并馈阵列天线及其加工成型方法.pdf

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摘要
申请专利号:

CN201110110604.8

申请日:

2011.04.29

公开号:

CN102280698A

公开日:

2011.12.14

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情:

授权|||实质审查的生效IPC(主分类):H01Q 1/38申请日:20110429|||公开

IPC分类号:

H01Q1/38; H01Q21/00; H01Q21/24

主分类号:

H01Q1/38

申请人:

刘建江

发明人:

刘建江

地址:

100102 北京市朝阳区望京利泽西园308楼1单元201室

优先权:

专利代理机构:

代理人:

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内容摘要

本发明涉及并馈阵列天线及其加工成型方法。该加工成型方法包括:步骤1,采用拉伸或挤压模具成型技术加工并馈阵列天线的介质结构;步骤2,对得到的介质结构的表面做金属化工艺或层压工艺处理;步骤3,采用研磨工艺研磨掉激励端口表面(60i)、第二部分介质的末端表面(60a~60h)以及并馈阵列天线宽度方向的两个端面(60j、60k)上的金属镀层;或者该方法包括:步骤10,把并馈阵列天线在结构上分成若干层,然后分层加工;步骤20,将这些金属材料或者外表面做金属化处理的塑料材料的分层结构按顺序无缝焊接在一起。本发明的阵列天线具有超宽带和高效率的特点。

权利要求书

1.一种并馈阵列天线的辐射单元,其特征在于,并馈阵列天线的辐射单元包括介质结构和金属结构;介质结构分为两部分,第二部分介质是第一部分介质沿辐射单元能量传播方向的结构延伸;金属结构也分为两部分,第一部分金属导体层覆盖在第一部分介质的下表面和第二部分介质的侧壁,第二部分金属导体层覆盖在第一部分介质的上表面和第二部分介质的侧壁。2.如权利要求1所述的辐射单元,其特征在于,第二部分介质的横向尺寸和整个介质结构的横向尺寸相同。3.如权利要求1所述的辐射单元,其特征在于,介质部分是空气或者多层不同介电常数的介质。4.如权利要求1所述的辐射单元,其特征在于,介质结构还包括第三部分介质和第四部分介质,第三部分介质和第一部分介质正交放置;第四部分介质和第二部分介质正交放置。5.如权利要求1所述的辐射单元,其特征在于,第一部分介质、第二部分介质、第一部分金属导体层及第二部分金属导体层的相对两个侧壁被截断,形成有限宽度的切向缝隙节单元。6.如权利要求5所述的辐射单元,其特征在于,第一部分介质、第二部分介质的侧壁覆盖金属,第一部分金属导体层、第二部分金属导体层的侧壁覆盖金属;或者第一部分介质、第二部分介质的侧壁覆盖非金属,第一部分金属导体层、第二部分金属导体层的侧壁覆盖非金属;或者第一部分介质、第二部分介质的侧壁覆盖吸收材料,第一部分金属导体层、第二部分金属导体层的侧壁覆盖吸收材料。7.如权利要求1所述的辐射单元,其特征在于,第二部分介质的横截面是渐变形式的。8.如权利要求1所述的辐射单元,其特征在于,第二部分介质有一级以上的台阶。9.如权利要求8所述的辐射单元,其特征在于,第一部分介质有一级以上的台阶。10.如权利要求1所述的辐射单元,其特征在于,第一部分介质有一级以上的台阶。11.如权利要求8所述的辐射单元,其特征在于,所述一级以上的台阶的截面为一段或若干段以一定张角展开的扇环形或梯形。12.如权利要求1所述的辐射单元,其特征在于,介质结构包含的第二部分介质形成的突起是第一部分介质沿辐射单元能量传播方向的延伸,突起之间互相隔离,按一定间距排成辐射阵列。13.如权利要求12所述的辐射单元,其特征在于,切向缝隙节单元的高度小于辐射阵列的纵向尺寸。14.如权利要求12所述的辐射单元,其特征在于,相邻切向缝隙节单元之间的金属覆盖部分形成一个横向金属槽。15.如权利要求12所述的辐射单元,其特征在于,每个切向缝隙节在横截面尺寸及介质参数方面保持一致。16.如权利要求12所述的辐射单元,其特征在于,特定切向缝隙节在横截面尺寸或介质参数方面与其它切向缝隙节不同。17.如权利要求12所述的辐射单元,其特征在于,第二部分介质或者横向凸起之间通过加强筋连接。18.并馈阵列天线,其特征在于,包含若干如权利要求1-3和5-17任意一项所述的辐射单元,若干辐射单元排列成辐射阵列,经由馈电网络并列馈电,构成并馈阵列天线。19.如权利要求18所述的并馈阵列天线的加工成型方法,其特征在于,包括:步骤1,采用拉伸或挤压模具成型技术加工并馈阵列天线的介质结构;步骤2,对得到的介质结构的表面做金属化工艺或层压工艺处理;步骤3,去除激励端口表面(60i)、第二部分介质的末端表面(60a~60h)以及并馈阵列天线宽度方向的两个端面(60j、60k)上的金属镀层;或者该方法包括:步骤10,将并馈阵列天线自上而下沿纵向剖切为若干层,利用机械加工或者模具成型技术分别加工每一层;步骤20,将这些金属材料或者外表面做金属化处理的塑料材料的分层结构按顺序无缝焊接在一起。20.一种双极化并馈阵列天线,其特征在于,由权利要求18所述的并馈阵列天线正交而成。21.如权利要求20所述的双极化并馈阵列天线的加工成型方法,其特征在于,包括:步骤100,双极化阵列天线的介质填充部分自上而下沿纵向剖切为若干层,每一层利用机械加工或模具成型技术加工成型;步骤200,分别对每一层介质构件暴露在空气中的所有外表面做金属化工艺或层压工艺处理;步骤300,去除每一层指定表面上的金属镀层;步骤400,用塑料焊接或粘接技术把各个介质构件层的相应表面无缝连结,同时保证激励端口表面和辐射口径表面暴露在空气中;步骤500,利用超声波焊接或真空钎焊技术将步骤400中的连接界面处的金属镀层无缝焊接在一起。

说明书

并馈阵列天线及其加工成型方法

技术领域

该项发明主要用于天线的生产设计,尤其涉及并馈阵列天线及其加工成型
方法。

背景技术

介质填充的广义波导连续缝隙节阵列天线的主要缺点是介质损耗,而且介
质损耗在毫米波频段非常显著。其它缺点还包括:由于介质的不均匀性和各向
异性导致的材料参数的不稳定性、介质材料参数随环境变化的波动性及专用微
波材料的高成本,等等。

空气填充的微波结构与介质填充的结构相比较而言,介质损耗显著变小,
并且克服了介质材料本身的不均匀性和各向异性导致的材料参数的不稳定性。
另外,由于电磁能量通过空气而不是介质媒介传播,因此,广义波导连续缝隙
节阵列天线可以选择那些有着优良的物理特性但微波特性很差的工程塑料(如:
ABS)来制作,在这类工程塑料的表面喷涂金属镀层能很好地模拟金属导体。但
是空气填充的微波结构也存在问题,特别是对于波导结构来说,由于微波电路
特性需要波导内部尺寸的精确性来保证,而波导结构的产品组装完毕后是无法
通过外部仪器检测其内部尺寸的加工精度的,这就要求我们要提出一种针对空
气填充的广义波导连续缝隙节阵列天线的加工方法,这种方法既能严格保证各
个零部件的准确定位及加工精度,同时又能在波导壁上提供均匀连续的导电缝
隙以方便焊接。

该项发明为并馈广义波导连续缝隙节阵列天线提供了两种有效的加工成型
方法,该方法也适用于串馈广义波导连续缝隙节阵列天线的加工成型。

发明内容

若干个广义波导连续缝隙节辐射单元排列组合,并由平行板波导组成的馈
电网络并列馈电形成并馈广义波导连续缝隙节阵列天线。加工并馈广义波导连
续缝隙节阵列天线有两种方法。第一种方法,采用拉伸或挤压模具成型,这种
方法适用于波导传输媒质是介质材料的情形,尤其适合较低频段的并馈广义波
导连续缝隙节阵列天线;第二种方法,采用分层结构的成型工艺,这种方法主
要适用于波导传输媒质是空气的情形,具体包含:首先把并馈广义波导连续缝
隙节阵列天线分成若干层,每一层利用传统机加或模具成型技术;然后,利用
超声波焊接或真空钎焊技术,把这些金属材料或者外表面做金属化处理的塑料
材料的分层结构组装并焊接在一起。

并馈结构远比串馈结构复杂,因此本发明所涉及的加工成型方法主要针对
并馈广义波导连续缝隙节阵列天线,但也适用于串馈广义波导连续缝隙节阵列
天线的加工成型。

对于波导传输媒质是介质材料的情形,按照并馈广义波导连续缝隙节阵列
天线的横截面结构精确设计模具,采用拉伸或挤压工艺制造出不同宽度的阵列
天线的介质构件部分,然后在此介质构件表面做金属化工艺处理,最后通过研
磨工艺研磨掉激励端口、辐射端口以及沿阵列天线宽度方向的两个端面上的金
属镀层,使处于这些位置的介质部分暴露在空气中,这样介质构件两侧的金属
部分连同填充介质部分就构成了并馈广义波导连续缝隙节阵列天线的平行板波
导馈电网络和广义波导连续缝隙节辐射单元。采用这种工艺,最大的好处在于:
整个阵列没有任何拼接缝隙,不需要粘接或焊接。但当阵列天线的宽度显著时,
要保证整个阵列结构可靠,馈电网络中的阻抗变换段及T型分支就不能太细,
因此,这种方法比较适合运用于较低频段的并馈广义波导连续缝隙节阵列天线
的加工制造。

对于波导传输媒质是空气的情形,采用分层工艺,即把整个并馈广义波导
连续缝隙节阵列天线做纵向剖切,从下到上,依次剖分为若干层,每一层利用
传统机加或模具成型技术;然后,利用超声波焊接或真空钎焊技术,把这些金
属材料或者外表面做金属化处理的塑料材料的分层结构组装并焊接在一起。运
用这些成熟的工艺过程,可以确保产品具有较低或中等加工成本,以利于产业
化进程中的大批量生产。

空腔(即:空气传输媒质)结构的微波器件与介质填充的结构相比较而言,
介质损耗显著变小,并且克服了介质材料本身的不均匀性和各向异性导致的材
料参数的不稳定性;另外,在空腔结构的金属与空气交界面处,金属壁表面非
常光滑,而在介质填充结构的金属与介质交界面处,金属壁表面比较粗燥,因
此,前者的导体损耗远远小于后者的导体损耗,尤其在毫米波频段。

由于电磁能量通过空气而不是介质媒介传播,因此基于产品成本方面的考
虑,广义波导连续缝隙节阵列天线可以选择那些有着优良的物理特性但微波特
性很差的工程塑料(如:ABS)来制作。利用传统机加或注塑模具制造出各个层
状塑料构件,然后运用金属化工艺(真空淀积+非电解镀层)或层压工艺,在
这些层状塑料构件的表面喷涂或叠压金属层用以模拟金属导体,这种加工成型
方法非常适合低成本天线的大批量生产。

对于那些需要精密公差配合及结构坚固的应用场合,整个阵列天线的层状
构件就不能选择塑料,而必须选择金属材料(为降低重量,一般选择铝材)。为
降低导体损耗,这些金属层状构件需要做表面处理,最后利用特定的工装夹具
及真空钎焊技术把它们组装并焊接成一个整体。

利用平行板波导组成的馈电网络对由广义波导连续缝隙节辐射单元排列组
合而成的辐射阵列进行并列(并联)馈电,形成并馈广义波导连续缝隙节阵列
天线,这种结构的阵列天线具有超宽带和高效率的特点,非常适用于多功能军
事通信系统或民用通信系统(数字微波和全球卫星通信),上述的分层工艺有益
于这种并馈广义波导连续缝隙节阵列天线的加工成型。

双极化并馈广义波导连续缝隙节阵列天线由两个单极化并馈广义波导连续
缝隙节阵列天线相互正交而成,这种结构的双极化并馈广义波导连续缝隙节阵
列天线必须采用介质材料做为波导传输媒质。双极化并馈广义波导连续缝隙节
阵列天线的详细成型过程,一共分五步:第一步,把双极化阵列天线的介质填
充部分自上而下沿纵向剖切为若干层,每一层利用传统机加或模具成型技术;
第二步,分别对每一层介质构件暴露在空气中的所有外表面做金属化工艺或层
压工艺处理;第三步,采用研磨工艺研磨掉每一层指定表面上的金属镀层;第
四步,利用塑料焊接或粘接技术把各个介质构件层的相应表面无缝连结,同时
保证激励端口表面和辐射口径表面暴露在空气中;第五步,利用超声波焊接或
真空钎焊技术把第四步中的连结界面处的金属镀层无缝焊接在一起。

附图说明

通过以下介绍,结合视图,可以更加容易地理解该项发明的特点和优点:

图1(a)-图1(c)分别是单极化并馈广义波导连续缝隙节阵列天线采用拉
伸工艺结构的立体视图、俯视图及A-A剖视图;

图2(a)-图2(c)分别是另一种结构形式的单极化并馈广义波导连续缝隙
节阵列天线采用拉伸工艺结构的立体视图、上视图及A-A剖视图;

图3(a)-图3(c)分别是单极化并馈广义波导连续缝隙节阵列天线采用分
层工艺结构的立体视图、俯视图及A-A剖视图;

图4(a)-图4(c)分别是图3(a)-图3(c)中第一层部件的上视图、A-A
剖视图及下视图;

图5(a)-图5(c)分别是图3(a)-图3(c)中第二层部件的上视图、A-A
剖视图及下视图;

图6(a)-图6(c)分别是图3(a)-图3(c)中第三层部件的上视图、A-A
剖视图及下视图;

图7(a)-图7(c)分别是图3(a)-图3(c)中第四层部件的上视图、A-A
剖视图及下视图;

图8(a)-图8(c)分别是双极化并馈广义波导连续缝隙节阵列天线采用分
层工艺结构的立体视图、侧视图及上视图;

图9是图8(a)-图8(c)立体视图的爆炸视图;

图10(a)-图10(d)分别是图9中第一层部件的下视图、剖视图及上视图;

图11(a)-图11(d)分别是图9中第二层部件的下视图、剖视图及上视图;

图12(a)-图12(d)分别是图9中第三层部件的下视图、剖视图及上视图;

图13(a)-图13(d)分别是图9中第四层部件的下视图、剖视图及上视图;

图14是广义波导连续缝隙节辐射单元示意图。

具体实施方式

图1(a)-图1(c)分别是单极化并馈广义波导连续缝隙节阵列天线70采用
拉伸工艺结构的立体视图、俯视图及A-A剖视图,其中隐去了金属镀层部分,
呈现的是介质填充部分。由多级1/4波长阶梯阻抗变换器和T型分支构成的超
宽带馈电网络(第一、二、三层)对由广义波导连续缝隙节辐射单元61a~61h
构成的辐射阵列并列馈电,形成单极化并馈广义波导连续缝隙节阵列天线70。
阵列天线70的介质填充部分由精确设计的一体化模具拉伸或挤压所成,然后对
此介质构件表面做金属化工艺或层压工艺处理,从而在该介质构件表面形成一
层均匀的金属镀层(图中已隐去),最后采用研磨工艺研磨掉激励端口表面60i、
辐射端口表面60a~60h以及沿阵列天线70宽度方向的两个端面60j和60k上
的金属镀层,使处于这些位置的介质部分暴露在空气中,这样介质构件两侧的
金属部分连同填充介质部分就构成了并馈广义波导连续缝隙节阵列天线70。

广义波导连续缝隙节辐射单元11如图14所示,是平行板波导或传输线的
一部分。辐射单元11包含介质结构和金属结构;介质结构分为两部分,第二部
分介质102是第一部分介质101沿辐射单元能量传播方向的结构延伸,这两部
分介质的介电常数εr可以相同也可以不同;金属结构也分为两部分,第一部分
金属导体层120覆盖在第一部分介质101的下表面和第二部分介质102的侧壁,
第二部分金属导体层130覆盖在第一部分介质101的上表面和第二部分介质102
的侧壁。切向缝隙节单元11有一个辐射能量的横向凸起15(内部填充第二部分
介质102),它的末端没有金属覆盖,暴露在自由空间中。横向凸起15是一级或
若干级渐开平板波导级联构成(该示意图中横向凸起15由四级渐开平板波导级
联所成,据此称之为四级广义波导连续缝隙节辐射单元,级数可以根据需要设
置,其中:第一级渐开平板波导的展开角为α1,长度为L1;第二级渐开平板波
导的展开角为α2,长度为L2;第三级渐开平板波导的展开角为α3,长度为L3;
第四级渐开平板波导的展开角为α4,长度为L4),其中可以填充空气和介质材
料εr,分布于平行板波导侧面的某一面。由线源激励起沿x方向传播的入射波
导模式,该模式进一步在切向缝隙节单元11内部沿x方向传播,并辐射到自由
空间中去。辐射电场矢量是z方向的线极化,辐射磁场矢量是-y方向的线极化,
按照辐射方向图主平面的定义:最大辐射方向处的电场方向与能量传播方向构
成E面,最大辐射方向处的磁场方向与能量传播方向构成H面,广义波导连续
缝隙节辐射单元11的E面是xoz平面,H面是xoy平面。利用广义波导连续缝
隙节辐射单元组阵,可以构成微波、毫米波和准光学频段的阵列天线。

广义波导连续缝隙节从平行板波导耦合能量的耦合系数只取决于横截面的
几何尺寸,而与工作频率和介质的介电常数εr无关,因此广义波导连续缝隙节
辐射单元11从本质上具有宽带特性,同时对机械形变及材料参数的变化具有鲁
棒性。

广义波导连续缝隙节辐射单元11的另一种变形,可由若干段扇环级联演变
为若干段梯形级联,可以使广义波导连续缝隙节辐射单元的结构更简单,加工
成本更低。

图2(a)-图2(c)分别是另一种结构形式的单极化并馈广义波导连续缝隙
节阵列天线71采用拉伸工艺结构的立体视图、上视图及A-A剖视图,其中隐去
了金属镀层部分,呈现的是介质填充部分。基于图1(a)-图1(c)中同样的原
因,需要采用研磨工艺研磨掉62a、62b、62c和62d表面的金属镀层,使处于
这些位置的介质部分暴露在空气中。阵列天线71与70在结构上最显著的不同
之处在于:阵列天线71的广义波导连续缝隙节辐射单元之间通过一段加强筋相
互连结而成为一个整体,这种结构大大加强了阵列天线71的结构强度和稳定性。

图3(a)-图3(c)分别是单极化并馈广义波导连续缝隙节阵列天线72采用
分层工艺结构的立体视图、俯视图及A-A剖视图。由8个广义波导连续缝隙节
辐射单元63d及由多级1/4波长阶梯阻抗变换器和T型分支构成的超宽带馈电
网络(第一、二、三层)构建的空腔(即:空气传输媒质)结构的并馈广义波
导连续缝隙节阵列天线72自下向上纵向剖切成四层:第一层包含激励线源输入
端口63及1个二路功率分配器63a的水平臂的下壁和侧壁;第二层包含1个二
路功率分配器63a的水平臂的上壁、2个垂直波导节64a及2个二路功率分配器
63b的水平臂的下壁和侧壁;第三层包含2个二路功率分配器63b的水平臂的上
壁、4个垂直波导节64b及4个二路功率分配器63c的水平臂的下壁和侧壁;第
四层包含4个二路功率分配器63c的水平臂的上壁、8个垂直波导节64c及8个
广义波导连续缝隙节辐射单元63d。每一层利用传统机加或模具成型技术,然后
利用超声波焊接或真空钎焊技术,把这些金属材料或者外表面做金属化处理的
塑料材料的分层结构组装并焊接在一起。焊接之前,每一层构件都必须保证至
少有一个敞开面用于外部检测仪器的检测,并且每一层均可以挖去一些不需要
的部分以降低重量。

图4(a)-图7(c)分别单独显示了图3(a)-图3(c)中第一、二、三及四
层部件的上视图、A-A剖视图及下视图,从中可以清晰地了解每一层的结构细节。

图8(a)-图8(c)是双极化并馈广义波导连续缝隙节阵列天线73的立体视
图、侧视图及上视图,为清晰起见,隐去了金属镀层部分,只呈现介质填充部
分。原理上,它是由两个图1(a)-图1(c)所示的单极化并馈广义波导连续缝
隙节阵列天线70相互正交而成,这种结构的双极化并馈广义波导连续缝隙节阵
列天线73必须采用介质材料做为波导传输媒质。

图9是图8(a)-图8(c)所示的双极化并馈广义波导连续缝隙节阵列天线
73采用分层工艺结构的爆炸视图,为清晰起见,隐去了金属镀层部分,只呈现
介质填充部分。图9清晰地反映了双极化并馈广义波导连续缝隙节阵列天线73
的详细成型过程,一共分五步:第一步,把双极化阵列天线73的介质填充部分
自上而下沿纵向剖切为四层,每一层利用传统机加或模具成型技术;第二步,
分别对每一层介质构件暴露在空气中的所有外表面做金属化工艺或层压工艺处
理;第三步,采用研磨工艺研磨掉每一层指定表面上的金属镀层(第一层介质
构件的80a、80b、81a、81b;第二层介质构件的81a、81b、82a、82b;第三层
介质构件的82a、82b、83a、83b;第四层介质构件的83a、83b及下侧面);第
四步,利用塑料焊接或粘接技术把各个介质构件层的相应表面无缝连结(第一
层的81a、81b分别与第二层的81a、81b相连,第二层的82a、82b分别与第三
层的82a、82b相连,第三层的83a、83b分别与第四层的83a、83b相连),第
一层的80a、80b和第四层的下侧面分别做为激励端口和辐射口径暴露在空气中;
第五步,利用超声波焊接或真空钎焊技术把第四步中的连结界面处的金属镀层
无缝焊接在一起。

图10(a)-图13(d)分别单独显示了图9中第一、二、三及四层部件的下
视图、剖视图及上视图,从中可以清晰地了解每一层的结构细节。

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1、(10)申请公布号 CN 102280698 A (43)申请公布日 2011.12.14 C N 1 0 2 2 8 0 6 9 8 A *CN102280698A* (21)申请号 201110110604.8 (22)申请日 2011.04.29 H01Q 1/38(2006.01) H01Q 21/00(2006.01) H01Q 21/24(2006.01) (71)申请人刘建江 地址 100102 北京市朝阳区望京利泽西园 308楼1单元201室 (72)发明人刘建江 (54) 发明名称 并馈阵列天线及其加工成型方法 (57) 摘要 本发明涉及并馈阵列天线及其加工成型方 法。该加工。

2、成型方法包括:步骤1,采用拉伸或挤 压模具成型技术加工并馈阵列天线的介质结构; 步骤2,对得到的介质结构的表面做金属化工艺 或层压工艺处理;步骤3,采用研磨工艺研磨掉 激励端口表面(60i)、第二部分介质的末端表面 (60a60h)以及并馈阵列天线宽度方向的两个 端面(60j、60k)上的金属镀层;或者该方法包括: 步骤10,把并馈阵列天线在结构上分成若干层, 然后分层加工;步骤20,将这些金属材料或者外 表面做金属化处理的塑料材料的分层结构按顺序 无缝焊接在一起。本发明的阵列天线具有超宽带 和高效率的特点。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 。

3、权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 19 页 CN 102280704 A 1/2页 2 1.一种并馈阵列天线的辐射单元,其特征在于,并馈阵列天线的辐射单元包括介质结 构和金属结构;介质结构分为两部分,第二部分介质是第一部分介质沿辐射单元能量传播 方向的结构延伸;金属结构也分为两部分,第一部分金属导体层覆盖在第一部分介质的下 表面和第二部分介质的侧壁,第二部分金属导体层覆盖在第一部分介质的上表面和第二部 分介质的侧壁。 2.如权利要求1所述的辐射单元,其特征在于,第二部分介质的横向尺寸和整个介质 结构的横向尺寸相同。 3.如权利要求1所述的辐射单元,其特征在于,介质部分是空气或者多层不同。

4、介电常 数的介质。 4.如权利要求1所述的辐射单元,其特征在于,介质结构还包括第三部分介质和第四 部分介质,第三部分介质和第一部分介质正交放置;第四部分介质和第二部分介质正交放 置。 5.如权利要求1所述的辐射单元,其特征在于,第一部分介质、第二部分介质、第一部 分金属导体层及第二部分金属导体层的相对两个侧壁被截断,形成有限宽度的切向缝隙节 单元。 6.如权利要求5所述的辐射单元,其特征在于,第一部分介质、第二部分介质的侧壁覆 盖金属,第一部分金属导体层、第二部分金属导体层的侧壁覆盖金属;或者第一部分介质、 第二部分介质的侧壁覆盖非金属,第一部分金属导体层、第二部分金属导体层的侧壁覆盖 非金属。

5、;或者第一部分介质、第二部分介质的侧壁覆盖吸收材料,第一部分金属导体层、第 二部分金属导体层的侧壁覆盖吸收材料。 7.如权利要求1所述的辐射单元,其特征在于,第二部分介质的横截面是渐变形式的。 8.如权利要求1所述的辐射单元,其特征在于,第二部分介质有一级以上的台阶。 9.如权利要求8所述的辐射单元,其特征在于,第一部分介质有一级以上的台阶。 10.如权利要求1所述的辐射单元,其特征在于,第一部分介质有一级以上的台阶。 11.如权利要求8所述的辐射单元,其特征在于,所述一级以上的台阶的截面为一段或 若干段以一定张角展开的扇环形或梯形。 12.如权利要求1所述的辐射单元,其特征在于,介质结构包含。

6、的第二部分介质形成的 突起是第一部分介质沿辐射单元能量传播方向的延伸,突起之间互相隔离,按一定间距排 成辐射阵列。 13.如权利要求12所述的辐射单元,其特征在于,切向缝隙节单元的高度小于辐射阵 列的纵向尺寸。 14.如权利要求12所述的辐射单元,其特征在于,相邻切向缝隙节单元之间的金属覆 盖部分形成一个横向金属槽。 15.如权利要求12所述的辐射单元,其特征在于,每个切向缝隙节在横截面尺寸及介 质参数方面保持一致。 16.如权利要求12所述的辐射单元,其特征在于,特定切向缝隙节在横截面尺寸或介 质参数方面与其它切向缝隙节不同。 17.如权利要求12所述的辐射单元,其特征在于,第二部分介质或者。

7、横向凸起之间通 过加强筋连接。 权 利 要 求 书CN 102280698 A CN 102280704 A 2/2页 3 18.并馈阵列天线,其特征在于,包含若干如权利要求1-3和5-17任意一项所述的辐射 单元,若干辐射单元排列成辐射阵列,经由馈电网络并列馈电,构成并馈阵列天线。 19.如权利要求18所述的并馈阵列天线的加工成型方法,其特征在于,包括: 步骤1,采用拉伸或挤压模具成型技术加工并馈阵列天线的介质结构; 步骤2,对得到的介质结构的表面做金属化工艺或层压工艺处理; 步骤3,去除激励端口表面(60i)、第二部分介质的末端表面(60a60h)以及并馈阵 列天线宽度方向的两个端面(60。

8、j、60k)上的金属镀层; 或者该方法包括: 步骤10,将并馈阵列天线自上而下沿纵向剖切为若干层,利用机械加工或者模具成型 技术分别加工每一层; 步骤20,将这些金属材料或者外表面做金属化处理的塑料材料的分层结构按顺序无缝 焊接在一起。 20.一种双极化并馈阵列天线,其特征在于,由权利要求18所述的并馈阵列天线正交 而成。 21.如权利要求20所述的双极化并馈阵列天线的加工成型方法,其特征在于,包括: 步骤100,双极化阵列天线的介质填充部分自上而下沿纵向剖切为若干层,每一层利用 机械加工或模具成型技术加工成型; 步骤200,分别对每一层介质构件暴露在空气中的所有外表面做金属化工艺或层压工 艺。

9、处理; 步骤300,去除每一层指定表面上的金属镀层; 步骤400,用塑料焊接或粘接技术把各个介质构件层的相应表面无缝连结,同时保证激 励端口表面和辐射口径表面暴露在空气中; 步骤500,利用超声波焊接或真空钎焊技术将步骤400中的连接界面处的金属镀层无 缝焊接在一起。 权 利 要 求 书CN 102280698 A CN 102280704 A 1/5页 4 并馈阵列天线及其加工成型方法 技术领域 0001 该项发明主要用于天线的生产设计,尤其涉及并馈阵列天线及其加工成型方法。 背景技术 0002 介质填充的广义波导连续缝隙节阵列天线的主要缺点是介质损耗,而且介质损耗 在毫米波频段非常显著。其。

10、它缺点还包括:由于介质的不均匀性和各向异性导致的材料参 数的不稳定性、介质材料参数随环境变化的波动性及专用微波材料的高成本,等等。 0003 空气填充的微波结构与介质填充的结构相比较而言,介质损耗显著变小,并且克 服了介质材料本身的不均匀性和各向异性导致的材料参数的不稳定性。另外,由于电磁能 量通过空气而不是介质媒介传播,因此,广义波导连续缝隙节阵列天线可以选择那些有着 优良的物理特性但微波特性很差的工程塑料(如:ABS)来制作,在这类工程塑料的表面喷 涂金属镀层能很好地模拟金属导体。但是空气填充的微波结构也存在问题,特别是对于波 导结构来说,由于微波电路特性需要波导内部尺寸的精确性来保证,而。

11、波导结构的产品组 装完毕后是无法通过外部仪器检测其内部尺寸的加工精度的,这就要求我们要提出一种针 对空气填充的广义波导连续缝隙节阵列天线的加工方法,这种方法既能严格保证各个零部 件的准确定位及加工精度,同时又能在波导壁上提供均匀连续的导电缝隙以方便焊接。 0004 该项发明为并馈广义波导连续缝隙节阵列天线提供了两种有效的加工成型方法, 该方法也适用于串馈广义波导连续缝隙节阵列天线的加工成型。 发明内容 0005 若干个广义波导连续缝隙节辐射单元排列组合,并由平行板波导组成的馈电网络 并列馈电形成并馈广义波导连续缝隙节阵列天线。加工并馈广义波导连续缝隙节阵列天线 有两种方法。第一种方法,采用拉伸。

12、或挤压模具成型,这种方法适用于波导传输媒质是介质 材料的情形,尤其适合较低频段的并馈广义波导连续缝隙节阵列天线;第二种方法,采用分 层结构的成型工艺,这种方法主要适用于波导传输媒质是空气的情形,具体包含:首先把并 馈广义波导连续缝隙节阵列天线分成若干层,每一层利用传统机加或模具成型技术;然后, 利用超声波焊接或真空钎焊技术,把这些金属材料或者外表面做金属化处理的塑料材料的 分层结构组装并焊接在一起。 0006 并馈结构远比串馈结构复杂,因此本发明所涉及的加工成型方法主要针对并馈广 义波导连续缝隙节阵列天线,但也适用于串馈广义波导连续缝隙节阵列天线的加工成型。 0007 对于波导传输媒质是介质材。

13、料的情形,按照并馈广义波导连续缝隙节阵列天线的 横截面结构精确设计模具,采用拉伸或挤压工艺制造出不同宽度的阵列天线的介质构件部 分,然后在此介质构件表面做金属化工艺处理,最后通过研磨工艺研磨掉激励端口、辐射端 口以及沿阵列天线宽度方向的两个端面上的金属镀层,使处于这些位置的介质部分暴露在 空气中,这样介质构件两侧的金属部分连同填充介质部分就构成了并馈广义波导连续缝隙 节阵列天线的平行板波导馈电网络和广义波导连续缝隙节辐射单元。采用这种工艺,最大 说 明 书CN 102280698 A CN 102280704 A 2/5页 5 的好处在于:整个阵列没有任何拼接缝隙,不需要粘接或焊接。但当阵列天。

14、线的宽度显著 时,要保证整个阵列结构可靠,馈电网络中的阻抗变换段及T型分支就不能太细,因此,这 种方法比较适合运用于较低频段的并馈广义波导连续缝隙节阵列天线的加工制造。 0008 对于波导传输媒质是空气的情形,采用分层工艺,即把整个并馈广义波导连续缝 隙节阵列天线做纵向剖切,从下到上,依次剖分为若干层,每一层利用传统机加或模具成型 技术;然后,利用超声波焊接或真空钎焊技术,把这些金属材料或者外表面做金属化处理的 塑料材料的分层结构组装并焊接在一起。运用这些成熟的工艺过程,可以确保产品具有较 低或中等加工成本,以利于产业化进程中的大批量生产。 0009 空腔(即:空气传输媒质)结构的微波器件与介。

15、质填充的结构相比较而言,介质 损耗显著变小,并且克服了介质材料本身的不均匀性和各向异性导致的材料参数的不稳定 性;另外,在空腔结构的金属与空气交界面处,金属壁表面非常光滑,而在介质填充结构的 金属与介质交界面处,金属壁表面比较粗燥,因此,前者的导体损耗远远小于后者的导体损 耗,尤其在毫米波频段。 0010 由于电磁能量通过空气而不是介质媒介传播,因此基于产品成本方面的考虑,广 义波导连续缝隙节阵列天线可以选择那些有着优良的物理特性但微波特性很差的工程塑 料(如:ABS)来制作。利用传统机加或注塑模具制造出各个层状塑料构件,然后运用金属 化工艺(真空淀积+非电解镀层)或层压工艺,在这些层状塑料构。

16、件的表面喷涂或叠压金 属层用以模拟金属导体,这种加工成型方法非常适合低成本天线的大批量生产。 0011 对于那些需要精密公差配合及结构坚固的应用场合,整个阵列天线的层状构件就 不能选择塑料,而必须选择金属材料(为降低重量,一般选择铝材)。为降低导体损耗,这些 金属层状构件需要做表面处理,最后利用特定的工装夹具及真空钎焊技术把它们组装并焊 接成一个整体。 0012 利用平行板波导组成的馈电网络对由广义波导连续缝隙节辐射单元排列组合而 成的辐射阵列进行并列(并联)馈电,形成并馈广义波导连续缝隙节阵列天线,这种结构 的阵列天线具有超宽带和高效率的特点,非常适用于多功能军事通信系统或民用通信系统 (数。

17、字微波和全球卫星通信),上述的分层工艺有益于这种并馈广义波导连续缝隙节阵列 天线的加工成型。 0013 双极化并馈广义波导连续缝隙节阵列天线由两个单极化并馈广义波导连续缝隙 节阵列天线相互正交而成,这种结构的双极化并馈广义波导连续缝隙节阵列天线必须采用 介质材料做为波导传输媒质。双极化并馈广义波导连续缝隙节阵列天线的详细成型过程, 一共分五步:第一步,把双极化阵列天线的介质填充部分自上而下沿纵向剖切为若干层,每 一层利用传统机加或模具成型技术;第二步,分别对每一层介质构件暴露在空气中的所有 外表面做金属化工艺或层压工艺处理;第三步,采用研磨工艺研磨掉每一层指定表面上的 金属镀层;第四步,利用塑。

18、料焊接或粘接技术把各个介质构件层的相应表面无缝连结,同时 保证激励端口表面和辐射口径表面暴露在空气中;第五步,利用超声波焊接或真空钎焊技 术把第四步中的连结界面处的金属镀层无缝焊接在一起。 附图说明 0014 通过以下介绍,结合视图,可以更加容易地理解该项发明的特点和优点: 说 明 书CN 102280698 A CN 102280704 A 3/5页 6 0015 图1(a)-图1(c)分别是单极化并馈广义波导连续缝隙节阵列天线采用拉伸工艺 结构的立体视图、俯视图及A-A剖视图; 0016 图2(a)-图2(c)分别是另一种结构形式的单极化并馈广义波导连续缝隙节阵列 天线采用拉伸工艺结构的立。

19、体视图、上视图及A-A剖视图; 0017 图3(a)-图3(c)分别是单极化并馈广义波导连续缝隙节阵列天线采用分层工艺 结构的立体视图、俯视图及A-A剖视图; 0018 图4(a)-图4(c)分别是图3(a)-图3(c)中第一层部件的上视图、A-A剖视图及 下视图; 0019 图5(a)-图5(c)分别是图3(a)-图3(c)中第二层部件的上视图、A-A剖视图及 下视图; 0020 图6(a)-图6(c)分别是图3(a)-图3(c)中第三层部件的上视图、A-A剖视图及 下视图; 0021 图7(a)-图7(c)分别是图3(a)-图3(c)中第四层部件的上视图、A-A剖视图及 下视图; 0022。

20、 图8(a)-图8(c)分别是双极化并馈广义波导连续缝隙节阵列天线采用分层工艺 结构的立体视图、侧视图及上视图; 0023 图9是图8(a)-图8(c)立体视图的爆炸视图; 0024 图10(a)-图10(d)分别是图9中第一层部件的下视图、剖视图及上视图; 0025 图11(a)-图11(d)分别是图9中第二层部件的下视图、剖视图及上视图; 0026 图12(a)-图12(d)分别是图9中第三层部件的下视图、剖视图及上视图; 0027 图13(a)-图13(d)分别是图9中第四层部件的下视图、剖视图及上视图; 0028 图14是广义波导连续缝隙节辐射单元示意图。 具体实施方式 0029 图1。

21、(a)-图1(c)分别是单极化并馈广义波导连续缝隙节阵列天线70采用拉伸工 艺结构的立体视图、俯视图及A-A剖视图,其中隐去了金属镀层部分,呈现的是介质填充部 分。由多级1/4波长阶梯阻抗变换器和T型分支构成的超宽带馈电网络(第一、二、三层) 对由广义波导连续缝隙节辐射单元61a61h构成的辐射阵列并列馈电,形成单极化并馈 广义波导连续缝隙节阵列天线70。阵列天线70的介质填充部分由精确设计的一体化模具 拉伸或挤压所成,然后对此介质构件表面做金属化工艺或层压工艺处理,从而在该介质构 件表面形成一层均匀的金属镀层(图中已隐去),最后采用研磨工艺研磨掉激励端口表面 60i、辐射端口表面60a60h。

22、以及沿阵列天线70宽度方向的两个端面60j和60k上的金 属镀层,使处于这些位置的介质部分暴露在空气中,这样介质构件两侧的金属部分连同填 充介质部分就构成了并馈广义波导连续缝隙节阵列天线70。 0030 广义波导连续缝隙节辐射单元11如图14所示,是平行板波导或传输线的一部分。 辐射单元11包含介质结构和金属结构;介质结构分为两部分,第二部分介质102是第一部 分介质101沿辐射单元能量传播方向的结构延伸,这两部分介质的介电常数 r 可以相同 也可以不同;金属结构也分为两部分,第一部分金属导体层120覆盖在第一部分介质101的 下表面和第二部分介质102的侧壁,第二部分金属导体层130覆盖在第。

23、一部分介质101的 说 明 书CN 102280698 A CN 102280704 A 4/5页 7 上表面和第二部分介质102的侧壁。切向缝隙节单元11有一个辐射能量的横向凸起15(内 部填充第二部分介质102),它的末端没有金属覆盖,暴露在自由空间中。横向凸起15是一 级或若干级渐开平板波导级联构成(该示意图中横向凸起15由四级渐开平板波导级联所 成,据此称之为四级广义波导连续缝隙节辐射单元,级数可以根据需要设置,其中:第一级 渐开平板波导的展开角为1,长度为L1;第二级渐开平板波导的展开角为2,长度为L2; 第三级渐开平板波导的展开角为3,长度为L3;第四级渐开平板波导的展开角为4,长。

24、 度为L4),其中可以填充空气和介质材料 r ,分布于平行板波导侧面的某一面。由线源激励 起沿x方向传播的入射波导模式,该模式进一步在切向缝隙节单元11内部沿x方向传播, 并辐射到自由空间中去。辐射电场矢量是z方向的线极化,辐射磁场矢量是-y方向的线极 化,按照辐射方向图主平面的定义:最大辐射方向处的电场方向与能量传播方向构成E面, 最大辐射方向处的磁场方向与能量传播方向构成H面,广义波导连续缝隙节辐射单元11的 E面是xoz平面,H面是xoy平面。利用广义波导连续缝隙节辐射单元组阵,可以构成微波、 毫米波和准光学频段的阵列天线。 0031 广义波导连续缝隙节从平行板波导耦合能量的耦合系数只取。

25、决于横截面的几何 尺寸,而与工作频率和介质的介电常数 r 无关,因此广义波导连续缝隙节辐射单元11从 本质上具有宽带特性,同时对机械形变及材料参数的变化具有鲁棒性。 0032 广义波导连续缝隙节辐射单元11的另一种变形,可由若干段扇环级联演变为若 干段梯形级联,可以使广义波导连续缝隙节辐射单元的结构更简单,加工成本更低。 0033 图2(a)-图2(c)分别是另一种结构形式的单极化并馈广义波导连续缝隙节阵列 天线71采用拉伸工艺结构的立体视图、上视图及A-A剖视图,其中隐去了金属镀层部分,呈 现的是介质填充部分。基于图1(a)-图1(c)中同样的原因,需要采用研磨工艺研磨掉62a、 62b、6。

26、2c和62d表面的金属镀层,使处于这些位置的介质部分暴露在空气中。阵列天线71 与70在结构上最显著的不同之处在于:阵列天线71的广义波导连续缝隙节辐射单元之间 通过一段加强筋相互连结而成为一个整体,这种结构大大加强了阵列天线71的结构强度 和稳定性。 0034 图3(a)-图3(c)分别是单极化并馈广义波导连续缝隙节阵列天线72采用分层工 艺结构的立体视图、俯视图及A-A剖视图。由8个广义波导连续缝隙节辐射单元63d及由 多级1/4波长阶梯阻抗变换器和T型分支构成的超宽带馈电网络(第一、二、三层)构建的 空腔(即:空气传输媒质)结构的并馈广义波导连续缝隙节阵列天线72自下向上纵向剖切 成四层。

27、:第一层包含激励线源输入端口63及1个二路功率分配器63a的水平臂的下壁和 侧壁;第二层包含1个二路功率分配器63a的水平臂的上壁、2个垂直波导节64a及2个二 路功率分配器63b的水平臂的下壁和侧壁;第三层包含2个二路功率分配器63b的水平臂 的上壁、4个垂直波导节64b及4个二路功率分配器63c的水平臂的下壁和侧壁;第四层包 含4个二路功率分配器63c的水平臂的上壁、8个垂直波导节64c及8个广义波导连续缝 隙节辐射单元63d。每一层利用传统机加或模具成型技术,然后利用超声波焊接或真空钎 焊技术,把这些金属材料或者外表面做金属化处理的塑料材料的分层结构组装并焊接在一 起。焊接之前,每一层构。

28、件都必须保证至少有一个敞开面用于外部检测仪器的检测,并且每 一层均可以挖去一些不需要的部分以降低重量。 0035 图4(a)-图7(c)分别单独显示了图3(a)-图3(c)中第一、二、三及四层部件的上 说 明 书CN 102280698 A CN 102280704 A 5/5页 8 视图、A-A剖视图及下视图,从中可以清晰地了解每一层的结构细节。 0036 图8(a)-图8(c)是双极化并馈广义波导连续缝隙节阵列天线73的立体视图、侧 视图及上视图,为清晰起见,隐去了金属镀层部分,只呈现介质填充部分。原理上,它是由两 个图1(a)-图1(c)所示的单极化并馈广义波导连续缝隙节阵列天线70相互。

29、正交而成,这 种结构的双极化并馈广义波导连续缝隙节阵列天线73必须采用介质材料做为波导传输媒 质。 0037 图9是图8(a)-图8(c)所示的双极化并馈广义波导连续缝隙节阵列天线73采 用分层工艺结构的爆炸视图,为清晰起见,隐去了金属镀层部分,只呈现介质填充部分。图 9清晰地反映了双极化并馈广义波导连续缝隙节阵列天线73的详细成型过程,一共分五 步:第一步,把双极化阵列天线73的介质填充部分自上而下沿纵向剖切为四层,每一层利 用传统机加或模具成型技术;第二步,分别对每一层介质构件暴露在空气中的所有外表面 做金属化工艺或层压工艺处理;第三步,采用研磨工艺研磨掉每一层指定表面上的金属镀 层(第一。

30、层介质构件的80a、80b、81a、81b;第二层介质构件的81a、81b、82a、82b;第三层介 质构件的82a、82b、83a、83b;第四层介质构件的83a、83b及下侧面);第四步,利用塑料焊 接或粘接技术把各个介质构件层的相应表面无缝连结(第一层的81a、81b分别与第二层的 81a、81b相连,第二层的82a、82b分别与第三层的82a、82b相连,第三层的83a、83b分别与 第四层的83a、83b相连),第一层的80a、80b和第四层的下侧面分别做为激励端口和辐射口 径暴露在空气中;第五步,利用超声波焊接或真空钎焊技术把第四步中的连结界面处的金 属镀层无缝焊接在一起。 003。

31、8 图10(a)-图13(d)分别单独显示了图9中第一、二、三及四层部件的下视图、剖视 图及上视图,从中可以清晰地了解每一层的结构细节。 说 明 书CN 102280698 A CN 102280704 A 1/19页 9 图1(a) 图1(b) 说 明 书 附 图CN 102280698 A CN 102280704 A 2/19页 10 图1(c) 图2(a) 说 明 书 附 图CN 102280698 A CN 102280704 A 3/19页 11 图2(b) 图2(c) 说 明 书 附 图CN 102280698 A CN 102280704 A 4/19页 12 图3(a) 图3。

32、(b) 说 明 书 附 图CN 102280698 A CN 102280704 A 5/19页 13 图3(c) 图4(a) 图4(b) 说 明 书 附 图CN 102280698 A CN 102280704 A 6/19页 14 图4(c) 图5(a) 说 明 书 附 图CN 102280698 A CN 102280704 A 7/19页 15 图5(b) 图5(c) 说 明 书 附 图CN 102280698 A CN 102280704 A 8/19页 16 图6(a) 图6(b) 说 明 书 附 图CN 102280698 A CN 102280704 A 9/19页 17 图6。

33、(c) 图7(a) 说 明 书 附 图CN 102280698 A CN 102280704 A 10/19页 18 图7(b) 图7(c) 图8(a) 说 明 书 附 图CN 102280698 A CN 102280704 A 11/19页 19 图8(b) 图8(c) 说 明 书 附 图CN 102280698 A CN 102280704 A 12/19页 20 图9 说 明 书 附 图CN 102280698 A CN 102280704 A 13/19页 21 图10(a) 图10(b) 图10(c) 说 明 书 附 图CN 102280698 A CN 102280704 A 1。

34、4/19页 22 图10(d) 图11(a) 说 明 书 附 图CN 102280698 A CN 102280704 A 15/19页 23 图11(b) 图11(c) 图11(d) 说 明 书 附 图CN 102280698 A CN 102280704 A 16/19页 24 图12(a) 图12(b) 说 明 书 附 图CN 102280698 A CN 102280704 A 17/19页 25 图12(c) 图12(d) 图13(a) 说 明 书 附 图CN 102280698 A CN 102280704 A 18/19页 26 图13(b) 图13(c) 图13(d) 说 明 书 附 图CN 102280698 A CN 102280704 A 19/19页 27 图14 说 明 书 附 图CN 102280698 A 。

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