一种基于3D打印技术的波导结构线极化互补源天线的制作方法

一种基于3d打印技术的波导结构线极化互补源天线
技术领域
1.本实用新型涉及天线技术领域，特别涉及一种基于3d打印技术的波导结构线极化互补源天线。


背景技术：

2.3d打印技术是一种通过有序层叠沉积、挤压、烧结原材料以达到构建结构为目的的快速成型技术。区别于传统cnc工艺以减材手段加工物体，3d打印则是以增材方式构建所需结构，可以很大程度上避免原材料的浪费。通过三维模型文件，3d打印技术可以胜任各种复杂、异形结构的加工，同时具有很短的加工周期，可以大幅度节省人力以及物力。目前，3d打印技术在天线领域已有一定的应用，例如：使用介质材料的透射阵、棱镜设计，以及使用3d 金属材料打印的喇叭天线、微带天线等，这些产品中部分产品已成功商用。由此可见，3d打印技术已在天线领域崭露头角且具有很强的优势，以这种新型加工工艺为基础的天线设计将成为未来学术研究以及商业应用的重要发展方向。
3.近年来，互补源天线在学术以及商业领域都得到了广泛的关注。其工作原理为采用一对正交放置的互为互补源的磁、电偶极子天线，从而实现低后瓣的单向辐射特性。该类天线通常具有宽带、高增益、方向图稳定、低后瓣、低交叉极化的优点。在微波频段，传统的互补源天线多为开放式结构。通常由两对金属贴片分别以垂直和水平的方式放置，工作时，这两对金属贴片分别扮演磁、电偶极子的角色。在天线的底部，通常连接有接地板或金属腔作为反射器。馈电电路一般为单端l形、γ形探头或差分微带线。
4.传统的微波频段互补源天线在结构方面都较为复杂，通常由多种组件拼装而成。除了pcb工艺之外，还需要一些后期的处理，例如部件组装、焊接等。这些后期处理通常为手工完成，费时费力且容易产生不可避免的误差，而传统的互补源天线对这些加工误差都很敏感，微小的误差都可能对天线性能产生较大的影响。
5.此外，传统的微波频段互补源天线大多具有一定的重量，这是由于天线结构当中引入了一些纯金属结构导致的，例如磁、电偶极子本身，金属背腔(m. j.li and k.m.luk,“a differential
‑
fed magneto
‑
electric dipole antenna for uwb applications,
”ꢀ
ieee trans.antennas propag.,vol.61,no.1,pp.92
–
99,jan.2013.)、反射板(h.w.lai,k.k. so,h.wong,c.h.chan,and k.m.luk,“magnetoelectric dipole antennas with dualopen
‑
ended slot excitation,”ieee trans.antennas propag.,vol.64,no.8,pp.3338
–
3346,aug. 2016.m.j.li and k.m.luk,“a wideband circularly polarized antenna for microwave andmillimeter
‑
wave applications,”ieee trans.antennas propag.,vol.62,no.4,pp.1872
–
1879,apr. 2014.b.q.wu and k.m.luk,“a broadband dual
‑
polarized magneto
‑
electric dipole antennawith simple feeds,”ieee antennas wireless propag.lett.,vol.8,pp.60
–
63,2009.)等。从系统级角度考虑，天线重量过重可能导致天线与通信前端电路的集成难度增加，对实际应用产生不利的影响。
6.目前的3d打印天线大致可分为两大类，介质材料类和金属材料类。前者多用于反
射阵(b.j.chen,h.yi,k.b.ng,s.w.qu,and c.h.chan,“3d printedreflectarray antenna at 60ghz,”proceeding of isap 2016,nov.24
–
28,2016,okinawa,japan,pp. 92
–
93.)、棱镜(h.yi,s.w.qu,k.b.ng,c.h.chan,and x.bai,“3
‑
d printedmillimeter
‑
wave and terahertz lenses with fixed and frequency scanned beam,”ieee trans. antennas propag.,vol.64,no.2,pp.442
–
449,feb.2016.)或介质棒(j.huang,s.j.chen,z. xue,w.withayachumnankul,and c.fumeaux,“wideband circularly polarized 3
‑
d printeddielectric rod antenna,”ieee trans.antennas propag.,vol.68,no.2,pp.745
–
753,feb.2020.) 类型的天线，鲜有波导类型的天线报道。后者虽然有波导类型的天线设计提出，但是结构上多为空气填充的空心波导结构(b.zhang,z.zhan,y.cao,h.gulan,p.linner, j.sun,t.zwick,and h.zirath,“metallic 3d printed antennas for millimeter
‑
andsubmillimeter
‑
wave applications,”ieee trans.thz sci.technol.,vol.6,no.4,pp.592
‑
600,jul.2016. b.zhang,h.sun,l.wu,y.zhou,y.yang,h.zhu,f.cheng,y.he,and k.huang,“a metallic 3
‑
dprinted airborne high
‑
power handling magneto
‑
electric dipole array with cooling channels,”ieeetrans.antennas propag.,vol.67,no.12,pp.7368
–
7378,dec.2019.)，这类结构可能存在机械性能不足，容易产生形变的问题，并且由于其本身所用材料为金属，往往重量较重。


技术实现要素：

7.本实用新型的目的在于解决传统微波频段互补源天线结构复杂的问题、传统微波频段互补源天线由于后期加工产生的性能对加工误差敏感性的问题、传统微波频段互补源天线由于金属结构的参与而导致的重量较重的问题以及3d 打印金属波导结构机械性能不足、易形变的问题。
8.本实用新型的目的至少通过如下技术方案之一实现。
9.一种基于3d打印技术的波导结构线极化互补源天线，包括矩形介质块、两个矩形介质薄片、te
10
模式矩形开口波导、e面t型结波导功分器和两个同轴接头；
10.其中，矩形介质块位于天线最上方，与te
10
模式矩形开口波导相连；te
10
模式矩形开口波导下方连接e面t型结波导功分器；两个矩形介质薄片结构参数完全相同，贴合te
10
模式矩形开口波导横截面的宽边且对称放置于与矩形介质块相连接的开口处，与te
10
模式矩形开口波导相连接；e面t型结波导功分器下方与两个同轴接头相连接。
11.进一步地，波导结构线极化互补源天线中，除了矩形介质块的顶面和四个侧面，以及e面t型结波导功分器与两个同轴接头相连接的内外导体之间的环形横截面之外，其余的所有表面全部覆盖金属薄层，以电镀的方式覆盖金属铜。
12.进一步地，波导结构线极化互补源天线在加工时，分为两个部分分别进行 3d打印，分别是顶部的矩形介质块和余下的天线结构；3d打印完成后，在矩形介质块和余下的天线结构贴合处设置第一掩膜；
13.在矩形介质块底部设置两个第一定位孔，分别为设置在矩形介质块前半部分底部的第一第一定位孔和设置在矩形介质块后半部分底部的第二第一定位孔；
14.第一掩膜中设置位置与第一定位孔对应的第二定位孔，第一第二定位孔与第一第一定位孔对应，第二第二定位孔与第二第一定位孔对应；
15.在余下的天线结构中，te
10
模式矩形开口波导顶部开口处设置两个定位柱，其中，第一定位柱与第一第一定位孔和第一第二定位孔对应且能完美接合，第二定位柱与第二第一定位孔和第二第二定位孔对应且能完美接合
16.在余下的天线结构中，e面t型结波导功分器底部沿宽边的几何中线上设置有两个探针孔，第一探针孔和第二探针孔分别对称设置在距离波导末端四分之一导波波长处；
17.在e面t型结波导功分器的两个探针孔处设置第二掩膜，包括设置在第一探针孔处的第二第一掩膜和设置在第二探针孔处的第二第二掩膜。
18.进一步地，掩膜完成后，需要将余下的天线结构进行电镀处理，矩形介质块无需电镀，最后进行天线的组装，将矩形介质块和余下的天线结构两个部分以及两个同轴接头用氰基丙烯酸乙酯胶进行粘合，组装过程中，第一定位孔与定位柱对应且能完美接合；同轴接头与探针孔对应且完美接合。
19.进一步地，第一定位柱与第一第二定位孔对应且能完美接合，第二定位柱与第二第二定位孔对应且能完美接合，用于避免进行电镀；
20.第一第二掩膜和第二第二掩膜应该与第一探针孔和第二探针孔接合，避免探针孔和同轴线横截面进行电镀；
21.第一掩膜为矩形结构，截面大小与te
10
模式矩形开口波导的开口大小相同，高度任意；第二掩膜包括一个与探针孔大小相同的小圆柱和一个与同轴接头截面大小相同且高度任意的大圆柱，小圆柱与大圆柱相连接。
22.进一步地，波导结构线极化互补源天线的互补源由一对磁、电偶极子共同实现；其中，磁偶极子由te
10
模式矩形开口波导实现，电偶极子由分列于te
10
模式矩形开口波导两侧的覆盖金属薄层的矩形介质薄片实现；
23.磁、电偶极子正交放置，当天线工作时，在天线辐射方向上磁、电偶极子产生的电磁波相互叠加，增强该方向的辐射；在天线方向图后瓣方向上，磁、电偶极子产生的电磁波相互抵消，减小天线的后向辐射；顶部的矩形介质块的作用为实现天线的阻抗匹配；下端的e面t型结波导功分器具有天然的差分特性，用作差分馈电网络。
24.相比与现有技术，本实用新型的优点在于：
25.与现有技术相比，本实用新型将3d打印技术与互补源天线技术相结合，可以有效解决传统微波频段互补源天线在后期加工中由于误差导致的性能敏感性问题，且具有结构简单、易加工、快速成型、重量轻的优点。在天线性能方面，本实用新型具有宽带(相对带宽46.8％，7.2
‑
11.6ghz)、增益稳定(带内5.4
±
1.2dbi)、方向图稳定、低后瓣(方向图前后比大于22db)、低交叉极化的优点。
附图说明
26.图1为本实用新型实施例中一种基于3d打印技术的波导结构线极化互补源天线的结构示意图；
27.图2为本实用新型实施例中一种基于3d打印技术的波导结构线极化互补源天线的正视图；
28.图3为本实用新型实施例中一种基于3d打印技术的波导结构线极化互补源天线的侧视图；
29.图4为本实用新型实施例中电镀过程中波导结构线极化互补源天线的正视图；
30.图5为本实用新型实施例中电镀过程中波导结构线极化互补源天线的侧视图；
31.图6为本实用新型实施例中一种基于3d打印技术的波导结构线极化互补源天线的阻抗匹配特性示意图；
32.图7a为本实用新型实施例中一种基于3d打印技术的波导结构线极化互补源天线的中心频率e面方向图；
33.图7b为本实用新型实施例中一种基于3d打印技术的波导结构线极化互补源天线的中心频率h面方向图；
34.图8为本实用新型实施例中一种基于3d打印技术的波导结构线极化互补源天线的增益特性示意图。
具体实施方式
35.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图并举实施例，对本实用新型的具体实施进行详细说明。
36.实施例：
37.一种基于3d打印技术的波导结构线极化互补源天线，如图1、图2、图3 所示，包括矩形介质块21、两个矩形介质薄片22、te
10
模式矩形开口波导23、 e面t型结波导功分器24和两个同轴接头25；
38.其中，矩形介质块21位于天线最上方，与te
10
模式矩形开口波导23相连；te
10
模式矩形开口波导23下方连接e面t型结波导功分器24；两个矩形介质薄片22结构参数完全相同，贴合te
10
模式矩形开口波导23横截面的宽边且对称放置于与矩形介质块21相连接的开口处，与te
10
模式矩形开口波导 23相连接；e面t型结波导功分器24下方与两个同轴接头25相连接。
39.波导结构线极化互补源天线中，除了矩形介质块21的顶面和四个侧面，以及e面t型结波导功分器24与两个同轴接头25相连接的内外导体之间的环形横截面之外，其余的所有表面全部覆盖金属薄层，以电镀的方式覆盖金属铜。
40.如图4、图5所示，波导结构线极化互补源天线在加工时，分为两个部分分别进行3d打印，分别是顶部的矩形介质块21和余下的天线结构33；3d打印完成后，在矩形介质块21和余下的天线结构33贴合处设置第一掩膜34；
41.在矩形介质块21底部设置两个第一定位孔36，分别为设置在矩形介质块 21前半部分底部的第一第一定位孔361和设置在矩形介质块21后半部分底部的第二第一定位孔362；
42.第一掩膜34中设置位置与第一定位孔36对应的第二定位孔37，第一第二定位孔372与第一第一定位孔361对应，第二第二定位孔371与第二第一定位孔362对应；
43.在余下的天线结构33中，te
10
模式矩形开口波导23顶部开口处设置两个定位柱38，其中，第一定位柱381与第一第一定位孔361和第一第二定位孔 372对应且能完美接合，第二定位柱382与第二第一定位孔362和第二第二定位孔371对应且能完美接合；
44.在余下的天线结构33中，e面t型结波导功分器24底部沿宽边的几何中线上设置有两个探针孔39，第一探针孔391和第二探针孔392分别对称设置在距离波导末端四分之一导
波波长处；
45.在e面t型结波导功分器24的两个探针孔39处设置第二掩膜35，包括设置在第一探针孔391处的第二第一掩膜351和设置在第二探针孔392处的第二第二掩膜352。
46.如图4、图5所示，掩膜完成后，需要将余下的天线结构33进行电镀处理，矩形介质块21无需电镀，最后进行天线的组装，将矩形介质块21和余下的天线结构33两个部分以及两个同轴接头25用氰基丙烯酸乙酯胶进行粘合，组装过程中，第一定位孔36与定位柱38对应且能完美接合；同轴接头25与探针孔39对应且完美接合。
47.如图4、图5所示，第一定位柱381与第一第二定位孔372对应且能完美接合，第二定位柱382与第二第二定位孔371对应且能完美接合，用于避免矩形介质块21和余下的天线结构33的连接截面进行电镀；
48.第一第二掩膜351和第二第二掩膜352应该与第一探针孔391和第二探针孔392接合，避免探针孔39和同轴线横截面进行电镀；
49.第一掩膜34为矩形结构，截面大小与te
10
模式矩形开口波导23的开口大小相同，高度任意；第二掩膜35包括一个与探针孔39大小相同的小圆柱和一个与同轴接头25截面大小相同且高度任意的大圆柱，小圆柱与大圆柱相连接。
50.波导结构线极化互补源天线的互补源由一对磁、电偶极子共同实现；其中，磁偶极子由te
10
模式矩形开口波导23实现，电偶极子由分列于te
10
模式矩形开口波导23两侧的覆盖金属薄层的矩形介质薄片22实现；
51.磁、电偶极子正交放置，当天线工作时，在天线辐射方向上磁、电偶极子产生的电磁波相互叠加，增强该方向的辐射；在天线方向图后瓣方向上，磁、电偶极子产生的电磁波相互抵消，减小天线的后向辐射；顶部的矩形介质块21 的作用为实现天线的阻抗匹配；下端的e面t型结波导功分器24具有天然的差分特性，用作差分馈电网络。
52.本实施例中，本实用新型可以实现较宽的工作带宽，如图6所示，该天线的工作频带为7.2ghz至11.6ghz，约46.8％，带内|s
dd11
|均小于
‑
10db。工作频带内，该天线具有稳定的低后瓣单向辐射方向图，如图7a和图7b所示，方向图前后比大于22db。图8所示为天线增益特性，在工作频带内天线增益稳定，平均增益5.4dbi，波动范围为
±
1.2dbi。这些天线参数说明，本实用新型方案在解决了现有技术问题的同时还继承了传统互补源天线优良的电气性能。