[发明专利]特别用于微波成像系统的宽带天线

说明书

本发明涉及一种集成到印刷电路(10)中的天线结构，该印刷电路(10)包括具有相同介电常数但不同厚度的两个介电层(52、56)，位于所述第一介电层(52)的第一表面(51)上的平衡螺旋辐射元件(60)，和穿过具有与所述平衡天线相同阻抗的平衡双线线路(70)的平衡天线的电源，其特征在于，所述平衡双线线路(70)将所述平衡螺旋天线(60)与位于所述第二层(56)的第二表面(57)的一对微带传输线(80)互连，其中每个微带线(80)的阻抗等于所述双线传输线(70)的阻抗的一半，并且其特征在于，对应于所述平衡微带线(80)，在所述第一层(52)的第二表面(53)相对应的所述第二层(56)的第一表面(55)上，设置接地面(85)，所述接地面根据所述第二介电层(56)的厚度和所述微带(80)之间的距离确定所述平衡微带线的传输阻抗。

技术领域

本发明的应用领域是宽带平面辐射结构，优选在15GHz到50GHz的频率范围内工作，其可用作设计用于微波成像系统的发射/接收天线阵列的构建块。

背景技术

50年代初在俄亥俄州立大学(美国)担任教授，1954年至1957年在伊利诺伊大学任教，Victor Rumsey对互补天线系列，即阻抗恒定且等于所有频率下自由空间阻抗一半的天线系列产生了浓厚的兴趣。

自互补天线的一个特点是其金属部分与非金属部分一致，即第二部分可以通过平面或空间中的刚性运动叠加在第一部分上。

可以设计许多自互补的几何形状。Rumsey在研究这些结构多年后，确定如果天线的形状仅根据角度指定，则阻抗和辐射特性与频率无关。这条定律在今天被称为Rumsey原理。

1958年，伊利诺伊大学的John Dyson在实验中应用了Rumsey原理，他建造了第一个具有频率无关特性的螺旋天线。

美国海军的Arthur Marston和Henri Coleman完善了一种互补天线，称为双臂阿基米德螺旋天线，他们分别在1958年和1959年为其配备了定向性能并获得了相关解决方案的专利。

最近，许多生产螺旋天线的方法被提出并获得了专利，例如，专利US5313216和US6137453。

专利US8390529特别展示了一种多层印刷电路结构，其中螺旋天线被安置在第一层的第一表面上，接地面位于第一层的第二表面(也对应于第二层的第一表面)上。该接地面代表着将传统的解决方案并入印刷电路，使螺旋天线的辐射具有单方向性。接地面也位于第二层的第二表面上。该接地面用作天线电源系统连接的接地面，例如同轴电缆的屏蔽导电编织物。

该解决方案即使具有并入印刷电路的优点，也不可能获得优化的宽带辐射特性，特别是在传输天线和接收天线之间的阻抗匹配和传输方面。这种限制是由第一层的厚度相当于构成该层的材料本身的四分之一波长的倍数的频率上的共振引起的。

图1中的附图显示了符合专利US8390529的天线的频率响应(参数S21)。可以看到由共振和响应缺乏均匀性引起的问题。

专利US8390529中所示结构的第二个问题是不可能使用第二层的第二表面来实现传输线和组装超频电路，因为它是用于连接天线电源的接地面。

专利US8390529中所示结构的第三个问题是相邻天线之间的耦合，如相同专利的图2所示，这是由于一部分电磁功率可能通过第一层的介电材料而引起的。因此，该解决方案不适用于天线阵列的构建。

文献US6335710描述了一种天线结构，该天线结构连续包括放置在铁电材料层和电介质层之间的螺旋天线，铁电材料层可以具有80和1500之间的介电常数。然而，就其在微波成像系统中的使用而言，这种天线不能用于宽带平面辐射结构中，因为它是一种可调谐的天线，它的频带很窄。具体来说，该天线的Q因子非常高，可以控制从铁电材料层反射的波。

发明内容

本发明的目的是通过提出一种性能优于已知天线的天线来完善现有技术。