一种基于短路针结构的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，涉及一种基于短路针结构的微带天线阵列。

背景技术：

微波能量传输(mpt，microwavepowertransmission)是指在微波频段利用无线的形式实现能量的传输。arthurd.little公司的dr.peterglaser最初提出了在偏远地区向无人机(uavs)供电和空间太阳能发电(ssp)的想法，由此诞生了mpt这一概念。mpt技术首先在长距离、大功率应用方面受到青睐，如sps上的能量传输为临近空间飞行器供能；地面沙漠、孤岛、峡谷等复杂环境中的电能输送问题。此外，mpt技术在低功率应用方面亦展现出诱人的前景。目前，mpt技术在国际、国内受到越来越多的关注。

mpt微波发射天线的作用是将微波发射机产生的射频能量发射到自由空间中。微波接收天线是微波无线输能系统的接收组件之一，是接收整流天线的能量前端，实现对射频能量的接收。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。

但由于传统的微带天线带宽窄、增益小、辐射效率低等缺陷，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微带天线增益小的缺陷，提供了一种基于短路针结构的微带天线阵列，短路针结构对微带天线阵列的增益进行了增强。

为实现以上发明目的，采用的技术方案是：

一种基于短路针结构的微带天线阵列，包括辐射板、共地基板、短路针和馈电网络，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；所述每块辐射板分别与一组短路针的一端电气连接，短路针的另一端与共地基板电气连接；所述同轴馈电的导体针与共地基板之间不进行电气连接。

进一步地，所述天线阵列还包括有sma头，同轴馈电的sma头的探针与馈电网络的输入端电气连接。

上述方案中，本发明提供的天线阵列利用短路针干扰辐射板上的电流分布，实现天线阵列的增益增强。

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wilkinson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导体针进行激励。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，再经由导体针激励辐射单元，将微波能量辐射到自由空间中。

优选地，所述馈电网络设置在共地基板的底面上，所述馈电网络与共地基板之间不进行电气连接。

优选地，所述与每块辐射板连接的一组短路针包括四根短路针，所述四根短路针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；所述共地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，减少天线阵列的交叉极化，提高天线阵列的增益。

优选地，所述短路针的一端与共地基板的覆铜层电气连接，短路针的另一端穿过辐射板的介质层后与辐射板的覆铜层电气连接。

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，所述的短路针为圆柱型金属导体，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)本发明提供的微带天线阵列，增益高、方向性好；作用距离远、穿透能力强；抗干扰能力强。

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

3)本发明提供的微带天线阵列，通过短路针干扰辐射板上的电流分布，实现了天线阵列的增益增强，与同类型的传统天线相比，增益提高了50％左右。

4)本发明提供的微带天线阵列，采用空气混合介质结构，有效拓宽了天线阵列的频带宽度。同时，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。此外，共地基板作为反射面，可以有效提高天线阵列的前后比。

5)本发明提供的微带天线阵列，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。

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xoz、yoz面的方向增益曲线图。

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，所述基于短路针结构的微带天线阵列包括四块辐射板1、共地基板2、馈电网络3、短路针4和同轴馈电的sma头5，其中四块辐射板11、12、13、14设置在共地基板2的上方，共地基板2与辐射板1之间留有作为空气隙6的间距，每块辐射板1分别与同轴馈电的导体针7的一端连接，同轴馈电的导体针7的另一端穿过共地基板后与馈电网络3电气连接。所述每块辐射板1分别与一组短路针4的一端电气连接，短路针4的另一端与共地基板2电气连接。所述同轴馈电的导体针7与共地基板2之间不进行电气连接。

其中，所述四块辐射板11、12、13、14的横向剖面均呈圆形，其半径为18.15mm，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85mm×85mm至95mm×95mm，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。短路针4大小相等，为圆柱型金属导体，横向剖面的圆形半径为0.5mm。短路针4的两端分别与辐射板1、共地基板2连接。

上述方案中，四块辐射板11、12、13、14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wilkinson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之间利用四根导体针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，再经由四根导体针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6和短路针4结构，通过短路针干扰辐射板上的电流分布，实现了天线阵列的增益增强，以同类型的传统天线相比，增益提高了50％左右。采用空气混合介质结构，有效拓宽了天线阵列的频带宽度。同时，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。此外，共地基板作为反射面，可以有效提高天线阵列的前后比。实验证明，本发明提供的微带天线阵列在使用时具有带宽好、增益高、辐射效率高、方向性好、尺寸小的优点，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11、12、13、14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，介质层为辐射面提供必要的刚性；所述共地基板2包括覆铜层和介质层，覆铜层的底面与介质层的顶面贴合；所述每块辐射板1的覆铜层分别与一组短路针4的一端电气连接，短路针4的另一端穿过辐射板1的介质层后，与共地基板2的覆铜层电气连接；通过短路针4干扰辐射板1上的电流分布，实现了天线阵列的增益增强。所述馈电网络3设置在共地基板2的底面上，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的介质层后与四块辐射板1的覆铜层分别连接；所述同轴馈电的导体针7与共地基板2之间不进行电气连接。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，采用空气混合介质结构，两覆铜层之间的相对介电常数减少，有效拓宽了天线阵列的频带宽度；同时，有利于抑制各元素间杂散波的互耦串扰，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，所述馈电网络3利用共地基板底面的覆铜层制成，所述的短路针4为圆柱型金属导体。

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＝-32.8db。

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＝15.0db。

由上述实验结果可知，本发明提供的具有高增益的特点。

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。