CN105098368A - 一种超宽带毫米波天线及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽带毫米波天线，包括在原有的脊波导段和脊喇叭段之间增设有中间波导过渡段，脊波导段插接有同轴宽带匹配段；中间波导过渡段为喇叭状，其前端与脊喇叭段的末端段面匹配相接、末端与脊波导段的前端段面匹配相接；同轴宽带匹配段为同轴线，其底端插接入脊波导段中、顶端与外设接口相连；同轴线包括同轴线内导体和同轴线外导体；同轴线内导体的径向直径沿轴长方向保持等径、同轴线外导体的径向直径沿轴长方向保持从小到大的渐变方式；同轴线的底端特性阻抗等于脊波导段特性阻抗，同轴线的顶端特性阻抗等于50欧姆。结构紧凑、制作容易、安全可靠，使用频带宽、辐射性能好，可满足整个频段的驻波比、天线方向图以及天线带宽要求。

Description

一种超宽带毫米波天线及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种天线，特别是涉及一种超宽带毫米波天线及其制作方法，属于微波与天线技术领域。

背景技术

超宽带天线研究从最早期的双锥天线和蝴蝶天线这类结构简单的天线，到后来出现如TEM喇叭天线，对数周期天线等等，各种类型的超宽带天线逐渐出现。早期的研究并没有把超宽带作为天线研究的出发点。在上世纪80年代以后，超宽带才成为微波射频领域的一个明确的研究方向。

双脊喇叭天线是最广泛应用的一种超宽带天线，其是一种由波导终端渐变张开的矩形截面的微波天线，为了展宽其工作频段，根据脊波导具有宽频带的特点，在喇叭的波导部分及喇叭张开部分加入脊形状结构，加入的脊包括脊波导段和脊喇叭段。然而在已有的双脊喇叭天线中，能做到超宽带的都是在低频波段，如1-12GHz波段和1-18GHz波段的双脊喇叭天线。

而在毫米波波段，还没有任何文献表明做到了超宽带；随着毫米波技术的日渐成熟和完善，各种各样的毫米波电子系统对于毫米波天线的要求也越来越高，要求其可以做到使用频带宽、辐射性能好，但是这样的天线设计难度比较高，传统的天线很难满足要求。

如图1所示为按照现有技术和方法设计的毫米波双脊喇叭天线的驻波比仿真结果，由图1可见，在毫米波波段，按照现有低频双脊喇叭天线的设计技术和方法，仿真设计的毫米波双脊喇叭天线不能满足宽带性能要求，毫米波双脊喇叭天线在设计频带的低频段和高频段均出现了非常高的驻波比，频带性能严重恶化。

因此，毫米波双脊喇叭天线要想实现多个倍频程宽带，它是不能采用传统的技术进行设计的，而必须对传统的双脊喇叭天线进行改进，以求获得满足整个频段的驻波比、天线方向图以及天线带宽要求的超宽带毫米波天线。

发明内容

本发明的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种超宽带毫米波天线及其制作方法，制得的超宽带毫米波天线结构紧凑、制作容易、安全可靠、实用性强，不仅使用频带宽、辐射性能好，而且可满足整个频段的驻波比、天线方向图以及天线带宽要求，极具有产业上的利用价值。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种超宽带毫米波天线，包括脊波导段和脊喇叭段，所述脊波导段和脊喇叭段之间增设有中间波导过渡段，所述脊波导段插接有同轴宽带匹配段。

其中，所述中间波导过渡段为喇叭状，中间波导过渡段的前端与脊喇叭段的末端段面匹配相接，中间波导过渡段的末端与脊波导段的前端段面匹配相接，脊喇叭段的前端和脊波导段的后端均为自由端。

而且，所述同轴宽带匹配段为同轴线，同轴宽带匹配段的底端插接入脊波导段中、顶端与外设接口相连；所述同轴线包括与脊波导段中的底部脊曲线相连的同轴线内导体，以及包覆同轴线内导体的同轴线外导体；所述同轴线内导体的径向直径沿轴长方向保持等径、同轴线外导体的径向直径沿轴长方向保持从小到大的渐变方式，或者，所述同轴线外导体的径向直径沿轴长方向保持等径、同轴线内导体的径向直径沿轴长方向保持从小到大的渐变方式；所述同轴线的底端特性阻抗等于脊波导段特性阻抗仿真得到的脊波导段特性阻抗，同轴线的顶端特性阻抗等于50欧姆。

本发明进一步设置为：所述渐变方式包括直线型渐变、曲线渐变、台阶型渐变和螺旋型渐变。

本发明进一步设置为：所述同轴线内导体和同轴线外导体均为铜，同轴线内导体和同轴线外导体之间的腔体为空气。

本发明进一步设置为：所述超宽带毫米波天线的轴长为35mm，所述中间波导过渡段的轴长为3.5mm，所述同轴宽带匹配段的轴长为15mm。

本发明进一步设置为：所述脊波导段的尺寸为7mm*3.5mm、脊间距为0.15mm，脊波导段特性阻抗为20欧姆；所述脊喇叭段的E面尺寸为最低工作频率对应波长的一半、H面尺寸小于E面尺寸，脊喇叭段的E面尺寸为25mm、H面尺寸为20mm；所述中间波导过渡段的末端尺寸为10mm*7mm；所述同轴线内导体的径向直径为等径1.3mm，所述同轴线外导体的径向直径自底端到顶端从1.815mm渐变至3mm。

本发明还提供一种超宽带毫米波天线的制作方法，包括以下步骤：

1)制作脊波导段；

确定超宽带毫米波天线的设计频率，根据脊波导理论和现有技术参数制作脊波导段；通过在HFSS中建立加脊波导模型并进行脊波导段特性阻抗优化仿真，获得其最佳性能特性阻抗曲线；

2)制作脊喇叭段；

确定脊波导段的尺寸后，根据脊喇叭段的E面尺寸为最低工作频率对应波长的一半、H面尺寸小于E面尺寸的要求计算脊喇叭段尺寸；确定脊喇叭段的尺寸后采用现有技术确定脊曲线方程；

3)制作中间波导过渡段；

在脊波导段和脊喇叭段之间增设喇叭状的中间波导过渡段，使得中间波导过渡段的前端尺寸与脊喇叭段的末端段面相匹配，中间波导过渡段的末端尺寸与脊波导段的前端段面相匹配；

4)制作同轴宽带匹配段；

同轴宽带匹配段采用同轴线结构，包括同轴线内导体和包覆同轴线内导体的同轴线外导体；采用同轴线内导体的径向直径沿轴长方向保持等径、同轴线外导体的径向直径沿轴长方向保持从小到大的渐变方式制作同轴宽带匹配段，或者，采用同轴线外导体的径向直径沿轴长方向保持等径、同轴线内导体的径向直径沿轴长方向保持从小到大的渐变方式制作同轴宽带匹配段；

将制得的同轴宽带匹配段的底端插接入脊波导段中，将其中的同轴线内导体与脊波导段中的底部脊曲线相连，并使得同轴线的底端特性阻抗等于脊波导段特性阻抗；

5)进行超宽带毫米波天线的整体模型仿真；

在HFSS中建立超宽带毫米波天线的整体模型，通过整体模型的天线驻波比性能仿真，根据满足设计频率和驻波比要求，对中间波导过渡段和同轴宽带匹配段的尺寸均进行优化而实现尺寸微调。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

通过在脊波导段和脊喇叭段之间增设中间波导过渡段，以及在脊波导段插接同轴宽带匹配段；而同轴宽带匹配段采用同轴线结构、包括同轴线内导体和包覆同轴线内导体的同轴线外导体，其中同轴线内导体的径向直径沿轴长方向保持等径、同轴线外导体的径向直径沿轴长方向保持从小到大的渐变方式，或者，同轴线外导体的径向直径沿轴长方向保持等径、同轴线内导体的径向直径沿轴长方向保持从小到大的渐变方式；从而制得结构紧凑、制作容易、安全可靠、实用性强的超宽带毫米波天线，不仅使用频带宽、辐射性能好，而且可满足整个频段的驻波比、天线方向图以及天线带宽要求。

上述内容仅是本发明技术方案的概述，为了更清楚的了解本发明的技术手段，下面结合附图对本发明作进一步的描述。

附图说明

图1为按照现有技术和方法设计的毫米波双脊喇叭天线的驻波比仿真结果；

图2为本发明一种超宽带毫米波天线的结构示意图；

图3为本发明一种超宽带毫米波天线的结构剖示图；

图4为本发明一种超宽带毫米波天线中同轴宽带匹配段的结构示意图；

图5为本发明实施例1的脊波导段特性阻抗曲线；

图6为本发明实施例1的天线驻波比性能仿真结果；

图7为本发明实施例1中6GHz的E面辐射方向图和H面辐射方向图的性能仿真结果；

图8为本发明实施例1中15GHz的E面辐射方向图和H面辐射方向图的性能仿真结果；

图9为本发明实施例1中25GHz的E面辐射方向图和H面辐射方向图的性能仿真结果；

图10为本发明实施例1中35GHz的E面辐射方向图和H面辐射方向图的性能仿真结果；

图11为本发明实施例1中45GHz的E面辐射方向图和H面辐射方向图的性能仿真结果；

图12为本发明实施例1中55GHz的E面辐射方向图和H面辐射方向图的性能仿真结果；

图13为本发明实施例1中60GHz的E面辐射方向图和H面辐射方向图的性能仿真结果。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

如图2和图3所示的一种超宽带毫米波天线，包括脊波导段1和脊喇叭段2，所述脊波导段1和脊喇叭段2之间增设有中间波导过渡段3，所述脊波导段1插接有同轴宽带匹配段4。

所述中间波导过渡段3为喇叭状，中间波导过渡段3的前端与脊喇叭段2的末端段面匹配相接，中间波导过渡段3的末端与脊波导段1的前端段面匹配相接，脊喇叭段2的前端和脊波导段1的后端均为自由端。所述同轴宽带匹配段4为同轴线，同轴宽带匹配段4的底端插接入脊波导段1中、顶端与外设接口(图中未示出)相连，并要求所述同轴线的底端特性阻抗等于脊波导段特性阻抗仿真得到的脊波导段特性阻抗，同轴线的顶端特性阻抗等于50欧姆。

如图3和图4所示，所述同轴线包括与脊波导段1中的底部脊曲线相连的同轴线内导体41，以及包覆同轴线内导体41的同轴线外导体42；所述同轴线内导体41的径向直径沿轴长方向保持等径、同轴线外导体42的径向直径沿轴长方向保持从小到大的渐变方式。

即，同轴线内导体41直径不变，底部(脊波导端)的同轴线内导体直径为d1、顶部(馈线输出端)的同轴线内导体直径也为d1、且同轴线内导体的中间段均没有发生变径；而同轴线外导体42的直径渐变，底部(脊波导端)的同轴线外导体直径为D1、顶部(馈线输出端)的同轴线外导体直径为D2、且按照渐变方式实现D2大于D1，渐变方式包括直线型渐变、曲线渐变、台阶型渐变和螺旋型渐变。

本发明提供一种超宽带毫米波天线的制作方法，包括以下步骤来制作6GHz-60GHz超宽带毫米波的双脊喇叭天线这一实施例1。

1)制作脊波导段；

确定超宽带毫米波天线的设计频率为6GHz-60GHz，根据脊波导理论和现有技术参数制作脊波导段，选用脊波导段的尺寸为7mm*3.5mm，使得截止频率为6GHz；通过在HFSS中建立加脊波导模型并进行脊波导段特性阻抗优化仿真，获得其最佳性能特性阻抗曲线，如图5所示，选取脊间距为0.15mm，脊波导段特性阻抗为20欧姆。

2)制作脊喇叭段；

确定脊波导段的尺寸后，根据脊喇叭段的E面尺寸为最低工作频率对应波长的一半、H面尺寸小于E面尺寸的要求计算脊喇叭段尺寸，选择E面尺寸为25mm、H面尺寸为20mm，及选择超宽带毫米波天线的轴长为35mm；确定脊喇叭段的尺寸后采用现有技术确定脊曲线方程。

3)制作中间波导过渡段；

在脊波导段和脊喇叭段之间增设喇叭状的中间波导过渡段，如图2和图3所示，使得中间波导过渡段的前端尺寸与脊喇叭段的末端段面相匹配，中间波导过渡段的末端尺寸与脊波导段的前端段面相匹配。

中间波导过渡段的末端尺寸可初步设置为12mm*15mm，中间波导过渡段的轴长设置为3.5mm；在HFSS中建立超宽带毫米波天线模型后，通过HFSS参数扫描分析得知，超宽带毫米波天线驻波和方向图性能最佳时，优选中间波导过渡段的末端尺寸为10mm*7mm。

4)制作同轴宽带匹配段；

同轴宽带匹配段采用同轴线结构，包括同轴线内导体和包覆同轴线内导体的同轴线外导体；采用同轴线内导体的径向直径沿轴长方向保持等径、同轴线外导体的径向直径沿轴长方向保持从小到大的渐变方式制作同轴宽带匹配段，如图3和图4所示；将制得的同轴宽带匹配段的底端插接入脊波导段中，将其中的同轴线内导体与脊波导段中的底部脊曲线相连，同轴线外导体与双脊喇叭天线脊波导的腔体连接，并使得同轴线的底端特性阻抗等于脊波导段特性阻抗20欧姆，同轴线的顶端特性阻抗等于50欧姆。

所述同轴线内导体和同轴线外导体均为铜，同轴线内导体和同轴线外导体之间的腔体为空气；所述同轴线内导体的径向直径为等径d1＝1.3mm，同轴线外导体的径向直径自底端到顶端从D1＝1.815mm渐变至D2＝3mm；同轴宽带匹配段的轴长为15mm。为了获得更好的驻波比性能，可以利用HFSS参数扫描分析后对同轴宽带匹配段的尺寸进行优化仿真。

5)进行超宽带毫米波天线的整体模型仿真；

在HFSS中建立如图2和图3所示的超宽带毫米波天线的整体模型，通过整体模型的天线驻波比性能仿真，得到如图6所示的天线驻波比性能仿真结果；根据满足设计频率和驻波比要求，对中间波导过渡段和同轴宽带匹配段的尺寸均进行优化而实现尺寸微调。

由图6可以看出，在整个6GHz-60GHz工作频段，驻波比均小于4.5；驻波比最大处为f＝8GHz，该频率点驻波比为4.5；在13GHz-65GHz频段，驻波比均小于2。结果表明，本发明制作方法应用于超宽带毫米波天线设计制得天线，天线驻波比达到了2以下的优良性能，而且在整个设计频段的天线驻波比均没有出现大的起伏。

如图7至图13所示为本实施例1超宽带毫米波天线的不同频率的E面辐射方向图和H面辐射方向图的性能仿真结果，分别为6GHz方向图、15GHz方向图、25GHz方向图、35GHz方向图、45GHz方向图、55GHz方向图和60GHz方向图；由图7至图13可以看出，在整个6GHz-60GHz工作频段，超宽带毫米波天线的方向图没有出现分裂，性能没有明显变坏，可满足工程应用需要。

传统脊喇叭天线设计中，脊波导直接与脊喇叭连接，这种直连方式产生较大的反射，尤其在超宽带毫米波天线设计时，其设计频带的低频段和高频段二端的驻波非常大，如图1所示；以及脊波导直接与同轴线连接，这种直连方式由于脊波导的特性阻抗与同轴线的特性阻抗不完全相等，这种阻抗不匹配产生较大的反射，尤其在超宽带毫米波天线设计时，脊波导的特性阻抗远小于同轴线的特性阻抗，如图1所示，而必然导致超宽带毫米波天线输入阻抗失配。

本发明的创新点在于，对现有模型进行改进，不仅在毫米波双脊喇叭天线中间设置喇叭状脊波导过渡，即在原脊波导段和脊喇叭段之间增设喇叭状的中间波导过渡段，而且还对毫米波双脊喇叭天线的输入同轴线进行改进，在脊波导段插接同轴宽带匹配段，重要的是，同轴宽带匹配段采用仅同轴线内导体变径或仅同轴线外导体变径的同轴线结构。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种超宽带毫米波天线，其特征在于：包括脊波导段和脊喇叭段，所述脊波导段和脊喇叭段之间增设有中间波导过渡段，所述脊波导段插接有同轴宽带匹配段；

所述中间波导过渡段为喇叭状，中间波导过渡段的前端与脊喇叭段的末端段面匹配相接，中间波导过渡段的末端与脊波导段的前端段面匹配相接，脊喇叭段的前端和脊波导段的后端均为自由端；

所述同轴宽带匹配段为同轴线，同轴宽带匹配段的底端插接入脊波导段中、顶端与外设接口相连；所述同轴线包括与脊波导段中的底部脊曲线相连的同轴线内导体，以及包覆同轴线内导体的同轴线外导体；

所述同轴线内导体的径向直径沿轴长方向保持等径、同轴线外导体的径向直径沿轴长方向保持从小到大的渐变方式，或者，所述同轴线外导体的径向直径沿轴长方向保持等径、同轴线内导体的径向直径沿轴长方向保持从小到大的渐变方式；

所述同轴线的底端特性阻抗等于脊波导段特性阻抗仿真得到的脊波导段特性阻抗，同轴线的顶端特性阻抗等于50欧姆。

2.根据权利要求1所述的一种超宽带毫米波天线，其特征在于：所述渐变方式包括直线型渐变、曲线渐变、台阶型渐变和螺旋型渐变。

3.根据权利要求1所述的一种超宽带毫米波天线，其特征在于：所述同轴线内导体和同轴线外导体均为铜，同轴线内导体和同轴线外导体之间的腔体为空气。

4.根据权利要求1所述的一种超宽带毫米波天线，其特征在于：所述超宽带毫米波天线的轴长为35mm，所述中间波导过渡段的轴长为3.5mm，所述同轴宽带匹配段的轴长为15mm。

5.根据权利要求4所述的一种超宽带毫米波天线，其特征在于：所述脊波导段的尺寸为7mm*3.5mm、脊间距为0.15mm，脊波导段特性阻抗为20欧姆；

所述脊喇叭段的E面尺寸为最低工作频率对应波长的一半、H面尺寸小于E面尺寸，脊喇叭段的E面尺寸为25mm、H面尺寸为20mm；

所述中间波导过渡段的末端尺寸为10mm*7mm；

所述同轴线内导体的径向直径为等径1.3mm，所述同轴线外导体的径向直径自底端到顶端从1.815mm渐变至3mm。

6.根据权利要求1所述的一种超宽带毫米波天线的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)制作脊波导段；

确定超宽带毫米波天线的设计频率，根据脊波导理论和现有技术参数制作脊波导段；通过在HFSS中建立加脊波导模型并进行脊波导段特性阻抗优化仿真，获得其最佳性能特性阻抗曲线；

2)制作脊喇叭段；

确定脊波导段的尺寸后，根据脊喇叭段的E面尺寸为最低工作频率对应波长的一半、H面尺寸小于E面尺寸的要求计算脊喇叭段尺寸；确定脊喇叭段的尺寸后采用现有技术确定脊曲线方程；

3)制作中间波导过渡段；

在脊波导段和脊喇叭段之间增设喇叭状的中间波导过渡段，使得中间波导过渡段的前端尺寸与脊喇叭段的末端段面相匹配，中间波导过渡段的末端尺寸与脊波导段的前端段面相匹配；

4)制作同轴宽带匹配段；

同轴宽带匹配段采用同轴线结构，包括同轴线内导体和包覆同轴线内导体的同轴线外导体；采用同轴线内导体的径向直径沿轴长方向保持等径、同轴线外导体的径向直径沿轴长方向保持从小到大的渐变方式制作同轴宽带匹配段，或者，采用同轴线外导体的径向直径沿轴长方向保持等径、同轴线内导体的径向直径沿轴长方向保持从小到大的渐变方式制作同轴宽带匹配段；

将制得的同轴宽带匹配段的底端插接入脊波导段中，将其中的同轴线内导体与脊波导段中的底部脊曲线相连，并使得同轴线的底端特性阻抗等于脊波导段特性阻抗；

5)进行超宽带毫米波天线的整体模型仿真；

在HFSS中建立超宽带毫米波天线的整体模型，通过整体模型的天线驻波比性能仿真，根据满足设计频率和驻波比要求，对中间波导过渡段和同轴宽带匹配段的尺寸均进行优化而实现尺寸微调。