CN103474785A - 带有辐射型负载的变缝长宽带行波缝隙阵列天线 - Google Patents

Abstract

带有辐射型负载的变缝长宽带行波缝隙阵列天线，它一种阵列天线，具体涉及一种带有辐射型负载的变缝长宽带行波缝隙阵列天线。本发明为了解决现有介质集成波导缝隙阵列天线的阻抗带宽很窄的问题。本发明包括辐射金属层、第一介质板、馈电金属层、脊金属层、第二介质板、底金属层、梯形金属层、长条形金属层、第一金属圆片和第二金属圆片，第一介质板和第二介质板均是长方形板，馈电金属层是长条形金属薄片，脊金属层是长方形金属薄片，辐射金属层、第一介质板、馈电金属层、脊金属层、第二介质板、底金属层由上至下依次叠加设置。本发明用于无线电领域。

Description

带有辐射型负载的变缝长宽带行波缝隙阵列天线

技术领域

本发明涉及一种阵列天线，具体涉及一种带有辐射型负载的变缝长宽带行波缝隙阵列天线。

背景技术

介质集成波导是一种在介质基片上实现类似于金属矩形波导传输特性的波导结构，自从介质集成波导概念被提出，这种集合了传统金属矩形波导的低辐射、低插损和微带器件的小型化、易于集成等优点的新型器件也被用来设计缝隙阵列天线，成为研究的热点。借助于印刷电路工艺，基于介质集成波导的缝隙阵列天线的低成本批量生产成为可能。现有介质集成波导缝隙阵列天线的阻抗带宽很窄（不超过10%），这成为了制约其应用于宽频带无线系统领域的瓶颈。

发明内容

本发明为解决现有介质集成波导缝隙阵列天线的阻抗带宽很窄的问题，进而提出一种带有辐射型负载的变缝长宽带行波缝隙阵列天线。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明包括辐射金属层、第一介质板、馈电金属层、脊金属层、第二介质板、底金属层、梯形金属层、长条形金属层、第一金属圆片和第二金属圆片，第一介质板和第二介质板均是长方形板，馈电金属层是长条形金属薄片，脊金属层是长方形金属薄片，辐射金属层、第一介质板、馈电金属层、脊金属层、第二介质板、底金属层由上至下依次叠加设置，馈电金属层位于第一介质板下表面的中部，且馈电金属层沿长度方向中心线与第一介质板沿长度方向中心线重合，馈电金属层的一端与第一介质板一端的边缘连接，脊金属层位于第二介质板上表面的中部，且脊金属层沿长度方向中心线与第二介质板沿长度方向中心线重合，辐射金属层上表面的中部并排平行设置有两排第一金属化过孔，两排第一金属化过孔沿第一介质板长度方向中心线对称，每个第一金属化过孔由上至下依次穿过辐射金属层、第一介质板，第一金属圆片和第二金属圆片并排设置在第一介质板上表面上的一端，辐射金属层的一端与梯形金属层的长底边连接，辐射金属层的另一端与第一介质板另一端的边缘连接，长条形金属层的一端与第一金属圆片连接，长条形金属层的另一端与梯形金属层短底边连接，第二金属圆片的上表面上设有第二金属化过孔，第二金属化过孔由上至下依次穿过第二金属圆片、第一介质板、馈电金属层，辐射金属层上表面中心线的一侧沿长度方向依次开有第一金属层缝隙、第二金属层缝隙、第三金属层缝隙、第四金属层缝隙，辐射金属层上表面中心线的另一侧沿长度方向依次开有第五金属层缝隙、第六金属层缝隙、第七金属层缝隙、第八金属层缝隙，且第一金属层缝隙、第二金属层缝隙、第三金属层缝隙、第四金属层缝隙、第五金属层缝隙、第六金属层缝隙、第七金属层缝隙、第八金属层缝隙均位于两排第一金属化过孔之间，脊金属层上表面的两侧边缘和两端边缘分别各设有一排第三金属化过孔，四排第三金属化过孔组成一个长方形框体，每个第三金属化过孔由上至下依次穿过脊金属层、第二介质板、底金属层，第二介质板上表面上沿长度方向并排平行设有两排第四金属化过孔，两排第四金属化过孔沿第二介质板长度方向中心线对称设置，每个第四金属化过孔由上至下依次穿过第二介质板、底金属层，每个第四金属化过孔均与相对应的一个第一金属化过孔连通。

本发明的有益效果是：本发明有八个缝隙，具有超过11dBi的增益，若要提高增益，可按照本发明所提供的方法进一步成对提高缝隙的个数，本发明具有尺寸小、重量轻、剖面低、带宽较宽、效率高的特点。本发明的阵元缝隙长度按照等差规律变化，可以实现参差调谐，从而展宽天线的带宽；本发明将辐射型的宽带圆片对称振子作为行波天线阵列的负载，与传统的行波阵列天线的吸收型负载相比，整个天线阵列系统的效率将获得提高；本发明的反射系数小于-10dB的带宽达到了23.4%，与传统驻波阵列的带宽相比有很大提升，同时效率增高，与传统的驻波天线接近；本发明结构简单、易于加工，本发明天线馈电端和负载均为印刷电路结构，与天线辐射体融合为一体，易于集成。

附图说明

图1是第一介质板正面的俯视图，图2是第一介质板背面俯视图，图3是第二介质板正面的俯视图，图4是第二介质板背面的俯视图，图5是本发明横截面示意图，图6是行波阵列的反射系数测试结果示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述带有辐射型负载的变缝长宽带行波缝隙阵列天线包括辐射金属层1、第一介质板2、馈电金属层3、脊金属层4、第二介质板5、底金属层6、梯形金属层7、长条形金属层8、第一金属圆片9和第二金属圆片10，第一介质板2和第二介质板5均是长方形板，馈电金属层3是长条形金属薄片，脊金属层4是长方形金属薄片，辐射金属层1、第一介质板2、馈电金属层3、脊金属层4、第二介质板5、底金属层6由上至下依次叠加设置，馈电金属层3位于第一介质板2下表面的中部，且馈电金属层3沿长度方向中心线与第一介质板2沿长度方向中心线重合，馈电金属层3的一端与第一介质板2一端的边缘连接，脊金属层4位于第二介质板5上表面的中部，且脊金属层4沿长度方向中心线与第二介质板5沿长度方向中心线重合，辐射金属层1上表面的中部并排平行设置有两排第一金属化过孔11，两排第一金属化过孔11沿第一介质板2长度方向中心线对称，每个第一金属化过孔11由上至下依次穿过辐射金属层1、第一介质板2，第一金属圆片9和第二金属圆片10并排设置在第一介质板2上表面上的一端，辐射金属层1的一端与梯形金属层7的长底边连接，辐射金属层1的另一端与第一介质板2另一端的边缘连接，长条形金属层8的一端与第一金属圆片9连接，长条形金属层8的另一端与梯形金属层7短底边连接，第二金属圆片10的上表面上设有第二金属化过孔12，第二金属化过孔12由上至下依次穿过第二金属圆片10、第一介质板2、馈电金属层3，辐射金属层1上表面中心线的一侧沿长度方向依次开有第一金属层缝隙13、第二金属层缝隙14、第三金属层缝隙15、第四金属层缝隙16，辐射金属层1上表面中心线的另一侧沿长度方向依次开有第五金属层缝隙17、第六金属层缝隙18、第七金属层缝隙19、第八金属层缝隙20，且第一金属层缝隙13、第二金属层缝隙14、第三金属层缝隙15、第四金属层缝隙16、第五金属层缝隙17、第六金属层缝隙18、第七金属层缝隙19、第八金属层缝隙20均位于两排第一金属化过孔11之间，脊金属层4上表面的两侧边缘和两端边缘分别各设有一排第三金属化过孔21，四排第三金属化过孔21组成一个长方形框体，每个第三金属化过孔21由上至下依次穿过脊金属层4、第二介质板5、底金属层6，第二介质板5上表面上沿长度方向并排平行设有两排第四金属化过孔22，两排第四金属化过孔22沿第二介质板5长度方向中心线对称设置，每个第四金属化过孔22由上至下依次穿过第二介质板5、底金属层6，每个第四金属化过孔22均与相对应的一个第一金属化过孔11连通。

具体实施方式二：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述带有辐射型负载的变缝长宽带行波缝隙阵列天线的辐射金属层1的长度为248mm，辐射金属层1的宽度为47mm，辐射金属层1的厚度为0.017mm～0.035mm，梯形金属层7长底边的长度为4.7mm，梯形金属层7短底边的长度为1.5mm，梯形金属层7的高为15mm，梯形金属层7的厚度为0.017mm～0.035mm，长条形金属层8的宽度为1.5mm，长条形金属层8的厚度为0.017mm～0.035mm，第一金属圆片9的半径为10.5mm，第一金属圆片9的厚度为0.017mm～0.035mm，第二金属圆片10的半径为10.5mm，第二金属圆片10的厚度为0.017mm～0.035mm。

本实施方式的技术效果是：金属圆片及相连接的馈电线的引入可以显著降低终端的反射，相当于匹配负载，只不过该负载为辐射型的，并且辐射的电磁波与缝隙辐射的电磁波极化方式相同，能够有效提高天线的效率。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述带有辐射型负载的变缝长宽带行波缝隙阵列天线的第一介质板2的长度为297mm，第一介质板2的宽度为47mm，第一介质板2的厚度为1.56mm～1.63mm，第一介质板2的相对介电常数为4.4～4.6。

本实施方式的技术效果是：介质板厚度的选取是常见的印制板介质厚度的尺寸，这样可以降低天线的制作成本。介质板相对介电常数及宽度的选取是为了保证天线能工作在C波段，介质板长度的选取是为了保证能够有8个缝隙进行辐射。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述带有辐射型负载的变缝长宽带行波缝隙阵列天线的馈电金属层3的厚度为0.017mm～0.035mm。

本实施方式的技术效果是：金属层厚度的选取是常见的印制板金属层厚度的尺寸，这样可以降低天线的制作成本。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述带有辐射型负载的变缝长宽带行波缝隙阵列天线脊金属层4长度为219mm，脊金属层4的宽度为4.7mm，脊金属层4的厚度为0.017mm～0.035mm。

本实施方式的技术效果是：脊的引入是本发明的重要内容，这个脊宽度的选取可以使天线具有小型化的效果。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述带有辐射型负载的变缝长宽带行波缝隙阵列天线的第二介质板5的长度为219mm，第二介质板5宽度为47mm，第二介质板5的厚度为1.56mm～1.63mm，第二介质板5的相对介电常数为4.4～4.6。

本实施方式的技术效果是：介质板厚度的选取是常见的印制板介质厚度的尺寸，这样可以降低天线的制作成本。介质板相对介电常数及宽度的选取是为了保证天线能工作在C波段，介质板长度的选取是为了保证能够有8个缝隙进行辐射。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式七：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述带有辐射型负载的变缝长宽带行波缝隙阵列天线的底金属层6的长度为219mm，底金属层6的宽度为47mm，底金属层6的厚度为0.017mm～0.035mm。

本实施方式的技术效果是：金属层厚度及尺寸的选取配合介质板相对介电常数及尺寸的选取能够实现天线所能够达到的工作于C波段及满足8个缝隙辐射的功能。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式八：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述带有辐射型负载的变缝长宽带行波缝隙阵列天线的第一金属层缝隙13、第二金属层缝隙14、第三金属层缝隙15、第四金属层缝隙16、第五金属层缝隙17、第六金属层缝隙18、第七金属层缝隙19、第八金属层缝隙20均是长方形缝隙，第一金属层缝隙13、第二金属层缝隙14、第三金属层缝隙15、第四金属层缝隙16、第五金属层缝隙17、第六金属层缝隙18、第七金属层缝隙19、第八金属层缝隙20的宽度均为1.2mm，第一金属层缝隙13的长度为22.6mm，第一金属层缝隙13沿长度方向的中心线与辐射金属层1沿长度方向中心线之间的距离为4.8mm，第二金属层缝隙14的长度为21.4mm，第二金属层缝隙14沿长度方向的中心线与辐射金属层1沿长度方向中心线之间的距离为4.2mm，第三金属层缝隙15的长度为20.2mm，第三金属层缝隙15沿长度方向的中心线与辐射金属层1沿长度方向的中心线之间的距离为3.6mm，第四金属层缝隙16的长度为19mm，第四金属层缝隙16沿长度方向的中心线与辐射金属层1沿长度方向中心线之间的距离为3mm，第五金属层缝隙17的长度为23.2mm，第五金属层缝隙17沿长度方向的中心线与辐射金属层1沿长度方向中心线之间的距离为5.1mm，第六金属层缝隙18的长度为22mm，第六金属层缝隙18沿长度方向的中心线与辐射金属层1沿长度方向的中心线之间的距离为4.5mm，第七金属层缝隙19的长度为20.8mm，第七金属层缝隙19沿长度方向的中心线与辐射金属层1沿长度方向的中心线之间的距离为3.9mm，第八金属层缝隙20的长度为19.6mm，第八金属层缝隙20沿长度方向的中心线与辐射金属层1沿长度方向的中心线之间的距离为3.3mm，第五金属层缝隙17沿宽度方向的中心线与辐射金属层1一端边缘之间的距离L1为37.5mm，第八金属层缝隙20沿宽度方向中心线与第四金属层缝隙16沿宽度方向中心线之间的距离L2为22.5mm。

本实施方式的技术效果是：8个缝隙的长度和与辐射金属层中心线的距离均成等差数列分布，可以形成参差调谐效果，进一步提高天线的工作带宽。L1和L2的数值的选取则分别有益于天线的匹配及增益的提高。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式九：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述带有辐射型负载的变缝长宽带行波缝隙阵列天线的第一金属化过孔11、第二金属化过孔12、第三金属化过孔21、第四金属化过孔22的直径均为1mm，相邻两个第一金属化过孔11之间的中心距为2mm，相邻两个第三金属化过孔21之间的中心距为2mm，相邻两个第四金属化过孔22之间的中心距为2mm。

本实施方式的技术效果是：金属化过孔的直径选取可以保证天线工作的可靠性，而孔间距的选取则有利于提高天线的效率。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

工作原理

电磁能量通过馈电金属层的馈线和辐射金属层之间的区域馈入到辐射金属层、脊金属层、底金属层及四周的金属化过孔形成的波导区域中，通过辐射金属层的缝隙和终端的圆片对称振子负载进行辐射。缝隙的辐射电场垂直于缝隙的长边，对称振子的辐射电场垂直于波导的长边，两部分的辐射场的极化方式是相同的。8个缝隙均有各自的谐振频率，这个频率与缝隙长度有关，由于长度不同将产生参差调谐效果，圆片对称振子本身具有宽带辐射特性，因此整个天线的带宽将会很宽（超过20%），同时除了金属层产生少量热损耗外，没有其它能量损失，因此天线会有较高的效率。

Claims (9)

1.带有辐射型负载的变缝长宽带行波缝隙阵列天线，其特征在于：所述带有辐射型负载的变缝长宽带行波缝隙阵列天线包括辐射金属层（1）、第一介质板（2）、馈电金属层（3）、脊金属层（4）、第二介质板（5）、底金属层（6）、梯形金属层（7）、长条形金属层（8）、第一金属圆片（9）和第二金属圆片（10），第一介质板（2）和第二介质板（5）均是长方形板，馈电金属层（3）是长条形金属薄片，脊金属层（4）是长方形金属薄片，辐射金属层（1）、第一介质板（2）、馈电金属层（3）、脊金属层（4）、第二介质板（5）、底金属层（6）由上至下依次叠加设置，馈电金属层（3）位于第一介质板（2）下表面的中部，且馈电金属层（3）沿长度方向中心线与第一介质板（2）沿长度方向中心线重合，馈电金属层（3）的一端与第一介质板（2）一端的边缘连接，脊金属层（4）位于第二介质板（5）上表面的中部，且脊金属层（4）沿长度方向中心线与第二介质板（5）沿长度方向中心线重合，辐射金属层（1）上表面的中部并排平行设置有两排第一金属化过孔（11），两排第一金属化过孔（11）沿第一介质板（2）长度方向中心线对称，每个第一金属化过孔（11）由上至下依次穿过辐射金属层（1）、第一介质板（2），第一金属圆片（9）和第二金属圆片（10）并排设置在第一介质板（2）上表面上的一端，辐射金属层（1）的一端与梯形金属层（7）的长底边连接，辐射金属层（1）的另一端与第一介质板（2）另一端的边缘连接，长条形金属层（8）的一端与第一金属圆片（9）连接，长条形金属层（8）的另一端与梯形金属层（7）短底边连接，第二金属圆片（10）的上表面上设有第二金属化过孔（12），第二金属化过孔（12）由上至下依次穿过第二金属圆片（10）、第一介质板（2）、馈电金属层（3），辐射金属层（1）上表面中心线的一侧沿长度方向依次开有第一金属层缝隙（13）、第二金属层缝隙（14）、第三金属层缝隙（15）、第四金属层缝隙（16），辐射金属层（1）上表面中心线的另一侧沿长度方向依次开有第五金属层缝隙（17）、第六金属层缝隙（18）、第七金属层缝隙（19）、第八金属层缝隙（20），且第一金属层缝隙（13）、第二金属层缝隙（14）、第三金属层缝隙（15）、第四金属层缝隙（16）、第五金属层缝隙（17）、第六金属层缝隙（18）、第七金属层缝隙（19）、第八金属层缝隙（20）均位于两排第一金属化过孔（11）之间，脊金属层（4）上表面的两侧边缘和两端边缘分别各设有一排第三金属化过孔（21），四排第三金属化过孔（21）组成一个长方形框体，每个第三金属化过孔（21）由上至下依次穿过脊金属层（4）、第二介质板（5）、底金属层（6），第二介质板（5）上表面上沿长度方向并排平行设有两排第四金属化过孔（22），两排第四金属化过孔（22）沿第二介质板（5）长度方向中心线对称设置，每个第四金属化过孔（22）由上至下依次穿过第二介质板（5）、底金属层（6），每个第四金属化过孔（22）均与相对应的一个第一金属化过孔（11）连通。

2.根据权利要求1所述带有辐射型负载的变缝长宽带行波缝隙阵列天线，其特征在于：辐射金属层（1）的长度为248mm，辐射金属层（1）的宽度为47mm，辐射金属层（1）的厚度为0.017mm～0.035mm，梯形金属层（7）长底边的长度为4.7mm，梯形金属层（7）短底边的长度为1.5mm，梯形金属层（7）的高为15mm，梯形金属层（7）的厚度为0.017mm～0.035mm，长条形金属层（8）的宽度为1.5mm，长条形金属层（8）的厚度为0.017mm～0.035mm，第一金属圆片（9）的半径为10.5mm，第一金属圆片（9）的厚度为0.017mm～0.035mm，第二金属圆片（10）的半径为10.5mm，第二金属圆片（10）的厚度为0.017mm～0.035mm。

3.根据权利要求1或2所述带有辐射型负载的变缝长宽带行波缝隙阵列天线，其特征在于：第一介质板（2）的长度为297mm，第一介质板（2）的宽度为47mm，第一介质板（2）的厚度为1.56mm～1.63mm，第一介质板（2）的相对介电常数为4.4～4.6。

4.根据权利要求3所述带有辐射型负载的变缝长宽带行波缝隙阵列天线，其特征在于：馈电金属层（3）的厚度为0.017mm～0.035mm。

5.根据权利要求1所述带有辐射型负载的变缝长宽带行波缝隙阵列天线，其特征在于：脊金属层（4）长度为219mm，脊金属层（4）的宽度为4.7mm，脊金属层（4）的厚度为0.017mm～0.035mm。

6.根据权利要求3所述带有辐射型负载的变缝长宽带行波缝隙阵列天线，其特征在于：第二介质板（5）的长度为219mm，第二介质板（5）宽度为47mm，第二介质板（5）的厚度为1.56mm～1.63mm，第二介质板（5）的相对介电常数为4.4～4.6。

7.根据权利要求1所述带有辐射型负载的变缝长宽带行波缝隙阵列天线，其特征在于：底金属层（6）的长度为219mm，底金属层（6）的宽度为47mm，底金属层（6）的厚度为0.017mm～0.035mm。

8.根据权利要求1所述带有辐射型负载的变缝长宽带行波缝隙阵列天线，其特征在于：第一金属层缝隙（13）、第二金属层缝隙（14）、第三金属层缝隙（15）、第四金属层缝隙（16）、第五金属层缝隙（17）、第六金属层缝隙（18）、第七金属层缝隙（19）、第八金属层缝隙（20）均是长方形缝隙，第一金属层缝隙（13）、第二金属层缝隙（14）、第三金属层缝隙（15）、第四金属层缝隙（16）、第五金属层缝隙（17）、第六金属层缝隙（18）、第七金属层缝隙（19）、第八金属层缝隙（20）的宽度均为1.2mm，第一金属层缝隙（13）的长度为22.6mm，第一金属层缝隙（13）沿长度方向的中心线与辐射金属层（1）沿长度方向中心线之间的距离为4.8mm，第二金属层缝隙（14）的长度为21.4mm，第二金属层缝隙（14）沿长度方向的中心线与辐射金属层（1）沿长度方向中心线之间的距离为4.2mm，第三金属层缝隙（15）的长度为20.2mm，第三金属层缝隙（15）沿长度方向的中心线与辐射金属层（1）沿长度方向的中心线之间的距离为3.6mm，第四金属层缝隙（16）的长度为19mm，第四金属层缝隙（16）沿长度方向的中心线与辐射金属层（1）沿长度方向中心线之间的距离为3mm，第五金属层缝隙（17）的长度为23.2mm，第五金属层缝隙（17）沿长度方向的中心线与辐射金属层（1）沿长度方向中心线之间的距离为5.1mm，第六金属层缝隙（18）的长度为22mm，第六金属层缝隙（18）沿长度方向的中心线与辐射金属层（1）沿长度方向的中心线之间的距离为4.5mm，第七金属层缝隙（19）的长度为20.8mm，第七金属层缝隙（19）沿长度方向的中心线与辐射金属层（1）沿长度方向的中心线之间的距离为3.9mm，第八金属层缝隙（20）的长度为19.6mm，第八金属层缝隙（20）沿长度方向的中心线与辐射金属层（1）沿长度方向的中心线之间的距离为3.3mm，第五金属层缝隙（17）沿宽度方向的中心线与辐射金属层（1）一端边缘之间的距离（L1）为37.5mm，第八金属层缝隙（20）沿宽度方向中心线与第四金属层缝隙（16）沿宽度方向中心线之间的距离（L2）为22.5mm。

9.根据权利要求1所述带有辐射型负载的变缝长宽带行波缝隙阵列天线，其特征在于：第一金属化过孔（11）、第二金属化过孔（12）、第三金属化过孔（21）、第四金属化过孔（22）的直径均为1mm，相邻两个第一金属化过孔（11）之间的中心距为2mm，相邻两个第三金属化过孔（21）之间的中心距为2mm，相邻两个第四金属化过孔（22）之间的中心距为2mm。

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