一种圆极化毫米波透镜天线装置的制作方法

1.本发明涉及毫米波天线领域，具体为一种圆极化毫米波透镜天线装置。


背景技术：

2.在复杂环境下场景，要想提高雷达测量精度，分辨出多径频率分量和其它目标干扰频率分量，除了使用更复杂的雷达信号处理算法外，天线上可以通过下列措施改善：收窄天线波束，提高雷达系统的空间可分辨率；增大天线增益，提升信号的载噪比；改善天线阻抗和增益带宽，允许更宽的扫频带宽，提高距离分辨率；使用圆极化天线，极化隔离，提升雷达系统抗多径干扰能力；但是在毫米波频段，使用传统微带阵列天线方式，印刷介质板介质和铜箔损耗大，实现高增益比较困难；波束的旁瓣抑制对加工精度要求高；天线阵列越大，增益和阻抗带宽越窄，不利于扫频带宽增加；实现圆极化天线阵列馈电网络设计复杂；增益高和波束窄，要求印刷介质板的尺寸成倍增加，导致成本上升；
3.授权公告为cn104701633a以及cn109768374a的专利中公开了使用介质透镜实现高增益、宽带和窄波束的方法，但是介质透镜厚度太大，不利于开模注塑工艺进行量产降低成本，不方便与其它有源电路集成，没有实现圆极化。


技术实现要素：

4.本发明目的是针对背景技术中存在的问题，提出一种实现天线的圆极化、高增益、窄波束、低旁瓣以及宽频带以提升雷达系统的性能的圆极化毫米波透镜天线装置。
5.本发明的技术方案：一种圆极化毫米波透镜天线装置，包括底座、介质透镜、喇叭天线和馈源；
6.馈源包括介质板a、介质板b和介质板c；介质板a、介质板b和介质板c层叠依次连接；介质板a的上端面、介质板a和介质板b之间、介质板b和介质板c之间以及介质板c的下端面分别设有第一层铜箔、第二层铜箔、第三层铜箔和第四层铜箔；
7.第一层铜箔上设有微带贴片天线；
8.第二层铜箔上设有边长为2λ0的正方形孔洞，正方形孔洞位于微带贴片天线的正下方；其中，λ0为自由空间中波长；
9.第三层铜箔、第四层铜箔、介质板c以及金属化盲孔阵列构成为l型基片集成波导；l型基片集成波导长度为4λg，宽度为0.75λg，其中λg为介质波导波长；l型基片集成波导与微带贴片天线的边平行，l型基片集成波导的拐角处的中心与微带贴片天线中心重合；
10.第三层铜箔上设有两条正交的缝隙；十字缝隙中心与微带贴片中心重合；十字缝隙的长度0.5λg，宽度0.05λg；
11.第四层铜箔上设有langer 3db微带耦合器，其0
°
/90
°
端口连接l型基片集成波导的两端，公共端输入信号或者隔离端输入信号用于激励使微带贴片天线形成左旋或者右旋圆极化电磁场；其中，l型基片集成波导使用对称梯形渐变结构进行波导到微带线变换，变换成50ω微带线；
12.介质透镜连接底座，介质透镜的外表面为椭圆面，其中，馈源位于介质透镜的椭圆面远端焦点处，馈源距离介质透镜的椭圆面远端焦点的距离为f,f＝16λ0；
13.介质透镜的内表面为球面，介质透镜的球面到馈源的距离为r，其中，εr为介质透镜制备材料介电常数；ψ
max
为介质透镜的最大辐射半张角；
14.介质透镜的最大厚度为h
max
，其中h
max
＝f-r；
15.喇叭天线位于介质透镜和馈源之间，喇叭天线连接介质板a，并位于微带贴片天线正上方。
16.优选的，介质透镜选用聚碳酸酯材料制成，介质透镜的介电常数εr＝3。
17.优选的，介质透镜的最大辐射半张角ψ
max
＝22.5
°
。
18.优选的，微带贴片天线长宽均为0.92mm，谐振在79ghz。
19.优选的，喇叭天线为3db波束宽度为
±
12
°
。
20.优选的，喇叭天线选用铝材质制成。
21.优选的，底座选用聚碳酸酯材质制成。
22.与现有技术相比，本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
23.本发明提供的圆极化毫米波透镜天线装置采用多层高频印刷电路板制作成的馈源方便与其它有源电路集成，信号通过微带极化馈电网络正交激励基片集成波导，通过十字缝隙耦合到微带贴片天线，通过喇叭天线和介质透镜对辐射的电磁波进行定向发射和接收，实现天线的圆极化、窄波束、高增益、低旁瓣、宽频带以及抗多径干扰以提升雷达系统的性能；圆极化毫米波透镜天线装置制造成本低，且便于工业化生产的优点，值得推广。
附图说明
24.图1为本发明提出的一种实施例的结构示意图。
25.图2为图1中馈源的结构示意图。
26.图3为图2中馈源图。
27.图4为79ghz透镜天线装置的驻波比图。
28.图5为79ghz透镜天线装置的方向图。
29.图6为79ghz透镜天线装置的轴比图。
30.附图标记：1、底座；2、介质透镜；3、喇叭天线；4、馈源；41、介质板a；42、介质板b；43、介质板c；401、第一层铜箔；402、第二层铜箔；403、第三层铜箔；404、第四层铜箔。
具体实施方式
31.实施例一
32.如图1-3所示，本发明提出的一种圆极化毫米波透镜天线装置，包括底座1、介质透镜2、喇叭天线3和馈源4；
33.馈源4包括介质板a41、介质板b42和介质板c43；介质板a41、介质板b42和介质板c43层叠依次连接；介质板a41的上端面、介质板a41和介质板b42之间、介质板b42和介质板c43之间以及介质板c43的下端面分别设有第一层铜箔401、第二层铜箔402、第三层铜箔403和第四层铜箔404；
34.其中，第一层铜箔401和第四层铜箔404的厚度为35μm；第二层铜箔402和第三层铜箔403的厚度为18μm；
35.介质板a41选用ro3003，介电常数ε
r1
＝3，厚度0.127mm；
36.介质板b42选用ro4450f，为半固化片，介电常数ε
r1
＝3.52，厚度0.3mm；
37.介质板c43选用ro3003，介电常数ε
r1
＝3，厚度0.127mm；
38.第一层铜箔401、介质板a41、第二层铜箔402、介质板b42、第三层铜箔403、介质板c43和第四层铜箔404经印刷工艺压制后，制得印制电路板，实现电路功能；
39.第一层铜箔401上设有微带贴片天线；微带贴片天线长宽均为0.92mm，谐振在79ghz；
40.第二层铜箔402上设有边长为2λ0的正方形孔洞，正方形孔洞位于微带贴片天线的正下方；其中，λ0为自由空间中波长；
41.进一步的，第二层铜箔402上的正方形孔洞采用蚀刻的方式获得，通过设有的正方形孔洞以便能量从基片集成波导的缝隙耦合到微带贴片天线；
42.第三层铜箔403、第四层铜箔404、介质板c43以及金属化盲孔阵列构成为l型基片集成波导；金属化盲孔的直径为0.15mm，金属化盲孔之间的距离为0.3mm；金属化盲孔阵列在第三层铜箔403、第四层铜箔404和介质板c43压制成印制电路板时制得；
43.l型基片集成波导长度为4λg，宽度为0.75λg，其中λg为介质波导波长；l型基片集成波导与微带贴片天线的边平行，l型基片集成波导的拐角处的中心与微带贴片天线中心重合；
44.第三层铜箔403上设有两条正交的缝隙，用于供电磁波从十字缝隙穿透过去；十字缝隙中心与微带贴片天线中心重合；十字缝隙的长度0.5λg，宽度0.05λg；
45.第四层铜箔404上设有langer 3db微带耦合器，其0
°
/90
°
端口连接l型基片集成波导的两端，公共端输入信号或者隔离端输入信号用于激励使微带贴片天线形成左旋或者右旋圆极化电磁场；在单站雷达中，公共端连接发通道/收通道，隔离端连接收通道/发通道；
46.其中，l型基片集成波导一端使用对称梯形渐变结构进行波导到微带线变换，渐变结构长度为0.82mm，基片集成波导端宽度为0.7mm，另一端是50ω微带线，宽度为0.29mm；
47.圆极化电磁波经物体反射，极化方式发生翻转，在单站雷达中，公共端激励左旋/右旋发射电磁波，对目标直达径反射波，反射波与发射出去电磁波极化相反，隔离端接收右旋/左旋电磁波，而对偶次反弹产生的电磁波存在极化隔离，有抗多径干扰的能力；
48.介质透镜2连接底座1，介质透镜2的外表面为椭圆面，其中，馈源4位于介质透镜2的椭圆面远端焦点处，馈源4距离介质透镜2的椭圆面远端焦点的距离为f，f＝16λ0；
49.介质透镜2的内表面为球面，介质透镜2的球面到馈源4的距离为r，其中，εr为介质透镜2制备材料介电常数；ψ
max
为介质透镜2的最大辐射半张角；
50.进一步的，介质透镜2选用聚碳酸酯材料制成，介质透镜2的介电常数εr＝3；介质透镜2的最大辐射半张角ψ
max
＝22.5
°
；
51.介质透镜2的最大厚度为h
max
，其中h
max
＝f-r；
52.喇叭天线3位于介质透镜2和馈源4之间，喇叭天线3连接介质板a41，并位于微带贴
片天线正上方；
53.进一步的，喇叭天线3选用铝材质制成，喇叭天线3为3db波束宽度为
±
12
°
喇叭天线3使用螺钉固定在高频印刷介质板上，以提高馈源方向性，减少电磁波的泄漏和绕射，降低介质透镜的厚度，便于开模注塑加工，降低成本；
54.底座1选用聚碳酸酯材质制成，底座1为注塑得到的具有腔体的结构，馈源4安装在底座1的腔体底部，介质透镜2通过螺栓安装在底座1的腔体上端面，微带贴片天线位于介质透镜2椭圆面的远端焦点上，即位于介质透镜2内球面的圆心上。
55.实施例二
56.如图4-6所示，本发明提出的一种圆极化毫米波透镜天线装置的应用，包括相实施例一中的圆极化毫米波透镜天线装置，圆极化毫米波透镜天线装置应用在79ghz的波频段进行电磁波信号发射和接收；
57.则，中心频率为79ghz；
58.带宽：≥7ghz；
59.增益：≥25db；
60.3db波束宽度：≤
±3°
；
61.驻波比：≤2；
62.旁瓣抑制≥：20db；
63.轴比：≤1db。
64.上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于此，在所属技术领域的技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本发明宗旨的前提下还可以作出各种变化。