渐变缝隙天线及其相控阵天线的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及渐变缝隙天线及其相控阵天线。本实用新型提供了一种渐变缝隙天线，其特征在于，包括：介质板；导电层，设置于所述介质板的表面上，所述导电层的上端呈渐变槽线；带状线，设置于所述介质板中；以及微带线，设置于所述介质板表面上并位于所述导电层与所述介质板之间，所述微带线耦合至所述带状线以用于对所述渐变缝隙天线进行馈电。本实用新型还提供了一种相控阵天线，其包括天线装置阵列，所述天线装置阵列包括多个如上所述的渐变缝隙天线；以及设置于所述天线装置阵列上方的宽角阻抗匹配装置。
【专利说明】渐变缝隙天线及其相控阵天线
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及通信领域，尤其涉及一种渐变缝隙天线及其相控阵天线。
【背景技术】
[0002]渐变缝隙天线(也称为渐变槽线天线)是一种端射行波微带天线，它通过在基片上蚀刻出一条逐渐张开的槽线而将电磁能量辐射出去。通过设计渐变缝隙天线与馈电系统的阻抗匹配，可以达成期望的带宽和增益性能。渐变缝隙天线具有宽频带、低成本、体积小、方向图对称性好等优点，因此在雷达或卫星等通信领域具有广泛的应用。同时，渐变缝隙天线在组成阵列时各阵元间的互耦效应可以改善其阻抗匹配，使得渐变缝隙天线在相控阵和微波成像领域具有越来越广泛的应用前景。
[0003]图1示出了一种常见的渐变缝隙天线。该渐变缝隙天线包括:介质板10和导电层
11。介质板10中设有带状线12，其中带状线12是介质板10中的内层走线，用于向该渐变缝隙天线进行馈电。图1中示出渐变缝隙天线包括两个导电层11，两个导电层11分别设置于介质板10的正面和背面(即，介质板10的两个相对表面)上。导电层11上端呈渐变槽线17，具有逐渐张大的开口。根据渐变槽线17渐变的形式不同，渐变缝隙天线分为指数渐变缝隙天线(Vivaldi天线)、直线渐变缝隙天线(LTSA天线)和固定宽度缝隙天线(CWSA天线)。
[0004]在现有技术中，通常使用SMA接头来为带状线12馈电。在渐变缝隙天线中，需要对导电层11和介质板10进行开槽，从而在底端形成开口 15以暴露介质板10内层的带状线12底端部分，从而将SMA接头焊接至介质板10中的带状线12。然而，将导电层11和介质板10进行开槽会影响带状线12的阻抗匹配，由此影响渐变缝隙天线在各个扫描角度上的天线性能。
[0005]本领域需要一种具有良好阻抗匹配的渐变缝隙天线。
实用新型内容
[0006]鉴于现有技术的缺点，本实用新型要解决的技术问题是提供一种具有良好阻抗匹配的渐变缝隙天线。
[0007]在一个实施例中，提供了一种渐变缝隙天线，包括:介质板；导电层，设置于所述介质板的表面上，所述导电层的上端呈渐变槽线；带状线，设置于所述介质板中；以及微带线，设置于所述介质板表面上并位于所述导电层与所述介质板之间，所述微带线耦合至所述带状线以用于对所述渐变缝隙天线进行馈电。
[0008]优选地，所述导电层的底端设有开口以暴露所述微带线，用于将所述微带线连接至馈电接头。
[0009]优选地，所述馈电接头是SMA接头，所述SMA接头经由所述开口焊接至所述微带线。
[0010]优选地，所述导电层的上端还设有与所述介质板的侧边大致平行的矩形槽。[0011 ] 优选地，所述渐变缝隙天线还包括:所述导电层中的谐振腔，所述谐振腔位于所述渐变槽线的最窄处且与所述渐变槽线相连接。
[0012]优选地，所述渐变缝隙天线还包括:反射板，所述反射板设置于所述谐振腔与所述介质板的底边之间，所述反射板设置成与所述介质板大致垂直且与所述介质板的底边大致平行。
[0013]优选地，所述渐变槽线是双指数渐变槽线。
[0014]优选地，所述开口是半圆形开口，其半径为I?3mm。
[0015]优选地，所述开口的半径为1.76mm。
[0016]本实用新型提供了一种相控阵天线，包括:天线装置阵列，所述天线装置阵列包括多个如上所述的渐变缝隙天线；以及设置于所述天线装置阵列上方的宽角阻抗匹配装置，其中所述宽角阻抗匹配装置包括:第一基板；多个水平导电几何结构，所述多个水平导电几何结构水平地设置在所述第一基板的一表面上；以及多个竖直导电几何结构，所述多个竖直导电几何结构设置在所述多个水平导电几何结构上方或下方且大致垂直于所述第一基板。
[0017]优选地，所述多个水平导电几何结构和/或所述多个竖直导电几何结构是由导电材料制成的具有一定几何图形的平面或立体结构。
[0018]优选地，所述宽角阻抗匹配装置还包括第二基板和填充材料，所述填充材料填充于所述第一基板和所述第二基板之间，所述多个竖直导电几何结构固定于所述填充材料上和/或所述填充材料内。
[0019]本实用新型的带状线及微带线结构融合了两者的优点，从而具有信号传输速度快和抗干扰能力强等优点。
[0020]由于微带线是PCB表面的走线，经由导电层中的开口就可以直接将微带线与馈电接头等连接，因此无需在介质板中开口，减少了对微带线的阻抗匹配的影响。
[0021]此外，通过带状线和微带线的阻抗匹配计算和仿真优化来制作开口，能够减少能量传输过程中不必要的损耗和反射，提高天线效率。
[0022]此外，通过对导电层开槽(渐变槽线和矩形槽)，改变了天线表面电流分布，同时相当于附加了电容，影响了谐振频率，使得随扫描角度增加而向带内移动的全反射点向高频移动，进而扩展了天线带宽和扫描范围。
[0023]如上所述，本实用新型的渐变缝隙天线利用彼此耦合的微带线和带状线进行馈电，能够有利地提高馈电性能，避免了开口影响带状线的阻抗匹配，具有宽频带和良好的增益。当如上所述的渐变缝隙天线按某种方式组成阵列天线时，能够实现相控阵宽带宽角扫描馈电系统，在保证天线尺寸较小的同时，提高大角度扫描增益，扩展了频带和扫描范围，同时减弱了带外盲点对带内驻波的影响，提升天线阵列的扫描性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1示出了一种现有技术的渐变缝隙天线。
[0025]图2示出了本实用新型一实施例的渐变缝隙天线的正视图。
[0026]图3示出了本实用新型一实施例的渐变缝隙天线的分解视图。
[0027]图4示出了本实用新型一实施例的带状线及微带线的示意图。[0028]图5A?示出了本实用新型的渐变缝隙天线和理想带状线在各个扫描角度时的增益曲线对比图。
[0029]图6示出了本实用新型的渐变缝隙天线和理想带状线的增益对比表格。
[0030]图7示出了本实用新型一实施例的相控阵天线设备的立体示意图。
[0031]图7A示出了本实用新型一实施例的水平超材料微结构单元的示意图。
[0032]图7B示出了本实用新型一实施例的竖直超材料微结构单元的示意图。
【具体实施方式】
[0033]本实用新型提供了一种渐变缝隙天线及其相控阵天线。以下结合附图详细描述本实用新型的实施例。此处所描述的实施例仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型，在不冲突的情况下本实用新型中的各实施例中的特征可以相互组合。
[0034]图2示出了本实用新型一实施例的渐变缝隙天线的正视图。从正面看，该渐变缝隙天线可包括渐变槽线17、矩形槽14、反射板13、开口 15、以及从开口 15暴露出的微带线16。为了更清楚地说明该渐变缝隙天线的结构，图3示出了本实用新型一实施例的渐变缝隙天线的分解视图。
[0035]如图所示，该渐变缝隙天线包括:介质板10 ;至少一个导电层11，导电层11设置于介质板10的表面上。在本实用新型中，介质板10中设有馈电线，该馈电线包括设置于介质板10中的带状线12、以及设置于介质板10的一个表面上并位于导电层11与介质板10之间的微带线16，微带线16耦合至带状线12以用于对该渐变缝隙天线进行馈电。带状线12在介质板10中延伸并且其末端可采用扇形或其他形状来提高天线的阻抗匹配带宽。图4示出了本实用新型一实施例的带状线12及微带线16的示意图。如本领域技术人员可以理解的，带状线12是印刷电路板(PCB)内层的走线，其信号传输速度快；而微带线16是PCB表面的走线，其抗干扰能力强。带状线12可在末端处延伸至介质板10表面以与微带线16连接，也可通过其他导体将微带线16连接至带状线12。本实用新型的带状线12及微带线16结构融合了两者的优点，从而具有信号传输速度快和抗干扰能力强等优点。较佳的是，介质板10的厚度例如可以为I?4mm (例如,优选为1.5mm);介质板10的介电常数例如可以为2?3。较佳的是，带状线12及微带线16可由高导电材料制成，例如铜或铝。
[0036]根据本实用新型，该渐变缝隙天线可包括一个或两个导电层11。若包含一个导电层11，则这个导电层11可设置在介质板10的一个表面上。若包含两个导电层11，则这两个导电层11可分别设置在介质板10的两个相对表面上。较佳的是，导电层11为金属层，例如为铜覆层或铝覆层。每个导电层11上端呈渐变槽线17，渐变槽线17可以是沿Y轴对称的两条指数曲线。较佳的是，所述渐变槽线17是双指数渐变槽线。在进一步的实施例中，导电层11的上端还可开设(例如通过刻蚀等加工方式)与介质板10的侧边大致平行的矩形槽14。较佳的是，矩形槽14开设于介质板10的一个侧边附近或两个侧边附近。矩形槽14可具有选定的长度和宽度，并且离导电层11的侧边具有选定的距离。较佳的是，所述矩形槽的宽度是0.15mm?2mm,长度是IOmm?14mm,所述矩形槽离开所述介质板的侧边的距离是Omm?1.5_。该渐变缝隙天线还包括谐振腔，谐振腔位于渐变槽线17的最窄处且与所述渐变槽线17相连接(图3A中所示的导电层11的圆形区域)。由于对导电层11开槽(渐变槽线17和矩形槽14)，改变了天线表面电流分布，同时相当于附加了电容，影响了谐振频率，使得随扫描角度增加而向带内移动的全反射点向高频移动，进而扩展了天线带宽和扫描范围。
[0037]根据本实用新型，导电层11的底端设有开口 15以暴露微带线16，用于将微带线16连接至馈电接头或用于加载匹配负载等。例如，馈电接头可以是SMA接头,所述SMA接头经由开口 15焊接至介质板10表面的微带线16，从而能够经由微带线16和带状线12对该渐变缝隙天线进行馈电。在一个实施例中，开口 15的形状为半圆形，其半径可为I?3mm(例如，优选为1.76mm)0开口 15的形状和大小会在一定程度上影响微带线16的阻抗大小，通过优化开口 15的形状和大小可以得到期望的阻抗匹配。跟据传输线原理，通过带状线12和微带线16的阻抗匹配计算和仿真优化来制作开口 15，能够减少能量传输过程中不必要的损耗和反射，提闻天线效率。
[0038]相比于例如图1中所示的采用带状线12的现有技术渐变缝隙天线，本实用新型的渐变缝隙天线的开口 15的位置为原带状线12的PCB金属走线的延伸(即微带线16)，从而开口 15不会影响带状线12的阻抗匹配。此外，由于微带线16是PCB表面的走线，经由导电层11中的开口 15就可以直接将微带线16与馈电接头等连接，无需在介质板10中开口，减少了对微带线16的阻抗匹配的影响。
[0039]为进一步提高性能，该渐变缝隙天线还可包括反射板13，反射板13可设置于上述谐振腔与介质板10的底边之间。该反射板13可设置成与介质板10大致垂直且与介质板10的底边大致平行。较佳的是，反射板13是金属反射板，例如由铜或铝制成。反射板13可以是整片金属反射板，也可以是部分区域设有金属的反射板。反射板13可用于支撑该渐变缝隙天线，并消除工作频段高频盲点。
[0040]根据本实用新型的渐变缝隙天线发送信号的过程为:发射信号从馈源耦合至微带线16，再传递至带状线12，带状线12将发射信号耦合至渐变槽线17的窄缝上，使得发射信号沿渐变槽线17张开的方向传播，往缝隙开口方向朝外发送信号。这里的馈源包括功率分配/相加网络、移相器、收发开关以及其他用来调制天线的角度、相位等的器件。
[0041]如上所述，本实用新型的渐变缝隙天线利用彼此耦合的微带线16和带状线12进行馈电，能够有利地提高馈电性能，避免了开口 15影响带状线12的阻抗匹配，具有宽频带和良好的增益。图5A?示出了本实用新型的渐变缝隙天线和理想带状线在各个扫描角度时的增益曲线对比图。例如，图5A示出了扫描角度为0°时，本实用新型的渐变缝隙天线的增益曲线A和理想带状线的增益曲线B，其中横轴表示频率(GHz)，纵轴表示增益(dB)。类似地，图5B、5C和分别示出了扫描角度为45°、60°、75。时，本实用新型的渐变缝隙天线的增益曲线A和理想带状线的增益曲线B。图6示出了本实用新型的渐变缝隙天线和理想带状线的增益对比表格。从上述增益对比可以看出，本实用新型的渐变缝隙天线与理想带状线的增益曲线几乎一致，在各个扫描角度皆能够有效地达成近乎理想带状线的增益性能，避免了现有技术中在带状线位置开槽可能对天线增益造成的显著不利影响。
[0042]当如上所述的渐变缝隙天线按某种方式组成阵列天线时，还能够实现相控阵宽带宽角扫描馈电系统，其在保证天线尺寸较小的同时，提高了大角度扫描增益，扩展了频带和扫描范围，同时减弱了带外盲点对带内驻波的影响，提升了天线阵列的扫描性能。图7示出了本实用新型一实施例的相控阵天线的立体示意图。该相控阵天线包括天线装置阵列201和设置于天线装置阵列201上方的宽角阻抗匹配装置。该相控阵天线还可包括外壳(未示出)，所述天线装置阵列201和宽角阻抗匹配装置均位于所述外壳内。该天线装置阵列201包括多个如上所述的渐变缝隙天线。为了更清楚地看到相控阵天线的内部构成，在图7中仅示出了部分的天线装置阵列201和宽角阻抗匹配装置。此外，天线装置阵列201可以设置在母板202上，该母板202较佳地是金属母板。
[0043]所述宽角阻抗匹配装置包括:第一基板101 ;多个水平导电几何结构102，其水平地(例如通过刻蚀等加工方式)设置在所述第一基板101的一表面上；以及多个竖直导电几何结构104，其设置在这些水平导电几何结构102上方或下方且大致垂直于第一基板101。水平导电几何结构102和竖直导电几何结构104是由导电材料制成的具有一定几何图形的平面或立体结构，也称为超材料微结构。水平导电几何结构102和竖直导电几何结构104都可以根据需要设计成特定形状。例如，水平导电几何结构102的形状可如图7A所示，即，呈开口对向设置的双C形结构；竖直导电几何结构104的形状可如图7B所示，S卩，包括外围口字形结构和中央横边对向设置的双T形结构。
[0044]该宽角阻抗匹配装置还可包括第二基板105和填充材料103，该填充材料103填充于第一基板101和第二基板105之间，这多个竖直导电几何结构104镶嵌、焊接或粘接于填充材料103内且排列成大致垂直于第一基板101和第二基板105。填充材料103例如可以是泡沫填充材料。每个竖直导电几何结构104的正上方或正下方分别对应有一个水平导电几何结构102。虽然在图7所示的宽角阻抗匹配装置中，竖直导电几何结构104设置在水平导电几何结构102上方，但本领域技术人员可以理解，竖直导电几何结构104也可以设置在水平导电几何结构102下方。
[0045]虽然在图7所示的宽角阻抗匹配装置中，示出了第二基板105和填充材料103，但本领域技术人员可以理解，第二基板105和/或填充材料103也可被省略。另外，可以有多个第一基板101依次以一定间距堆叠，每个第一基板101 —表面上设置有多个水平导电几何结构102，并有对应多个竖直导电几何结构104大致垂直于第一基板101地设置在第一基板101表面上。进一步地，第一基板101、第二基板105、以及填充于其间的填充材料103可共同构成一个阻抗匹配层，本实用新型的宽角阻抗匹配装置可由多个这样的阻抗匹配层堆叠而成。另外，水平导电几何结构102或竖直导电几何结构104可以是多层导电几何结构。
[0046]较佳的是，这些水平或竖直导电几何结构可以按照矩形周期或三角形周期排列。所谓“矩形周期排列”是指某列导电几何结构中的每个导电几何结构与相邻列导电几何结构中的每个导电几何结构相互对齐。所谓“三角形周期排列”是指某列导电几何结构中的每个导电几何结构与相邻列导电几何结构中的每个导电几何结构相互错开一定距离，“三角形周期排列”也可称为“平行四边形周界排列”。
[0047]由于宽角阻抗匹配装置既包含水平排列的导电几何结构102，又包含竖直排列的导电几何结构104，经过设计的超材料微结构可以等效为很多电容电感，可以从三维方向对电磁波相位进行很好的调制，可以减小因为扫描角度增加而导致的阻抗失配，从而达到宽角阻抗匹配的目的。本实用新型的相控阵天线可应用于例如飞行器、机动车、船、雷达或卫星等。
[0048]上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的【具体实施方式】，上述的【具体实施方式】仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种渐变缝隙天线，其特征在于，包括: 介质板； 导电层，设置于所述介质板的表面上，所述导电层的上端呈渐变槽线； 带状线，设置于所述介质板中；以及 微带线，设置于所述介质板表面上并位于所述导电层与所述介质板之间，所述微带线耦合至所述带状线以用于对所述渐变缝隙天线进行馈电。
2.如权利要求1所述的渐变缝隙天线，其特征在于: 所述导电层的底端设有开口以暴露所述微带线，用于将所述微带线连接至馈电接头。
3.如权利要求2所述的渐变缝隙天线，其特征在于: 所述馈电接头是SMA接头，所述SMA接头经由所述开口焊接至所述微带线。
4.如权利要求1所述的渐变缝隙天线，其特征在于: 所述导电层的上端还设有与所述介质板的侧边大致平行的矩形槽。
5.如权利要求1所述的渐变缝隙天线，其特征在于，还包括: 所述导电层中的谐振腔，所述谐振腔位于所述渐变槽线的最窄处且与所述渐变槽线相连接。
6.如权利要求5所述的渐变缝隙天线，其特征在于，还包括: 反射板，所述反射板设置于所述谐振腔与所述介质板的底边之间，所述反射板设置成与所述介质板大致垂直且与所述介质板的底边大致平行。
7.如权利要求1所述的渐变缝隙天线，其特征在于: 所述渐变槽线是双指数渐变槽线。
8.如权利要求2所述的渐变缝隙天线，其特征在于: 所述开口是半圆形开口，其半径为I~3mm。
9.如权利要求8所述的渐变缝隙天线，其特征在于: 所述开口的半径为1.76mm。
10.一种相控阵天线，其特征在于，包括: 天线装置阵列，所述天线装置阵列包括多个如权利要求1-9中任一项所述的渐变缝隙天线；以及 设置于所述天线装置阵列上方的宽角阻抗匹配装置，其中所述宽角阻抗匹配装置包括: 第一基板； 多个水平导电几何结构，所述多个水平导电几何结构水平地设置在所述第一基板的一表面上；以及 多个竖直导电几何结构，所述多个竖直导电几何结构设置在所述多个水平导电几何结构上方或下方且大致垂直于所述第一基板。
11.如权利要求10所述的相控阵天线，其特征在于， 所述多个水平导电几何结构和/或所述多个竖直导电几何结构是由导电材料制成的具有一定几何图形的平面或立体结构。
12.如权利要求11所述的相控阵天线，其特征在于， 所述宽角阻抗匹配装置还包括第二基板和填充材料，所述填充材料填充于所述第一基板和所述第二基板之间，所述多个竖直导电几何结构固定于所述填充材料上和/或所述填充材料内。
【文档编号】H01Q21/00GK203596414SQ201320775828
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2013年11月29日 优先权日:2013年11月29日
【发明者】不公告发明人 申请人:深圳光启创新技术有限公司