CN107946773B - 一种高增益波导裂缝天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高增益波导裂缝天线，包括波导裂缝辐射阵(1)、T型耦合波导装置(2)和微带线‑SIW‑波导的馈电网络(3)；所述微带线‑SIW‑波导的馈电网络(3)通过T型耦合波导装置(2)对波导裂缝辐射阵(1)垂直馈电。本发明的高增益波导裂缝天线，结构简单、一体化设计，带宽较宽，增益较高，在相同加工精度下低副瓣，E面、H面方向图基本一致，波束稳定。
Description
技术领域
本发明属于无线通信天线技术领域，特别是一种结构简单、一体化设计，带宽较宽，增益较高，在相同加工精度下低副瓣，E面、H面方向图基本一致，波束稳定的高增益波导裂缝天线。
背景技术
随着无线通信系统的飞速发展，天线，作为发射或接受电磁波的部分，获得了越来越举足轻重的地位，同时时代对天线的要求也越来越高。波导裂缝天线由于其低剖面、低损耗、功率容量大等特点，得到了广泛的研究与发展。
1948年，A.F.Stevenson利用波导的等效传输线理论及波导格林函数，取缝隙长度为λ/2(λ为工作波长)，导出了各种形式缝隙的归一化电阻(电导)的计算式。随后A.A.Oline利用变分公式，考虑了波导壁厚的影响，计算了缝隙的阻抗(导纳)特性；Hung Yuet Yee发展了A.A.Oline的方法，解决了纵向缝隙偏置对缝隙谐振长度的影响，得到了缝隙归一化导纳的精确结果。R.S.Elliott在忽略波导内缝隙间互耦和波导壁厚影响的情况下采用等效磁流片的方法导出考虑辐射裂缝间外互耦以及高次模影响的解析表达式，并将辐射裂缝的设计理论归结为三个方程，使得裂缝天线的理论研究和工程设计达到了较为成熟的阶段，他建立的理论为当今波导裂缝阵列天线设计方法的主流。随着对雷达抗干扰要求的提高、脉冲多普勒可视雷达的发展以及气象雷达的应用，要求天线在E面、H面波束一致并且天线应具有低副瓣或极低副瓣的性能，因此波导裂缝天线在在无线通信、雷达系统和高速飞行器载天线等民用和军事等领域具有广阔的应用前景。
中国发明专利申请“一种宽频带低剖面平板缝隙阵列天线”(申请号：201310303354.9，申请日：2013.07.18)公开了一种宽频带低剖面平板缝隙阵列天线，包括宽频带低剖面平板缝隙天线单元和波导馈电网络，其中宽频带低剖面平板缝隙天线单元包括辐射方腔、辐射缝、激励波导腔、激励缝和馈电波导，其中波导馈电网络由多个等功分和不等功分波导H-T功分器组成，其与馈电波导相接，且与其分布在同一层信号；经波导馈电网络进入馈电波导，再通过激励缝将其送入激励波导腔中，辐射缝从激励波导腔祸合出信号再经过辐射方腔辐射到自由空间。
虽然该天线具有较宽的频带和较高的效率等优点，但是该天线存在以下问题：
1、该天线结构复杂，体积大，精度低，需要投入成本较高；2、该天线受辐射方腔高度限制，其增益较低，副瓣不理想，波束控制稳定性差，导致天线性能变差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高增益波导裂缝天线，结构简单、一体化设计，带宽较宽，增益较高，在相同加工精度下低副瓣，E面、H面方向图基本一致，波束稳定。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种高增益波导裂缝天线，包括波导裂缝辐射阵1、T型耦合波导装置2和微带线-SIW-波导的馈电网络3；所述微带线-SIW-波导的馈电网络3通过T型耦合波导装置2对波导裂缝辐射阵1垂直馈电。
优选地，所述波导裂缝辐射阵1包括120个辐射裂缝11、2个附加辐射裂缝12和12条辐射空气波导13；所述12条辐射空气波导13宽度方向等间距分布，其长度由波导裂缝辐射阵1的两端向中心轴逐渐变长，呈沿中心轴轴对称的6对辐射空气波导13；在所述每条辐射空气波导13的上方，等间距开有多个矩形辐射裂缝11；所述每条辐射空气波导13上方的多个矩形辐射裂缝11相对于中心轴的垂线呈对称布置；中心轴每一侧的6条辐射空气波导13上方开设的矩形辐射裂缝11的个数依次为14、12、12、10、8和4个；所述2个附加辐射裂缝12开在波导裂缝辐射阵1的两端处。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1、结构简单：天线一体化设计，波导裂缝辐射阵和T型耦合波导装置采用焊接技术，与微带线-SIW-波导的馈电网络用M2螺丝固定，体积小，重量轻，安装调试简单，其连接缝隙小，精度高，天线性能较好。
2、增益较高：天线增益较高，达到28.15dB，在相同加工精度下有较低的副瓣，且E面、H面方向图基本一致，波束控制稳定，3dB波束宽度都为6.6°。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明高增益波导裂缝天线的三维结构示意图。
图2是图1中微带线-SIW-波导馈电网络的结构示意图。
图3是图1的俯视尺寸示意图。
图4是图1的右视尺寸示意图。
图5是图2中微带线-SIW-波导的馈电网络的俯视尺寸示意图。
图6是实施例中高增益波导裂缝天线的回波损耗与频率的关系图。
图7是实施例中高增益波导裂缝天线的E面、H面方向图。
具体实施方式
如图1所示，本发明高增益波导裂缝天线，包括波导裂缝辐射阵1、T型耦合波导装置2和微带线-SIW-波导的馈电网络3；
所述微带线-SIW-波导的馈电网络3通过T型耦合波导装置2对波导裂缝辐射阵1垂直馈电。
优选地，如图1、3所示，所述波导裂缝辐射阵1包括120个辐射裂缝11、2个附加辐射裂缝12和12条辐射空气波导13；
所述12条辐射空气波导13宽度方向等间距分布，其长度由波导裂缝辐射阵1的两端向中心轴逐渐变长，呈沿中心轴轴对称的6对辐射空气波导13；
在所述每条辐射空气波导13的上方，等间距开有多个矩形辐射裂缝11；所述每条辐射空气波导13上方的多个矩形辐射裂缝11相对于中心轴的垂线呈对称布置；
中心轴每一侧的6条辐射空气波导13上方开设的矩形辐射裂缝11的个数依次为14、12、12、10、8和4个；
所述2个附加辐射裂缝12开在波导裂缝辐射阵1的两端处。
优选地，如图1、2所示，所述T型耦合波导装置2包括12个倾斜耦合裂缝21和一个E面T型波导22；
所述12个倾斜耦合裂缝21依次位于所述12条辐射空气波导13中心的正下方处；距离中心轴越近的倾斜耦合裂缝21，其倾斜角度越大，且关于中心轴对称的倾斜耦合裂缝21的倾斜角度相同；
所述E面T型波导22位于12个倾斜耦合裂缝21的正下方，所述E面T型主波导22宽边面的分支在T型耦合波导装置2的中心位置。
优选地，如图1、2所示，所述微带线-SIW-波导的馈电网络3包括微带线31、基片集成波导SIW32和能量耦合缝隙33；
所述能量耦合缝隙33一面与E面T型波导22垂直正对相连，另一面与基片集成波导SIW32垂直相连；
所述基片集成波导SIW32的输入端与微带线31相连。
优选地，如图2所示，所述基片集成波导SIW32包括由周期性直线排列的两列相互平行的金属化通孔321构成的SIW窄壁和由上、下两层金属面322构成的SIW宽壁，所述上下两层金属面322分别贴附于介质基板323上、下两面，所述金属化通孔321贯穿介质基板323，两端分别与上、下两层金属面322相连。
优选地，所述介质基板323为Rogers 5880，其介电常数为2.2。
优选地，如图1所示，所述波导裂缝辐射阵1的整体外形为圆形，其外圆直径D＝42mm。
优选地，如图1所示，所述2个附加辐射裂缝12从上往下导通，与T型耦合波导装置2的E面T型波导22相连。
图3是高增益波导裂缝天线的俯视尺寸示意图，图4是高增益波导裂缝天线的右视尺寸示意图。
作为实施例，在波导裂缝辐射阵1中，限定尺寸直径D＝42mm。120个辐射裂缝11尺寸完全相同，实现均匀分布，辐射裂缝长l＝1.83mm，裂缝宽w＝0.5mm，裂缝高h＝0.3mm；同时为了将能量尽可能地辐射出去，120个辐射裂缝11都必须进行一定的偏移，偏移量off＝0.2mm。考虑到机械加工精度，将裂缝都进行了倒圆角处理。12条辐射空气波导13的宽a＝2.77mm，高b＝1.38mm。为了实现E面、H面方向图的一致性，在波导裂缝辐射阵1的两端处开的2个附加辐射裂缝12尺寸略比辐射裂缝11要大，选取附加辐射裂缝12的长与耦合T型波导22的宽相等，附加辐射裂缝12的长l1＝a1＝2.54mm，宽w1＝0.61mm，因从上往下导通，与T型耦合波导装置2相连，附加辐射裂缝12的高为h+b+h+b1＝3.25mm。
在T型耦合波导装置2中，12个倾斜耦合裂缝21尺寸完全相同，长lc＝1.92mm，宽wc＝0.2mm，高度h＝0.3mm，距离中心轴最近的一边，倾斜耦合裂缝21的倾斜角度最大，beta1＝25°，往两端方向倾斜角度逐渐变小，分别为beta2＝23°，beta3＝23°，beta4＝21.5°，beta5＝19°，beta6＝13°，倾斜角度沿中心轴完全镜像对称，从而实现对各个辐射波导13按一定比例能量分配及同相馈电，以更好地进行阻抗匹配。E面T型波导22选定为标准波导，尺寸为宽a1＝2.54mm，高b1＝1.27mm。
作为一种优选方案，6对辐射空气波导13沿中心轴完全镜像对称，从中心轴开始，波导分配到的能量依次为-7.78dB、-7dB、-4.77dB、-2.04dB和-3dB。
如图5所示，微带线-SIW-波导的馈电网络3的俯视尺寸示意图。
优选地，为了使SIW32在V波段满足主模TE10模工作条件，介质基板材质选为Rogers5880，其介电常数为2.2，其高度为hh＝0.127mm，此外，等效波导宽度aSIW＝2.5mm；为了不造成能量泄露和辐射损耗，通孔的周期性距离s＝0.5mm，通孔直径d＝0.3mm。为了将能量从SIW32耦合到T型耦合波导装置2中，采用了非共面形式，通过一个矩形裂缝33，长ls＝1.53mm，宽ws＝0.2mm；同时为了将能量最大程度地耦合上去，该耦合矩形裂缝33不能在E面T型波导22宽边面的分支波导的中心位置处，必须要将其进行一定的偏移，偏移量offset＝0.29mm。
微带线31端口采用50ohm的标准激励，实现微带线31与SIW32的阻抗匹配，利用HFSS软件仿真优化，尺寸为lf＝1mm，wf＝0.38mm，lt＝2mm，wt＝2mm。
图6是利用HFSS仿真软件得到的高增益波导裂缝天线在中心频率为76GHz的回波损耗图，加上T型耦合波导装置2和微带线-SIW-波导的馈电网络3后，反射系数在中心工作频率76GHz处是-16.3dB，VSWR<2时的阻抗带宽在74.4GHz-77.4GHz之间，约达到4％。
图7是由HFSS仿真软件得到的高增益波导裂缝天线在中心频率为76GHz的2D辐射方向图，分别表示的是E面、H面方向图。由图可见得到一个笔状波束，增益为28.15dB，E面和H面的3dB波束宽度都为6.6°，两者方向图基本一致。
Claims (1)
1.一种高增益波导裂缝天线，其特征在于：
包括波导裂缝辐射阵（1）、T型耦合波导装置（2）和微带线-SIW-波导的馈电网络（3）；
所述微带线-SIW-波导的馈电网络（3）通过T型耦合波导装置（2）对波导裂缝辐射阵（1）垂直馈电；
所述波导裂缝辐射阵（1）包括12条辐射空气波导（13）；
所述12条辐射空气波导（13）宽度方向等间距分布，其长度由波导裂缝辐射阵（1）的两端向中心轴逐渐变长，呈沿中心轴轴对称的6对辐射空气波导（13）；
在所述每条辐射空气波导（13）的上方，等间距开有多个矩形辐射裂缝（11）；所述每条辐射空气波导（13）上方的多个矩形辐射裂缝（11）相对于中心轴的中垂线呈对称布置；
中心轴每一侧的6条辐射空气波导（13）上方开设的矩形辐射裂缝（11）的个数由中心轴向波导裂缝辐射阵（1）的两端依次为14、12、12、10、8和4个；
所述T型耦合波导装置（2）包括一个E面T型波导（22）；
在所述12条辐射空气波导（13）中心的正下方与所述E面T型波导（22）上表面之间，设有连通E面T型波导（22）与所述12条辐射空气波导（13）的12个倾斜耦合裂缝（21）；
距离中心轴越近的倾斜耦合裂缝（21），其倾斜角度越大，且关于中心轴对称的倾斜耦合裂缝（21）的倾斜角度相同；
所述E面T型波导（22）宽边面的分支在T型耦合波导装置（2）的中心位置；
所述微带线-SIW-波导的馈电网络（3）包括微带线（31）、基片集成波导SIW（32）和能量耦合缝隙（33）；
所述能量耦合缝隙（33）一面与E面T型波导（22）宽边面的分支相连，另一面与基片集成波导SIW（32）相连；
所述基片集成波导SIW（32）的输入端与微带线（31）相连；
所述基片集成波导SIW（32）包括由周期性直线排列的两列相互平行的金属化通孔（321）构成的SIW窄壁和由上、下两层金属面（322）构成的SIW宽壁，所述上下两层金属面（322）分别贴附于介质基板（323）上、下两面，所述金属化通孔（321）贯穿介质基板（323），两端分别与上、下两层金属面（322）相连；
还包括分别设在波导裂缝辐射阵（1）两端处的2个附加辐射裂缝（12）；所述2个附加辐射裂缝（12）上口与所述波导裂缝辐射阵（1）上表面平齐，下口与T型耦合波导装置（2）的E面T型波导（22）相连。
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Effective date of registration: 20231222 Address after: Room 104, Building 5, No. 3655 Sixian Road, Songjiang District, Shanghai, 2016 Patentee after: Shanghai Qianzhen Electronic Technology Co.,Ltd. Address before: 210094 No. 200, Xiaolingwei, Jiangsu, Nanjing Patentee before: NANJING University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY |
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