CN109687107B - 基于人造电壁的高辐射效率、高选择性太赫兹滤波天线 - Google Patents

基于人造电壁的高辐射效率、高选择性太赫兹滤波天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于人造电壁的高辐射效率、高选择性太赫兹滤波天线，包括矩形波导，矩形波导通过馈电耦合缝隙连接矩形波导传输线，矩形波导传输线通过由多个耦合缝隙组成的中心耦合缝隙阵连接四周为金属的矩形传输线，中心耦合缝隙阵在矩形传输线中激励起多个矩形金属波导基次传输模式，形成多个人造电壁，矩形传输线的宽边上设有由多个波导缝隙组成的阵列。本发明的天线能够工作在高于30GHz甚至是太赫兹频段，具有较高的辐射效率；本发明的天线具有较高的频率选择性，同时也具有较高的增益和较低的交叉极化；本发明的天线能够通过金属机械加工工艺来实现。

Description

基于人造电壁的高辐射效率、高选择性太赫兹滤波天线
技术领域
本发明涉及太赫兹滤波天线，特别是涉及基于人造电壁的高辐射效率、高选择性太赫兹滤波天线。
背景技术
天线和滤波器是无线通信系统中的重要组成部分，天线和滤波器的性能影响了整个通信系统的性能，并成为制约系统性能发展的瓶颈。传统单一功能的天线和滤波器不能满足复杂、多样化的需求，为了适应现代通信系统的发展，滤波天线得到研究和发展。滤波天线具有天线和滤波器的功能，是具有阻抗匹配和频率选择功能的天线。滤波天线省去了天线和滤波器之间的匹配电路，减少了器件体积和因失配带来的损耗，具有良好的选择性和较低的损耗，改善了天线性能，从而提高通信系统质量。
现代金属机械加工工艺十分成熟，在高于30GHz甚至太赫兹频段，仍可保证加工精度，同时保证加工器件具有较低的损耗、较高的功率和通信容量，有利于低损耗、高功率、高辐射效率天线的加工。金属机械加工工艺有利于多层结构器件的加工和组装，因此使用金属机械加工工艺的基于人造电壁的高辐射效率、高选择性滤波天线在高功率、高通信容量上也有重要的现实意义。
然而，现有的滤波天线一般只工作在低频，且辐射效率较低，例如，工作在2.3GHz或3.5GHz，辐射效率只有55％左右。而且这些结构并不能使用于高于30GHz或太赫兹频段。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种基于人造电壁的高辐射效率、高选择性太赫兹滤波天线，能够工作在高于30GHz甚至是太赫兹频段。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的基于人造电壁的高辐射效率、高选择性太赫兹滤波天线，包括矩形波导，矩形波导通过馈电耦合缝隙连接矩形波导传输线，矩形波导传输线通过中心耦合缝隙阵连接矩形传输线，中心耦合缝隙阵在矩形传输线中激励起多个矩形金属波导基次传输模式，形成多个人造电壁，矩形传输线的宽边上设有由多个波导缝隙组成的阵列；其中，所述中心耦合缝隙阵由多个耦合缝隙组成，所述矩形传输线的四周为金属。
进一步，所有波导缝隙中，任意一个波导缝隙都能找到一个与之关于一个人造电壁对称的波导缝隙。这样保证了各个波导缝隙辐射出去的电场为同相分布，从而保证了天线方向图在通带内不会随频率变化而发生偏移。
进一步，所述矩形波导和矩形波导传输线的横截面尺寸相同。这样能够进一步保证矩形波导与矩形波导传输线之间信号的良好传输。
进一步，所述耦合缝隙为偶数个。
进一步，所述矩形波导、馈电耦合缝隙、矩形波导传输线、耦合缝隙、矩形传输线和波导缝隙依次从下往上设置。
进一步，所有耦合缝隙的缝隙长度相同，所有耦合缝隙的位置偏置相同。
有益效果：本发明公开了一种基于人造电壁的高辐射效率、高选择性太赫兹滤波天线，与现有技术相比，具有如下的有益效果：
1)本发明的天线形成了人造电壁，避免了传统金属波导的侧壁金属损耗，能够在高于30GHz甚至是太赫兹频段获得很高的辐射效率和滤波性能；
2)本发明的天线具有较高的频率选择性，同时也具有较高的增益和较低的交叉极化；
3)本发明的天线能够通过金属机械加工工艺来实现。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中天线的结构示意图；
图2为本发明具体实施方式中矩形波导和馈电耦合缝隙的示意图；
图3为本发明具体实施方式中矩形波导、馈电耦合缝隙和矩形波导传输线的示意图；
图4为本发明具体实施方式中矩形波导、馈电耦合缝隙、矩形波导传输线和耦合缝隙的示意图；
图5为本发明具体实施方式中矩形波导、馈电耦合缝隙、矩形波导传输线、耦合缝隙、矩形传输线和人造电壁的示意图；
图6为本发明具体实施方式中波导缝隙组成的阵列的示意图；
图7为本发明具体实施方式中天线仿真和测试得到的增益和回波损耗；
图8为本发明具体实施方式中天线仿真和测试得到的增益和辐射效率；
图9为本发明具体实施方式中天线仿真和测试得到的辐射方向图
图9(a)为135GHz的E面方向图；
图9(b)为135GHz的H面方向图；
图9(c)为140GHz的E面方向图；
图9(d)为140GHz的H面方向图；
图9(e)145GHz的E面方向图；
图9(f)为145GHz的H面方向图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。
本具体实施方式公开了一种基于人造电壁的高辐射效率、高选择性太赫兹滤波天线，如图1-6所示，包括矩形波导1，矩形波导1通过馈电耦合缝隙2连接矩形波导传输线3，矩形波导传输线3通过由八个耦合缝隙41组成的中心耦合缝隙阵连接矩形传输线5，所述矩形传输线5的四周为金属，中心耦合缝隙阵在矩形传输线5中激励起多个矩形金属波导基次传输模式，形成多个人造电壁71，矩形传输线5的宽边上设有由多个波导缝隙611组成的阵列6。矩形传输线5宽边上的波导缝隙611使得电磁场向空间定向辐射，实现高效的天线性能。矩形波导1、馈电耦合缝隙2、矩形波导传输线3、耦合缝隙41、矩形传输线5和波导缝隙611依次从下往上设置。耦合缝隙41还可以为其他偶数数量，且所有耦合缝隙41的位置偏置相同。矩形传输线5可以等效为八个被人造电壁71隔开的并行排列的基模矩形波导，任何两个相邻等效矩形波导的电场分布都是等幅反向的，且任何两个相邻等效矩形波导之间没有物理电壁存在。
为保证良好的传输，矩形波导1和矩形波导传输线3的横截面尺寸相同。
如图6所示，所有波导缝隙611中，任意一个波导缝隙611都能找到一个与之关于一个人造电壁71对称的波导缝隙611。这样保证了各个波导缝隙611辐射出去的电场为同相分布，从而保证了天线方向图在通带内不会随频率变化而发生偏移。
基于本发明思想，利用金属机械加工工艺制作高辐射效率、高选择性滤波天线，并进行相关测试：图7为滤波天线仿真和测试的110GHz-170 GHz辐射增益和回波损耗；图8为滤波天线仿真和测试的滤波通带内的增益和辐射效率；图9(a)-图9(f)为滤波天线仿真和测试在135GHz、140GHz和145GHz的E面和H面归一化方向图；测试表明，该滤波天线具有较高的辐射效率和较高的频率选择性。且该种结构的天线可以工作在高于30GHz，甚至在太赫兹频段，同时具有较高的增益和较低的交叉极化。

Claims (5)

1.基于人造电壁的高辐射效率、高选择性太赫兹滤波天线，其特征在于：包括矩形波导(1)，矩形波导(1)通过馈电耦合缝隙(2)连接矩形波导传输线(3)，矩形波导传输线(3)通过由多个耦合缝隙(41)组成的中心耦合缝隙阵连接四周为金属的矩形传输线(5)，中心耦合缝隙阵在矩形传输线(5)中激励起多个矩形金属波导基次传输模式，形成多个人造电壁(71)，矩形传输线(5)的宽边上设有由多个波导缝隙(611)组成的阵列(6)；其中，所述矩形波导(1)、馈电耦合缝隙(2)、矩形波导传输线(3)、耦合缝隙(41)、矩形传输线(5)和波导缝隙(611)依次从下往上设置。
2.根据权利要求1所述的基于人造电壁的高辐射效率、高选择性太赫兹滤波天线，其特征在于：所有波导缝隙(611)中，任意一个波导缝隙(611)都能找到一个与之关于一个人造电壁(71)对称的波导缝隙(611)。
3.根据权利要求1所述的基于人造电壁的高辐射效率、高选择性太赫兹滤波天线，其特征在于：所述矩形波导(1)和矩形波导传输线(3)的横截面尺寸相同。
4.根据权利要求1所述的基于人造电壁的高辐射效率、高选择性太赫兹滤波天线，其特征在于：所述耦合缝隙(41)为偶数个。
5.根据权利要求1所述的基于人造电壁的高辐射效率、高选择性太赫兹滤波天线，其特征在于：所有耦合缝隙(41)的缝隙长度相同，所有耦合缝隙(41)的位置偏置相同。
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