专利名称：一种基于一维复式光栅结构的高定向平面天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种平面高定向天线，具体是指可以实现高定向性辐射，利用简 单一维复式光栅结构的平面天线。
背景技术：
现有技术中，在地面车辆，航天器等要求低轮廓、嵌入式安装的场合下，常 用的是缝隙天线。这类天线的基本结构是金属片上开槽来辐射电磁波，可以通过 同轴传输线或波导馈电(漏波天线，可消除背瓣)，而且可以通过建立阵列的方 式提高其正向辐射，但由于其结构上的限制，这类天线只能在一个面上实现定向 辐射，在另一个面上由于天线实际尺寸有限的原因，其辐射效果受到边缘绕射效 应的影响，其辐射没有定向性可言；这类天线常采用的馈电方式为波导馈电，这 也使得适用微波波段的这类天线体积很大，这些缺点都限制了其应用。另有一类利用电磁波谐振表面材料实现的平面天线，这类天线是利用双层印 刷电路板刻蚀制成，其下表面为铜箔，上表面为规则的正方形铜箔组成的周期阵 列，上、下表面由金属化孔相连，用单极子或偶极子小天线作为馈源，置于表面 附近。由于这种表面存在磁谐振和对应其谐振频率的表面带隙，可以抑制天线的 背瓣和旁瓣，提高发射效率。但是-由于该结构只有一个表面波带隙和一个同位 相反射频率，因此，天线只能在单一频段内有效辐射，而其辐射的方向图也没有 定向性。为提高这类天线的方向性，有人将单个天线阵元放在利用单一谐振单元 的电磁波谐振表面构成的腔体结构中，实现高方向性辐射，或者将其上表面换为 两种不同形状的铜箔贴片(专利号200510024519.4)来达到多带磁响应和多表面 波带隙，在其表面同位相反射、表面波抑制和由其准周期结构的旋转对称性引起 的局部不均匀性获得高定向辐射。但无论是腔体结构，还是利用两种不同形状的 铜箔贴片来实现高定向辐射，其结构都比较复杂，制作、装配上有一定难度，其 实现和应用上都有很大限制。发明内容本发明的目的是公开一种可以实现高定向性辐射的平面天线。这种天线成本 低廉，制作简单，可以方便地设计成单个小馈源的高定向性、高增益性平面天线， 无论将天线作为接收端或者发射端都可以大幅度的提高灵敏度和探测距离。为达上述目的，本发明经过对由一个栅条和一个刻槽间隙组成一个周期单元 的一维普通光栅研究后发现，只有形成一维复式光栅，才能达到本发明的高定向 性、高增益性。和前述一维普通光栅一样，这类复式结构也是周期性结构，不同 的是周期单元由若干个金属栅条及栅条间的缝隙构成。每个周期单元中栅条排布 的特点如下金属栅条均为长方形，其长度都相同，但是如果各栅条间隙相同， 则栅条的宽度必须各不相同；如果各栅条间隙不同，则栅条的宽度可以相同；或 者栅条宽度和间隙宽度都不相同。具体结构是，包括单极子或偶极子小馈源、金属底板、介质层和上表面，上 表面由设计数量的周期单元一维平移平铺于介质层表面构成，每个周期单元由相 同宽度的间隙与不相同宽度的金属栅条；或由不相同宽度的间隙与相同宽度的金 属栅条；或由不同宽度的金属栅条与不同宽度的间隙排列组合构成。所述的每个周期单元由两种不同宽度的金属栅条，以及相同宽度或不同宽度 的缝隙排列组合构成。所述的每个周期单元由相同宽度的金属栅条，以及不同宽度的缝隙排列组合 构成。所述的每个周期单元由三种不同宽度的金属栅条，以及相同宽度或不同宽度 的缝隙排列组合构成。所述的不同宽度的金属栅条为1~10种不同宽度，不同宽度的缝隙为1~10 种不同宽度。本发明的效果和优点如下1、本发明的一维复式光栅结构表面具有一维周期性和平移对称性，每个周 期单元中由若干个金属栅条及栅条间的缝隙构成，即，各栅条间隙可以相同，而 栅条的宽度各不相同；或者栅条宽度和间隙宽度都不相同，周期单元中栅条、间 隙宽度不同而导致的局部不均匀性，可以在与其周期长度相应波长附近的近场 源，调节衍射模式。具体是，对反射波在零阶于一阶模式中选择发射，使能量集中于光栅平面的法向，从而达到高定向、高增益辐射，方向性系数可达 "=300-400范围。2、 本发明只需要将每个单元中金属栅条和缝隙宽度设计成天线或微波电路 的使用要求，在市售双面印刷电路板上刻蚀即可制成，具有结构简单，制作容易， 成本低廉的特点和优势。3、 本发明主要是利用一维复式光栅对于近场源的调制，故而从结构上看利 于实现天线小型化、平面化，在许多低轮廓装配要求的场合都可以有广泛应用。
图1为本发明的栅条宽度不同，间隙宽度相同的一维复式光栅结构示意2为图1的一个周期单元的正视3为图2的A向视4为图1结构在9.3GHz的E面和H面辐射方向5为本发明中栅条宽度相同，间隙宽度不同的一维复式光栅结构示意6为图5的一个周期单元的正视7为图6的B向视8为图5结构在9.8GHz的E面和H面辐射方向图 图中1一A宽度金属栅条；2—B宽度金属栅条；3— I缝隙；4一介质；5—金属底 板；6—C宽度金属栅条；7—II缝隙；8—III缝隙。
具体实施方式
实施例1请参阅附图1-3。本发明的一维周期平移对称排列构成的平面天线使用市售 双面印刷电路板刻蚀制做，由A宽度金属栅条1和B宽度金属栅条2以及I缝隙 3构成的上表面，上表面的下面的介质4，介质4下面的金属底板5构成。上表 面的A宽度金属栅条1和B宽度金属栅条2两种栅条是长方形形状，长边同为 200毫米，A宽度金属栅条l的短边的宽度为20毫米，B宽度金属栅条2的短边 的宽度为6毫米，I缝隙3为l毫米，介质层厚度为1.58毫米，介质的介电常 数为2.65。将自制的工作在11GHz的偶极子天线放置在上述中心处的A宽度金属栅条1 和B宽度金属栅条2之间的I缝隙3上，贴近表面来进行H面和E面的两个主平 面的辐射方向图测量。方向图测量结果如图5所示，该方向图采用的坐标是线性 功率比值。从正向增益频谱可以看出其在9.3GHz处，天线增益达20. ldB。辐射 方向图的测量可以看出其高方向性辐射的特点，E面和H面的3dB宽度分别为12 度和20度，计算所得方向性系数为0=300。实施例2请参阅附图5-7。本发明的另一种结构的一维周期平移对称排列构成的平面 天线，同样使用市售双面印刷电路板刻蚀制做。每一个周期中金属栅条宽度相同(C 宽度金属栅条6)，间隙有宽度不同的两种(II缝隙7和III缝隙8)。由C宽度金属 栅条6以及II缝隙7和III缝隙8构成的上表面中，C宽度金属栅条6是长方形形 状，长边同为200毫米，短边的宽度为6毫米，III缝隙8为1毫米，II缝隙7 为8毫米，其余结构与实施例1中相同(介质层厚度为1. 58毫米，介质的介电 常数为2.65)。将自制的工作在llGHz的偶极子天线放置在上表面中心处的C宽度金属栅条 6上，贴近表面来进行H面和E面的两个主平面的辐射方向图测量。方向图测量 结果如图8所示，该方向图采用的坐标是线性功率比值。从正向增益频谱可以看 出其在9.8GHz处，天线增益达22. ldB。辐射方向图的测量可以看出其高方向性 辐射的特点，E面和H面的3dB宽度分别为8度和15度，计算所得方向性系数 为D=370。
权利要求
1.一种基于一维复式光栅结构的高定向平面天线，包括单极子或偶极子小馈源、金属底板(5)、介质层(4)和上表面，其特征在于上表面由设计数量的周期单元一维平移平铺于介质层表面构成，每个周期单元由相同宽度的间隙与不相同宽度的金属栅条；或由不同宽度的间隙与相同宽度的金属栅条；或由不同宽度的金属栅条与不同宽度的间隙排列组合构成。
2. 根据权利要求1所述的一种基于一维复式光栅结构的高定向平面天线， 其特征在于所述的每个周期单元由A宽度金属条(1)和B宽度金属条(2) 两种不同宽度的金属栅条，以及相同宽度的I缝隙(3)排列组合构成。
3. 根据权利要求1所述的一种基于一维复式光栅结构的高定向平面天线， 其特征在于所述的每个周期单元由一种相同宽度的金属栅条，以及不同宽度的 缝隙排列组合构成。
4. 根据权利要求1所述的一种基于一维复式光栅结构的高定向平面天线， 其特征在于所述的每个周期单元由A宽度金属条(1)和B宽度金属条(2) 两种不同宽度的金属栅条，以及不同宽度的缝隙排列组合构成。
5. 根据权利要求1所述的一种基于一维复式光栅结构的高定向平面天线， 其特征在于所述的每个周期单元由A宽度金属条(1) 、 B宽度金属条(2)和 C宽度金属条(5)三种不同宽度的金属栅条，以及相同宽度的缝隙排列组合构 成。
6. 根据权利要求1所述的一种基于一维复式光栅结构的高定向平面天线， 其特征在于所述的每个周期单元由A宽度金属条(1) 、 B宽度金属条(2)和 C宽度金属条(5)三种不同宽度的金属栅条，以及间隙为不同宽度的I缝隙G)，或n缝隙(7)，或m缝隙(8)排列组合构成。
7. 根据权利要求1所述的一种基于一维复式光栅结构的高定向平面天线， 其特征在于所述的不同宽度的金属栅条为1 10种不同宽度。
8. 根据权利要求1所述的一种基于一维复式光栅结构的高定向平面天线， 其特征在于所述的不同宽度的缝隙为1 10种不同宽度。
全文摘要
一种基于一维复式光栅结构的高定向平面天线，涉及一种平面高定向天线。包括单极子或偶极子小馈源、金属底板(4)、介质层(3)和上表面，其特征在于上表面由设计数量的周期单元一维平移平铺于介质层表面构成，每个周期单元由相同宽度的间隙与不相同宽度的金属栅条；或由不相同宽度的间隙与相同宽度的金属栅条；或由不同宽度的金属栅条与不同宽度的间隙排列组合构成。不同宽度的金属栅条为1～10种不同宽度，不同宽度的缝隙为1～10种不同宽度。本发明达到高定向、高增益辐射，方向性系数可达D＝300-400范围，具有结构简单，制作容易，成本低廉的特点和优势，利于实现天线小型化、平面化，在许多低轮廓装配要求的场合都可以有广泛应用。
文档编号H01Q1/38GK101246993SQ20081003470
公开日2008年8月20日 申请日期2008年3月17日 优先权日2008年3月17日
发明者张冶文, 李宏强, 超 武, 鸿 陈, 魏泽勇, 魏雯婕 申请人:同济大学