CN103825089B - 近场聚焦平面阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种效率较高且体积较小、成本较低的近场聚焦平面阵列天线。该阵列天线包括从上往下依次层叠设置的第一金属覆铜层、第一介质层、第二金属覆铜层、第二介质层、第三金属覆铜层、第三介质层、第四金属覆铜层、第四介质层和第五金属覆铜层，第一介质层上设置有金属化辐射孔；第二介质层上设置有金属化移相孔；第三介质层上设置有金属化过渡孔；第四介质层上设置有基片集成波导并馈网络。本发明所述的近场聚焦平面阵列天线采用金属化移相孔来实现相位补偿，补偿范围大，结构简单，性能优异，天线的效率较高，而且可以大大减小天线的体积，降低成本，另外可以完成不同聚焦位置的调节。适合在微波毫米波天线技术领域推广应用。

Description

近场聚焦平面阵列天线

技术领域

本发明涉及微波毫米波天线技术领域，具体涉及一种近场聚焦平面阵列天线。

背景技术

点聚焦天线凭借其电磁波聚焦效应，被广泛的应用于微波毫米波成像、无线输能、射频无线识别、微波医疗等场合。

传统的聚焦天线按照外形可以分为两大类：非平面聚焦天线和平面聚焦天线。其中，非平面聚焦天线包括抛物面天线和介质透镜天线；平面聚焦天线主要为贴片阵列天线。

传统的非平面聚焦天线，如抛物面天线、介质透镜天线等，虽然可以实现较好的聚焦特性，但由于天线结构非平面，需要精确的机械加工，且体积庞大、成本高昂，难以小型化，不利于与平面电路集成。传统的平面聚焦天线，通过调整激励源到天线单元之间馈电微带的长度，以实现对贴片天线不同相位的馈电。虽然平面聚焦天线可以降低加工成本、克服集成困难，但其也存在一些问题。

例如，有人提出了一种具有聚焦特性的微带贴片阵列天线。该天线结构包含一层介质层和二层金属覆铜层，下层金属覆铜层构成微带天线的地面，上层金属覆铜层构成微带线功分器网络、移相网络以及贴片辐射单元。上述结构的聚焦特性通过上层金属覆铜层中的移相网络为贴片辐射单元提供相位差来实现，而该移相网络通过不等长的微带线来实现，当电磁波通过不同长度的微带线后在贴片辐射单元上产生特定相位差，从而实现电磁波聚焦特性。该结构中相位改变通过不等长微带线实现，当相位差要求较大时，移相网络中微带线会很长，导致该阵列整体面积增大，不利于小型化，也增加了成本；微带线及其不连续弯角处会有辐射，在降低馈电效率的同时，也影响聚焦效果。

又如，也有人提出了一种利用移相器来控制天线相位从而实现具有焦距可变特性的聚焦天线。该结构由偶极子天线、功率分配网络和移相器构成；24个偶极子天线规律排列成三个圆，每一圆包含8个偶极子天线。同一圈上的8个偶极子天线通过一个一分八功率分配网络馈电，三个功率分配网络分别对三个圆共24个偶极子天线馈电；上述三个功率分配网络分别与两个不同移相器连接，最后由一个一分四功率分配网络连接到信号源。该聚焦天线可通过移相器对不同圆上的偶极子天线进行相位控制，从而实现电磁波聚焦和焦距可变。该结构采用了四个功率分配网络以及两个移相器，使得整个***结构复杂、成本高，在高频应用和大尺寸应用时不可接受。

上述两种典型的聚焦阵列天线，虽然加工和设计相对简单，实现了平面化设计，但是很难兼顾小型化、高效率、低成本等需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种效率较高且体积较小、成本较低的近场聚焦平面阵列天线。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：该近场聚焦平面阵列天线，包括从上往下依次层叠设置的第一金属覆铜层、第一介质层、第二金属覆铜层、第二介质层、第三金属覆铜层、第三介质层、第四金属覆铜层、第四介质层和第五金属覆铜层，所述第一介质层上设置有多个直径相同的金属化辐射孔并且所述金属化辐射孔贯穿第一金属覆铜层、第一介质层；所述第二介质层上设置有多个不同直径的金属化移相孔，所述多个金属化移相孔与多个金属化辐射孔一一对应且共轴，所述金属化移相孔贯穿第二金属覆铜层、第二介质层；所述第三介质层上设置有多个直径相同的金属化过渡孔，所述多个金属化过渡孔与多个金属化移相孔一一对应且共轴，所述金属化过渡孔贯穿第三金属覆铜层、第三介质层；所述第四介质层上设置有基片集成波导并馈网络。

进一步的是，所述基片集成波导并馈网络由多级子网络构成，每一级子网络包括多个“T”形头，上一级子网络的“T”形头的两个输出端分别与下一级子网络的两个“T”形头的输入端连接，周期排列下去共同组成基片集成波导并馈网络，所述“T”形头由三个基片集成波导单元组成，在第四介质层上设置两排金属化通孔并且所述金属化通孔贯穿第四金属覆铜层、第四介质层和第五金属覆铜层形成所述基片集成波导单元，所述三个基片集成波导单元的连接区域设置有金属化匹配孔，所述第四金属覆铜层上还设置有馈电槽，所述馈电槽位于金属化过渡孔内。

进一步的是，所述第一介质层、第二介质层采用介电常数为4.5的FR4材料制作而成，所述第三介质层、第四介质层采用介电常数为3.5的RF35材料制作而成。

进一步的是，所述第一介质层的厚度为1.6mm，第二介质层的厚度为6.4mm，第三介质层的厚度为1.52mm，第四介质层的厚度为0.508mm。

进一步的是，所述金属化辐射孔与金属化过渡孔的直径为18mm，距离阵列中心从远到近金属化移相孔直径依次为18mm、18.8mm、20mm。

进一步的是，所述基片集成波导单元的宽度为10mm。

进一步的是，所述金属化通孔的直径为0.5mm，孔心距为0.95mm。

进一步的是，所述馈电槽的长度为11.9mm，宽度为0.3mm，偏移基片集成波导单元中心线的距离为0.1mm。

本发明的有益效果：本发明所述的近场聚焦平面阵列天线采用金属化移相孔来实现相位补偿，补偿范围大，结构简单，性能优异，天线的效率较高，而且该金属化移相孔位于金属化辐射孔下方，实现相位改变的同时不会增加阵列横向尺寸，有利于天线的小型化，可以大大减小天线的体积，降低成本，采用基片集成波导并馈网络馈电，在高频工作时，其具有馈电效率高和无辐射干扰的优点，同时，该并馈网络位于金属化辐射孔正下方，更加有利于电路小型化，另外，传统微带线馈电的聚焦天线，其相位补偿来自于馈电网络，一旦加工完成，无法更换，因而难以实现焦距可变，而本发明所述的近场聚焦平面阵列天线，其相位控制结构采用金属化移相孔结构，只需要通过更换不同高度的金属化移相孔，即替换具有不同高度的第二介质层，就可以完成不同聚焦位置的调节，而且替换过程中阵列整体结构与布局无需变动，节约时间成本，再者，该近场聚焦平面阵列天线工作带宽较宽，在大规模应用时性能不会恶化。

附图说明

图1是本发明近场聚焦平面阵列天线的三维结构示意图；

图2是本发明近场聚焦平面阵列天线的第一金属覆铜层的结构示意图；

图3是本发明近场聚焦平面阵列天线的第二金属覆铜层的结构示意图；

图4是本发明近场聚焦平面阵列天线的第三金属覆铜层的结构示意图；

图5是本发明近场聚焦平面阵列天线的第四金属覆铜层的结构示意图；

图6是本发明近场聚焦平面阵列天线的工作原理图；

图中标记说明：第一金属覆铜层1、第二金属覆铜层2、第三金属覆铜层3、第四金属覆铜层4、馈电槽41、第五金属覆铜层5、第一介质层6、金属化辐射孔61、第二介质层7、金属化移相孔71、第三介质层8、金属化过渡孔81、第四介质层9、金属化通孔91、金属化匹配孔92。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

如图1至5所示，该近场聚焦平面阵列天线，包括从上往下依次层叠设置的第一金属覆铜层1、第一介质层6、第二金属覆铜层2、第二介质层7、第三金属覆铜层3、第三介质层8、第四金属覆铜层4、第四介质层9和第五金属覆铜层5，所述第一介质层6上设置有多个直径相同的金属化辐射孔61并且所述金属化辐射孔61贯穿第一金属覆铜层1、第一介质层6；所述第二介质层7上设置有多个不同直径的金属化移相孔71，所述多个金属化移相孔71与多个金属化辐射孔61一一对应且共轴，所述金属化移相孔71贯穿第二金属覆铜层2、第二介质层7；所述第三介质层8上设置有多个直径相同的金属化过渡孔81，所述多个金属化过渡孔81与多个金属化移相孔71一一对应且共轴，所述金属化过渡孔81贯穿第三金属覆铜层3、第三介质层8；所述第四介质层9上设置有基片集成波导并馈网络。本发明所述的近场聚焦平面阵列天线采用金属化移相孔71来实现相位补偿，补偿范围大，结构简单，性能优异，天线的效率较高，而且该金属化移相孔71位于金属化辐射孔61下方，实现相位改变的同时不会增加阵列横向尺寸，有利于天线的小型化，可以大大减小天线的体积，降低成本，采用基片集成波导并馈网络实现了馈电，在高频工作时，其具有馈电效率高和无辐射干扰的优点，同时，该馈电网络位于金属化辐射孔61正下方，更加有利于电路小型化，另外，传统微带线馈电的聚焦天线，其相位补偿来自于馈电网络，一旦加工完成，无法更换，因而难以实现焦距可变，而本发明所述的近场聚焦平面阵列天线，其相位控制结构采用金属化移相孔71结构，只需要通过更换不同高度的金属化移相孔71，即替换具有不同高度的第二介质层7，就可以完成不同聚焦位置的调节，而且替换过程中阵列整体结构与布局无需变动，节约时间成本，再者，该近场聚焦平面阵列天线工作带宽较宽，在大规模应用时性能不会恶化。

该近场聚焦平面阵列天线的工作原理如图6所示，工作频率为f，工作波长为λ的电磁波由XOY平面沿直线传播到焦点F(0,0,R)处，此时焦距为R；设第二介质层7的厚度为h，金属化辐射孔61的数目为M×N；设第(i,j)和(s,t)个金属化辐射孔61的坐标分别为(x_i,y_j,0)和(x_s,y_t,0)，则相对于坐标原点(0,0,0)的绝对路程差为和则从第(i,j)和(s,t)个金属化辐射孔61到焦点的相对路程差为：S=S(i,j)-S(s,t)金属化辐射孔61均工作于主模，则其半径a满足：λ/3.41<a<λ/2.61，据此可以确定金属化辐射孔61的半径取值范围。

假设S(i,j)>(s,t)，设第(m,n)个金属化移相孔71半径为b(m,n)，对应的相位常数为那么电磁波在半径为b(m,n)的金属化移相孔71中的传播距离为h。此时，相位改变量为P(m,n)=β(m,n)×h。如果要在焦距R处实现聚焦特性，则P(i,j)-P(s,t)=[S(i,j)-S(s,t)]×(2πf/c),从而可以确定第(m,n)个金属化移相孔71的半径b(m,n)。

进一步的是，所述基片集成波导并馈网络由多级子网络构成，每一级子网络包括多个“T”形头，上一级子网络的“T”形头的两个输出端分别与下一级子网络的两个“T”形头的输入端连接，周期排列下去共同组成基片集成波导并馈网络，所述“T”形头由三个基片集成波导单元组成，在第四介质层9上设置两排金属化通孔91并且所述金属化通孔91贯穿第四金属覆铜层4、第四介质层9和第五金属覆铜层5形成所述基片集成波导单元，所述三个基片集成波导单元的连接区域设置有金属化匹配孔92，所述第四金属覆铜层4上还设置有馈电槽41，所述馈电槽41位于金属化过渡孔81内。这种结构的并馈网络，结构紧凑，可以整***于金属化辐射孔61下方，不会像传统并馈网络那样增加额外电路面积，有利于阵列天线小型化，降低成本。

实施例

本实施例中近场聚焦平面阵列天线的中心频率为10GHz，所述第一介质层6、第二介质层7采用介电常数为4.5的FR4材料制作而成，第一介质层6的厚度为1.6mm，第二介质层7的厚度为6.4mm所述第三介质层8、第四介质层9采用介电常数为3.5、损耗角正切为0.0018的RF35材料制作而成，第三介质层8的厚度为1.52mm，第四介质层9的厚度为0.508mm；所述金属化辐射孔61与金属化过渡孔81的直径为18mm；距离阵列中心距离从远到近金属化移相孔71直径依次为18mm、18.8mm、20mm，所述基片集成波导单元的宽度为10mm，所述金属化通孔91的直径为0.5mm，孔心距为0.95mm；馈电槽4141的长度为11.9mm，宽度为0.3mm，偏移基片集成波导中心线的距离为0.1mm。

设计结果表明，在9.9～10.1GHz的范围内，端口a馈电时，反射系数S11小于–10dB；在距离天线口径正上方150mm处，形成电场强度峰值，即实现了电磁波的聚焦。

Claims (8)

1.近场聚焦平面阵列天线，其特征在于：包括从上往下依次层叠设置的第一金属覆铜层(1)、第一介质层(6)、第二金属覆铜层(2)、第二介质层(7)、第三金属覆铜层(3)、第三介质层(8)、第四金属覆铜层(4)、第四介质层(9)和第五金属覆铜层(5)，所述第一介质层(6)上设置有多个直径相同的金属化辐射孔(61)并且所述金属化辐射孔(61)贯穿第一金属覆铜层(1)、第一介质层(6)；所述第二介质层(7)上设置有多个不同直径的金属化移相孔(71)，所述多个金属化移相孔(71)与多个金属化辐射孔(61)一一对应且共轴，所述金属化移相孔(71)贯穿第二金属覆铜层(2)、第二介质层(7)；所述第三介质层(8)上设置有多个直径相同的金属化过渡孔(81)，所述多个金属化过渡孔(81)与多个金属化移相孔(71)一一对应且共轴，所述金属化过渡孔(81)贯穿第三金属覆铜层(3)、第三介质层(8)；所述第四介质层(9)上设置有基片集成波导并馈网络；

所述金属化辐射孔(61)的半径采用如下方法计算得到：假设工作频率为f，工作波长为λ的电磁波由XOY平面沿直线传播到焦点F(0,0,R)处，此时焦距为R；设第二介质层(7)的厚度为h，金属化辐射孔(61)的数目为M×N；设第(i,j)和(s,t)个金属化辐射孔(61)的坐标分别为(x_i,y_j,0)和(x_s,y_t,0)，则相对于坐标原点(0,0,0)的绝对路程差为 $S\left(i,j\right)=\sqrt{{x_i}^2+{y_j}^2+R^2}-R$ 和 $S(s,t)=\sqrt{{x_s}^2+{y_t}^2+R^2}-R,$ 则从第(i,j)和(s,t)个金属化辐射孔(61)到焦点的相对路程差为：S＝S(i，j)-S(s，t)，金属化辐射孔(61)均工作于主模，则其半径a满足：λ/3.41＜a＜λ/2.61，据此可以确定金属化辐射孔(61)的半径取值范围；

所述金属化移相孔(71)的半径采用如下方法计算得到：假设S(i，j)＞S(s，t)，设第(m,n)个金属化移相孔(71)半径为b(m，n)，对应的相位常数为 $\mathrm{\&beta;}\left(m,n\right)=\sqrt{{(2\mathrm{\&pi;}f/c)}^2-{\&lsqb;1.8412/b(m,n)\&rsqb;}^2},$ 那么电磁波在半径为b(m，n)的金属化移相孔(71)中的传播距离为h，相位改变量为p(m，n)＝β(m，n)×h，如果要在焦距R处实现聚焦特性，则P(i，j)-P(s，t)＝[S(i，j)-S(s，t)]×(2πf/c)，从而可以确定第(m,n)个金属化移相孔(71)的半径b(m，n)。

2.如权利要求1所述的近场聚焦平面阵列天线，其特征在于：所述基片集成波导并馈网络由多级子网络构成，每一级子网络包括多个“T”形头，上一级子网络的“T”形头的两个输出端分别与下一级子网络的两个“T”形头的输入端连接，周期排列下去共同组成基片集成波导并馈网络，所述“T”形头由三个基片集成波导单元组成，在第四介质层(9)上设置两排金属化通孔(91)并且所述金属化通孔(91)贯穿第四金属覆铜层(4)、第四介质层(9)和第五金属覆铜层(5)形成所述基片集成波导单元，所述三个基片集成波导单元的连接区域设置有金属化匹配孔(92)，所述第四金属覆铜层(4)上还设置有馈电槽(41)，所述馈电槽(41)位于金属化过渡孔(81)内。

3.如权利要求2所述的近场聚焦平面阵列天线，其特征在于：所述第一介质层(6)、第二介质层(7)采用介电常数为4.5的FR4材料制作而成，所述第三介质层(8)、第四介质层(9)采用介电常数为3.5的RF35材料制作而成。

4.如权利要求3所述的近场聚焦平面阵列天线，其特征在于：所述第一介质层(6)的厚度为1.6mm，第二介质层(7)的厚度为6.4mm，第三介质层(8)的厚度为1.52mm，第四介质层(9)的厚度为0.508mm。

5.如权利要求4所述的近场聚焦平面阵列天线，其特征在于：所述金属化辐射孔(61)与金属化过渡孔(81)的直径为18mm；距离阵列中心从远到近金属化移相孔(71)直径依次为18mm、18.8mm、20mm。

6.如权利要求5所述的近场聚焦平面阵列天线，其特征在于：所述基片集成波导单元的宽度为10mm。

7.如权利要求6所述的近场聚焦平面阵列天线，其特征在于：所述金属化通孔(91)的直径为0.5mm，孔心距为0.95mm。

8.如权利要求7所述的近场聚焦平面阵列天线，其特征在于：所述馈电槽(41)的长度为11.9mm，宽度为0.3mm，偏移基片集成波导单元中心线的距离为0.1mm。