòu)單元24受電磁波照射后，可宏觀等效為具有不同介電常數(shù)以及磁導(dǎo)率的超材料，改變上述四種超材料結(jié)構(gòu)中的金屬部分結(jié)構(gòu)尺寸，可以對(duì)其所等效的介電常數(shù)以及磁導(dǎo)率參數(shù)值進(jìn)行調(diào)整。將多種具有不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸的第一超材料結(jié)構(gòu)單元21、第二超材料結(jié)構(gòu)單元22、第三超材料結(jié)構(gòu)單元23以及第四超材料結(jié)構(gòu)單元24平行緊貼排列在一起后，就形成了具有各向異性的超材料平板。利用該超材料平板可以實(shí)現(xiàn)空間電磁波的幅度、相位調(diào)整。而對(duì)于傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線，因?yàn)槠漭椛淇趶矫媸菑囊粋€(gè)標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)通過(guò)線性漸變方式逐步擴(kuò)展而成的，在其最終的輸出端口面上，電磁波的幅度和相位分布均不相同，這就導(dǎo)致了其輻射增益受限。本發(fā)明正是通過(guò)將具有空間電磁波幅度、相位調(diào)整能力的超材料平板加載到標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線輸出端口面上，在不增加口徑面積的前提下，實(shí)現(xiàn)喇叭天線輸出端口面上的電磁波幅度和相位均勻化，進(jìn)而提升其輻射增益。
[0020]圖3給出了本具體實(shí)施中喇叭天線在IlOGHz的E面方向圖，其最大增益達(dá)到26.3dB，比未加載超材料平板之前的標(biāo)準(zhǔn)角錐喇叭天線增益增加了 2.7dB ;相應(yīng)的反射系數(shù)小于-10dB。
[0021]本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到，這里所述的實(shí)施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應(yīng)被理解為本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實(shí)施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開(kāi)的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本發(fā)明的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于超材料加載的高增益喇叭天線，包括標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線(I)、超材料平板(2)以及用于超材料平板定位固定的四個(gè)螺絲釘(3)，其特征在于:所述超材料平板(2)由印制在單層介質(zhì)基片(20)上的多個(gè)第一超材料結(jié)構(gòu)單元(21)、第二超材料結(jié)構(gòu)單元(22)、第三超材料結(jié)構(gòu)單元(23)以及第四超材料結(jié)構(gòu)單元(24)平行緊貼排列而成，四種超材料結(jié)構(gòu)單元的具體個(gè)數(shù)與排列循序由標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線輸出端口面的尺寸以及電磁波幅度相位分布情況而定，在超材料平板的四角鉆有四個(gè)定位固定用的通孔(25);所述標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線(I)的輸出端面四角鉆有四個(gè)定位固定用的螺絲孔(11);所述四個(gè)螺絲釘(3)的螺紋直徑與標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線(I)上的四個(gè)螺絲孔(11)直徑以及超材料平板上的四個(gè)通孔(25)直徑相同，通過(guò)四個(gè)螺絲釘(3)將超材料平板(2)固定在標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線⑴的輸出端面上。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超材料加載的高增益喇叭天線，其特征在于:所述第一超材料結(jié)構(gòu)單元(21)由印制在介質(zhì)基片(20)正面的單層直金屬條構(gòu)成；所述第二超材料結(jié)構(gòu)單元(22)由印制在介質(zhì)基片(20)正面的單層工字型金屬條構(gòu)成；所述第三超材料結(jié)構(gòu)單元(23)由印制在介質(zhì)基片(20)正反面的雙層直金屬條構(gòu)成；所述第四超材料結(jié)構(gòu)單元(24)由印制在介質(zhì)基片(20)正反面的雙層直金屬縫隙構(gòu)成；所述第一超材料結(jié)構(gòu)單元(21)、第二超材料結(jié)構(gòu)單元(22)、第三超材料結(jié)構(gòu)單元(23)以及第四超材料結(jié)構(gòu)單元(24)其整個(gè)單元邊界均成正方形，且具有相同邊長(zhǎng)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超材料加載的高增益喇叭天線，其特征在于:所述超材料平板(2)的外邊框尺寸不超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線(I)的輸出端面外邊框尺寸。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于超材料加載的高增益喇叭天線，包括標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線、超材料平板以及用于超材料平板定位固定的四個(gè)螺絲釘，超材料平板由多個(gè)具有不同內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)尺寸的四種超材料結(jié)構(gòu)單元平行緊貼排列而成，將其加載到標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線的輸出端口面上，可以調(diào)整喇叭天線的電磁波幅度與相位分布，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其高增益輻射。本發(fā)明可用于微波毫米波通信以及雷達(dá)天饋系統(tǒng)中，其優(yōu)點(diǎn)是適用于天饋系統(tǒng)的小型化、輕量化、集成化、低成本化，而且其加工周期短，多種輻射性能可以通過(guò)更換不同結(jié)構(gòu)單元排布的超材料平板來(lái)輕松實(shí)現(xiàn)。
【IPC分類(lèi)】H01Q1/38, H01Q15/08
【公開(kāi)號(hào)】CN104916918
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510206580
【發(fā)明人】林先其, 于家偉, 梅鵬, 陳哲, 聶麗瑛, 江源, 張瑾, 侯岳峰
【申請(qǐng)人】電子科技大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年9月16日
【申請(qǐng)日】2015年4月28日