平板天线（共3篇）
平板天线 篇1
(2014-54-英国-29)
现在广泛使用的锅盖式天线接受器体积大, 安装不方便, 且接受信号能力有限。该公司生产的智能型天线, 体积小, 重量不足5公斤, 易于安装, 接受信号能力强, 可紧贴建筑物表面, 不会影响建筑外观, 使用场所广泛。
该实验室成果已申请了专利, 不但可用作传统的建筑物信号接受天线, 还更适用于传播、车辆等移动设备, 用途广泛适合国内外市场需求。外方期望以许可合作等方式开展合作。
平板WIFI定向天线的研究 篇2
随着WIFI无线通信技术的成熟和无线路由器的普及,各种智能手机、PDA和笔记本电脑都可以通过无线方式冲浪Internet,WIFI通过将有线网络信号转换成无线信号,在无线路由器等设备支持下实现无线上网。WIFI已成为当前使用最多的一种无线传输技术[1,2]。
关于WIFI,普遍关心的问题是接收点的信号强度。由于在大多数情况下WIFI采用全向天线,这时电磁场在水平各个方向均匀辐射[3],信号覆盖范围十分有限,加上WIFI信号穿透能力一般,现代建筑对室内无线信号形成较强屏蔽,这也限制了通信的区域范围[4]。
为了适应办公场所和家庭等较长距离无线通信的要求,往往采用增益天线。增益天线能够将有限电磁能量辐射到指定的方向。增益天线包括八木天线[5]、抛射面天线[6]、对数周期天线[7]、偶极子阵列[8]和喇叭天线[9]等多种形式,但最简单也最实用的增益天线是平板天线。近年来平板天线在WIFI通信方面有较多的应用,市场上也有不少此类产品,但针对这种天线研究和分析的内容甚少。针对WIFI频段的一款小尺寸平板天线开展研究,运用HFSS电磁仿真技术[10]对天线进行设计、计算、分析和对比。通过构建天线实验模型并进行测试,进一步验证数值计算的正确性。
1 天线模型构建及分析
设计的平板WIFI定向天线结构如图1所示,天线的结构为上下重叠却不接触2块平板,材料选定为铜。上面较小的铜片作为天线的辐射面,长为L2,宽为L1; 下面较大的铜片作为天线的接地面,长为L4,宽为L3。辐射片与接地片中间间隔为H1使用不导电的介质作为支架,天线端口长为L6,宽为L7。设计要求天线能工作在2. 4 GHz附近,谐振点回波损耗小于 - 25 d B,辐射功率前后比达到5 d B。
取L1= 54 mm、L2= 58 mm、L3= 64 mm、L4=64 mm、L5= 4 mm、L6= 14 mm、L7= 15 mm、H1=13 mm和H2= 6 mm作为天线的基本尺寸,在此基础上分别改变H1、L3、L1和H2的值,对天线特性进行仿真比较分析,回波损耗变化曲线如图2所示。由此可知,随着上下板间距H1的增大,天线的回波损耗变小,且工作中心频率向低频端移动; 随着L3的增大,即接地面面积的增大,天线的回波损耗变小,中心频率向低频端移动; 随着L1的增大即辐射面面积的增大,天线回波损耗数值变大,但中心频率较大幅度地向左侧偏移; H2的变化对天线特性的影响不明显。
通过上面的数值分析,掌握了天线几何尺寸对阻抗匹配特性的影响,再考虑到天线定向辐射强度分布的要求,可借助于HFSS进行全面优化,得到能够满足天线设计要求的最终尺寸为: L1= 54 mm、L2= 58 mm、L3= 70 mm、L4= 64 mm、L5= 4 mm、L6=14 mm、L7= 15 mm、H1= 15 mm及H2= 6 mm。
在此尺寸下频率f = 2. 4 G的辐射方向图如图3所示,在yz平面内,定向辐射明显,最大辐射指向θ = 0°的方向,最大增益达到8 d Bi; 在xz平面的900方向,存在不对称的较小辐射,但相对于0o方向的辐射,数值很小。
2 天线模型制作与测量
天线模型采用厚铜皮制作,用同轴线馈电,如图4所示。天线回波损耗通过矢量网络分析仪进行测量。为便于分析,将测量数据与最终尺寸的仿真数据进行比较,如图5所示。可以看出,天线的回波损耗测试结果与仿真结果存在少量偏差,但总体吻合,测量值在频率2. 46 GHz左右得到的回波损耗最小,即匹配程度最佳。由于在WLAN中2. 4 GHz频段范围在2. 4 ~ 2. 483 GHz内,所以该实验结果符合天线的设计要求。
将制作的天线与无线路由器连接,在笔记本电脑上安装WIFI检测软件,利用笔记本电脑的无线上网功能在户外开阔地带可定量测量天线的辐射特性。
经过归一化处理后所得的测试结果如图6所示。
由图可知,天线在0°时增益最大,且辐射的分布特性与仿真结果具有较好的一致性。
3 结束语
平板天线 篇3
1 天线结构特点
阵列天线外形920mm×155mm×86mm, 天线前板密布228个波导阵列单元, 与背板钎焊形成波导腔体。每一个单元都包括裂缝波导、喇叭腔体及减重孔等。裂缝波导内腔尺寸精度为±0.05㎜, 表面粗糙度Ra为0.8μm, 整体平面度要求为0.03mm, 如图1所示。
2 工艺难点
平板阵列天线为前后钎焊结构。正面密布228个深30mm的波导槽, 每个槽底有宽2mm的裂缝槽, 反面6条深22.86mm的波导通槽, 与正面最薄连接处仅为1mm。零件外形巨大, 结构复杂, 零件在工作台装夹难度大。
天线前板零件尺寸精度±0.02mm, 平面度为0.03mm, 表面粗糙度Ra0.8。正反面要求以中心轴线对称。因此, 减少切削加工中时的零件变形, 提高效率、保证精度为又一难点。
保证在深30mm的波导内底面加工出宽度为2mm的裂缝槽, 并保证其形位尺寸精度为难点三。
天线为两层零件钎焊成形, 两层之间的对称度允差为0.02mm, 且焊接后不允许腔内焊料堆积, 钎角R不大于0.5mm;波导腔内壁应保证接平;钎焊时, 必须保证很高的定位精度要求。
零件焊接时有悬空部位。焊接时, 因受热变形, 悬空部分会塌陷, 导致零件装配后平面度差, 进而影响电性能要求。因此, 需解决焊接时部分部位的悬空问题。
3 工艺措施
天线前板是薄壁、空腔件, 加工变形是影响精度的关键。造成空腔、薄壁馈电腔体加工变形的因素有材料本身的特点、残余内应力释放、切削力和切削热过大、材料去除率不均匀以及刀具使用状况等。由于工件相对较薄, 结构强度低, 工件变形、工件的震颤等均会产生较大影响。通过采用高速铣削加工来减少材料及切削过程对精度的影响。同时, 在制造流程中采取措施充分释放残余应力、采取防变形的装夹方式、优化切削参数等, 保证材料受力的均匀性以减小切削应力。针对零件的特点, 制定了加工方案。具体加工流程如下:天线前板备料→粗铣→加工中心半精铣→自然时效→精铣→去毛刺→焊前清洗→装配→真空钎焊→热处理→表面处理→检验。
4 工艺实施
(1) 材料时效。零件材料为6061, 状态为T651为预拉伸铝合金板料。由于材料本身采用了预拉伸的方式, 内应力平衡。因此, 采用热处理方式去除应力无太大意义。所以, 加工过程中无需增加热处理去应力, 而选择平板静置48小时自然时效去应力。
(2) 定位及装夹。由于零件属于薄壁、蜂窝状, 采用虎钳夹紧方式装夹易造成零件变形。加工时的装夹方式为:在零件轮廓外的毛坯部份钻孔, 通过螺钉将零件固定并压紧在机床工作台面上, 通过两销钉孔来保证正面与反面的各内腔的相对位置。
(3) 加工参数。零件备料厚度留5mm余量, 先去除板料上下面的表皮, 由铣削加工中心分粗加工、自然时效、半精加工、精加工四个步骤。粗加工零件正反面, 各个尺寸留1mm余量;半精加工, 所有减重槽加工到最终尺寸, 正反面波导内腔留0.1mm余量;精加工, 先加工反面的6个深22.86mm的波导槽, 再翻面加工正面228个波导内腔。内腔四角为R2, 加工时必须使用不大于φ4的铣刀来加工, 考虑到波导内腔深30mm, 铣刀的直径越小, 刚性越差, 刀具让刀越严重。因此, 选用直径φ4的铣刀加工。波导内腔铣削加工完成后, 采用小直径铣刀沿筋从中心向四周排铣920mm×185mm大面, 保证平面度0.03mm。
(4) 裂缝槽加工。加工裂缝槽时, 根据以往的加工经验, 采用高转速, 小吃刀量, 高速进给加工。加工2mm裂缝的铣刀刃长为5mm, 柄粗为φ5。铣刀装夹后只露出刀刃部分, 最大限度保证铣刀的刚性。先用φ1.5铣刀粗加工, 然后用φ1.8铣刀精加工。各个裂缝的间距、角度依靠机床精度保证, 如图2所示。
(5) 焊接定位。该天线采用2层拼焊, 且两件零件的厚度各不相同且差异较大, 分别为3mm和50mm。为保证钎焊后各零件的相对位置精度和钎焊质量, 对焊接前的整体组装要求有严格的定位。为了保证零件加工、检测、装配、钎焊过程采用统一的定位基准, 避免因基准不统一造成的误差, 同时不产生定位干涉, 故采用“一面两销”的定位方式。在操作中采用专用工装固定后, 依次组装, 整体固定, 配作定位销孔;再采用定位销定位方式来组装并固定, 将各组件连接在一起, 组装好后进行适当调整, 保证其组装精度, 如图3所示。
(6) 焊料控制。为保证焊接后内腔无多出焊料, 工艺采取措施选择0.1mm厚度中温焊片。考虑到焊片太薄, 没有什么强度, 加工完后的组装固定至关重要。我们采取两项措施:设计焊片时, 考虑在焊片上增加64个Φ2定位小孔, 这样在组装焊片时可以用小销子来定位焊片防止错位, 相应地在2层焊接件上要增加焊片定位孔;在设计焊片时, 考虑到焊料的可流动性, 控制多余焊料流入内腔, 焊片宽度相对零件搭接面宽度收缩0.1mm, 这样焊片在熔化后不会有更多焊料流入内腔, 并使用了工艺垫块防止盖板塌陷。
试验加工的平板阵列天线, 经后续加工、测试及上机联试, 其电气性能指标均达到设计图样的要求。
5 结论
平板阵列天线结构尺寸大, 精度要求高, 加工难度大。通过工艺加工试验和设计精密的装夹方式, 并应用高速切削技术、真空炉中铝钎焊定位装夹技术等相关的加工技术, 成功完成了平板裂缝天线的制造, 为其他大尺寸平板阵列天线的研制奠定了工艺技术基础。
摘要：文章针对平板阵列天线结构尺寸大、精度要求高、加工难度大的特点, 通过工艺材料加工试验, 设计精密的装夹方式, 并应用高速切削技术、真空炉中铝钎焊定位装夹技术等相关的工艺加工技术, 制定科学合理的加工工艺方案, 以期为此类零件加工积累经验。
关键词：阵列天线,薄壁腔体,切削应力,加工变形
参考文献
[1]张祖稷.雷达天线技术[M].北京:电子工业出版社, 2005.
[2]张润逵.雷达结构与工艺[M].北京:电子工业出版社, 2007.