CN108448260B - 基于间隙波导的低副瓣缝隙驻波阵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于间隙波导的低副瓣缝隙驻波阵，包括槽型间隙波导和垂直其上下表面的两块金属板。所述槽型间隙波导由开有缝隙的上层金属板，中间空气介质层和下层金属板组成，其中，两个并馈槽型间隙波导之间以及槽型间隙波导两侧为微带印刷的周期性结构。本发明基于间隙波导的低副瓣缝隙驻波阵，具有低副瓣、高效率、低损耗、优良的辐射特性等优点，可通过结构参数的缩放，适用于微波和毫米波等不同波段。

Description

基于间隙波导的低副瓣缝隙驻波阵

技术领域

本发明设计属于波导裂缝天线阵设计，特别是基于微带印刷的倒三角周期性结构的间隙波导并馈天线阵。

背景技术

间隙波导自2009年提出以来，在天线设计领域得到了越来越高的重视。传统间隙波导由于在空气间隙中传播，相比于在介质中传输的SIW结构以及传统微带、带状线结构，其损耗相对较低，而且传统间隙波导由于其本身结构不需要其像传统波导那样高的电连接性，因此加工及装配成本较低，易于满足各类电子和通信系统对元器件小型化、轻重量以及易集成的要求。但传统间隙波导由于周期性结构尺寸过大，将馈电网络与辐射缝隙置于一层，在实现并馈结构时只能放置一排周期性结构，耦合量增大，影响天线性能。

现有技术的文献1(P.S.Kildal,E.Alfonso,A.Valero-Nogueira and E.Rajo-Iglesias,"Local Metamaterial-Based Waveguides in Gaps Between Parallel MetalPlates,"in IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,vol.8,no.,pp.84-87,2009.)提出了间隙波导这一新型结构，和其他传输结构相比，间隙波导具有宽带，低损耗，高度集成，制造简单等优势。将间隙波导和传统波导裂缝天线相结合，不仅具有传统波导裂缝天线的优势，又能克服传统波导裂缝天线加工及装配方面的缺点，不失为一种新思路。

现有技术的文献2(S.I.Shams and A.A.Kishk,"Printed Texture WithTriangle Flat Pins for Bandwidth Enhancement of the Ridge Gap Waveguide,"inIEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,vol.65,no.6,pp.2093-2100,June 2017.)提出了基于微带印刷的倒三角周期性结构，相比于传统方形销钉，印刷微带的形式大大缩小了两排周期性结构的距离。

现有技术的文献3(M.Ramezan,A.Khaleghi,“2D Slot Array Antenna in RidgeGap Waveguide Technology,”8th European Conference on Antennas and Propagation(EuCAP),2014)通过在并馈脊型间隙波导中间放置一排金属销钉，实现了等幅加权的缝隙天线，但未提出实现低副瓣的方法。

由上可知，现有技术虽然实现了基于间隙波导的等幅加权天线设计，但上述现有设计及现有公开的专利中均未提及基于间隙波导的并馈天线降副瓣的方法。

另外，传统波导的优势是损耗低、功率容量大，但是缺点是立体结构集成性较差，上升到高频段时，波导尺寸会变小，提高加工难度，而且安装上也是一个问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于微带印刷的倒三角周期性结构的间隙波导的低副瓣缝隙驻波阵，适用于微波和毫米波波段。

基于微带印刷的倒三角周期性结构的间隙波导的低副瓣缝隙驻波阵，所述低副瓣缝隙驻波阵包括上层金属板、中间空气介质层和下层金属板，其中：

所述上层金属板和下层金属板相互平行，两者之间构成为中间空气介质层；所述上层金属板上开有不同偏移量和谐振长度的缝隙；

所述下层金属板构造有槽型间隙波导，在下层金属板的纵长延伸方向上设置多排相互平行的印刷微带周期性结构，每两排印刷微带周期性结构构成一波导天线结构形成电磁波的传输定向引导，其中的印刷微带周期性结构由竖直安装到下层金属板上的PCB板、一条接地微带线和倒三角结构组成，倒三角结构印刷在PCB板的表面，并且相对设置在PCB板上，倒三角结构在两排PCB板表面相对的一一设置，接地微带线设置在PCB板与下层金属板的连接位置，并与倒三角结构的下端电连接；

在所述下层金属板的一端部还设置位于下层金属板末端的金属销钉，金属销钉作为短路壁，在加工时，金属销钉与下层金属板为一体构造。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

1)本发明基于间隙波导的低副瓣缝隙驻波阵，传统方pin由于尺寸过大，并馈波导间只能放下一排pin，而通过使用微带印刷的倒三角周期性结构，大大缩小了两排周期性结构的距离，可以在并馈槽型波导间隙之间放下两排周期性，大大提高了并馈槽型间隙波导之间的耦合度，便于大规模加工生产和应用；

2)本发明提出的基于间隙波导的低副瓣缝隙驻波阵，采用GWG制作，GWG结构可以运用到高频上去，解决传统波导的在高频加工时对于电连接的要求，本发明的结构加工时上层金属板与下层槽型波导是分开的，对高频上的应用更加优良，尤其是到30G以上。GWG结构的采用，在两侧放置周期性结构以防止波的泄露，金属销钉就是其中一种周期性结构，短路壁在加工时和下层金属板一起加工，成型即为一体设计，便于大规模加工生产。

下面结合附图对本发明进一步详细描述。

附图说明

图1A-1C是本发明基于间隙波导的低副瓣缝隙驻波阵的结构图，其中图1A为三视图，1B为俯视图,1C为分层结构图。

图2是本发明基于间隙波导的低副瓣缝隙驻波阵的槽型间隙波导的局部侧视图。

图3为本发明基于间隙波导的低副瓣缝隙驻波阵的反射系数和增益曲线示意图。

图4为本发明基于间隙波导的低副瓣缝隙驻波阵在中心频率16GHz时的辐射方向图。

具体实施方式

结合图1A-1C所示实施例的一种基于间隙波导的低副瓣缝隙驻波阵，包括上层金属板1、中间空气介质层2和下层金属板3，所述上层金属板1和下层金属板3相互平行，二者之间设置中间空气介质层2，其中上层金属板1上开有不同偏移量和谐振长度的缝隙。

结合1C、图2，下层金属板3在其延伸方向上设置相互平行的印刷微带周期性结构，这里PCB板4、一条接地微带线5、和倒三角结构6组成了一个印刷微带周期性结构，沿着PCB板的纵长方向延伸，并且两排周期性结构之间加入泡沫板来固定，末端的金属销钉7使用作为短路壁。

本发明的低副瓣缝隙驻波阵为并馈天线阵列，采用微带印刷形成周期性结构，并且基于GWG结构制作，可防止波的泄露，而且可在并馈阵之间放置两排pin。传统GWG结构为了防止泄露，周围都是需要两排pin，但由于传统GWG方pin结构尺寸的限制，并馈波导只能放下一排pin，这样的话会使得并馈波导的耦合量增大，所以我们在本发明中对波导结构和对于周围pin做了优化，用微带印刷型，这样并馈阵之间就可以用两排pin，克服传统的GWG结构制作的缺陷。

结合图1A-1C以及图2所示，具体的实施方案中，下层金属板3构造有多个相互平行并且间隔开设计的槽型间隙波导。下层金属板3的纵长延伸方向上设置多排相互平行的印刷微带周期性结构，每两排印刷微带周期性结构构成一波导天线结构形成电磁波的传输定向引导，即槽型间隙波导。

其中，前述印刷微带周期性结构由PCB板4、一条接地微带线5和倒三角结构6组成，PCB板4竖直安装到下层金属板3上，倒三角结构6印刷在PCB板的表面，并且相对设置在PCB板上，倒三角结构6在两排PCB板4表面相对的一一设置。

接地微带线5设置在下层金属板3与PCB板4的连接位置，并与倒三角结构的下端电连接。

在下层金属板3的一端部还设置位于下层金属板末端的金属销钉7，金属销钉7作为短路壁，在加工时，金属销钉7与下层金属板3为一体构造。

结合图1C、图2所示，所述中间空气介质层2的尺寸小于四分之一的设计波长λ。

优选的，倒三角结构6与金属销钉7同为周期性结构，周期性的高度与空气层的高度相同，且接地微带线5与倒三角结构6的高度之和与金属销钉7的高度相同。

间隙波导的低副瓣缝隙驻波阵，其天线总长L＝287mm,间隙波导槽宽W＝12.5mm，中间空气介质层2高度h₁＝0.6mm，周期性结构的接地微带线5厚度d＝0.2mm，倒三角结构6下底宽度为a＝0.2mm，上底宽度b＝2.5mm，周期p₁＝5.8mm。

金属销钉7中的金属柱边长t＝3mm，周期p₂＝5.8mm，高度h₂＝0.6mm，一个槽型间隙波导对应的末端金属销钉为2×2个。

所述上层金属板[1]共开有20个缝隙，其缝隙宽度为w＝0.8mm，不同偏移量和谐振长度的缝隙满足-30dB的泰勒加权值。

下面结合实施例对本发明进行更加进一步的详细说明。

实施例1

整体天线尺寸为287mm×50mm×5.9mm。

结合图示，本发明提出的基于间隙波导的低副瓣缝隙驻波阵，属于并馈天线阵，尤其应用于高频，结合图示，包括上层金属板1、中间空气介质层2和下层金属板3，所述上层金属板1和下层金属板3相互平行，二者之间设置中间空气介质层2。

其中上层金属板上开有不同偏移量和谐振长度的缝隙。

天线总长与金属板的尺寸对应，L＝287mm。下层金属板在其延伸方向上设置相互平行的印刷微带周期性结构，这里PCB板4、一条接地微带线5、和倒三角结构6组成了周期性结构，两排周期性结构之间加入泡沫板来固定。间隙波导槽宽W＝12.5mm，中间空气介质层2高度h₁＝0.6mm，周期性结构的接地微带线5厚度d＝0.2mm，倒三角结构6下底宽度为a＝0.2mm，上底宽度b＝2.5mm，周期p₁＝5.8mm。金属销钉7作为短路壁，金属柱边长t＝3mm，周期p₂＝5.8mm，高度h₂＝0.6mm，一个槽型间隙波导对应的末端金属销钉为2×2个。

结合图2，本发明的基于间隙波导的低副瓣缝隙驻波阵，反射系数低于-10dB的工作频带为15.7-16.2GHz，相对带宽为3.1％。

结合图3，由于本发明的并馈波导间用了两排微带印刷的pin，导致两并馈波导之间的隔离度大大提高，实现低副瓣天线。基于间隙波导的低副瓣缝隙驻波阵工作在16GHz时的E面和H面归一化方向图具有良好的对称性，且天线增益为20.6dBi,副瓣优于25dBi，其性能显著优于现有设计的波导。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (5)

1.一种基于间隙波导的低副瓣缝隙驻波阵，其特征在于，所述低副瓣缝隙驻波阵包括上层金属板[1]、中间空气介质层[2]和下层金属板[3]，其中：

所述上层金属板[1]和下层金属板[3]相互平行，两者之间构成为中间空气介质层

[2]；所述上层金属板[1]上开有不同偏移量和谐振长度的缝隙；

所述下层金属板[3]构造有槽型间隙波导，在下层金属板[3]的纵长延伸方向上设置多排相互平行的印刷微带周期性结构，每两排印刷微带周期性结构构成一波导天线结构形成电磁波的传输定向引导，其中的印刷微带周期性结构由竖直安装到下层金属板[3]

上的PCB板[4]、一条接地微带线[5]和倒三角结构[6]组成，倒三角结构[6]印刷在PCB板的表面，并且相对设置在PCB板上，倒三角结构[6]在两排PCB板[4]表面相对的一一设置，接地微带线[5]设置在PCB板[4]与下层金属板[3]的连接位置，并与倒三角结构的下端电连接；

在所述下层金属板[3]的一端部还设置位于下层金属板[3]末端的金属销钉[7]，金属销钉[7]作为短路壁，在加工时，金属销钉[7]与下层金属板[3]为一体构造；

所述中间空气介质层[2]的尺寸小于四分之一设计波长；

所述倒三角结构[6]与金属销钉[7]同为周期性结构，周期性的高度与空气层的高度相同，且接地微带线[5]与倒三角结构[6]的高度之和与金属销钉[7]的高度相同。

2.根据权利要求1所述基于间隙波导的低副瓣缝隙驻波阵，其特征在于，周期性结构的PCB板[4]均选用Rogers RT/duroid 5880介质板材，整体尺寸为287mm×4.9mm的矩形，其介电常数为2.2，损耗正切角tanσ＝0.0009，厚度为0.254mm，当介质板厚度超过一定值时，会产生表面波。

3.根据权利要求1所述基于间隙波导的低副瓣缝隙驻波阵，其特征在于，天线总长L＝287mm,间隙波导槽宽W＝12.5mm，中间空气介质层[2]高度h₁＝0.6mm，周期性结构的接地微带线[5]厚度d＝0.2mm，倒三角结构[6]下底宽度为a＝0.2mm，上底宽度b＝2.5mm，周期p₁＝5.8mm。

4.根据权利要求1所述基于间隙波导的低副瓣缝隙驻波阵，其特征在于，金属销钉

[7]中的金属柱边长t＝3mm，周期p₂＝5.8mm，高度h₂＝0.6mm，一个槽型间隙波导对应的末端金属销钉为2×2个。

5.根据权利要求1所述基于间隙波导的低副瓣缝隙驻波阵，其特征在于，上层金属板[1]共开有20个缝隙，其缝隙宽度为w＝0.8mm，不同偏移量和谐振长度的缝隙满足-30dB的泰勒加权值。