一种基于平面口径阵列的高效率近场聚焦天线的制作方法

本发明属于天线工程技术领域，涉及一种近场聚焦天线，该天线辐射能量在菲涅尔区内设计的焦点会聚。

背景技术：

近年来，近场聚焦的天线被应用到了射频识别(rfid)、工业检测、微波热疗、门禁系统、无线能量传输(wpt)、微波成像等领域，得到了广泛的关注。如在专利一种微带阵列圆极化聚焦天线(cn201510222283)中提出了一种圆极化的聚焦天线阵列，用于高效率的微波输能。在专利一种适用于微波热疗的平面阵列聚焦天线(cn201410799934)中提出了用于微波热疗的聚焦天线阵。在专利微波波束聚焦旋转扫描装置(cn201110352013)中提出了一种可以用于微波成像领域的聚焦扫描装置。在这些应用中，目标位于天线的近场(菲涅尔区)，因此不关心天线的远场辐射特性，而需要其能量在近场聚焦，实现高效率。

实现近场聚焦的天线形式多种多样，传统的方法是使用一个馈源天线加上介质透镜，ahmeda.kishk的团队提出了改进的平面透镜，可以简单地用pcb技术加工。p.nepa的团队提出了一种用于近场聚焦的反射阵天线。这几类天线都需要额外的馈源，因此整体剖面高。evarajo-iglesias的团队提出了几种基于调制阻抗表面的聚焦天线，具有剖面低、馈电简单的优点。此外，近场聚焦的阵列天线，尤其是微带阵列，具有剖面低、设计灵活的优点，但功分馈电网络损耗较高。

“differentiallyfedplanarapertureantennawithhighgainandwidebandwidthformillimeterwaveapplication”这篇文章提出了一种差分馈电的低剖面口径天线，在“planarapertureantennawithhighgainandhighapertureefficiencyfor60-ghzapplications”中平面口径天线拓展到了线阵。该类天线具有馈电简单、低剖面、高效率等优点。

技术实现要素：

本发明在背景技术的基础上，提出一种新型的平面聚焦天线，该天线由四组平面口径天线线阵组成，由一个一分四的微带功分网络进行馈电，并通过耦合通孔耦合激励四组线阵。本发明天线具有与传统微带聚焦阵列相似的近场辐射特性，但不需要庞大的馈电网络，具有结构简单、低损耗、高效率的优点。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于平面口径阵列的高效率近场聚焦天线，包括从上到下设置的天线层、耦合腔体层、以及馈电网络层。

所述天线层包括第一介质基板、设置在第一介质基板上表面的矩形辐射槽阵列、以及覆盖第一介质基板下表面的第一金属地板，所述第一介质基板内部设置有四组金属化过孔构成的矩形围栏，所述第一金属地板上设置有四个第一耦合槽，且第一耦合槽分别位于四组围栏中心位置。

所述每组金属化过孔围栏以及其内部的矩形辐射槽阵列、第一耦合槽构成一个线阵。

所述耦合腔体层为一层金属板，金属板内设置有四个位于第一耦合槽正下方的的矩形耦合通孔，分别负责耦合激励四组线阵。所述金属板可以支撑固定天线层与馈电网络层的介质基板以及馈电用的sma接头，增加天线的机械强度，通过优化矩形耦合通孔的尺寸也可以增大天线带宽。

所述馈电网络层包括第二介质基板、覆盖于第二介质基板上表面的第二金属地板、以及设置于基板下表面的一分四微带功分网络；所述第二金属地板上设置有四个第二耦合槽，且四个第二耦合槽分别位于矩形耦合通孔的正下方。

本发明通过一分四的微带功分器给四组线阵馈电，微带线通过两层耦合槽和一层耦合通孔激励起在金属化过孔构成的波导结构中传播的电磁波，并在辐射槽产生辐射。为了实现聚焦，不同线阵所需要的相位分布通过微带线提供，线阵内部的不同辐射槽选取在适当的位置，使辐射出的电磁波相位满足聚焦条件。该平面聚焦天线仅需要一个一分四微带功分器激励，线阵内部几乎没有损耗，结构简单、辐射效率高。

附图说明

图1为天线整体结构的3d视图。图中坐标系仅表明方向，坐标系原点在阵列中心。

图2为图1中一个线阵几个特殊面的俯视图。其中(a)为第一介质基板上表面，(b)为第一介质基板内部截面，(c)为第一介质基板下表面，(d)为金属板切面，(e)为第二介质基板上表面。

图3为实施例的仿真(simu.)、实测(meas.)驻波曲线。

图4为实施例的仿真的焦平面(z＝200mm)归一化能量方向图，单位：db，频率10ghz。

图5为实施例的实测焦平面归一化能量方向图，单位：db，频率10ghz。

具体实施方式

本实施例天线的整体结构如图1，天线层中第一介质基板101采取3mm厚的rogers5880，其相对介电常数为2.2，损耗角正切0.0009；耦合腔体层采用3mm厚的铝板105；馈电网络层中第二介质基板107为0.5mm厚的rogers5880。

所述第一介质基板101上表面设置有80个尺寸相同的矩形辐射槽102，其长宽分别为17.5mm、8.5mm。第一介质基板内部设置有四组金属化过孔构成的矩形围栏103，围栏总长宽分别为175mm、45mm。覆盖于第一介质基板下表面的第一金属地板上设置有四个第一矩形耦合槽104，长宽分别为22.5mm、2.75mm，且第一矩形耦合槽分别位于四组围栏中心位置。

所述耦合腔体层105设置有四个矩形耦合通孔106，位于每组线阵中央正下方，通过优化其尺寸可以改善驻波，优化后的长宽分别为30mm、16mm。

馈电网络由设置在第二介质基板107上表面的第二金属地板和下表面的一分四微带功分网络109构成，第二金属地板上还设置有与矩形耦合通孔对应的四个第二矩形耦合槽108，长宽分别为27mm、2mm。

线阵内部的辐射槽呈不均匀分布，不同位置的辐射槽由于电磁波在波导中传播的相位滞后产生不同相位的辐射。通过在适当位置选取辐射槽，使每个槽辐射的电磁波在设计的焦点处同相；然后通过调整104、106、108尺寸优化线阵驻波。线阵设计完成后，用四个相同的线阵间隔50mm布阵，并通过一分四的微带线提供适当的聚焦相位分布，在焦点处实现笔形焦斑。馈电网络最终提供50ω微带线端口，并优化驻波至-10db以下，可以与常用的sma接头匹配良好。

图3给出了天线驻波性能，测试结果与仿真结果吻合，在部分频段略高于仿真结果，但在-10db以下，天线在9～11ghz频带内驻波均低于-10db，达到一般应用的要求，且具有较宽的带宽。仿真和实测焦平面方向图分别见图4和图5；天线聚焦性能良好，在焦平面形成笔形焦斑，在e面(xoz面)副瓣电平低于-10db，h面(yoz面)仿真副瓣电平约-9db，由于加工测试中的偏差，实测为-8db。该聚焦天线近场聚焦特性与传统的聚焦阵列相似，但馈电结构简单，相对于传统阵列天线庞大的功分网络，损耗低、效率高。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种基于平面口径阵列的高效率近场聚焦天线，属于天线工程技术领域。该天线包括从上到下设置的天线层、耦合腔体层、以及馈电网络层。天线通过一分四的微带功分器给四组线阵馈电，微带线通过两层耦合槽和一层耦合通孔激励起在金属化过孔构成的波导结构中传播的电磁波，并在辐射槽产生辐射。为了实现聚焦，不同线阵所需要的相位分布通过微带线提供，线阵内部的不同辐射槽选取在适当的位置，使辐射出的电磁波相位满足聚焦条件。该平面聚焦天线仅需要一个一分四微带功分器激励，线阵内部几乎没有损耗，结构简单、辐射效率高。

技术研发人员：屈世伟;李鹏发;廖绍伟;薛泉
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2018.09.21
技术公布日：2019.01.25