CN106356599B - 一种准平面波离散或获取方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种准平面波的离散或获取方法及装置，基于平板波导到微带线再到同轴连接器的转换，利用金属探针组进行端口分隔和匹配调节，可以实现宽频带内准平面波的高离散化，也可用于获取宽频带准平面波。装置由平板波导腔、微带天线阵列、金属探针组、同轴连接器组成。本发明涉及的准平面波为平板波导准平面波；微带天线工作频带较宽；微带天线与同轴连接器数量相同且一一连接，阵列间距与准平面波的离散程度相关；金属探针组为该装置的核心部分，既可以对平板波导进行较密集的端口分隔而不致传播模式截止，又可以调节端口阻抗性能。本发明根据射频信号流向需求，可以用作准平面波离散装置，也可以用作获取装置。

Description

一种准平面波离散或获取方法及装置

技术领域

本发明涉及一种准平面波离散或获取方法及装置，属于微波传输器件技术领域，同时涉及到天线技术领域。

背景技术

平面波，也叫TEM波，指电磁波的电场和磁场都在垂直于传播方向的平面上，显著特性有：沿传输方向没有E分量和H分量；场在导波系统横截面上的分布与边界相同的二维静场完全一致；非色散波，即波的相速与频率无关；波阻抗与同介质中的平面波一致；无截至频率，理论上可以传任意低频。

由于平面波的非色散等特性，能够满足宽频带应用要求；微波传输及天线技术等领域工程中，可通过喇叭照射反射面等手段获取并利用准平面波，即在传输方向上，有少量的E分量和H分量。

随着准平面波在馈源及导波系统等器件的应用不断深入，尤其是平板波导器件的应用不断深入，对准平面波的离散(或获取)提出了需求。对离散应用来说，就是要将连续的准平面波功率分配到若干个端口；对获取应用来说，就是要将多路端口的其他模式波合成连续的准平面波。一方面实现低损耗功率分配(或合成)，一方面实现准平面波器件(包括准平面波天线)与其他微波器件的连接。

为了满足复杂多样的微波传输及天线应用要求，需要准平面波离散或获取更灵活，尤其是要求可实现高离散或多路密集端口模式波的合成，可应用于较高频段，并具有宽频带特性。目前的平板波导准平面波离散方法及装置，主要基于金属波导系统或基片集成波导系统，采用T-juntion与耦合窗结构将波导中的TE10模转换为平板波导中的准TEM模，该方法及装置受限于结构形式，难以满足高离散及宽频带要求。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种准平面波离散或获取方法及装置，突破准平面波在宽频带应用及较高频段应用中的高离散(或密集多端口合成)的技术瓶颈，使具有独特优势的准平面波能够在微波传输和天线领域中得到更加广阔的应用。

本发明的技术解决方案是：

一种准平面波的离散或获取方法，基于准平面波的平板波导到微带天线再到同轴连接器的转换，利用金属探针组进行端口分隔和匹配调节，实现宽频带内准平面波的高离散化或获取宽频带准平面波；

所述方法根据射频信号流向需求，可用作准平面波离散，也可以用作准平面波获取；应用于准平面波离散时，射频信号流向为平板波导至微带天线再至微带馈线，最后至同轴连接器；应用于准平面波获取时，射频信号流向为同轴连接器至微带馈线再至微带天线，最后至平板波导。

所述方法在实现时，首先应明确设计要求，即传输准平面波的平板波导截面尺寸、单元数目N、单元间距D、射频接口类型、工作频带、端口性能指标；然后，根据工作频带要求，设计匹配良好的微带天线，微带天线馈电方式为馈线耦合馈电，同时保证微带天线馈线与最终微带天线的射频接口的连接可行性；再然后比较单元间距D和射频接口安装尺寸Dj的大小关系，如果D小于Dj，则需要通过调整微带天线馈线方向的方法，将同轴连接器置于平板波导腔的两侧，如果D大于Dj，则可将同轴连接器置于平板波导腔的同侧，也可置于两侧；再根据微带天线的形式和尺寸，优化金属探针组的位置和结构参数，金属探针组采用容感探针交替排列的方式，将平板波导腔按照单元间距D进行分隔，微带天线单元位于分隔单元的中间，可优化的变量包括金属探针的个数、金属探针的位置、金属探针的直径、金属探针的间距、容性探针对的上下间距，由于金属探针组的灵活调节作用，可获得良好的端口阻抗性能，还可避免使用封闭金属板进行分隔时可能导致的传播模式截止问题。

所述金属探针组由容性探针和感性探针组成。

设计所述微带天线时，微带天线的介质板厚度选取，在满足频带要求的前提下，应尽可能薄。

所述射频接口类型包括微带、SMA接头、SMP接头。

一种准平面波的离散或获取装置，包括平板波导腔、微带天线阵列、金属探针组、同轴连接器；微带天线阵列置于平板波导腔内部；同轴连接器的外壁与平板波导腔的外壁相连，同轴连接器的内芯与微带天线阵列相连接；金属探针组将平板波导腔和微带天线阵列分隔成离散的单元，形成以金属探针组为边界，而微带天线阵列单元位于中间的离散单元(注：单元1和单元N以平板波导腔侧壁为一侧边界)。所述装置根据射频信号流向需求，可以用作准平面波离散装置，也可以用作获取装置；对于离散过程，平板波导腔中传输的准平面波，经微带天线阵列离散，并分别由微带天线阵列的多路微带馈线将射频信号转换为同轴连接器中的多路同轴模式射频信号。对于获取过程，多路同轴模式射频信号经同轴连接器馈送至微带天线阵列；微带天线阵列处于平波波导腔中，辐射近似等幅的单元电磁波；单元电磁波在平板波导腔中融合，产生了准平面波；无论离散过程还是获取过程，金属探针组均起端口分隔和阻抗匹配调节的作用。

所述平板波导腔一端为金属短路面，一端为平板波导射频接口，平板波导腔截面尺寸相同，并可根据需要进行调节。

所述微带天线阵列含N个等间距，间距为D排布的微带天线单元，每个单元均为宽频带微带天线，且辐射方向均指向平板波导开口方向。

所述同轴连接器的个数为N，外壁通过法兰与平板波导腔的外壁相连，内芯与微带天线阵列中的N个微带馈线相连接；在平板波导腔一定的情况下，N的取值与准平面波离散程度成正比,即N的取值越大，准平面波离散程度越高。

所述金属探针组由容性探针和感性探针组成，对微带天线阵列单元进行分隔，能够避免传输模式的截止，并能调节端口阻抗性能。

所述微带天线阵列中的馈线方向灵活调整，将同轴连接器分列平板波导腔的两侧，即微带天线阵列的单元间距D最小为同轴连接器安装尺寸的一半。

所述微带天线阵列采用卡槽结构，能够准确固定于平板波导腔内，以保证准平面波的近似度和一致的端口特性。

本发明的原理：一种准平面波离散(或获取)方法，基于平板波导到微带线再到同轴连接器的转换，利用金属探针组进行端口分隔和匹配调节，可以实现宽频带内准平面波的高离散化，也可用于获取宽频带准平面波。该装置主要由平板波导腔、微带天线阵列、金属探针组、同轴连接器组成。该方法和装置涉及的准平面波为平板波导准平面波；微带天线工作频带较宽(如Vivaldi微带天线，其驻波比小于1.2的相对射频带宽能够达到10％以上)；微带天线与同轴连接器数量相同且一一连接，阵列间距越小，单元数目越多，则准平面波的离散程度越高；金属探针组为该装置的核心部分，既可以对平板波导进行较密集的端口分隔而不致传播模式截止，又可以调节端口阻抗性能。该装置根据射频信号流向需求，可以用作准平面波离散装置，也可以用作获取装置。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明未使用现有的相对窄带和大尺寸的T-junction结构，而是创造性地提出了新的基于同轴到微带再到平板波导的转换方案，并创造性地采用了容感结合的金属探针组，可以实现准平面波在宽频带应用及较高频段应用中的高离散或密集多端口合成。

(2)本发明最具特点的技术进步就是采用了全新的思路进行准平面的离散或获取，突破了准平面波高离散和宽频带的技术瓶颈，使准平面波离散或获取性能满足了微波传输及天线应用所需要的技术指标。

(3)本发明采用容性和感性相结合的金属探针组，可以将端口分隔得非常细密，实现小于半波长的离散间距，并避免纯金属板分隔时，由于端口间距过小导致传播模式截止的问题；还能起到调节阻抗的作用，从而获得宽频带内，良好的端口阻抗匹配；

(4)本发明采用平板波导中镶嵌宽频带微带天线，用微带天线辐射场融合产生准平面波的方案，可以为其他设计师提供新的思路；

(5)本发明利用微带馈线方向可以镜像调整的特点，将同轴连接器置于平板波导腔的两侧，可以克服同轴连接器安装尺寸大于离散间距的问题，以便应用于更高的工作频段；

(6)本发明基于自身方案特点，可以用作低损耗的多路功分器件或功率合成器件，也可用于准平面波天线宽角扫描应用中，具有很强的竞争力。

附图说明

图1为本发明准平面波的离散或获取方法原理框图；

图2为本发明准平面波的离散或获取装置单元仿真模型图；

图3为本发明准平面波的离散或获取装置结构示意图；

图4为本发明准平面波的离散或获取装置结构局部示意图；

图5为本发明准平面波的离散或获取装置结构组成图；

图6为本发明准平面波的离散或获取装置中微带天线卡槽固定示意图；

图7为本发明准平面波的离散或获取装置中微带天线镜像分布示意图；

图8为本发明准平面波的离散或获取装置中容感结合的金属探针组示意图；

图9为本发明准平面波的离散或获取装置的端口特性(Ka频段)，其中a.为单元端口驻波比，b.为相邻单元端口隔离度。

具体实施方式

图1为本发明准平面波的离散或获取方法原理框图，本发明基于平板波导到微带线再到同轴连接器的转换，根据射频信号流向需求，可以将连续的平板波导准平面波离散为N路同轴TEM波，也可以通过N路同轴TEM波来获取连续的平板波导准平面波。

如图1所示，本发明应用于准平面波离散时，电磁波传播模式的转换过程为平板波导中传输的准平面波到N个微带天线的辐射波，再到N路微带馈线的准TEM波，再到N路同轴连接器的TEM波；该方法应用于准平面波获取时，电磁波传播模式的转换过程为N路同轴连接器的TEM波，到N路微带馈线的准TEM波，再到N个微带天线的辐射波，再到平板波导中传输的准平面波。

如图1所示，N-1组金属探针组将平板波导腔分隔成N个单元。每个金属探针组都既包含容性探针，也包含感性探针，且容感探针是交替排布的。

在设计时，首先应明确设计要求，即传输准平面波的平板波导截面尺寸、单元数目N、单元间距D、射频接口类型(比如微带、SMA接头、SMP接头)、工作频带、端口性能指标等；然后，根据工作频带要求，设计匹配良好的微带天线，微带天线馈电方式为馈线耦合馈电，注意微带天线介质板厚度的选取，在满足频带要求的前提下，应尽可能薄，同时，还要注意馈线与最终射频接口的连接可行性，必要时设计焊盘等保障连接；再然后比较单元间距D和射频接口安装尺寸Dj的大小关系，如果D小于Dj，则需要通过调整微带天线馈线方向的方法，将射频连接器置于平板波导腔的两侧，如果D大于Dj，则可将射频连接器置于平板波导腔的同侧，也可置于两侧；接下来，也是最关键的步骤，就是要根据微带天线的形式和尺寸，优化金属探针组的位置和结构参数，金属探针组采用容感探针交替排列的方式，将平板波导腔按照单元间距D进行分隔，微带天线单元位于分隔单元的中间，可优化的变量包括金属探针的个数、金属探针的位置、金属探针的直径、金属探针的间距、容性探针对的上下间距等，由于金属探针组的灵活调节作用，可获得良好的端口阻抗性能，还可避免使用封闭金属板进行分隔时可能导致的传播模式截止问题。

在具体设计时，可以先进行单元模型仿真，再进行整体仿真。单元仿真模型如图2所示，以金属探针组为边界，微带天线介质板位于单元中心，注意，将单元两侧定义为理想H面。整体仿真时，根据实际单元数目建立全模型，要说明的是，对于单元1和单元N来说，其中一个边界为平板波导腔侧壁。

离散或获取装置的结构示意图如图3所示，可知，离散或获取装置包含平板波导腔1、微带天线阵列2、金属探针组3以及同轴连接器4。

离散或获取装置的结构局部示意图如图4所示，可以看出，金属探针组3将平板波导腔1分隔成离散的单元，而微带天线阵列2天线单元位于各离散单元的中心。

离散或获取装置的结构组成图如图5所示，可知，平板波导腔1由平板波导段11、短路盖板12、盖板螺钉13组成；微带天线阵列2由第一微带天线阵列21和第二微带天线阵列22组成)；同轴连接器4由一侧同轴连接器41和另侧同轴连接器42组成。平板波导腔1为一端短路的平板波导，长度为N*D，其中，N为单元数目，D为单元间距。通过短路盖板12和盖板螺钉13实现平板波导段11的一端短路。

微带天线阵列2含N个等间距(间距为D)排布的微带天线阵元，每个微带天线阵元通过卡槽结构固定于平板波导离散单元的中心。卡槽固定结构如图6所示。

微带天线选用宽频带微带天线类型，如Vivaldi微带天线，即指数渐变平面缝隙天线，该微带天线为单层介质板微带天线，由50欧姆微带馈线耦合馈电。微带天线馈线可以从平板波导单侧引出，也可以通过镜像分布将馈电端口引向平板波导两侧。镜像的两种微带天线交替排布，构成第一微带天线阵列21和第二微带天线阵列22。馈线镜像的微带天线，如图7本发明准平面波的离散或获取装置中微带天线镜像分布示意图所示。

金属探针组3的数量为N-1，每组探针由第一感性探针31、第二感性探针33和第一容性探针32、第二容性探针34交替排列组成，如图8本发明准平面波的离散或获取装置中容感结合的金属探针组示意图所示。一方面，它的作用是将N个离散单元进行分隔，并且可以通过调节探针位置、间距、容抗，来调节端口特性，以获得好的阻抗匹配和端口隔离。另一方面，如果采用金属板进行端口分隔的话，单元中的电磁波传输模式可能会截止，而金属探针组3的应用，可以有效避免高离散时出现的这种情况。

同轴连接器4数量也为N，其外壁通过法兰和螺钉与平板波导腔1外壁相连，其内导体与微带天线阵列2单元馈线焊接在一起。当单元间距D大于同轴连接器安装尺寸时，微带天线阵列2的馈线可以从单侧引出，也可从双侧引出，相应的，同轴连接器4可以位于平板波导腔1的同一侧，也可位于平板波导腔1的两侧；当单元间距D略小于同轴连接器安装尺寸Dj时，微带天线阵列2的馈线可以从双侧引出，相应的，同轴连接器4位于平板波导腔1的两侧，同轴连接器分列两侧示意如图6所示。这一灵活性，可以克服同轴连接器安装尺寸大于单元间距的困难，使该装置能够应用于较高的频段，或者使该装置的离散程度更高。

以Ka频段(30GHz)准平面波离散或获取装置为例，主要设计参数选取如下：

1.平板波导腔截面尺寸为207mm*4mm；

2.微带天线所用介质基板材料为Rogers RT/duroid 5880(介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009)，厚度为0.254mm；

3.同轴连接器类型为SMP-K连接器(其安装尺寸约需7mm)；

4.单元数目为46，单元间距为4.5mm(小于0.5个波长)；

5.容感结合的金属探针直径为0.5mm。

其仿真结果如图9所示，可见，单元端口驻波比在大于8％的频带宽度内，优于1.25；单元端口隔离度约-20dB。

本发明提出了一种新型的准平面波离散或获取方法及装置，通过同轴到微带再到平板波导的转换，利用容感结合的金属探针组进行端口分隔和匹配调节，可以实现宽频带内准平面波的高离散化，也可用于获取宽频带准平面波。该实现方法新颖，具有技术领先性。

该方法和装置突破了准平面波高离散和宽频带的技术瓶颈，可以应用于低损耗的多路功率分配或功率合成；也可应用于准平面波天线中，使准平面波天线具备了波束宽角扫描的可能。

这种新的方法和装置与目前已有的方法和装置相比，创造性地提出了新的基于同轴到微带再到平板波导的转换方案，并创造性地采用了容感结合的金属探针组，可以实现准平面波在宽频带应用及较高频段应用中的高离散或密集多端口合成，具有明显的技术优势，具有广泛的应用前景。

Claims (11)

1.一种准平面波的离散或获取方法，其特征在于：基于准平面波的平板波导到微带天线再到同轴连接器的转换，利用金属探针组进行端口分隔和匹配调节，实现宽频带内准平面波的高离散化或获取宽频带准平面波；

所述方法根据射频信号流向需求，可用作准平面波离散，也可以用作准平面波获取；应用于准平面波离散时，射频信号流向为平板波导至微带天线再至微带馈线，最后至同轴连接器；应用于准平面波获取时，射频信号流向为同轴连接器至微带馈线再至微带天线，最后至平板波导；

其中，所述方法在实现时，首先应明确设计要求，即传输准平面波的平板波导截面尺寸、单元数目N、单元间距D、射频接口类型、工作频带、端口性能指标；然后，根据工作频带要求，设计匹配良好的微带天线，微带天线馈电方式为馈线耦合馈电，同时保证微带天线馈线与最终微带天线的射频接口的连接可行性；再然后比较单元间距D和射频接口安装尺寸Dj的大小关系，如果D小于Dj，则需要通过调整微带天线馈线方向的方法，将同轴连接器置于平板波导腔的两侧，如果D大于Dj，则可将同轴连接器置于平板波导腔的同侧，也可置于两侧；再根据微带天线的形式和尺寸，优化金属探针组的位置和结构参数，金属探针组采用容感探针交替排列的方式，将平板波导腔按照单元间距D进行分隔，微带天线单元位于分隔单元的中间，可优化的变量包括金属探针的个数、金属探针的位置、金属探针的直径、金属探针的间距、容性探针对的上下间距，由于金属探针组的灵活调节作用，可获得良好的端口阻抗性能，还可避免使用封闭金属板进行分隔时可能导致的传播模式截止问题。

2.根据权利要求1所述的一种准平面波的离散或获取方法，其特征在于：所述金属探针组(3)由容性探针和感性探针组成。

3.根据权利要求1所述的一种准平面波的离散或获取方法，其特征在于：设计所述微带天线时，微带天线的介质板厚度选取，在满足频带要求的前提下，应尽可能薄。

4.根据权利要求1所述的一种准平面波的离散或获取方法，其特征在于：所述射频接口类型包括微带、SMA接头、SMP接头。

5.一种准平面波的离散或获取装置，其特征在于：包括平板波导腔(1)、微带天线阵列(2)、金属探针组(3)和同轴连接器(4)；微带天线阵列(2)置于平板波导腔(1)内部；同轴连接器(4)的外壁与平板波导腔(1)的外壁相连，同轴连接器(4)的内芯与微带天线阵列(2)相连接；金属探针组(3)将平板波导腔(1)和微带天线阵列(2)分隔成离散的单元，形成以金属探针组(3)为边界，而微带天线阵列(2)单元位于中间的离散单元；所述装置根据射频信号流向需求，可以用作准平面波离散装置，也可以用作获取装置；对于离散过程，平板波导腔(1)中传输的准平面波，经微带天线阵列(2)离散，并分别由微带天线阵列(2)的多路微带馈线将射频信号转换为同轴连接器(4)中的多路同轴模式射频信号；对于获取过程，多路同轴模式射频信号经同轴连接器(4)馈送至微带天线阵列(2)；微带天线阵列(2)处于平波波导腔(1)中，辐射近似等幅的单元电磁波；单元电磁波在平板波导腔(1)中融合，产生了准平面波；无论离散过程还是获取过程，金属探针组(3)均起端口分隔和阻抗匹配调节的作用。

6.根据权利要求5所述的准平面波的离散或获取装置，其特征在于：所述平板波导腔(1)一端为金属短路面，一端为平板波导射频接口，平板波导腔(1)截面尺寸相同，并可根据需要进行调节。

7.根据权利要求5所述的准平面波的离散或获取装置，其特征在于：所述微带天线阵列(2)含N个等间距，间距为D排布的微带天线单元，每个单元均为宽频带微带天线，且辐射方向均指向平板波导开口方向。

8.根据权利要求5所述的准平面波的离散或获取装置，其特征在于：所述同轴连接器(4)的个数为N，外壁与平板波导腔(1)的外壁相连，内芯与微带天线阵列(2)中的N个微带馈线相连接；N的取值与准平面波离散程度相关。

9.根据权利要求5所述的准平面波的离散或获取装置，其特征在于：所述金属探针组(3)包括容性探针和感性探针，对微带天线阵列(2)单元进行分隔，能够避免传输模式的截止，并能调节端口阻抗性能。

10.根据权利要求5所述的准平面波的离散或获取装置，其特征在于：所述微带天线阵列(2)中的馈线方向灵活调整，将同轴连接器(4)分列平板波导腔(1)的两侧。

11.根据权利要求5所述的准平面波的离散或获取装置，其特征在于：所述微带天线阵列(2)采用卡槽结构，能够准确固定于平板波导腔(1)内，以保证准平面波的近似度和一致的端口特性。