一种微同轴3D打印超宽带毫米波天线

技术领域

本发明涉及一种微同轴3D打印超宽带毫米波天线，属于航天器微波天线领域，主要用于航天器超宽带毫米波无源相控阵天线阵列技术。

背景技术

随着无线通信工程的发展，毫米波频段正得到人们越来越多的关注和兴趣。毫米波坐落在微波和红外频谱之间，相对于微波频段，毫米波工作频率更高，工作波长更短，相对应的通信系统的尺寸会有非常明显的缩小，在具体的通信系统中，给定孔径的尺寸，系统的工作波长越小，增益越高，波束宽度越窄。较窄的波束宽度拥有多个优点，首先，窄波束可以有效减小地面杂波对雷达系统的干扰，便于雷达进行小角度探测任务。其次，窄波束也可以有效减小多径效应带来的影响。此外，因为毫米波频段有更广阔的带宽，通过增加工作带宽，毫米波频段内的通信系统可以实现更高的传输速率和更佳的距离分辨率。

3-D打印作为增材制造技术的一种，它能够在计算机程序控制下，通过分层累叠的方式加工出十分复杂的三维立体结构。与传统加工技术相比，3-D打印技术拥有更低的加工成本，更短的制造周期，且能够拓展器件结构设计上的灵活度，因此近年来在生物，机械，电磁等众多领域中十分流行，并被广泛应用于毫米波频段的电磁器件。

传统的微波器件的加工主要分为印制电路板(Printedcircuit board,PCB)，计算机数控(Computer Numerical Control,CNC)工艺。虽然可以将现有的一些加工技术直接移植到毫米波频段，但是仍然会存在各种工艺不适配的情况，导致可以加工的器件类型、性能受限，或者加工成本、加工时间出现大幅增长，影响实际的批量制造和普及应用。因此，寻找到一种合适的专门应用于毫米波/THz器件加工的工艺，使得器件加工的成本和时间可控，具有规模化和商业普及的可能性，同时器件的设计拥有更高的灵活性或复杂度，是毫米波领域的重要问题。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种微同轴3D打印超宽带毫米波天线，全金属3D打印工艺克服了传统PCB工艺天线损耗较大，且PCB基板能够承受功率有限等问题，同时在毫米波天线设计方法中，该方法能够有效降低天线电尺寸，为后续无源相控阵天线的栅瓣抑制提供技术支持，与此同时，该方法使得天线带宽得到显著提高。

本发明的技术解决方案是：

本发明公开了一种微同轴3D打印超宽带毫米波天线，包括：背腔体、异形贴片、寄生贴片、微同轴外导体、测试导体，其中，微同轴传输线外导体的一端与背腔体连接，另一端与测试导体连接；异形贴片位于背腔体靠近微同轴外导体一端的横向中轴线上；异形贴片为凹形结构，一侧开口形成凹型空间，寄生贴片位于异形贴片的凹型空间内的中轴线上，与异形贴片的内壁形成两个对称于异形贴片的横向中轴线的U形缝隙，U形缝隙用于提高天线的阻抗带宽；测试导体用于连接与外部测试波导的连接。

在上述毫米波天线中，还包括微同轴内导体，微同轴内导体位于微同轴外导体内。

在上述毫米波天线中，还包括支撑柱，位于背腔体的上端面与寄生贴片的下端面之间，用于支撑异形贴片和寄生贴片，对天线的阻抗进行调节。

在上述毫米波天线中，所述微同轴的内导体的一端与探针连接，另一端与测试导体连接。

在上述毫米波天线中，还包括金属探针，所述金属探针位于微同轴内导体一端的上端面与异形贴片的下端面之间，用于为异形贴片进行馈电。

在上述毫米波天线中，所述测试导体与金属微同轴外导体相连接，用于与外部测试波导相连接。

在上述毫米波天线中，所述测试导体中横轴线上设置切口，所述切口用于与外部测试波导口相连接。

在上述毫米波天线中，还包括矩形匹配贴片，与微同轴内导体的一端相连接，所述矩形匹配贴片用于天线与测试波导之间的阻抗匹配。

在上述毫米波天线中，所述矩形匹配贴片置于测试导体的切口内。

在上述毫米波天线中，U形缝隙的总长度C

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明采用异形贴片加载U形缝隙的结构使天线具备多个谐振模式从而有效的展宽天线的频谱范围，使得通信系统具备更高的通信容量；

(2)本发明采用的异形贴片结构相较于传统的矩形贴片大幅度降低了天线横向尺寸，可对相控阵天线的栅瓣实现有效抑制，提高阵列排布阵间距因子变化的自由度，可使阵列天线达到更好的辐射特性，同时该天线还兼备平面化，小尺寸，轻重量，易集成等物理特性优势，尤其适合空间应用场合。

附图说明

图1为本发明毫米波天线结构俯视图；

图2为本发明毫米波天线俯视细节图；

图3为本发明毫米波天线结构侧视图；

图4为本发明毫米波天线端口细节图；

图5为本发明毫米波天线回波损耗(S

图6为本发明毫米波天线回波损耗(E面)；

图7为本发明毫米波天线回波损耗(H面)。

具体实施方式

下面结合附图及实例对本发明作详细说明。

本发明公开了一种微同轴3D打印超宽带毫米波天线，包括：背腔体1、异形贴片2、寄生贴片3、微同轴外导体7、测试导体9，其中，微同轴传输线外导体7的一端与背腔体1连接，另一端与测试导体9连接；异形贴片2位于背腔体1靠近微同轴外导体7一端的横向中轴线上；异形贴片2为凹形结构，一侧开口形成凹型空间，寄生贴片3位于异形贴片2的凹型空间内的中轴线上，与异形贴片2的内壁形成两个对称于异形贴片2的横向中轴线的U形缝隙4，U形缝隙用于提高天线的阻抗带宽；测试导体9用于连接与外部测试波导的连接。还包括微同轴内导体6，微同轴内导体6位于微同轴外导体7内。还包括支撑柱5，位于背腔体1的上端面与寄生贴片3的下端面之间，用于支撑异形贴片2和寄生贴片3，对天线的阻抗进行调节。所述微同轴的内导体6的一端与探针8连接，另一端与测试导体9连接。还包括金属探针8，所述金属探针8位于微同轴内导体6一端的上端面与异形贴片2的下端面之间，用于为异形贴片2进行馈电。测试导体9与金属微同轴外导体7相连接，用于与外部测试波导相连接。测试导体9中横轴线上设置切口10，所述切口用于与外部测试波导口相连接。还包括矩形匹配贴片11，与微同轴内导体6的一端相连接，所述矩形匹配贴片11用于天线与测试波导之间的阻抗匹配。

矩形匹配贴片11置于测试导体9的切口10内。

天线包括一个矩形金属背腔1，其长宽高分别别为L

矩形金属贴3的中轴线上具有一个直径为0.1mm，高度为H

矩形方同轴传输线7外导体尺寸与内导体尺寸由同轴线50Ω匹配确定。该同轴线外导体由4个宽度为0.1mm的金属壁等间距分隔，三个传输线隔离单元宽度相同，且仅在位于中心位置处的外导体内设置内导体，其余两个外导体均不设置内导体，外导体单元长宽高尺寸由内外导体阻抗匹配值50欧姆换算确定。

同轴传输传输线内导体末端具有一个半径为R

矩形方同轴传输线7远离金属腔体的一端具有一个长宽高分别为W

微同轴内导体6的延伸线末端为一个长宽分别L

微同轴内导体6由间距为d

该毫米波天线优先采用三维金属微加工工艺的UV-LIGA光刻工艺进行加工。

实施例：

如图1、2、3所示，本发明公开了一种微同轴3D打印超宽带毫米波天线，包括：背腔体1、异形贴片2、寄生贴片3、U形缝隙4，微同轴内导体6、微同轴外导体7、测试导体9，其中，微同轴传输线外导体7的一端与背腔体(1)连接，另一端与测试导体9连接；异形贴片2位于腔体的中轴线位置，寄生贴片(3)位于异形贴片(2)凹口内的中轴线位置上，U形缝(3)隙对称于异形贴片的中轴线，用于提高天线的阻抗带宽，测试导体(9)用于连接天线与测试波导。测试导体9为长方体结构，测试导体9的长宽高分别为W

如图2所示，本发明公开了一种微同轴3D打印超宽带毫米波天线，采用背腔高度H

如图1所示，本发明公开了一种微同轴3D打印超宽带毫米波天线，其微同轴外导体7的一端与背腔1相连接，内导体6位于微同轴7的内部。微同轴外导体的另一端与测试导体相连接。

如图1、4所示，本发明公开了一种微同轴3D打印超宽带毫米波天线，其微同轴内导体6位于微同轴外导体7的内部，内导体6的一端与馈电探针8相连，另一端与匹配贴片11，该内外导体共同组成微同轴结构将微波信号传输给天线的辐射贴片。

如图4所示，本发明公开了一种微同轴3D打印超宽带毫米波天线，其圆柱形金属支柱5位于异形贴片的中轴线上，其上表面与异形贴片2的下端面相连接，下表面与金属腔体的上端面相连接，该金属支柱用于支撑异形贴片2，同时通过调整金属支柱5在异形贴片中轴线上的位置可以用于调节该天线整体的阻抗匹配以及贴片表面的电流分布，该金属支柱的直径为0.1mm。

如图4所示，本发明公开了一种微同轴3D打印超宽带毫米波天线，其圆柱形金属馈电8，其半径为R

如图1所示，本发明公开了一种微同轴3D打印超宽带毫米波天线，其矩形匹配贴片的的长为W

综上所述：所述天线设计方法可获得大于40％的相对阻抗带宽，天线增益大于8dBi，天线尺寸有大幅度降低，其横向尺寸仅为0.286λ(λ为天线中心频率对应波长)，纵向尺寸仅为0.309λ

本实施例中，提供一个中心频率在60GHz-90GHz的天线设计实例，该天线可获得大于40％的相对阻抗带宽，如图5所示，天线带宽内最大增益为9dBi，如图6、图7所示。天线实例各参数数值如表1所示。

表1天线实例各参数数值(单位：mm)

上述实施例只是对本发明的解释，而不能作为对本发明的限制，因此凡是与本发明思路类似的实施方式或用于其他类似结构但思路与本发明类似的实施方式均在本发明的保护范围内。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。