一种基于空气隙结构的极化可重构微带天线阵列的制作方法

本发明涉及无线能量传输领域，更具体地，涉及一种基于空气隙结构的极化可重构微带天线阵列。

背景技术：

微波能量传输技术(mpt，microwavepowertransmission)是一种利用微波为载体，在自由空间中进行能量传输的新技术。1890年，nikolatesla进行了无线电能传输实验，他设想在地球与电离层之间产生低频共振，利用环绕地球的表面电磁波来传输能量。近代mpt试验实现于20世纪60年代，raytheon公司的w.c.brown从事了大量无线电能传输的研究工作，奠定了无线能量传输的试验基础。此后，mpt技术受到越来越广泛的关注，并被逐步应用于能量采集、射频识别、无线充电等领域。

天线(antenna)是一种导行波与自由空间波之间的转换器件或者换能器件。天线是任何无线系统必不可少的组成器件，而作为mpt系统的核心部分之一，微带天线一直以来都是mpt技术研究领域的一大热点。

天线的极化，是指天线在最大辐射方向上，电场强度的方向。

但由于传统的微带天线带宽窄、增益小、辐射效率低、极化方式固定等缺陷，使得其在诸多的应用场合中受到限制。

技术实现要素：

本发明为解决以上现有技术的缺陷，提供了一种基于空气隙结构的极化可重构微带天线阵列，该天线阵列支持天线阵极化方式和辐射特性的重构。

为实现以上发明目的，采用的技术方案是：

一种基于空气隙结构的极化可重构微带天线阵列，包括辐射板、共地基板和馈电网络，所述辐射板的数量至少为2块，所述至少2块辐射板设置在共地基板的上方，所述每块辐射板与共地基板之间留有用于空气介质填充的间距；所述每块辐射板分别与一同轴馈电的导体针的一端连接，同轴馈电的导体针的另一端穿过共地基板后与馈电网络电气连接；所述同轴馈电的导体针与共地基板之间不进行电气连接。

上述方案中，本发明提供的天线阵列通过调整馈电网络和导体针的位置，可以实现天线阵极化方式和辐射特性的重构。

进一步地，同轴馈电的sma头的探针与馈电网络输入端电气连接。

上述方案中，辐射板的辐射面作为辐射单元，共地基板作为地平面。馈电网络采用wikinson功率分配器的级联形式，保证各辐射单元的振幅和相位一致。辐射单元与馈电网络之间利用探针进行激励。微波能量由同轴馈电的sma头输入，通过馈电网络进行能量分配，再经由探针激励辐射单元，将微波能量辐射到自由空间中。

优选地，所述辐射板通过一组支柱设置在共地基板的上方。

优选地，所述一组支柱包括四根方形支柱构成，所述四根方形支柱的两端分别与共地基板、辐射板连接。

优选地，所述辐射板包括覆铜层和介质层，覆铜层的底面与介质层的顶面贴合，覆铜层作为天线的辐射面，介质层为辐射面提供必要的刚性；所述基板包括覆铜层和介质层，覆铜层的底面与介质层的顶面贴合；馈电网络通过同轴馈电的导体针依次穿过共地基板的介质层、共地基板的覆铜层、辐射板的介质层后与辐射板的覆铜层电气连接；所述馈电网络设置在共地基板的底面上。共地基板的覆铜层作为地平面，馈电网络位于共地基板的下表面，辐射板的覆铜层作为辐射单元。两覆铜层之间间隔着介质层和空气隙，由此，两覆铜层之间的相对介电常数减少，有利于抑制各元素间杂散波的互耦串扰，并减少天线阵列的交叉极化，提高天线阵列的增益。

优选地，所述辐射板均采用聚四氟乙烯单面覆铜板，共地基板采用聚四氟乙烯双面覆铜板，所述馈电网络利用共地基板底面的覆铜层制成。

优选地，所述辐射板的横向剖面呈圆形，所述共地基板的横向剖面呈正方形。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明提供的极化可重构微带天线阵列的增益高、方向性好；作用距离远、穿透能力强；抗干扰能力强。

2)本发明提供的极化可重构微带天线阵列的辐射效率高，使得发射(接收)的微波能量得以充分利用。

3)本发明提供的极化可重构微带天线阵列采用空气混合介质结构，有利于抑制各元素间杂散波的串扰，减少天线阵列的交叉极化，提高天线阵列的增益。同时，共地基板作为反射面，可以有效提高天线阵列的前后比。

4)本发明提供的极化可重构微带天线阵列的馈电网络位于共地基板的另一侧，与辐射板共享一个剖面，有利于形成更紧凑的设计。

5)进一步地，本发明提供的极化可重构微带天线阵列可通过调整馈电网络和导体针的位置，可以实现天线阵极化方式和辐射特性的重构。

附图说明

图1为微带天线阵列的横向剖面示意图。

图2为微带天线阵列的纵向剖面示意图。

图3为微带天线阵列在不同频段的最优反射系数曲线图。

图4为微带天线阵列在e面、h面的方向增益曲线图。

图5为极化重构后的双极化微带天线阵列的横向剖面示意图。

图6为极化重构后的微带天线阵列的横向剖面示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。

实施例1

如图1、2所示，基于空气隙结构6的极化可重构微带天线阵列，包括四块辐射板1，共地基板2，馈电网络3，四组方形支柱4，和同轴馈电的sma头5，其中四块辐射板1与基板共地2平行设置，共地基板2与辐射板1之间留有作为空气隙结构6的间距，共地基板2通过四组绝缘方形支柱4与四块辐射板1连接，位于共地基板2的馈电网络3通过四根探针7与四块辐射板1的辐射面分别连接；同轴馈电的sma头5的探针与馈电网络3连接。

其中，所述四块辐射板1的横向剖面均呈圆形，其半径为12.8mm，辐射板1的厚度均为0.3mm；所述共地基板2的横向剖面呈正方形，其尺寸范围为73mm×73mm至80mm×80mm，共地基板2的厚度为0.8mm。所述辐射板1的介电常数ε＝2.2，介质损耗角正切tanδ＝0.0009；所述共地基板2的介电常数ε＝2.55，介质损耗角正切tanδ＝0.0014。四组方形支柱4均由大小相等的四个方形支柱构成，方形支柱4的两端分别与辐射板1、共地基板2连接。所述方形支柱4由聚四氟乙烯材料制成。

上述方案中，四块辐射板1上表面的辐射面作为辐射单元，共地基板2的上表面作为地平面，馈电网络3位于共地基板2的下表面。馈电网络3采用wikinson功率分配器的级联形式，保证各辐射单元的振幅和相位。辐射单元与馈电网络3之间利用四根探针7进行激励。微波能量由同轴馈电的sma头5输入，通过馈电网络进行能量分配与阻抗匹配，再经由四根探针7激励辐射单元，将微波能量辐射到自由空间中。

本发明提供的微带天线阵列采用空气隙结构6，有利于抑制各元素间杂散波的串扰，减少天线阵列的交叉极化，提高天线阵的增益。实验证明，本发明提供的微带天线阵列在使用时的带宽好、增益高、辐射效率高、方向性好，适用于各类无线通信应用领域。

本实施例中，如图2所示，所述四块辐射板1均包括覆铜层和介质层，覆铜层的底面与介质层的顶面贴合，覆铜层作为天线的辐射面；所述共地基板2包括覆铜层、介质层，覆铜层的底面与介质层的顶面贴合，所述馈电网络3设置在共地基板2的底面上，所述馈电网络3与共地基板2之间不进行电气连接。共地基板2的馈电网络3通过依次穿过共地基板2的介质层、共地基板2的覆铜层、辐射板1的介质层的四根探针7与四块辐射板1的覆铜层分别连接。共地基板2的覆铜层作为地平面，馈电网络3位于共地基板2的下表面，辐射板1的覆铜层作为辐射单元。两覆铜层之间间隔着介质层和空气隙6，由此，两覆铜层之间的相对介电常数减少，有利于抑制各元素间杂散波的串扰，减少天线阵列的交叉极化，提高天线阵列的增益。本实施例中，所述四块辐射板1均采用聚四氟乙烯单面覆铜板，共地基板2采用聚四氟乙烯双面覆铜板。

实施例2

本实施例对实施例1提供的微带天线阵列进行了具体的实验，其实验结果如图3、4所示。

如图3所示，实施例1提供的微带天线在谐振频率5.8ghz有最优反射系数s11＝-37.5db。

如图4所示，实施例1提供的微带天线在谐振频率5.8ghz的增益gain＝13.49db。

实施例3

本实施例对实施例1、2提供的微带天线阵列进行了更加深入的实验和优化设计，实现了天线阵列极化方式重构。其优化设计如图5、6所示。

具体地，如图5所示，调整馈电网络3的长度和四根探针7的位置，可实现双极化微带天线阵列极化方式重构。

具体地，如图6所示，调整馈电网络3的长度和四根探针7的位置，可实现与实施例1的线极化方向正交的线极化微带天线阵列。

特别地，在图5、图6中调整四根探针7的位置时，应注意保持对相位一致性的控制。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。