CN107546495A - 一种毫米波圆锥面共形基片集成波导缝隙阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明属于共形天线技术领域，提供一种毫米波圆锥面共形基片集成波导缝隙阵列天线，该天线设置于金属圆锥载体表面，由从下往上依次层叠的下金属覆铜层、介质基板层及上金属覆铜层构成，介质基板层中设置有若干个排布成四边形的金属化孔、以形成基片集成波导，基片集成波导的宽度与其所处金属圆锥载体横截面的半径r满足如下关系式本发明通过基片集成波导宽度的变化来消除几何特性带来的传播特性变化，使圆锥面共形基片集成波导传播特性实现与平面以及圆柱面共形一样的效果。

Description

一种毫米波圆锥面共形基片集成波导缝隙阵列天线

技术领域

本发明属于共形天线技术领域，具体涉及毫米波圆锥面共形基片集成波导缝隙阵列天线。

背景技术

共形天线是一种和物体外形保持一致的天线，它要和预先规定的物体外形共形，这些形状可以是飞机、高速列车或者其他交通工具上的某些部位；目的是要建立一个能够和物体结构相融合，而又不会带来额外负担的天线。近几年提出来的基片集成波导结构几乎保持了微带线和波导的优点特性，一方面其具备波导结构的低插损和低泄漏辐射特性，另一方面又具备了微带线的低剖面特性；为毫米波共形天线的实现提供了契机。

近几年在共形基片集成波导缝隙阵天线的发展上，大多都是聚焦在圆柱面共形上面，有轴向圆柱面共形的基片集成波导缝隙阵天线和圆周方向圆柱面共形的基片集成波导缝隙阵天线。与平面基片集成波导缝隙阵天线一样，圆柱面共形的基片集成波导缝隙阵天线在传播方向上横截面保持不变，其横截面仅仅由平面上的矩形变为一个弧形；因而圆柱面共形的基片集成波导缝隙阵天线具有与平面基片集成波导缝隙阵天线一样的电磁波传播特性，即在传播方向上传播特性保持恒定；因此，如图5所示，圆柱面共形的基片集成波导缝隙阵天线具有与平面基片集成波导缝隙阵天线一样的等效电路，仅数值不同，进而传统平面设计方法可以直接用在圆柱面共形设计上。

然而其他形状的共形天线研究同样需要研究，锥面是另一个经典的共形表面，锥形表面特别适合应用于流线型机载设备、火箭和导弹等的鼻端，锥形表面提供了宽角覆盖和良好的空气动力特性，所有高速飞行的飞行器通常起始于一个圆锥形状的鼻端。因此，圆锥面的共形天线非常值得探索研究。

如上述所说，传统平面基片集成波导缝隙阵天线的等效电路以及设计方法在圆柱面共形设计上可以直接适用；然而，圆锥面共形与圆柱面共形以及平面设计具有本质的区别，圆锥面因其特殊的几何特性，将会导致共形基片集成波导的横截面在传播方向上发生变化，进而其传播特性将会随着在圆锥面上的位置变化而变化，其变化的传播特性将会导致传统平面的基片集成波导缝隙阵天线等效电路失效，传统平面设计方法不能直接用在圆锥面共形设计上，如图5所示。文献《Z.A and Y.J.Cheng,“Substrate integrated antennaconformal to 3D-printing cone,”2016IEEE MTT-S International MicrowaveWorkshop Series on AdvancedMaterials and Processes for RF and THzApplications(IMWS-AMP),Chengdu,2016,pp.1-4.》中直接应用传统平面设计方法设计了一款圆锥面共形基片集成波导缝隙阵天线，因没有对其在圆锥面上变化的传播特性进行修正处理，其S参数和方向图仿真与测试结果发生了很大的误差。

基于此，本发明提供一种毫米波圆锥面共形基片集成波导缝隙阵列天线。

发明内容

本发明目的在于为了克服上述圆锥面共形基片集成波导缝隙阵天线设计中，因锥面特殊几何特性引发的基片集成波导内电磁波的传播特性的变化，从而导致的基片集成波导缝隙阵天线的传统等效电路以及设计方法失效的难题，提供一种毫米波圆锥面共形基片集成波导缝隙阵列天线；具体技术方案为：

一种毫米波圆锥面共形基片集成波导缝隙阵列天线，该天线设置于金属圆锥载体表面，由从下往上依次层叠的下金属覆铜层3、介质基板层2层及上金属覆铜层1构成，所述下金属覆铜层3上开设耦合馈电缝隙结构31，所述上金属覆铜层开设若干个天线辐射缝，所述介质基板层2中设置有若干个排布成四边形的金属化孔、以形成基片集成波导；其特征在于，所述基片集成波导的宽度与其所处金属圆锥载体横截面的半径r满足如下关系式：

其中β为基片集成波导中电磁波的传播常数，此值为定值；单位r(mm)、β(rad/m)。

本发明的有益效果在于：

本发明提供一种毫米波圆锥面共形基片集成波导缝隙阵列天线，该天线采用在圆锥面上宽度渐变的基片集成波导缝隙阵天线结构，通过基片集成波导宽度的变化来消除几何特性带来的传播特性变化，使圆锥面共形基片集成波导传播特性实现与平面以及圆柱面共形一样的效果，进而使传统平面基片集成波导缝隙阵天线的等效电路以及设计方法可以直接应用在圆锥面共形设计中，从而实现高效、精准的锥面共形低副瓣基片集成波导缝隙阵列天线设计。

附图说明

图1为实施例中毫米波圆锥面共形基片集成波导缝隙阵列天线整体示意图。

图2为实施例中毫米波圆锥面共形基片集成波导缝隙阵列天线底部侧视示意图。

图3为实施例中毫米波圆锥面共形基片集成波导缝隙阵列天线平面展开示意图(平面加工示意图)。

图4为实施例中毫米波圆锥面共形基片集成波导缝隙阵列天线装配图。

图5为实施例中不同共形形状的下的等效电路。

图6为实施例中圆锥面共形基片集成波导β和Z₀关于圆锥半径r和基片波导宽度的等高线图。

图7为实施例中渐变的基片集成波导缝隙阵天线宽度随圆锥面上的半径变化图。

图8为实施例中圆锥面共形基片集成波导缝隙阵列天线S参数仿真和测试结果。

图9为实施例中圆锥面共形基片集成波导缝隙阵列天线方向图仿真和测试结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明；为了引用和清楚起见，下文中使用的技术名词的说明、简写或缩写总结如下：

缝隙天线：在波导或空腔谐振器上开出一个或数个缝隙以辐射或接收电磁波的天线，是无突出部的平面天线。

传播特性：在此基片集成波导缝隙阵天线设计中，关注的基片集成波导的传播特性为传播常数β和特性阻抗Z₀，当β为恒定时，Z₀同样恒定，因此对锥面共形基片集成波导传播特性修正时，只需关注传播常数β。

对背景技术所说因圆锥面因其特殊的几何特性引发的传播特性变化，导致传统基片集成波导缝隙阵天线的等效电路和设计方法失效进行说明：如图5所示，给出了平面、圆柱面共形、圆锥面共形三种情况下的基片集成波导缝隙阵天线的等效电路，圆柱面共形的等效电路与平面情况下的等效电路相一致，只是β和Z₀发生了一个数值变化；如图6所示，圆锥面因圆锥面上的半径不同导致各个位置的β和Z₀都不同，等效电路失效，传统的设计方法也不能直接用于圆锥面共形的天线阵设计中；基于此，本发明提出了一种宽度渐变的基片集成波导缝隙阵天线结构使圆锥面共形的基片集成波导各个位置的β和Z₀保持一致，修正之后，圆锥面共形的基片集成波导缝隙阵天线就可直接应用传统的等效电路和设计方法。

本实施例中提供一个具有低副瓣方向图的宽度渐变的毫米波圆锥面共形基片集成波导缝隙阵列天线，其结构如图1、图2、图3所示，该天线设置于金属圆锥载体4表面，由从下往上依次层叠的下金属覆铜层3、介质基板层2层及上金属覆铜层1构成，所述下金属覆铜层3上开设耦合馈电缝隙结构31，金属圆锥载体上的波导馈电结构41通过耦合馈电缝隙31对圆锥面共形基片集成波导缝隙阵天线馈电，所述上金属覆铜层开设8个天线辐射缝11-18，依次交替分布在天线中线左右，其各个缝隙长度用来调节其谐振频率特性，各个缝隙偏移中心线的距离来调节辐射强度，最终8个缝隙辐射强度分布达到泰勒分布要求，8个缝在中心频率谐振，以实现一个低副瓣方向图的天线；所述介质基板层2中设置有若干个排布成四边形的金属化孔、分别为上21、下24、左22、右23四排，以构成基片集成波导，基片集成波导的宽度即指左22、右23两排金属化孔在同一横截面(水平面、与金属圆锥载体顶面及底面平行的面)的弧线距离；宽度与其对应横截面半径r满足关系式：

其中β为基片集成波导中电磁波的传播常数，β＝739rad/m。

本实施例中，天线加工图如图4所示，本实施例的工作频率35GHz，副瓣小于-25dB；考虑到共形的设计，选用的基板为Rogers5880，厚度为0.245mm，共形的金属圆锥顶端半径为15mm，底端半径为30mm；和被用来表示β和Z₀，r为圆锥面上不同高度(横截面)对应的半径，为基片集成波导的宽度。利用插值拟合技术可以得到β和Z₀的等高线图，如图6所示，等高线图中任意一条等高线都是满足锥面基片集成波导传播特性在传播方向上保持一致的要求，其结果就是一条宽度渐变的基片集成波导。本实施例中给出了β＝739(rad/mm)时的宽度渐变的圆锥面共形基片集成波导在圆锥面上不同半径的所对应的宽度大小，如图7所示，基片集成波导的宽度在4.2和4.31之间不等，此时Z₀＝31.5(Ω)；在此宽度渐变情况下，锥面共形的基片集成波导将会保持一致的传播特性，在锥面上不同半径的位置上的β和Z₀保持一致，此时传统的基片集成波导缝隙阵天线的等效电路可以直接应用在圆锥锥面共形的情况，最终传统的基片集成波导缝隙阵天线设计方法也就适用圆锥面的共形设计。

根据泰勒分布要求，确定缝隙11-18的偏移中心线的距离，根据谐振特性确定各个缝隙的长度，本实施例中，其结果如下表：

本实施例中，利用3D金属打印工艺加工共形载体金属圆锥4，顶端半径为15mm，底端半径为30mm；集成到金属圆锥共形载体上的波导馈电结构41是标准的WR28波导的尺寸；如图8和图9所示为本实施例HFSSS参数和方向图的仿真和暗室测试结果，由图中可知，测试方向图结果主瓣与仿真结果一致，测试方向图结果副瓣小于-28dB，较好的满足设计指标，验证了宽度渐变的基片集成波导结构的有效性，即可通过基片集成波导宽度的变化来消除几何特性带来的传播特性变化，使其传播特性将会在圆锥面上沿传播方向保持一致，从而解决了传统平面基片集成波导缝隙阵天线的等效电路以及设计方法在锥面共形设计中失效的问题。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (1)

1.一种毫米波圆锥面共形基片集成波导缝隙阵列天线，该天线设置于金属圆锥载体表面，由从下往上依次层叠的下金属覆铜层(3)、介质基板层(2)及上金属覆铜层(1)构成，所述下金属覆铜层上开设耦合馈电缝隙结构(31)，所述上金属覆铜层开设若干个天线辐射缝，所述介质基板层中设置有若干个排布成四边形的金属化孔、以形成基片集成波导；其特征在于，所述基片集成波导的宽度与其所处金属圆锥载体横截面的半径r满足如下关系式：

其中，β为基片集成波导中电磁波的传播常数。