CN105789904B - 一种基于矩形槽波导的缝隙天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于矩形槽波导的缝隙天线，包括矩形槽波导和终端短路板，矩形槽波导包括相互平行且位置相对的上导体板和下导体板，上、下导体板之间通过两个分别位于相对两侧边缘的介质支撑块支撑并固定在一起；上、下导体板中部相对位置分别设有向外的矩形凸条，两凸条沿介质支撑块分布方向延伸；终端短路板设在矩形槽波导的一端并将该端封闭；上导体板凸条的上表面设有由两条主缝隙和一条连接缝隙组成的电磁波发射缝隙。本发明采用矩形槽波导作为微波信号的传输线，可传输较大功率的电磁波；采用具有两条主缝隙的电磁波发射缝隙，增强辐射场强，在毫米波、亚毫米波实现较大功率辐射。

Description

一种基于矩形槽波导的缝隙天线

技术领域

本发明涉及缝隙天线技术领域，具体是一种工作在毫米波、亚毫米波频率范围的基于矩形槽波导的缝隙天线。

背景技术

缝隙天线是在传输电磁波的金属导体壁上开细长的缝隙，电磁波通过缝隙向外空间辐射，而形成的一种口径天线。在同轴线、波导管或空腔谐振器的导体面上开缝形成的天线，也称为开槽天线。近些年来波导缝隙天线由于其体积小、低副瓣、馈电方便、结构牢固、高可靠性等特点得到了广泛应用。

然而在毫米波及亚毫米波波段，波导尺寸较小，利用其制作缝隙天线，增加了加工难度且成本高，其传输损耗也随工作频率升高而迅速增加。1952年Tischer.F.J提出了槽波导的概念，槽波导具有低损耗、低色散、大尺度、高功率容量等特点，在毫米波和亚毫米波波段可以替代传统的波导。近些年已陆续在一些槽波导基础上设计出了相应的天线，例如圆形槽波导缝隙天线。而矩形槽波导应用广泛，但至今却还未有在其基础上设计的相应天线。

缝隙天线的缝隙形状、位置及大小对缝隙天线的性能同样起到关键作用，目前常见的缝隙形状是长条形的，长度为半个波长，根据分布位置的不同分为宽边纵向缝隙、横向缝隙、斜缝隙或者是窄边缝隙，这些单条缝隙电线，虽然加工简单，但是天线方向性较弱。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：设计一种新的缝隙形状，提出一种基于矩形槽波导的缝隙天线，具有损耗小、功率容量大、带宽宽等性能。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种基于矩形槽波导的缝隙天线，包括矩形槽波导和终端短路板；所述矩形槽波导包括相互平行且位置相对的上导体板和下导体板，上导体板和下导体板之间通过两个介质支撑块支撑并固定在一起，两个介质支撑块分别沿上导体板的两条对边分布；上导体板中部设有矩形凸条，凸条沿介质支撑块分布方向延伸且贯穿上导体板的两侧端面，下导体板中部设有相同的矩形凸条，下导体板的凸条与上导体板的凸条位置相对且凸起方向相背；上导体板、下导体板和两个介质支撑块围成电磁波传输槽，凸条的延伸方向为电磁波传输方向；所述终端短路板设在矩形槽波导的一端并将该端封闭；所述上导体板凸条的上表面设有电磁波发射缝隙，所述电磁波发射缝隙由两条主缝隙和一条连接缝隙组成，两条主缝隙均平行于电磁波传输方向，所述连接缝隙垂直于电磁波传输方向且位于两条主缝隙之间连接两条主缝隙，连接缝隙与两条主缝隙的连接点均为两条主缝隙的中点。

进一步的，所述电磁波发射缝隙的两条主缝隙长度不等。

两条主缝隙的长度不等，对应半波长的谐振频率不相同，当工作频率变化时，分别谐振于不同的主缝隙上，可以增加工作频率带宽。这类似于对数天线的相似原理，即若两副天线的几何形状相似，而尺寸相差τ倍，当工作频率也相差τ倍且它们的辐射电阻远大于损耗电阻时，这两副天线的电参数相同。

进一步的，所述上导体板凸条的上表面设有一个电磁波发射缝隙。

进一步的，所述上导体板凸条的上表面设有多个电磁波发射缝隙，多个电磁波发射缝隙沿电磁波传输方向分布且位于同一直线上。

多个电磁波发射缝隙可以增强辐射效果，增加辐射场强即形成缝隙天线阵。

进一步的，所述终端短路板的形状与矩形槽波导的横截面形状相同。

终端短路板用于封闭矩形槽波导的一端，其形状与矩形槽波导的横截面形状相同。

进一步的，所述上导体板和下导体板采用铜制成。

进一步的，所述上导体板和下导体板的内表面镀有银。

通过镀银增加内表面的导电率，从而进一步降低传输损耗。

进一步的，所述介质支撑块的材料为聚四氟乙烯。

进一步的，所述槽波导缝隙天线的电磁波发射缝隙的制作方法包括以下步骤：

(1)取矩形槽波导的上导体板，确定凸条上表面的平行于电磁波传输方向的中心线，在中心线上距离导体板终端预定长度取一点为对称点，该预定长度根据矩形槽波导的大小确定，从对称点出发分别沿垂直于中心线的直线向两侧移动相同距离，确定两点，作为两条主缝隙的中点；

(2)分别以两个中点为基准，平行于中心线铣出两条主缝隙；

(3)连接对称点及两个中点，铣一条连接缝，将两条主缝隙相连。

本发明的工作原理为：电磁波从矩形槽波导的开放端口输入，传输到封闭端口时通过终端短路板反射，在传输槽内形成驻波，从而电磁波通过缝隙向外辐射，形成天线。天线的谐振频率由缝隙的长度决定，一般缝隙天线的长度为半波长，采用两条结构形式相似的缝隙，因此两条缝隙所在位置处，面电流分布相同，具有相似的电特性，其辐射场也相似，可以视为二元阵，通过同相激励缝隙，可以提高天线的方向性。

本发明的有益效果为：在毫米波、亚毫米波波段，矩形波导等传统的传输线传输损耗大，功率容量低，目前槽波导与它们相比具有衰减小、色散低、功率容量高、加工方便等特点，采用矩形槽波导实现缝隙天线，能够实现较大功率的应用在毫米波、亚毫米波波段的缝隙天线；采用由两条主缝隙及一条连接缝隙组成的电磁波发射缝隙，因具有两条形状相同的缝隙，所以具有相同的激励，增加了总的辐射功率，提高了天线的方向性。

附图说明

图1为本发明的俯视图。

图2为图1中沿A-A的局部剖面图。

图3为图1中的终端短路板示意图；

图4为本发明设有多个电磁波发射缝隙的示意图。

图5为本发明中电磁波发射缝隙的制作方法示意图。

图6为本发明中矩形槽波导及电磁波发射缝隙的尺寸示意图。

图7为图6所示缝隙天线的辐射仿真图。

图8为图6中主缝隙长度变化后的缝隙天线的辐射仿真图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例进一步描述本发明。

如图1、图2所示，本发明包括矩形槽波导和终端短路板，矩形槽波导由上导体板1、下导体板5、两个介质支撑块2构成。需要说明的是，图1中沿箭头R的方向为矩形槽波导的长度方向，即电磁波传输方向，沿箭头W的方向为矩形槽波导的宽度方向。上导体板中部设有矩形凸条，凸条沿上导体板的一边延伸且贯穿两侧端面，下导体板中部设有相同的矩形凸条，上导体板和下导体板的凸条位置相对且凸起方向相背。上导体板和下导体板之间通过两个介质支撑块支撑并固定在一起，两个介质支撑块分别位于凸条的两侧且位于导体板的边缘，介质支撑块的分布方向与凸条的延伸方向平行。上导体板、下导体板和两个介质支撑块围成电磁波传输槽。

终端短路版4焊接在电磁波传输槽的一端，使电磁波传输槽一端开放、一端封闭。

上导体板1的凸条靠近封闭端的一端的上表面中部设有一个电磁波发射缝隙3，该缝隙由两条主缝隙和一条连接缝隙组成，两条主缝隙均平行于矩形槽波导的长度方向，连接缝隙垂直并连接两条主缝隙。两条主缝隙的长支若相等，则电磁波发射缝隙3呈正“H”形，若两条主缝隙的长度不等，则呈侧倒的“工”字形，优选两条主缝隙的长度不等。电磁波从矩形槽波导的开放端口输入，传输到封闭端口时通过终端短路板反射，在传输槽内形成驻波，从而传输槽内的电磁波通过缝隙向外辐射，形成天线。

作为优选，上导体板和下导体板均为铜板，为了增加内表面的导电率，从而降低传输损耗，上导体板和下导体板的内表面均镀有银，介质支撑块为聚四氟乙烯制成。终端短路板4也为铜板，如图3所示，其形状与矩形槽波导的横截面形状相同，刚好封闭矩形槽波导的端口。

电磁波发射缝隙3的数量可为多个，如图4所示，多个电磁波发射缝隙沿电磁波传输方向顺序排列，彼此之间的距离为中心频率的波导波长。

如图5所示，本发明中电磁波发射缝隙的制作方法包括以下步骤：

(1)取矩形槽波导的上导体板，确定凸条上表面的平行于电磁波传输方向的中心线，在中心线上距离导体板终端预定长度取一点为对称点，该预定长度根据矩形槽波导的大小确定，分别沿垂直于中心线的直线向两侧移动相同距离，确定两点，作为两条主缝隙的中点；

(2)分别以两个中点为基准，平行于中心线铣出两条主缝隙；

(3)连接对称点及两个中点，铣一条连接缝，将两条主缝隙相连。

图6为本发明的一个具体实施例，矩形槽波导的宽度为25mm，上下凸出高度为4.5mm，平坦部分的高度为1.5mm，凸出部分的宽度为5mm，两侧介质支撑块的宽度为5mm，电磁波缝隙的两条主缝隙的长度分别为3mm和3.1mm，两条主缝隙的之间的间距为1.2mm，主缝隙和连接缝隙的宽度均为0.8mm，电磁波缝隙的中心与短路终端相距4mm，工作中心频率为50GHz。利用三维电磁仿真软件HFSS进行仿真，本实施例的增益如图7所示，垂直于电磁波发射缝隙所在的面为最大辐射方向，增益达到4.6dB。其它不变，两条主缝隙的长度均设为3mm，增益为4.46dB。

改变电磁波发射缝隙的两条主缝隙的间距，或者改变电磁波发射缝隙到封闭终端的距离，都会对电磁波的辐射方向及辐射强度产生影响。本发明可适用于毫米波、亚毫米波的其它频段，频率变换了，矩形槽波导的尺寸可相应变化，电磁波发射缝隙的大小、位置也可根据应用需要进行调整。

Claims (8)

1.一种基于矩形槽波导的缝隙天线，其特征是，包括矩形槽波导和终端短路板；

所述矩形槽波导包括相互平行且位置相对的上导体板和下导体板，上导体板和下导体板之间通过两个介质支撑块支撑并固定在一起，两个介质支撑块分别沿上导体板的两条对边分布；上导体板中部设有矩形凸条，凸条沿介质支撑块分布方向延伸且贯穿上导体板的两侧端面，下导体板中部设有相同的矩形凸条，下导体板的凸条与上导体板的凸条位置相对且凸起方向相背；上导体板、下导体板和两个介质支撑块围成电磁波传输槽，凸条的延伸方向为电磁波传输方向；

所述终端短路板设在矩形槽波导的一端并将该端封闭；

所述上导体板凸条的上表面设有电磁波发射缝隙，所述电磁波发射缝隙由两条主缝隙和一条连接缝隙组成，两条主缝隙均平行于电磁波传输方向，所述连接缝隙垂直于电磁波传输方向且位于两条主缝隙之间连接两条主缝隙，连接缝隙与两条主缝隙的连接点均为两条主缝隙的中点；所述电磁波发射缝隙的两条主缝隙长度不等。

2.根据权利要求1所述的缝隙天线，其特征是，所述上导体板凸条的上表面设有一个电磁波发射缝隙。

3.根据权利要求1所述的缝隙天线，其特征是，所述上导体板凸条的上表面设有多个电磁波发射缝隙，多个电磁波发射缝隙沿电磁波传输方向分布且位于同一直线上。

4.根据权利要求1所述的缝隙天线，其特征是，所述终端短路板的形状与矩形槽波导的横截面形状相同。

5.根据权利要求1所述的缝隙天线，其特征是，所述上导体板和下导体板采用铜制成。

6.根据权利要求1所述的缝隙天线，其特征是，所述上导体板和下导体板的内表面镀有银。

7.根据权利要求1所述的缝隙天线，其特征是，所述介质支撑块的材料为聚四氟乙烯。

8.根据权利要求1-7任一项所述的缝隙天线的电磁波发射缝隙的制作方法，其特征是，包括以下步骤：

1)取矩形槽波导的上导体板，确定凸条上表面的平行于电磁波传输方向的中心线，在中心线上距离导体板终端预定长度取一点为对称点，该预定长度根据矩形槽波导的大小确定，从对称点出发分别沿垂直于中心线的直线向两侧移动相同距离，确定两点，作为两条主缝隙的中点；

2)分别以两个中点为基准，平行于中心线铣出两条主缝隙；

3)连接对称点及两个中点，铣一条连接缝隙，将两条主缝隙相连。