[发明专利]一种高增益的微带辐射天线

说明书

技术领域

本发明涉及无线微波能量传输领域中的一种发射装置，即一种高增益微带辐射天线。

背景技术

微波的发展与应用是从产生微波振荡与放大的器件开始的。1920～1940年期间，微波电真空器件的研制取得了巨大成就。磁控管、速调管，以及多腔磁控管、双腔速调管和反射速调管等相继出现，不但能产生或放大微波信号，而且是两类主要的微波功率源。它们的出现为微波能的应用打下了基础。60年代出现的回旋管把微波推向了毫米波大功率领域，为微波能的应用展示了更为广阔的前景。微波自出现以来，主要的应用是在雷达、通信、导航、电视、遥感等信号传输领域，在二次世界大战中以及战后都有了飞速的发展。由于微波的热效应，以美国、日本为首的国家70年代就开始发展家用微波炉。随后，微波的应用又扩大到了干燥、加热、杀菌、种子处理等工农业领域。在医学上也探索出了微波治癌、理疗、针炙等新的医疗手段。可见，微波能不但应用于国民经济的诸多领域，而且还进入了家庭，同我们人体自身有着密切的联系。

然而，作为微波能应用的重要方面——微波能的空间传输，我们还知之不多。其实，微波输能也是人类社会进步、微波技术发展的必然结果。早在1968年，针对人类社会面临的能源危机，彼得·格拉泽(Peter Glaser)提出了卫星太阳能电站(SatelIite Solar PowerStation，简称SSPS)的设想。该电站用庞大的太阳能电池阵列在太空中将太阳能转变为电能，设计容量为1000万千瓦。但是如何将这一强大的电能送到地球表面即成了一个大的问题。经专家们反复论证，目前提出的最为可行方案就是采用“无线输电”的方式，即通过微波将这一强大的电能带回地球。80年代中后期，由加拿大通信研究中心着手研制的SHARP(Stationary HighAItitude Relay PIatform)高空永久平台，静止高度为21公里，视野覆盖地面直径达1000公里以上的区域，在广播、电视、通讯、气象、地面监测等方面都将起重要作用。但是这一高空平台靠什么能源才能稳定在空中？通过对常规燃料的重量及其可靠性进行分析，他们得出的结论是：微波供能是很好的解决办法。目前我国驻守在岛屿的官兵，工作于山头雷达站、导航站的工作人员，由于不便架设电线，他们的设备和生活用电大都采用柴油机组发电，而且燃油、配件等消耗材料往往靠人工运输。这类应用要求的传输距离不大(一般小于50公里)，应用微波进电是切实可行的。

发明内容

本发明设计了一种微带栅格辐射天线，该天线是由若干微带辐射单元和传输线单元组成的微带阵列天线，可以直接50Ω同轴线馈电。天线工作中心频率2.45GHZ，为实现阻抗匹配以及高增益特性，采用并行遗传算法和数值算法对微带栅格天线结构进行了优化设计。

栅格天线是一种由栅格单元组阵形成的天线，栅格天线具有结构简单，低剖面，馈电方便等特点，同时具有高增益、波束集中、低副瓣、线极化等辐射特性。传统栅格天线采用金属杆制作矩形栅格单元，每个矩形单元的尺寸取值为长一个波长，宽二分之一波长。金属接地面与栅格单元阵列平行，接地面与栅格单元之间距离大约是四分之一波长，同轴馈线穿过接地面对栅格单元网络中心馈电。

附图说明

图1是微带栅格辐射天线示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体的实施方案对发明作进一步说明。

微带栅格辐射天线示意图如图1所示，图中深色区域是金属层，浅色区域为介质基板，介质基板采用介电常数＝2.65rε，厚度h1＝1mm的聚四氟乙烯材料。栅格阵列由矩形微带单元组阵构成，微带单元分别有X方面和Y方面两种微带线，X方面微带线尺寸为Wx～Lx，Y方面微带线尺寸为Wy～Ly，根据栅格天线的辐射原理，电流在栅格的X方面的单元上电流相位一致，因此微带栅格天线的主要辐射单元沿X轴方向放置的微带线单元，共有13个单元，每个其余沿Y轴方向微带线单元可看作传输线，同时起到传输能量和阻抗匹配的作用。因此X方面的微带线相对Y方面的微带线较宽，可以看作是单元的微带贴片天线，而Y方面的微带线是微带传输线和馈电网络的作用，保证了每个微带贴片单元正常工作。

通过自动优化，最后得到性能优良的天线参数，根据优化结果采用四个优化设计得到的微带栅格天线单元组成平面阵列，天线底部采用一整块的金属接地面，接地面与微带栅格单元之间用聚四氟乙烯圆柱固定，保证两者间距一致。接地面开有四个通孔，四根50欧姆同轴线内导体穿过接地面的通孔，分别对四个栅格天线单元进行馈电。