一种基于非均匀特异媒质的高品质波束天线的制作方法
【专利摘要】本发明涉及天线赋形技术。本发明公开了一种基于非均匀特异媒质的波束天线，利用微带结构构成的非均匀特异媒质，对天线方向图进行赋形。本发明的技术方案是，一种基于非均匀特异媒质的高品质波束天线，包括辐射器和赋形单元，所述赋形单元置于所述辐射器的辐射波束前方，所述赋形单元具有微带结构，由介质基板和分布在所述介质基板表面的微带单元构成，利用所述微带单元形状、大小和位置调整所述辐射器波束形状。本发明的赋形单元由介质基板和分布在介质基板表面的微带单元构成，具有非均匀特异媒质特性。可以对辐射器波束形状进行调整，实现方向图的各种赋形，为高品质波束提供了更大的设计自由度。
【专利说明】一种基于非均匀特异媒质的高品质波束天线
【技术领域】
[0001]本发明涉及天线赋形技术，特别涉及一种基于非均匀特异媒质的高品质波束天线。
【背景技术】
[0002]在微波应用技术中，微波的传输和接收都离不开天线系统，如微波通信、微波探测、微波无线能量传输等。不同的应用领域，对天线系统有不同的要求。
[0003]微波无线能量传输是以微波为载体，通过天线进行微波能量的发射和接收，实现远距离的无线能量传送，在空间太阳能电站等诸多领域有广阔的应用前景。
[0004]微波无线能量传输系统中，微波能量发射天线是关键设备之一，发射天线为高增益定向天线，它辐射出极窄的大功率微波波束，将微波能量集中地传送到接收天线的口径面。接收天线后方连接若干个整流电路，将微波能量转换为直流能量并输出，整流电路的整流效率(即转换的直流能量与馈入的微波能量之比)是影响微波无线能量传输系统效率的关键因素之一。
[0005]高增益定向天线的辐射方向图通常为笔状波束，即方向图主瓣的中心增益高而边缘增益低，因此发射天线辐射的微波波束的中心微波功率密度大而边缘功率密度小，这造成接收天线口径面上的微波功率密度分布不均匀，同样为中心大而边缘弱。而整流电路的整流效率与馈入电路的微波功率大小密切相关，只有馈入微波功率大小适当时，整流电路才能实现最大的整流效率。显然，由于笔状波束造成的微波功率密度分布不均匀，将严重制约接收系统的整流电路实现最大整流效率。
[0006]针对微波无线能量传输系统需求，非常必要设计方向图主瓣增益均匀，即波束主瓣形状由笔形改变为类似矩形的发射天线方向图。借用滤波器的品质因子(即矩形系数)来描述天线波束形状，具有波束主瓣增益均匀的天线可称为高品质波束天线。
[0007]高品质波束天线属于赋形天线中一种，传统的赋形天线设计方法一般可以分为:反射面赋形和阵列赋形。例如1984年在《IEEE Transactions on Antennas andPropagation))中发表的论文“The current state of the reflector antenna art，，(Vol.32, N0.4, p.313-329)介绍了反射面赋形，通过加载反射面，对馈源发出的电磁波进行反射叠加在远场形成合适的方向图。反射面赋形可以是多馈源元天线，也可以是单馈源的天线。多馈源反射面赋形，一方面可以通调节馈源激励幅度和激励相位，另一方面还可以调节反射板的形状、大小、放置位置来对天线方向图进行赋形，这样大大增加了赋形的灵活度，能够完成对复杂方向图的赋形。但天线系统的大量开销将花费在设计和调整波束形成网络上，并且复杂的波束形成网络会引起射频损耗降低天线系统的增益。单馈源反射面赋形克服了多馈源赋形损耗大的缺点，结构也相对简单，但是赋形能力有限。1985年在((Antennas and Propagation Society International Symposium〉〉中论文“Phased arraycontour beam shaping by phase optimization”(Vol.23，p.475-478)介绍了阵列赋形，该技术利用馈电功分网络，通过调整阵元的激励幅度，激励相位，或者调整阵元之间的间隙来改变天线辐射方向图。传统的阵列赋形方法例如:切比雪夫多项式法，傅里叶变换法，泰勒法，伍德沃德法等，但这些方法很难完成对复杂方向图的赋形。
[0008]下面简单介绍一下本发明涉及的两个技术名词:特异媒质和微带结构。
[0009]特异媒质是指具有天然材料所不具备独特物理性质的人工复合结构或复合材料。例如具有负介电常数和负磁导率的左手材料、频率选择表面(Frequency SelectiveSurface, FSS)、高阻表面(High Impedance Surface)等。特异媒质的独特电磁特性使其得到了广泛应用，包括应用于天线设计中，如提高天线增益，拓展天线带宽和实现天线小型化
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[0010]微带结构包括介质基板和金属层，金属层通常是通过涂敷工艺在介质基板表面形成的金属涂覆层或采用黏贴工艺形成的金属贴片层。金属层可以形成于介质基板的一面或两面,如常用的单面和双面印刷电路板(Printed Circuit Board, PCB)。为了实现各种功能，通常在金属层上通过刻蚀、剪贴工艺制成各种微带单元，如保留在介质基板表面的各种形状的金属块(称为微带贴片)或在金属层形成的各种形状的微带缝隙(去掉金属部分而露出介质基板的图案)，这些微带单元具有不同的功能，可以构成微带滤波器、微带耦合器、微带传输线、微带天线等。
【发明内容】
[0011]本发明所要解决的技术问题，就是提供一种基于非均匀特异媒质的波束天线，利用微带结构构成的非均匀特异媒质，对天线方向图进行赋形。
[0012]本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是，一种基于非均匀特异媒质的高品质波束天线，包括辐射器和赋形单元，所述赋形单元置于所述辐射器的辐射波束前方，其特征在于，所述赋形单元具有微带结构，由介质基板和分布在所述介质基板表面的微带单元构成，利用所述微带单元形状、大小和位置调整所述辐射器波束形状。
[0013]本发明的技术方案，采用赋形单元对辐射器方向图进行赋形。赋形单元由介质基板和分布在介质基板表面的微带单元构成，具有非均匀特异媒质特性。介质基板表面的各个微带单元，对电磁波具有不同的反射系数幅值和相位，通过改变微带单元的形状、大小、位置等参数，可以对辐射器波束形状进行调整，实现方向图的各种赋形，为高品质波束提供了更大的设计自由度。
[0014]具体的，所述微带单元为微带贴片。
[0015]或者，所述微带单元为微带缝隙。
[0016]进一步的，所述微带单元形状相同或不同。
[0017]进一步的，所述微带单元大小相同或不同。
[0018]进一步的，所述微带单元之间距离相同或不同。
[0019]微带贴片和微带缝隙是两种常用的微带单元结构，通过调整微带单元的形状、大小、位置等参数，可以改变辐射器的方向图，按照设计要求对辐射器方向图赋形。
[0020]优选的，所述辐射器为微带天线。
[0021]采用微带天线作为辐射器，是本发明优选的结构形式。微带天线的辐射方向图通过和微带单元赋形，可以改变微带天线的辐射方向图，达到设计要求。这种系统具有小型化的优点，可以用于各种便携式设备中。[0022]具体的，所述微带天线的介质基板与微带单元的介质基板平行。
[0023]由于通常微带天线的波束指向微带天线基板的垂直方向，微带天线的介质基板与微带单元的介质基板平行配置，能够最大限度的发挥赋形单元的功能，提高赋形效果。
[0024]推荐的，所述辐射器为定向天线系统。
[0025]定向天线系统可以发生定向波束，与本发明的赋形单元结合，可以发挥最大的赋形效果。
[0026]具体的，所述定向天线系统为抛物面反射天线。
[0027]抛物面反射天线是定向天线系统的比较常见的结构形式，其发射波束指向抛物面反射器的轴线方向，将本发明的赋形单元平行放置在抛物面反射器口面前方，就可以完成抛物面反射天线系统的方向图赋形。
[0028]本发明的有益效果是，能够将发射天线的波束修改为类矩形的高品质波束，高品质波束的均匀功率密度分布有助于微波无线能量传输系统获得最大系统效率。本发明的技术方案可以应用于各种类型天线，并且工程实施简便易行。本发明的赋形单元是通过在介质基板表面形成若干大小不同的微带单元构成，可采用微带印刷工艺进行加工制作，具有成本低、加工精度高和易于大批量制作的优点。本发明可以通过对微带单元的适当设计，以及恰当地调整辐射天线和赋形单元之间距离，能够实现波束赋形，同时基本不影响辐射天线的回波损耗和工作频点等性能指标。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1是实施例1的结构示意图；
[0030]图2是图1的P-P剖视图；
[0031]图3是实施例1中的微带天线示意图；
[0032]图4是实施例1天线的Sll曲线图；
[0033]图5是实施例1天线的辐射方向图(E面)；
[0034]图6是实施例1天线的辐射方向图(H面)；
[0035]图7是实施例2的示意图；
[0036]图8是图7的Q-Q剖视图；
[0037]图9是实施例3的示意图；
[0038]图10、图11和图12是过中心点的两条垂直直线分割赋形单元的示意图。
[0039]图中，I为赋形单元；10为微带单元(微带贴片);11为介质基板；2为微带天线；20为微带天线辐射贴片；21为微带天线基板；22为微带天线接地面；A、B、C和D分别为四种不同大小的正方形微带贴片；0X和OY为过中心点的两条垂直直线。
【具体实施方式】
[0040]下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。
[0041]本发明的赋形单元采用介质基板表面分布若干大小或形状不同的微带单元，构成非均匀特异媒质层。将该非均匀特异媒质层放置在辐射器波束前方，通过调整非均匀特异媒质层中微带单元的形状、大小、位置以及非均匀特异媒质层与辐射天线之间的距离等参数，利用非均匀特异媒质层对电磁波的反射和透射特性改变波束形状。[0042]实施例1
[0043]本例基于非均匀特异媒质的高品质波束天线，结构如图1图2和图3所示，包括辐射器2和赋形单元I。本例赋形单元的作用是使天线波束主瓣增益均匀，即形成高品质波束，并且基本不影响辐射器2的回波损耗和工作频点等性能指标。
[0044]本例赋形单元I具有微带结构，由一块厚度为0.5mm，大小为80X80mm，介电常数为2.65的介质基板11，及介质基板11表面分布的4种大小不同的正方形微带单兀10构成，本例微带单元10均为微带贴片，图1中分别标注为正方形微带单元A、B、C和D，它们的边长a为分别4.0mm、4.8mm、5.8mm、6.9mm,微带单元之间的中心间距d为14mm。图1为该赋形单元的正视图，图中微带单元A置于介质基板11的中心位置，其上下左右等距离布置的是微带单元B，微带单元B外侧布置微带单元C，4个微带单元D分别位于介质基板11中心到对角连线的1/2处。由图1可以看出，本例赋形单元中，由于微带贴片的分布位置和大小不同，使这块80X80mm的微带结构具有非均勻特异媒质特性，能够使天线波束主瓣增益均匀，形成高品质波束。
[0045]本例辐射器2采用工作频率为5.8GHz的微带天线构成，其结构包括介质基板21、矩形辐射贴片20和接地面22。该微带天线制作厚度为1mm、尺寸为80 X 80mm、基板21介电常数为2.65。由图2可以看出，赋形单元I的基板11与微带天线2的介质基板21平行配置，并置于辐射器2的辐射波束前方，与辐射器2的距离为h，矩形辐射贴片20位于赋形单元I的中心位置O的后方。
[0046]由图4所示的上述结构的天线Sll曲线图可见，加载赋形单元I前后，天线的回波损耗曲线和工作频点基本保持不变。由图5和图6所示的辐射方向图可以看出，E面和H面的方向图顶部都变得平坦了，即将原来的笔形波束调整为更接近矩形波束，大大提高了波束功率密度的均匀性，非常适合用于提高微波输能系统的微波转换效率。改变上述微带单元10的边长a和中心距离d，可以调整波束形状。也可以通过调整赋形单元I和辐射器2之间的距离h和/或微带单元10的形状改变辐射器2波束形状。
[0047]实施例2
[0048]本例基于非均匀特异媒质的高品质波束天线结构如图7和图8所示，微带单元10采用微带缝隙，该微带缝隙是采用刻蚀工艺在介质基板11表面的金属涂覆层上，刻蚀掉金属层形成的矩形图案。本例天线同样可以通过调整微带单元10的形状、大小、位置等调整辐射器波束形状。本例其他结构与实施例1相同。
[0049]实施例3
[0050]如图9所示，本例基于非均匀特异媒质的高品质波束天线，其中微带单元10形状为圆形，可以匹配采用圆形辐射贴片的微带天线，通过调整微带单元的直径大小和分布位置等参数，能够改变辐射器的波束形状。本例微带单元10同样可以是微带贴片或微带缝隙。
[0051]上述实施例描述的赋形单元中，微带单元分布的共同特点是，介质基板上分布有大小不同的微带单元，这些微带单元的分布关于中心点对称，使得过该中心点的任意两条垂直直线将赋形单元分成结构相同的四部分，如图10?图12所示。这种分布规律能够使天线波束主瓣增益均匀，形成高品质波束。
[0052]上述实施例是采用不同大小的微带单元，通过等间距分布得到非均匀特异媒质特性。可以看出，本发明也可以采用相同大小的微带单元，通过不同的分布距离得到非均匀特异媒质特性。或者采用不同大小的微带单元，并结合不同的分布距离得到非均匀特异媒质特性。这些不同性能特点的非均匀特异媒质，可以产生不同的波束赋形效果，得到不同的波束形状。
[0053]本发明的技术方案，同一个赋形单元中微带单元可以有不同的形状。根据不同的波束赋形要求，可以采用矩形和圆形组合构成，或矩形和十字形以及圆形等组合构成。同一个赋形单元中微带单元既可以是微带贴片，也可以是微带缝隙，或者由微带贴片和微带缝隙混合构成。总之，本发明的赋形单元中，微带单元具有非常灵活的配置方式，可以获得不同的赋形效果和波束形状。本发明的述辐射器还可以采用定向天线系统，如抛物面反射天线等，只要将本发明的赋形单元置于辐射器波束前方，就可以对辐射器波束进行赋形，得到不同的波束形状。
【权利要求】
1.一种基于非均匀特异媒质的高品质波束天线，包括辐射器和赋形单元，所述赋形单元置于所述辐射器的辐射波束前方，其特征在于，所述赋形单元具有微带结构，由介质基板和分布在所述介质基板表面的微带单元构成，利用所述微带单元形状、大小和位置调整所述辐射器波束形状。
2.根据权利要求1所述的一种基于非均匀特异媒质的高品质波束天线，其特征在于，所述微带单元为微带贴片。
3.根据权利要求1所述的一种基于非均匀特异媒质的高品质波束天线，其特征在于，所述微带单元为微带缝隙。
4.根据权利要求1所述的一种基于非均匀特异媒质的高品质波束天线，其特征在于，所述微带单元形状相同或不同。
5.根据权利要求1所述的一种基于非均匀特异媒质的高品质波束天线，其特征在于，所述微带单元大小相同或不同。
6.根据权利要求1所述的一种基于非均匀特异媒质的高品质波束天线，其特征在于，所述微带单元之间距离相同或不同。
7.根据权利要求1所述的一种基于非均匀特异媒质的高品质波束天线，其特征在于，所述辐射器为微带天线。
8.根据权利要求7所述的一种基于非均匀特异媒质的高品质波束天线，其特征在于，所述微带天线的介质基板与微带单元的介质基板平行。
9.根据权利要求1所述的一种基于非均匀特异媒质的高品质波束天线，其特征在于，所述辐射器为定向天线系统。
10.根据权利要求9所述的一种基于非均匀特异媒质的高品质波束天线，其特征在于，所述定向天线系统为抛物面反射天线。
【文档编号】H01Q13/08GK103887615SQ201410134089
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年4月3日 优先权日:2014年4月3日
【发明者】陈星 , 黄卡玛, 刘长军, 郭庆功, 杨阳, 赵翔, 闫丽萍, 杨晓庆, 陈倩 申请人:四川大学