CN106356642B - 一种金属空心波导串联馈电的介质波导裂缝阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及天线设计技术领域，特别涉及一种金属空心波导串联馈电的介质波导裂缝阵天线。本发明提供一种采用金属空心波导作为馈电装置的裂缝阵天线，相对于传统的介质波导馈电方式，本发明采用的馈电方式损耗小，同时，本发明中金属空心波导馈电装置没有采用传统的平面馈电方式，而是将馈电装置单独设置，并将其与天线介质层上下层固定的结构，这样，馈电线路不再占用介质层表面面积，从而可以让介质层表面全用来布置天线辐射裂缝，大大的提高了介质层表面利用率。

Description

一种金属空心波导串联馈电的介质波导裂缝阵天线

技术领域

本发明涉及天线设计技术领域，特别涉及一种金属空心波导串联馈电的介质波导裂缝阵天线。

背景技术

波导裂缝阵天线由于具备高效率、设计简单、容易实现低副瓣等优点被广泛使用于雷达和通信系统中，但其重量和尺寸较大，且加工和焊接工艺复杂，特别到了毫米波频段以上，波导裂缝阵对焊接工艺的要求随频率的上升越来越高，导致成本的大幅上升。为了克服这些困难，近年来以介质基片方式实现裂缝阵天线（即介质波导裂缝阵）逐渐成为主流，该方式中，天线采用PCB加工工艺，成本、重量、尺寸和性能都得到很好的平衡，这种天线的结构如图1所示，主要包括馈电网络100、辐射区域200（图1中300为波导馈电口、400为安装螺钉孔位）；但是这种天线有两个弊端：一是其馈电网络同样采用介质波导的方式，其损耗远远大于常规金属波导；二是这种平面结构需要使用大量的面积来做平面馈电网络，而有效的天线辐射区域所占面积不到总面积的一半，这对于目前结构越来越紧凑的无线系统而言无疑是一个很大的浪费。

发明内容

本发明的目的在于克服两个现有技术的困难：

一是现有金属空心波导裂缝阵天线重量和尺寸大，加工和焊接工艺复杂，成本高的问题；二是现有介质波导裂缝阵多采用介质波导作为馈电网络，从而造成损耗大，且平面结构中馈电网络需占用部分面积，导致有效辐射区域小的问题，提供一种采用金属空心波导作为馈电网络减小馈电损耗，同时提高有效辐射区域利用面积的介质裂缝阵天线。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种金属空心波导馈电介质波导裂缝阵天线，包括天线介质层及金属空心波导馈电装置；

所述天线介质层包括天线辐射缝隙结构以及天线馈电缝隙结构；所述天线介质层通过所述天线馈电缝隙结构与所述金属空心波导馈电装置连接。所述天线介质层是由常见天线介质材料构成的衬底，其用于让电磁波在其中传播；所述天线辐射缝隙结构中的辐射缝隙以及天线馈电缝隙结构中的馈电缝隙均按预设方式排列，一般的，天线馈电缝隙结构在天线介质层的一个表面（如下表面）构成一天线馈电缝隙面，而天线辐射缝隙结构在天线介质层的另一个表面（如上表面）构成天线辐射缝隙面。

进一步的，所述天线辐射缝隙结构被规则排列的金属通孔结构包围或分割为一个以上的部分，在大面积时，天线介质层上的天线辐射缝隙结构被规则排列的金属通孔结构分割为一个个面积相同或不同的部分，例如，通常，各个部分可以是矩形，此时，规则排列的金属通孔等效于金属波导的侧壁，用于束缚能量尽可能低损耗的在天线介质波导中传播。在优化性能的同时，应确保各个部分尺寸公差在加工的工艺范围内。

进一步的，所述天线馈电缝隙结构中的各个馈电缝隙具有预设的偏移量及角度，众所周知的是，馈电缝隙结构中的馈电缝隙的偏移量与角度可影响被发射电磁波信号的幅度、相位，因此本发明中的各个馈电缝隙的偏移量及角度均按照预设设置，在一些实施例中，馈电缝隙的偏移量和角度还与金属空心馈电装置中的功分网络的不等功分设置相配合，以使得天线辐射口面的电流按指定的相位和幅度进行分布。

进一步的，所述金属空心波导馈电装置包括主波导馈电口、波导功分网络、子波导馈电口及波导馈电缝隙结构；

所述主波导馈电口通过所述波导功分网络与各个子波导馈电口连接；各个子波导馈电口分别与一波导馈电缝隙结构连接；

所述波导馈电缝隙结构上包含多个馈电缝隙，该馈电缝隙的偏移量和角度与天线馈电缝隙结构中的馈电缝隙对应。

进一步的，所述波导馈电缝隙结构包括馈电结构体，位于馈电结构体一端的结构馈电口，位于馈电结构体另一端的短路面，以及，位于馈电结构体上的多个馈电缝隙；

所述馈电结构体通过所述结构馈电口与子波导馈电口连接。整体上，金属空心波导馈电装置将各个馈电结构体上的馈电缝隙与天线介质层上的馈电缝隙一一对应后连接设置，连接方式可以是银浆、金浆或焊片等方式粘接或焊接，或者是将天线介质层直接焊接在所述金属空心馈电装置上，又或者通过螺钉等可拆卸方式将天线介质层固定在所述金属空心馈电装置上；不论各种连接固定方式，金属空心馈电装置中的馈电缝隙都是与天线介质层中的馈电缝隙一一对应设置的。

进一步的，所述波导馈电缝隙结构中的各个馈电缝隙为串联馈电缝隙。

进一步的，所述馈电结构体为长方体，或者其他形状，如环形、弧形。

进一步的，所述波导功分网络为并联功分网络。

进一步的，所述功分网络为等功分或不等功分，当功分网络为不等功分时，可以让金属空心馈电结构中的各个子馈电口处的功率不同，从而协同天线介质层中的天线辐射缝隙的尺寸大小、角度和偏移量实现指定的表面电流相位和幅度分布。

进一步的，金属空心波导馈电装置为金属制成，或，

为表面包含金属镀层的绝缘材料制成。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明提供一种采用金属空心波导作为馈电装置的介质裂缝阵天线，相对于传统的介质波导馈电方式，本发明采用的馈电方式损耗小，同时，本发明中金属空心波导馈电装置没有采用传统的平面馈电方式，而是将馈电装置单独设置，并将其与天线介质层上下层固定的结构，这样，馈电线路不再占用介质层表面面积，从而可以让介质层表面全用来布置天线辐射裂缝，大大的提高了介质层表面利用率。

附图说明：

图1为传统介质波导裂缝阵天线示意图；

图2为本发明提供的裂缝阵列天线结构示意图；

图3为本发明提供的天线天线介质层与金属空心波导馈电装置装配示意图；

图4a为天线介质层结构示意图（局部）;

图4b为天线辐射缝隙面示意图（局部）;

图4c为天线馈电缝隙面示意图（局部）;

图5为金属空心波导馈电装置结构示意图;

图6为波导馈电缝隙结构结构示意图;

图7为波导功分网络结构示意图;

图8为波导功分网络（电桥形式）结构示意图;

图中标记：1-天线介质层，11-天线辐射缝隙结构，12-天线馈电缝隙结构，13-金属通孔结构，14-天线辐射缝隙面，15-天线馈电缝隙面2-金属空心波导馈电装置，21-主波导馈电口，22-波导功分网络，23-子波导馈电口，24-波导馈电缝隙结构，241-馈电结构体，242-结构馈电口，243-短路面，100-馈电网络，200-辐射区域；300-波导馈电口，400-螺钉孔位。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围，如对于本领域技术人员来说，本发明中所提到的金属空心波导又称金属空波导、金属空芯波导或空心金属波导等。

实施例1: 如图2所示，本实施例提供一种金属空心波导馈电裂缝阵天线，包括天线介质层1及金属空心波导馈电装置2；

所述天线介质层1包括天线辐射缝隙结构11以及天线馈电缝隙结构12；天线介质层1通过所述天线馈电缝隙结构12与金属空心波导馈电装置2连接。天线介质层1是由常见天线介质材料构成的衬底，其用于让电磁波在其中传播；所述天线辐射缝隙结构11中的辐射缝隙以及天线馈电缝隙结构12中的馈电缝隙均按预设方式排列，一般的，如图4a、图4c所示，天线馈电缝隙结构12在天线介质层1的一个表面（如下表面）构成一天线馈电缝隙面15，如图4a、图4b所示，天线辐射缝隙结构11在天线介质层1的另一个表面（如上表面）构成天线辐射缝隙面14；辐射缝隙用于将介质波导中的能力按照一定的幅度相位分布辐射到空间中；馈电缝隙的作用是高效率的过渡天线辐射缝隙面14和金属空心馈电装置的能量，过渡包括从金属空心馈电装置向天线辐射缝隙面14过渡和自天线辐射缝隙面14向金属空心馈电装置过渡两种情形。

图3给出了天线介质层1与金属空心波导馈电装置2的装配示意图，天线介质层1和金属空心波导馈电装置2的连接方式可以是银浆、金浆或焊片等方式粘接，或者是将天线介质层1直接焊接在金属空心馈电装置上，又或者通过螺钉等可拆卸方式将天线介质层1固定在金属空心馈电装置上；不论各种连接固定方式，金属空心馈电装置中的馈电缝隙都是与天线介质层1中的馈电缝隙一一对应设置的。

如图4b所示，所述天线辐射缝隙结构11被规则排列的金属通孔结构13包围或分割为一个以上的部分，在大面积时，天线介质层1上的天线辐射缝隙结构11被规则排列的金属通孔结构13分割为一个个面积相同或不同的部分，例如，通常，各个部分可以是矩形，其他一些实施例中，各个部分的形状也可以是正方形或者其他规则形状，各部分的形状均由规则排列的金属通孔决定；此时，规则排列的金属通孔等效于金属波导的侧壁，用于束缚能量尽可能低损耗的在天线介质波导中传播；被包围或分割于各个部分中的辐射缝隙均具有预设的长度、偏移量及角度，通常该偏移量和角度的相对参考目标是本领域技术人员所熟知的，比如，该参考目标可以是金属通孔结构13围成的矩形区域的中线；应注意的是，在优化性能的同时，应确保各个部分尺寸公差在加工的工艺范围内。

如图5所示，所述金属空心波导馈电装置2包括主波导馈电口、波导功分网络22、子波导馈电口23及波导馈电缝隙结构24；所述主波导馈电口通过所述波导功分网络22与各个子波导馈电口23连接；各个子波导馈电口23分别与一波导馈电缝隙结构24连接；所述波导馈电缝隙结构24上包含多个馈电缝隙，该馈电缝隙的偏移量和角度与天线馈电缝隙结构12中的馈电缝隙对应。当系统发射时，上变频系统发送的能量通过主波导馈电口馈入到金属空心馈电装置的波导网络中，当系统接收时，主波导馈电口将从金属空心馈电装置的波导网络中合成的能量传递给下变频接收机；系统发射时，波导功分网络22负责将能量分配到各个并联枝节中，并通过子波导馈电口23分发至各个波导馈电缝隙结构24，系统接收时，波导功分网络22负责将各个波导馈电缝隙结构24收集的能量合成并传递给主波导馈电口；

如图6所示，所述波导馈电缝隙结构24包括馈电结构体241，位于馈电结构体241一端的结构馈电口242，位于馈电结构体241另一端的短路面243，以及，位于馈电结构体241上的多个馈电缝隙；所述天线馈电缝隙结构12中的各个馈电缝隙具有预设的偏移量及角度，通常该偏移量和角度的相对参考目标同样是本领域技术人员所熟知的，如，该参考目标可以是形状为长方体的馈电结构体241矩形表面（馈电缝隙所在表面）的中线，众所周知的是，各个馈电缝隙的长度也为预设的，馈电缝隙结构中的馈电缝隙的偏移量与角度可影响待发射电磁波信号的幅度、相位，因此本发明中的各个馈电缝隙的偏移量及角度均按照预设设置，在一些实施例中，馈电缝隙的偏移量和角度还与金属空心馈电装置中的功分网络的不等功分设置相配合，以使得天线口面的电流按指定相位和幅度进行分布；本实施例中，所述波导馈电缝隙结构24中的各个馈电缝隙为串联馈电缝隙。

具体的，所述馈电结构体241通过所述结构馈电口242与子波导馈电口23连接。整体上，金属空心波导馈电装置2将各个馈电结构体241上的馈电缝隙与天线介质层1上的馈电缝隙一一对应后连接设置，连接方式可以是银浆、金浆或焊片等方式粘接或焊接，或者是将天线介质层1直接焊接在所述金属空心馈电装置上，又或者通过螺钉等可拆卸方式将天线介质层1固定在所述金属空心馈电装置上；不论各种连接固定方式，金属空心馈电装置中的馈电缝隙都是与天线介质层1中的馈电缝隙一一对应设置的。

本实施例中，所述馈电结构体241为长方体，而在其他一些实施例中，其也可根据需要设置为其他规则或不规则形状，如环形、弧形。

本实施中，所述波导功分网络22为并联功分网络；对于天线阵面而言，一般对副瓣电平有一定的要求，因此需要对阵面进行一定的幅度相位加权；对于这种要求，通常的做法是馈电网络设计成等功率分配，即从馈电网络出来的能量是等幅同相的，加权的幅度相位全部靠阵面的辐射单元来实现。这种设计方法馈电网络设计实现简单，但辐射单元的设计较为复杂，最大和最小辐射能量的比例较大，造成辐射缝隙的尺寸差异较大，有些甚至会超过加工允许的工艺要求，导致不能加工。因此，为了避免这类情况的发生，给阵面的加权幅度减小一定的压力，本方案设计的馈电网络，除了常规的能量分配外，需要将能量在阵面按一定的比例分配给天线阵面，从而实现硬件部分的幅度加权。比如，图7展示的实施例中，子波导馈电口23231和子波导馈电口23232是不等功分，子波导馈电口23233和子波导馈电口23234是另一对不等功分，而其中子波导馈电口23231和子波导馈电口23234等功分，子波导馈电口23232和子波导馈电口23233等功分，其协同天线介质层1中的天线辐射缝隙的尺寸大小、角度和偏移量实现指定的电磁波相位和幅度；需要指出的是，该实施例中的波导功分网络22只是实施方式的一种，该波导功分网络22还可以用电桥结构实现，如图8所示，其均属于该专利保护的范畴。

优选的，金属空心波导馈电装置2为金属制成，或，为表面包含金属镀层的绝缘材料制成。

Claims (8)

1.一种金属空心波导串联馈电的介质波导裂缝阵天线，其特征在于，包括天线介质层及金属空心波导馈电装置；

所述天线介质层包括天线辐射缝隙结构以及天线馈电缝隙结构；所述天线介质层通过所述天线馈电缝隙结构与所述金属空心波导馈电装置连接；所述天线辐射缝隙结构被规则排列的金属通孔结构包围或分割为一个以上的部分；所述天线馈电缝隙结构中的各个馈电缝隙具有预设的偏移量及角度。

2.如权利要求1所述的裂缝阵天线，其特征在于，所述金属空心波导馈电装置包括主波导馈电口、波导功分网络、子波导馈电口及波导馈电缝隙结构；

所述主波导馈电口通过所述波导功分网络与各个子波导馈电口连接；各个子波导馈电口分别与一波导馈电缝隙结构连接；

所述波导馈电缝隙结构上包含多个馈电缝隙，该馈电缝隙的偏移量和角度与天线馈电缝隙结构中的馈电缝隙对应。

3.如权利要求2所述的裂缝阵天线，其特征在于，所述波导馈电缝隙结构包括馈电结构体，位于馈电结构体一端的结构馈电口，位于馈电结构体另一端的短路面，以及，位于馈电结构体上的多个馈电缝隙；

所述馈电结构体通过所述结构馈电口与子波导馈电口连接。

4.如权利要求3所述的裂缝阵天线，其特征在于，所述波导馈电缝隙结构中的各个馈电缝隙为串联馈电缝隙。

5.如权利要求3所述的裂缝阵天线，其特征在于，所述馈电结构体为长方体。

6.如权利要求2所述的裂缝阵天线，其特征在于，所述波导功分网络为并联功分网络。

7.如权利要求2所述的裂缝阵天线，其特征在于，所述功分网络为等功分或不等功分。

8.如权利要求1所述的裂缝阵天线，其特征在于，金属空心波导馈电装置为金属制成，或，为表面包含金属镀层的绝缘材料制成。

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