CN105529524A - 基于空气填充的平行板波导结构的阵列天线 - Google Patents

Abstract

一种基于空气填充的平行板波导结构的阵列天线，包括：缝隙波导馈电部分，用于将标准波导接口过渡到空气填充的平行板波导；空气填充的平行板波导传输与辐射部分，用于通过串并馈的方式形成平行板阵列并且给每一个阵元馈电；辐射格栅部分，用于消除由空气填充的平行板波导辐射单元之间间距等于一个自由空间波长而导致的方向图栅瓣；以及极化旋转格栅部分，用于优化方向图。此外，可以在平行板波导下底板上开一系列与传输方向垂直的凹槽，使平行板传输线变为慢波结构的传输线，平行板间传输的电磁波变为慢波，并且电磁波的波长小于自由空间的波长，从而省去辐射格栅部分。

Description

基于空气填充的平行板波导结构的阵列天线

技术领域

本发明涉及无线微波通讯中的天线领域，更具体地本发明涉及基于空气填充的平行板波导结构的阵列天线。

背景技术

在无线微波通讯中，反射面天线被广泛使用。大部分反射面是抛物面、抛物环面、柱面或球面，如环焦天线、卡塞格伦天线以及一些偏馈抛物面天线等。反射面天线具有优良的电性能以及简单的结构，被广泛应用在通信、雷达、无线电导航、射电天文和气象等技术领域。但由于其体积较大，轮廓相对较高，外形特征明显，当被应用于移动平台或者公共场合时，会带来很多不利的影响。

为了减小天线的体积，减少天线的重量，降低天线的轮廓，一些不同类型的天线被采用。如微带天线和缝隙天线。这些天线在实际应用中表现出优良的性能，但它们的馈电网络复杂，加工难度较高。

平行板波导被广泛应用于通信领域，如平行板波导传输线，平行板移相器等微波器件，基于多层平行板波导结构的透镜天线等。介质填充的平行板波导天线结构简单，使用方便，具有较好的电性能以及较低的天线轮廓，广泛应用于各种领域。但其对填充的介质材料要求很高，须具有极低的损耗正切值与稳定的物理性能和电性能，且加工难度较大，成本较高。

因此，期望提供一种改进的阵列天线。

发明内容

为了解决现有技术中的上述缺点和问题中的至少一个而提出本发明。基于现有技术存在的缺点，本发明提供了一种基于空气填充的平行板波导结构的阵列天线。与介质填充的平行板波导阵列天线相比，具有加工难度低，重量轻，损耗小，电性能指标优良等特点。

本发明通过使用空气填充的平行板波导作为主要馈电与辐射部件，避免了由介质材料所造成的损耗及加工难度。通过使用辐射格栅避免了由空气填充的平行板波导阵列天线方向图出现栅瓣。通过使用极化旋转格栅，进一步优化了方向图的旁瓣电平。

根据一个方面，本发明提出了一种基于空气填充的平行板波导结构的阵列天线，包括：缝隙波导馈电部分，用于将标准波导接口过渡到空气填充的平行板波导；空气填充的平行板波导传输与辐射部分，用于通过串并馈的方式形成平行板阵列并且给每一个阵元馈电；辐射格栅部分，用于消除由空气填充的平行板波导辐射单元之间间距等于一个自由空间波长而导致的方向图栅瓣；以及极化旋转格栅部分，用于优化方向图。

可选地，所述缝隙波导馈电部分通过在波导的宽边或窄边开一系列耦合缝隙，将能量通过耦合的方式馈电给空气填充的平行板波导。

可选地，所述缝隙是以纵缝或倾斜缝中的至少一个的形式。

可选地，对每一个缝隙的阻抗值进行调整及分配，使得阻抗匹配并且满足能量按规律分布。

可选地，所述空气填充的平行板波导传输与辐射部分T型功分器、馈电传输层、和辐射阵元。

可选地，基于阻抗匹配来设计所述馈电传输层。

可选地，所述辐射格栅部分使得平行板波导内传输的电磁波波长小于自由空间波长。

根据另一个方面，本发明提出了一种基于空气填充的平行板波导结构的阵列天线，包括：缝隙波导馈电部分，用于将标准波导接口过渡到空气填充的平行板波导；空气填充的平行板波导传输与辐射部分，用于通过串并馈的方式形成平行板阵列并且给每一个阵元馈电，其中，在平行板波导下底板上开一系列与传输方向垂直的凹槽，使平行板传输线变为慢波结构的传输线，平行板间传输的电磁波变为慢波，并且电磁波的波长小于自由空间的波长；以及极化旋转格栅部分，用于优化方向图，

可选地，所述缝隙波导馈电部分通过在波导的宽边或窄边开一系列耦合缝隙，将能量通过耦合的方式馈电给空气填充的平行板波导。

可选地，所述缝隙是以纵缝或倾斜缝中的至少一个的形式。

可选地，对每一个缝隙的阻抗值进行调整及分配，使得阻抗匹配并且满足能量按规律分布。

可选地，所述空气填充的平行板波导传输与辐射部分T型功分器、馈电传输层、和辐射阵元。

可选地，基于阻抗匹配来设计所述馈电传输层。

附图说明

通过下面结合附图进行的描述，本发明一些示范性实施例的上述和其他方面、特征和优点对于本领域技术人员来说将变得显而易见，其中：

图1是根据本发明的一个实施例的基于空气填充的平行板波导结构的阵列天线的结构图；

图2是示出根据本发明的一个实施例的通过缝隙波导给平行板馈电的结构；

图3是示出根据本发明的一个实施例的空气填充的平行板波导传输与辐射部分的结构图；

图4是示出根据本发明的一个实施例的T功分器的结构图；

图5(a)-5(c)是分别示出根据本发明的实施例的馈电传输层的结构图；

图6示出在平行板波导的下底板上开一系列与传输方向垂直的凹槽的结构图；

图7(a)-7(e)分别示出了辐射层的典型结构图；

图8(a)和8(b)分别示出了辐射格栅的结构图；

图9(a)和9(b)是分别示出无辐射格栅时方向图的仿真与实测结果的图；

图9(c)和9(d)是分别示出带有辐射格栅时方向图的仿真与实测结果的图；

图10示出了极化旋转格栅的结构图；

图11示出了有无极化旋转格栅时天线E面的方向图对比；

图12示出了根据一个实施例的基于空气填充的平行板波导结构的阵列天线的E面各频点方向图；

图13示出了根据一个实施例的基于空气填充的平行板波导结构的阵列天线的H面各频点方向图；以及

图14示出了根据一个实施例的基于空气填充的平行板波导结构的阵列天线的VSWR曲线。

具体实施方式

提供参考附图的下面描述以帮助全面理解本发明的示范性实施例。其包括各种细节以助于理解，而应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本发明的范围和精神。同样，为了清楚和简明，省略了对公知功能和结构的描述。

图1是根据本发明的一个实施例的基于空气填充的平行板波导结构的阵列天线的结构图。

如图1所示，根据本发明的一个实施例的基于空气填充的平行板波导结构的阵列天线包括缝隙波导馈电部分、空气填充的平行板波导传输与辐射部分、辐射格栅部分以及极化旋转格栅部分。根据本发明的阵列天线也可以包括其它的辅助部分，例如包括介质基板间的支撑部分、外围结构的紧固部分以及接口转换部分等。根据本发明的阵列天线的各部分的材质及其之间的连接可以适当选择，例如缝隙波导馈电部分可为全金属机械加工结构，通过螺钉、焊接或插接等方式与空气填充的平行板波导进行连接；平行板波导传输与辐射部分也可以为全金属机械加工结构，通过螺钉、焊接或插接方式进行内部连接；辐射格栅部分可通过胶粘连或者螺钉固定在平行板波导的辐射口面上，其另一侧可通过硬泡沫或者四周支柱结构与极化旋转格栅结构进行连接；极化旋转格栅部分内部可通过支柱或者硬泡沫粘连等方式，使各格栅层之间位置固定。

缝隙波导馈电部分的主要作用是将标准波导接口过渡到空气填充的平行板波导。平行板波导的结构特性决定了无法使用常规方式对其进行直接馈电，而通常的微带阵列馈电虽然结构简单，但是其损耗大(程度受微带线介质材料决定)，功率容量低；波导功分网络馈电虽然损耗低(无填充介质)，但是其体积庞大，重量较高。本发明通过使用缝隙波导馈电，传输损耗低(无填充介质)的同时，结构简单紧凑，效率高。其方式是通过在波导的宽边或窄边开一系列的以特定方式排列的耦合缝隙，将能量通过耦合的方式馈电给空气填充的平行板波导。

图2示出了根据本发明的一个实施例的通过缝隙波导给平行板馈电的结构。

在图2中所示的结构中，在平行板波导的宽边开缝，从而使得能够通过一系列缝隙将电磁波耦合到平行板波导内。虽然在图2中示为在平行板波导的宽边开缝，但是也可以在平行板波导的窄边开缝。

此外，缝隙的形式可以是纵缝，也可以是倾斜缝。给缝隙波导馈电的方式可以通过缝或孔耦合，也可以通过T形功分的形式。

可以通过调整及分配每一个缝隙的阻抗值，使该部分阻抗匹配的同时，又满足能量按一定规律分布，如泰勒分布，切比雪夫分布等，既满足了馈电需求，又使得平行板波导的H面方向图有了馈电层的加权；其中，每一个矩形波导所馈电的缝隙的个数，决定了该部分的工作带宽，当需求带宽较大时，可适当减少每个单元的缝隙个数，增加矩形波导的馈电单元数。而且，可以根据实际需求，来选择合适的缝隙组合。在满足电性能指标的前提下，做到结构最简化。

空气填充的平行板波导传输与辐射部分的主要作用是通过串并馈的方式，形成平行板阵列的同时给每一个阵元馈电。由于无填充介质，其能量损耗很低，传输效率高。通过合理的阻抗匹配和分配技术，能得到较好的驻波特性以及有利于方向图锥削的功率分布。

图3是示出根据本发明的一个实施例的空气填充的平行板波导传输与辐射部分的结构图。

通过串并馈的方式，使电磁波通过平行板波导馈入每一个辐射阵元，可以合理地设置每一个辐射阵元的阻抗值，使其回波损耗小的同时，E面方向图也得到较好的控制。

平行板波导传输与辐射部分主要分为三部分：T型功分器、馈电传输层、和辐射阵元。

T型功分器的设计比较成熟，本领域技术人员可以根据自己的需求，将其设计成等功分结构或一定比例的不等功分结构。其中分支处的调谐方式可以是多种，如螺钉、矩形凹槽、半圆形凹槽、三角形凹槽、不规则形状等。T型功分器的典型结构如图4所示。

图5(a)-5(c)是分别示出根据本发明的实施例的馈电传输层的结构图。

图5(a)示出了为驻波结构的馈电传输层结构。在使用图5(a)的结构时，需要提取每一个辐射阵元的阻抗，并使其虚部为零，然后进行阻抗分配。

图5(b)示出了为行波结构的馈电传输层结构；以及图5(c)示出了为行波结构的另一馈电传输层结构。图5(b)和图5(c)的设计原理也是建立在阻抗匹配的基础之上。当使用图5(b)和图5(c)的结构时，需保证每一个辐射阵元辐射时无反射或反射较小，其阻抗分配及匹配取决于阵元馈电分支的阻抗分配及匹配情况。需要注意的是，无论哪种结构，在提取辐射阵元参数的时候，都要考虑阵元之间的互耦对阵元阻抗或反射系数的影响。

另外对于图5(a)-5(c)所示的结构，在其基础上可通过在平行板波导下底板上开一系列与传输方向垂直的凹槽，使平行板传输线变为慢波结构的传输线，平行板间传输的电磁波变为慢波，其波长小于自由空间的波长，此时阵元间距小于一个自由空间的波长，栅瓣的问题也可以得到解决，这样就可以省去辐射格栅结构。其典型结构如图6。

辐射层为平行板波导结构的终端，即辐射阵元层。其主要作用是将平行板波导内的电磁波向外辐射，并形成具有一定锥削分布的方向图。需要注意的是，在提取辐射阵元阻抗参数或反射系数时，需要将辐射格栅考虑在内。图7(a)-7(e)分别示出了其典型结构。

辐射格栅部分的主要作用是消除由空气填充的平行板波导辐射单元之间间距等于一个自由空间波长而导致的方向图栅瓣。当平行板波导由空气填充时，电磁波在其内部传输的波长等于自由空间的波长，当每一个平行板辐射阵元通过串连方式馈电时，为了保证每一个辐射阵元等相位辐射，辐射阵元的间距为一个平行板波导的波导波长，即等于自由空间波长，此时，天线的方向图会产生栅瓣，严重影响天线的性能。为了消除栅瓣影响，可以在平行板内部开槽，使平行板波导传输的电磁波变为慢波，即使得平行板波导内传输的电磁波波长小于自由空间波长，从而避免产生栅瓣。此外，还可以通过在平行板辐射阵元上添加格栅，使每一个辐射阵元等效为几个阵元，这样阵元之间的间距变小，小于一个自由空间波长，从而避免了栅瓣的出现。

图8(a)和8(b)示出了辐射格栅的结构图。辐射格栅的结构可以是基于介质基板或薄膜上的电镀层，也可以是具有一定厚度的金属件。通过添加辐射格栅，使辐射口面阵元间距等效为0.2-0.9个自由空间的波长。辐射格栅的位置可以位于辐射阵元口面的内部，也可以位于距离辐射阵元口面一定距离的外层，每一个辐射阵元口面的格栅数可以是一个，也可以是几个(如图8)，一般典型值取1-3个，特殊情况下也可取更多，其目的以抑制栅瓣为主，并且能起到阻抗匹配的作用。其结构参数由辐射阵元提取阻抗参数或反射系数时确定。可以根据需求及工艺来选择格栅的类型。

图9(a)和9(b)是分别示出无辐射格栅时方向图的仿真与实测结果的图，以及图9(c)和9(d)是分别示出带有辐射格栅时方向图的仿真与实测结果的图。从9(a)-9(e)的对比结果中可以看出，辐射格栅的应用对天线方向图栅瓣的降低起到了很大的作用。由于辐射格栅的基板介电常数在仿真时与实际加工时存在差别，导致了图9(c)与9(d)之间的差异。

极化旋转格栅部分的主要作用是使方向图得到进一步的优化。电磁波通过与其极化方向成一定角度的格栅时，其极化方向会朝格栅的旋转方向发生一定的偏转，通过多层的格栅就可以在一定的带宽内，使电场极化方向沿格栅旋转方向旋转。对于方形阵列天线而言，当各阵元均匀馈电时，其对角线方向的功率具有良好的锥削分布，等效为从中心至顶点处功率服从由强到弱的线性分布。极化旋转格栅便是将天线的极化方向由与天线两边平行或垂直方向旋转到天线的对角线方向，从而使得天线的E面和H面功率服从这一线性分布，进而使得方向图的旁瓣电平得到控制，天线的E面和H面方向图得到优化。

图10示出了极化旋转格栅的结构图。极化旋转格栅的参数及层数可以根据具体工作频带及指标要求决定，通常采用1-6层格栅。通常，当极化旋转角度一定时，层数越多其频带特性越好，但基于介质基板的格栅损耗也会越大，结构也会越复杂。层与层之间可以由介电常数接近于空气的硬泡沫材料支撑，也可以由有限个数的介质支柱支撑，还可以采用介质基板支撑。层与层之间的间距基于四分之一传输波长进行调谐，使其既满足结构尺寸小，又满足反射系数低。本发明通过使用极化旋转格栅，使天线的极化方向旋转了90度，利用天线的对角线锥削，降低了旁瓣电平，优化了方向图。同时通过调整极化旋转格栅之间的间距以及与天线口面的距离，进一步优化了天线的驻波参数。

图11示出了有无极化旋转格栅时天线E面的方向图对比。从图11可以看出，通过极化旋转格栅的应用，天线的方向图锥削得到了进一步的控制，这大大降低了天线本身的设计难度，并合理利用了天线的结构特性。

图12示出了根据一个实施例的基于空气填充的平行板波导结构的阵列天线的E面各频点方向图，图13示出了根据一个实施例的基于空气填充的平行板波导结构的阵列天线的H面各频点方向图，以及图14示出了根据一个实施例的基于空气填充的平行板波导结构的阵列天线的VSWR曲线，其中基于空气填充的平行板波导结构的阵列天线工作在12.7GHz至13.25GHz、口面为230mm*230mm，设计参数为VSWR≤1.5，Gain≥28.5dB。

通过对比标准增益喇叭接收电平，本天线的各频点增益均大于28.5dB，由图12-图14的测试曲线可以看出，各频点第一旁瓣电平均大于20dB，带内驻波小于1.4，因此总体测试符合设计要求。

根据本发明的基于空气填充的平行板波导结构的阵列天线具有以下技术效果：

使用缝隙波导为平行板波导馈电，结构简单紧凑，传输效率高的同时还可以通过耦合缝隙的能量分布控制天线H面方向图的锥削；

使用无介质填充的空气平行板波导构成馈电与辐射系统，传输损耗低的同时，排除了介质材料对天线的影响。其中，为减轻重量和降低成本，平行板波导可以由塑料电镀件构成。当采用塑料表面电镀成型工艺时，本发明具有成本低，重量轻，加工简单，易于大批量生产等优点；

针对由空气填充的平行板波导阵列天线阵元之间的间距等于一个自由空间的波长而引发的栅瓣问题，本发明通过使用辐射格栅加以消除。当平行板波导阵列天线辐射口面上添加辐射格栅时，每一个阵元被格栅分为若干阵元，且阵元间距小于一个自由空间波长，彻底消除了栅瓣。当辐射格栅采用介质基板或介质薄膜表面电镀的工艺时，具有加工难度低，加工精度高，易于大批量生产和加工成本低等优点；

本发明通过极化旋转格栅的运用，使极化方向与天线对角线方向一致，即偏转到原天线的±45度面上，在基本不影响天线增益的同时，使得天线方向图得到进一步的优化，旁瓣电平得到更好的控制。同时降低了天线本身的设计难度，减轻了天线本身方向图的锥削要求，简化了设计流程，提高了设计效率。当调整极化旋转格栅与辐射格栅的间距时，还可以进一步改善天线的驻波特性。当采用介质基板或介质薄膜表面电镀工艺时，具有加工难度低，加工精度高，易于大批量生产和加工成本低等优点。

虽然本说明书包含许多特定实施方式细节，但是不应当将这些细节解释为对任何发明或可以主张的内容的范围的限制，而应当解释为对可以特定于特定发明的特定实施例的特征的描述。还可以将在本说明书中在分离的实施例的情境中描述的某些特征组合在单个实施例中实现。相反地，也可以将在单个实施方式的情境中描述的各个特征分离地在多个实施方式中实现或在任何适当的子组合中实现。此外，尽管可能在上面将特征描述为在某些组合中起作用，甚至最初主张如此，但是可以在一些情况下将来自所主张的组合的一个或多个特征从组合中删去，并且可以将所主张的组合指向子组合或者子组合的变体。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (13)

1.一种基于空气填充的平行板波导结构的阵列天线，包括：

缝隙波导馈电部分，用于将标准波导接口过渡到空气填充的平行板波导；

空气填充的平行板波导传输与辐射部分，用于通过串并馈的方式形成平行板阵列并且给每一个阵元馈电；

辐射格栅部分，用于消除由空气填充的平行板波导辐射单元之间间距等于一个自由空间波长而导致的方向图栅瓣；以及

极化旋转格栅部分，用于优化方向图。

2.根据权利要求1所述的阵列天线，其中，所述缝隙波导馈电部分通过在波导的宽边或窄边开一系列耦合缝隙，将能量通过耦合的方式馈电给空气填充的平行板波导。

3.根据权利要求2所述的阵列天线，其中，所述缝隙是以纵缝或倾斜缝中的至少一个的形式。

4.根据权利要求2所述的阵列天线，其中，对每一个缝隙的阻抗值进行调整及分配，使得阻抗匹配并且满足能量按规律分布。

5.根据权利要求1所述的阵列天线，其中，所述空气填充的平行板波导传输与辐射部分T型功分器、馈电传输层、和辐射阵元。

6.根据权利要求5所述的阵列天线，其中，基于阻抗匹配来设计所述馈电传输层。

7.根据权利要求1所述的阵列天线，其中，所述辐射格栅部分使得平行板波导内传输的电磁波波长小于自由空间波长。

8.一种基于空气填充的平行板波导结构的阵列天线，包括：

缝隙波导馈电部分，用于将标准波导接口过渡到空气填充的平行板波导；

空气填充的平行板波导传输与辐射部分，用于通过串并馈的方式形成平行板阵列并且给每一个阵元馈电，其中，在平行板波导下底板上开一系列与传输方向垂直的凹槽，使平行板传输线变为慢波结构的传输线，平行板间传输的电磁波变为慢波，并且电磁波的波长小于自由空间的波长；以及

极化旋转格栅部分，用于优化方向图。

9.根据权利要求8所述的阵列天线，其中，所述缝隙波导馈电部分通过在波导的宽边或窄边开一系列耦合缝隙，将能量通过耦合的方式馈电给空气填充的平行板波导。

10.根据权利要求9所述的阵列天线，其中，所述缝隙是以纵缝或倾斜缝中的至少一个的形式。

11.根据权利要求9所述的阵列天线，其中，对每一个缝隙的阻抗值进行调整及分配，使得阻抗匹配并且满足能量按规律分布。

12.根据权利要求1所述的阵列天线，其中，所述空气填充的平行板波导传输与辐射部分T型功分器、馈电传输层、和辐射阵元。

13.根据权利要求12所述的阵列天线，其中，基于阻抗匹配来设计所述馈电传输层。