[发明专利]基于3D打印的稀疏型介质棒天线

说明书

本发明公开了一种基于3D打印的稀疏型介质棒天线，包括介质棒和印制对数周期天线，所述的印制对数周期天线由上金属层、下金属层、介质基板和金属化过孔组成；所述介质棒的横截面上周期性地分别设有M个空气槽和N个空气孔，每个空气槽和空气孔分别位于该介质棒的外边缘和横截面内，且该空气槽和空气孔的中心分布轴线与介质棒的中心轴线相互重合；同时采用基片集成波导馈电的印制对数周期天线作为激励源，减小了馈电结构体积；该介质棒采用3D打印加工成型，易于加工复杂结构及降低了加工成本。本发明在天线工作频段内具有稳定的高增益辐射特性，可应用于X波段雷达与卫星通信等无线通信系统中。

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别涉及一种基于3D打印的稀疏型介质棒天线，可应用于X波段雷达与卫星通信等无线通信系统中。

背景技术

随着无线通信的发展，对于在雷达等无线通信系统中的天线性能要求也在不断地提高。其中，高增益天线由于能够有效补偿传播路径中电磁波衰减而受到广泛关注；宽带天线由于能够降低系统复杂度并提升通信容量而被广泛研究与应用。为了更好满足X波段雷达通信应用，对天线的高增益、稳定辐射方向图及低交叉极化需求在不断增加。

介质棒天线是一种由纯介质材料组成的行波天线，由于其具有宽带、高增益和高辐射效率等特性，常被用于高辐射效率、高极化纯度和高增益等场景，例如雷达通信、卫星通信等。介质棒天线的馈源可以使用波导、微带缝隙耦合等激励方式，其中，使用波导激励介质棒天线最为常见，但是这种激励方式有着工作带宽较窄、体积较大及高后向辐射的缺点。基片集成波导由上下金属表面以及两排金属化通孔阵组成，可以满足于微波系统和微波器件集成化和小型化的需求，同时具有传统矩形波导相似的传输特性。利用基片集成波导技术馈电的天线可克服传统矩形波导的缺点，具有低剖面且易于与平面电路集成的优点。对数周期天线是典型的宽带行波天线，其中，印制对数周期天线可以有效地将天线集成于平面电路中，降低了天线剖面同时保证其宽带特性。

此外，介质棒天线通常采用同种高介电常数材料加工，制作成本较高，加工结构简单，但其增益带宽较窄，增益性能有限；通常提升介质棒天线增益性能的方法就是使用双层结构，双层结构介质棒天线要求内外层介质材料采用不同介电常数的材料加工，可以更有效地控制电磁能量在内芯传播，同时可以避免高次模出现，相比传统单层结构，双层结构介质棒天线具有更高的峰值增益和更宽的增益带宽，但其加工工艺却更为复杂、加工成本高，其实际应用受到限制。

传统的单层介质棒天线存在的许多不足之处，例如增益带宽有限和馈电结构体积大；而双层结构由于是由具有不同介电常数的材料组成，增加了介质棒天线的生产复杂度及生产成本。以上问题均极大程度地限制了介质棒天线的应用范围。

例如，哈尔滨工业大学公开了一种名称为“一种小口径高增益宽频带的介质棒天线”发明专利申请(申请日2017.09.01，申请公布号107611582A)，该发明公开了一种小口径高增益宽频带的介质棒天线，该天线包括馈电结构、传输波导和介质棒透镜；馈电结构的连接端与传输波导的一端连接，所述介质透镜的一端插入传输波导的另一端内；所述馈电结构的连接端采用阶梯块结构实现。但是，该天线采用波导馈电，馈电结构体积较大，且该天线需要额外的阻抗匹配装置，增益在频带内变化较大，增益带宽较窄，辐射方向图不稳定，天线加工较为复杂。

例如，哈尔滨工业大学公开了一种名称为“一种低副瓣电平的8mm波段介质棒天线”发明专利申请(申请日2014.09.19，申请公布号CN104300230A)，该发明公开了一种低副瓣电平的8mm波段介质棒天线，该天线包括第一介质圆台段、第一介质圆柱段、第二介质圆台段、第二介质圆柱段和第三介质圆台段、子弹头形状转换介质过渡段、燕尾锥削段和矩形波导。但是，由于该天线采用波导馈电，且需要额外的匹配装置，增大馈电结构体积，天线加工较为复杂。

发明内容