CN110265785B - 球形腔天线辐射器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种球形腔天线辐射器及其制造方法，该球形腔天线辐射器包括空心球体和波导，空心球体上开设有贯通的弧形槽，用于辐射球形腔中的谐振模式，能够实现宽带、高增益的辐射性能。在球形腔天线辐射器的制造方法中，空心球体和波导采用非金属材料通过立体光刻技术一体化3‑D打印成型，成型后将该球形腔天线辐射器模型的表面进行金属化，在实现了精确加工的同时无需装配和调试，有效地减轻了天线重量，提高了制造效率。

Description

球形腔天线辐射器及其制造方法

技术领域

本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种球形腔天线辐射器及其制造方法。

背景技术

天线是一种在无线电通信系统前端中用于发射和接受电磁波的器件。近年来，通信系统前端射频硬件的小型化、高性能和多功能的发展趋势要求天线具有工作带宽大、高增益和高效率等射频属性。一方面，宽带天线能实现射频信号的高速传输；另一方面，一个宽带天线如果可以工作在多个无线电频段，通信系统中天线的数量则可以大大减少，这有利于实现通信系统的小型化。此外，高增益天线可以在一定的输入功率下获得较高的信号发射和接收强度，这对于通信系统降低射频功率损耗和提升信噪比具有重要意义。

波导天线是一种常用的高增益天线。波导天线主要有两种实现形式，一种是在波导末端接上喇叭形成波导喇叭天线，另一种是在波导侧壁的特定位置处开设贯通的槽，以实现波导中传播的电磁波模式的辐射。波导天线具有机械强度高、射频损耗低和功率容量大等优势，被广泛应用于卫星、雷达、基站和电子对抗等系统。但是，传统的单个波导缝隙天线单元工作带宽相对较窄且其增益不足以满足实际工程应用的需求，通常需要通过组建波导缝隙阵列来提升增益。虽然波导喇叭天线的工作带宽较宽，增益较高，但是波导喇叭天线的口径大，难以实现小型化和与通信系统的紧凑集成。

传统的波导天线由空气填充的金属波导管和腔体结构构成，往往内部结构复杂，采用以计算机数控铣工艺为代表的减材制造技术加工时，需要将波导天线的整体结构拆分成多个部件分别加工，最后再用销钉和螺丝等大量紧固件或用精密焊接技术组装在一起。这样的加工方式效率低，装配误差大，且存在冗余结构材料，往往会导致所加工的波导天线重量大且射频性能容易偏差。

发明内容

本发明的目的首先在于提供一种球形腔天线辐射器，以解决现有技术中存在的传统波导缝隙天线辐射单元工作带宽窄和增益低的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种球形腔天线辐射器，包括波导以及与所述波导连接的空心球体，所述空心球体内具有空气填充的球形腔体谐振器，所述空心球体的表面具有金属层，所述空心球体开设有与所述波导相连接的耦合窗口以及与所述耦合窗口相正对的多条贯通的弧形槽，以使所述波导通过耦合窗口对所述空心球体馈电，并通过所述弧形槽向所述空心球体外进行电磁辐射。

进一步地，穿过所述空心球体的球心且与所述耦合窗口所在的平面平行的平面为第一平面，穿过所述空心球体的球心且与所述弧形槽的长度平行的平面为第二平面，所述第二平面与所述第一平面垂直。

进一步地，穿过所述球心且与所述第一平面、所述第二平面均垂直的平面为第三平面，所有所述弧形槽的两端以所述第三平面为中心平面对称。

进一步地，所述耦合窗口为矩形窗口，所述耦合窗口的长度方向与所述第二平面平行或重合。

进一步地，所述波导为矩形波导，所述耦合窗口的长度小于或等于矩形波导端口宽边的长度，所述耦合窗口的宽度范围小于或等于所述矩形波导端口窄边的长度。

进一步地，所有所述弧形槽相互平行设置，相邻所述弧形槽之间的间距相等，所述弧形槽的两端分别与所述空心球头的球心的连线所形成的圆心角的范围为50度至250度。

进一步地，所有所述弧形槽的宽度与所述空心球体的内径的比值均在5％至20％之间。

进一步地，两个相邻所述弧形槽之间的间距与所述空心球体的内径的比值在5％至20％之间。

进一步地，所述球形腔天线辐射器还包括用于安装外部波导的波导法兰盘，所述波导的两端分别与所述波导法兰盘和所述空心球体连接，所述空心球体、所述波导和所述波导法兰盘采用3-D打印技术一体化制造成型。

本发明的目的还在于提供一种球形腔天线辐射器的制造方法，以解决现有技术中存在的传统波导天线体积和重量大，加工和装配过程复杂的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种球形腔天线辐射器的制造方法，包括以下步骤：

在立体光刻3-D打印机的系统平台上调整球形腔天线辐射器的电子模型的摆放角度，使用立体光刻3-D打印机并采用非金属材料打印出与所述电子模型对应的原始工件；

利用紫外光固化所述原始工件，得到3-D打印的实体模型；

在3-D打印的实体模型的表面进行金属化，得到所述球形腔天线辐射器。

本发明提供的球形腔天线辐射器及其制造方法的有益效果在于：与现有技术相比，本发明球形腔天线辐射器包括波导和空心球体，空心球体的表面具有金属层，空心球体上开设有多条贯通的弧形槽，从而形成球形腔天线辐射器，通过空心球体上的耦合窗口实现球形腔与波导中电磁波模式的耦合，即实现波导对该天线辐射器的馈电。该天线辐射器的基模辐射模式为TM₁₀₁模，第一高次辐射模式为TM₂₁₁模。空心球体上多条弧形槽的开设使TM₁₀₁模和TM₂₁₁模向空心球体外的空间实现电磁辐射，使该球形腔天线辐射器实现工作带宽宽和增益高的技术优势。该球形腔天线辐射器采用非金属材料并通过3-D打印机一体打印制造而成，并将其内外表面金属化，在实现了精确加工的同时无需装配和调试，和传统波导天线相比体积和重量显著减小，同时简化了制造和装配工艺，有效地提高了制造效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术方案中所需要使用的附图作简单介绍。需要注意的是，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的球形腔天线辐射器的立体结构图一；

图2为本发明实施例提供的球形腔天线辐射器的立体结构图二；

图3为本发明实施例提供的球形腔天线辐射器的主视图；

图4为本发明实施例提供的球形腔天线辐射器的侧视图；

图5为本发明实施例提供的球形腔天线辐射器的仰视图；

图6为本发明实施例提供的球形腔天线辐射器的空心球体内半径与球形腔本征谐振频率的曲线关系图；

图7为本发明实施例提供的球形腔天线辐射器仿真与测量的端口反射系数(S₁₁参数)曲线图；

图8(a)为本发明实施例提供的球形腔天线辐射器在10.75GHz的仿真与测量的E面的辐射方向图；

图8(b)为本发明实施例提供的球形腔天线辐射器在10.75GHz的仿真与测量的H面的辐射方向图；

图9(a)为本发明实施例提供的球形腔天线辐射器在12.24GHz的仿真与测量的E面的辐射方向图；

图9(b)为本发明实施例提供的球形腔天线辐射器在12.24GHz的仿真与测量的H面的辐射方向图；

图10(a)为本发明实施例提供的球形腔天线辐射器在14.82GHz的仿真与测量的E面的辐射方向图；

图10(b)为本发明实施例提供的球形腔天线辐射器在14.82GHz的仿真与测量的H面的辐射方向图

图11为本发明实施例提供的球形腔天线辐射器仿真与测量的增益曲线图；

图12为本发明实施例提供的球形腔天线辐射器的制造方法的流程示意图。

其中，图中各附图标记：

1-空心球体；10-球形腔体谐振器；11-弧形槽；12-耦合窗口；2-波导；3-波导法兰盘；30-通孔。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清晰易懂，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定”或“设置”于另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1和图2，图1为本发明实施例提供的球形腔天线辐射器的立体结构图一，图2为本发明实施例提供的球形腔天线辐射器的立体结构图二。在该实施例中，球形腔天线辐射器包括波导2和空心球体1。空心球体1内具有球形腔体谐振器10，空心球体1呈薄壁状，空心球体1的表面具有金属层，且空心球体1内填充有空气使该空心球体1成为一个天线辐射器，空心球体1开设有与波导2相连接的耦合窗口12。其中，空心球体1的结构本身为非金属材料，表面为金属材料；或者，空心球体1完全由金属材料制成。空心球体1的壁厚大于1毫米。空心球体1与波导2连接，并通过耦合窗口12实现球形腔体谐振器10和波导2中电磁波模式的耦合，即实现波导2对球形腔辐射器的馈电。空心球体1上开设有与耦合窗口12相正对的多条弧形槽11，通过弧形槽11向空心球体1外进行电磁辐射，其中所有弧形槽11均贯穿空心球体1设置。

在电磁学和通信工程中，波导是指在它的端口间传输电磁能量的物理结构，常见的导波结构主要有平行双导线、同轴线、平行平板波导、矩形波导、圆波导、微带线和平板介质光波导等。从传导电磁波的角度看，上述波导结构都可分为内部区域和外部区域，电磁波通常被束缚在内部区域传播。在本发明提供的实施例中，波导2可为矩形波导，波导2内部充满空气。矩形波导是最常用的波导之一，其功率容量大、机械强度高且射频损耗小。当然，波导也可为圆形波导和椭圆形波导等结构。

请参阅图3至图5，图3为本发明实施例提供的球形腔天线辐射器的主视图，图4为本发明实施例提供的球形腔天线辐射器的侧视图，图5为本发明实施例提供的球形腔天线辐射器的仰视图。在该实施例中，穿过空心球体1的球心且与耦合窗口12所在的平面平行的平面为第一平面，穿过空心球体1的球心且与弧形槽的长度方向平行的平面为第二平面，第二平面与第一平面垂直。第一平面为XY平面，第二平面为XZ平面。穿过球心且与第一平面、第二平面均垂直的平面为第三平面，第三平面为YZ平面。

空心球体1其本质为具有高无载品质因数的腔体谐振器，其中谐振模式的基模为TM₁₀₁模，按照图1至图5中的矩形波导馈电结构，谐振模式的第一高次模是TM₂₁₁模。上述两个谐振模式的本征谐振频率由空心球体1的内半径r唯一决定。自由空间下球形腔体谐振器10的基模TM₁₀₁模的本征谐振频率由公式1决定，公式1表示如下：

自由空间下球形腔体谐振器10的第一高次模TM₂₁₁模的本征谐振频率由公式2决定，公式2表示如下：

在公式1和公式2中，r的单位均为毫米，半径r越大，上述两个模式的本征谐振频率越低。例如，一个空气填充的球形腔体谐振器10的内半径r为13.1毫米，其基模TM₁₀₁模的本征谐振频率约为10GHz，第一高次模TM₂₁₁模的本征谐振频率约为14.1GHz。请参阅图6，图6为本发明实施例提供的空心球体的内半径与球形腔本征谐振频率的曲线关系图，空心球体1的内半径越大，谐振频率越低。空心球体1的内半径可根据实际使用的工作频段来选定。在其中一个实施例中，空心球体1的内半径为12.9毫米。

当第二平面和第一平面垂直时，在弧形槽11区域，TM₁₀₁模和TM₂₁₁模两个模式在空心球体1内表面上的感应电流密度同时达到最大，且感应电流的方向均垂直于XZ平面，且感应电流有重合的分量。因此，通过开设贯穿空心球体1的弧形槽11，打破了TM₁₀₁模和TM₂₁₁模原有的感应电流分布，造成了上述两个模式通过所开设的弧形槽11向腔外空间形成电磁辐射。

在其中一个实施例中，波导2为矩形波导，耦合窗口12为矩形窗口，耦合窗口12的长度小于或等于矩形波导端口的宽边的长度，耦合窗口12的宽度小于或等于矩形波导端口的窄边的长度。合理设计波导2与空心球体1连接处的耦合窗口12的尺寸，可以控制波导端口的阻抗匹配，从而在辐射TM₁₀₁模和TM₂₁₁模两个模式的条件下，优化波导端口的反射系数，实现该球形腔天线辐射器的宽带辐射性能。优选地，耦合窗口12的长度和宽度分别为17.8毫米和10.16毫米。

在其中一个实施例中，耦合窗口12的长度方向与第二平面呈预定角度设置，预定角度在0至90度之间且除90度以外的任意数值，辐射器辐射的方向图随弧形槽11的倾斜方向倾斜。优选预定角度为0度，使耦合窗口12的长度方向与第二平面平行。

弧形槽11尺寸和数量会影响腔体谐振器的谐振频率。弧形槽11的尺寸和数量此处不作限定。可选地，当弧形槽11为多个时，各个弧形槽11相互平行设置，相邻弧形槽11之间的间距相等，多个弧形槽11沿与第二平面垂直的法线方向依次排列，且各个弧形槽11以第二平面为对称面对称分布。弧形槽11的开设数量可为3个、4个、5个、6个等。

在其中一个实施例中，所有弧形槽11的宽度与空心球体1的内径的比值均在5％至20％之间。弧形槽11的宽度在电磁仿真中经过优化，能够满足球形腔天线辐射器在工作带宽范围内实现增益最大化；可选地，弧形槽11的个数为5个。可选地，空心球体1的内径为12.9毫米，弧形槽11的宽度为3.5毫米。

在其中一个实施例中，两个相邻所述弧形槽11之间的间距与空心球体1的内径的比值在5％至20％之间。两个相邻所述弧形槽11之间的间距是指两个相邻弧形槽11的相邻侧壁的间距。两个相邻弧形槽11之间的间距在电磁仿真中经过优化，若弧形槽11之间的间距太大，则电磁波能量不能得到充分辐射，这将直接影响球形腔天线辐射器的端口反射系数和增益；若弧形槽11之间的间距太小，也会恶化增益，并造成辐射槽的机械强度大幅度下降，难以实用。可选地，空心球体的内半径为12.9毫米，相邻两个弧形槽11之间的间距均为1毫米。

在其中一个实施例中，弧形槽11的两端分别与空心球体1生物球心的连线所形成的圆心角的范围为50度至250度。该圆心角的角度在电磁仿真中经过优化，随着圆心角逐渐增大，球形腔体谐振器10的增益逐渐增大，但圆心角的角度超过190°后，如果继续增大，球形腔体谐振器10的辐射方向图的波束宽度会逐渐增大，从而导致球形腔体谐振器10的增益开始下降。上述圆心角可优选为190°。

在其中一个实施例中，弧形槽11的两端以第三平面为中心平面对称设置，弧形槽11的弧长由其对应的圆心角和该弧形槽11与第二平面的距离决定，即当圆心角的数值固定时，该弧形槽11与第二平面的距离越大，对应的弧形槽11的长度越小。

在其中一个实施例中，该球形腔天线辐射器还包括用于安装外部波导的波导法兰盘3，波导2的两端分别与波导法兰盘3和空心球体1连接，空心球体1、波导2、波导法兰盘3为一个不可分割的整体。更具体地，空心球体1、波导2和波导法兰盘3采用3-D打印机一体打印成型。波导法兰盘3是上述波导2和外部波导之间的连接零件，用于两个波导管端之间的连接。在该实施例中，波导法兰盘3上设有四个通孔30，四个通孔30沿着波导法兰盘3的中轴线呈轴对称分布，波导法兰盘3通过通孔30及螺丝、螺钉等紧固件的辅助与外部波导连接。波导法兰盘3的尺寸和通孔30位置可参照国际代码BJ100标准中的WR-90标准波导波导法兰盘和通孔参数，其横截面为矩形。波导2内的空腔长度a为22.86毫米，宽度b为10.16毫米。

可选地，空心球体1、波导2和波导法兰盘3使用非金属材料3-D打印而成，然后在其表面覆盖金属层。其中，上述非金属材料可以采用光敏树脂、塑料、尼龙和陶瓷等非金属材料，优选地使用陶瓷光敏树脂作为结构材料，通过立体光刻3-D打印机一体打印而成。陶瓷光敏树脂具有以下优点：密度小，与立体光刻3-D打印机兼容性好，比普通光敏树脂机械强度更高，耐热性更好，以及热膨胀系数更小。使用陶瓷光敏树脂作为球形腔天线辐射器的结构材料的目的是：1.可以满足实际工程应用中对球形腔天线辐射器的机械强度和温度的需求；2.大幅度减轻球形腔天线辐射器的质量；3.实现较小的结构表面粗糙度，减小球形腔天线辐射器的表面粗糙度对增益的影响。

请参阅图7至图11，在图7至图11中，球形腔11内半径为12.9毫米，耦合窗口12长度为17.8毫米，耦合窗口12宽度为10.16毫米，弧形槽11为5个，弧形槽11的宽度为3.5毫米，弧形槽11对应的圆心角为190°，弧形槽11之间的间距为1毫米时的仿真和测量曲线图。其中，图7为本发明实施例提供的球形腔天线辐射器仿真与测量的端口反射系数(S₁₁参数)曲线图，图8(a)为本发明实施例提供的球形腔天线辐射器在10.75GHz的仿真与测量的E面的辐射方向图，图8(b)为本发明实施例提供的球形腔天线辐射器在10.75GHz的仿真与测量的H面的辐射方向图，图9(a)为本发明实施例提供的球形腔天线辐射器在12.24GHz的仿真与测量的E面的辐射方向图，图9(b)为本发明实施例提供的球形腔天线辐射器在12.24GHz的仿真与测量的H面的辐射方向图，图10(a)为本发明实施例提供的球形腔天线辐射器在14.82GHz的仿真与测量的E面的辐射方向图，图10(b)为本发明实施例提供的球形腔天线辐射器在14.82GHz的仿真与测量的H面的辐射方向图，图11为本发明实施例提供的球形腔天线辐射器仿真与测量的增益曲线图。

如图7至图11所示，为了证明本发明实施例中球形腔天线辐射器的宽带和高增益辐射性能，对该球形腔天线辐射器的散射参数和远场方向图进行了仿真和测量。首先，从图7中可以看出，通过上述发明实施例制造的球形腔天线辐射器实现了9.8GHz至14.8GHz的工作带宽，绝对带宽为5GHz，相对带宽为40.65％，高于传统波导天线的工作带宽，且在工作带宽范围内，测量的端口反射系数小于-10dB，仿真和测量曲线一致吻合。上述结果证明了本发明实施例中球形腔天线辐射器的宽带性能。

然后，从图8至图10可以看出，仿真和测量的远场辐射方向图一致吻合。结果表明，本发明实施例中的球形腔天线辐射器具有定向辐射的特性，且球形腔天线辐射器的主辐射方向与球形腔11侧壁上所开设的矩形槽的朝向一致。如图8至图11所示，方位角为0°的方向是该天线的主辐射方向，在该方向上球形腔天线辐射器达到最大的辐射增益值。仿真和测量结果还表明，球形腔天线辐射器的辐射方向图具有极低的副瓣和较窄的波束宽度。测量的球形腔天线辐射器的半功率波束宽度约为57.04°，这表明本发明实施例中的球形腔天线辐射器具有较理想的定向辐射特性。

如图11所示，在工作频带内，测量的天线最大增益值约为11.85dBi，且在大部分工作频带内，天线的增益值均高于9dBi。这表明本发明实施例中的球形腔天线辐射器具有高增益特性。仿真和测试的辐射方向图和增益的差异主要是由于球形腔天线辐射器的表面粗糙度引入的导体损耗和方向图测量过程中的误差造成的。

请参阅图12，图12为本发明实施例提供的球形腔天线辐射器的制造方法的流程示意图。作为本发明提供的球形腔天线辐射器的制作方法的一种具体实施方式，该制作方法包括以下步骤：

S10：在立体光刻3-D打印机的系统平台上调整球形腔天线辐射器的电子模型的摆放角度，使用立体光刻3-D打印机并采用非金属材料打印出与所述电子模型对应的原始工件；

S20：利用紫外光固化所述原始工件，得到3-D打印的实体模型；

S30：在3-D打印的实体模型的表面进行金属化，得到所述球形腔天线辐射器。

在S10中，球形腔天线辐射器的电子模型是根据上述发明实施例的设计原理设计的球形腔天线辐射器的三维电子模型。球形腔天线辐射器的电子模型按照图1所示摆放，即波导法兰盘3端面朝下平行于3-D打印机的工件平台所在平面。原始工件包括：空心球体1、波导2和波导法兰盘3，原始工件为一个不可拆分的整体。如上所述摆放球形腔天线辐射器的电子模型的目的在于，使3-D打印机打印球形腔天线辐射器的过程中球形腔内部和外部均不使用支撑材料，球形腔天线辐射器的整体模型可以在免支撑结构的情况下一体化打印成型。

可选地，空心球体1、波导2和波导法兰盘3使用非金属材料作为结构材料，通过3-D打印机一体打印而成。非金属材料可以采用光敏树脂、塑料、尼龙和陶瓷等非金属材料，优选地使用陶瓷光敏树脂作为结构材料，通过立体光刻3-D打印机一体打印而成。陶瓷光敏树脂具有以下优点：密度小，与立体光刻3-D打印机兼容性好，比普通光敏树脂机械强度更高，耐热性更好，以及热膨胀系数更小。使用陶瓷光敏树脂作为球形腔天线辐射器的结构材料的目的是：1.可以满足实际工程应用中对球形腔天线辐射器的机械强度和温度的需求；2.大幅度减轻球形腔天线辐射器的质量；3.实现较小的结构表面粗糙度，减小球形腔天线辐射器的表面粗糙度对增益的影响。

可选地，采用工业级立体光刻3-D打印机，立体光刻3-D打印机的横向打印分辨率为：1微米×1微米，纵向打印分辨率，即打印材料堆叠层厚设置为50微米。立体光刻3-D打印机完成打印任务后，取出原始工件，对原始工件做后续的S20和S30处理。

在S20中利用紫外光固化原始工件，得到3-D打印的球形腔天线辐射器的实体模型。

进一步地，利用紫外光固化原始工件的具体步骤包括：

S201：对原始工件进行化学清洗和物理清洗。将原始工件置于无水乙醇中短暂浸泡，用羊毛刷擦拭原始工件表面，溶解原始工件表面的未固化的树脂，再置于干净无水乙醇中清洗，重复多次，直至原始工件表面无未固化的树脂残留。

S202：用压缩空气吹干原始工件表面的清洗剂，以达到初步干燥原始工件的目的。

S203：:将初步干燥后的原始工件置于紫外光固化灯箱中，干燥和固化30分钟。其目的是彻底干燥原始工件的内外表面，并提升树脂的机械强度。

在S20利用紫外光固化原始工件之后还包括：

将固化后的原始工件进行喷砂处理，并将喷砂处理后的原始工件进行人工打磨。

其中，将固化后的原始工件进行喷砂处理的具体方法为：

将干燥固化后的工件置于喷砂机中，优选的喷砂气压为40psi，采用800号白沙石，对原始工件进行全方位的喷砂处理。这一步的目的是去除原始工件表面残留的树脂杂质。将喷砂处理后的原始工件进行人工打磨的具体方法为：先用400号砂纸粗打磨原始工件表面，去除表面纹路，之后再用600号砂纸，加水打磨原始工件的表面，以提高原始工件表面光洁度，最后用1000号砂纸加水精细打磨，最终得到光滑细腻的树脂表面。

在S30中：对原始工件的表面进行金属化的具体步骤包括：

S301：对树脂表面进行化学粗化和化学活化，并化学镀一层镍作为种子层，镍层厚度约为100纳米。

S302：在镍层之上电镀铜，铜层厚度为10微米，最终得到球形腔天线辐射器。

一体化增材制造的球形腔天线辐射器的质量为11.2克，加工完成之后即可使用，自身无需装配和任何紧固件。实现的球形腔天线辐射器的尺寸(以能完全包裹球形腔天线辐射器的最小长方体尺寸计算)小于41.4毫米×41.4毫米×32.7毫米。

在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所公开的结构和加工方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的球形腔天线辐射器的实施例结构仅仅是示意性的，例如，开槽的数量和位置，仅仅为一种可实现的物理结构，实际中球形腔天线辐射器可以遵循上述设计原理设计为其它合理的结构，且开槽的圆心角角度和宽度也可以根据指标需求进一步优化。另外，球形腔天线辐射器的加工也可以采用其它树脂材料或者其它增材制造技术实现，可以根据实际应用的需求选择合适的3-D打印材料和3-D打印机。

以上所述仅为本发明的较优实施例，并不用以限制本发明。凡在本发明的设计思想和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.球形腔天线辐射器，其特征在于：包括波导以及与所述波导连接的空心球体，所述空心球体内具有空气填充的球形腔体谐振器，所述空心球体的表面具有金属层，所述空心球体开设有与所述波导相连接的耦合窗口以及与所述耦合窗口相正对的五条贯通的弧形槽，以使所述波导通过耦合窗口对所述空心球体馈电，并通过所述弧形槽向所述空心球体外进行电磁辐射，使所述球形腔天线辐射器具有宽带性能。

2.如权利要求1所述的球形腔天线辐射器，其特征在于：穿过所述空心球体的球心且与所述耦合窗口所在的平面平行的平面为第一平面，穿过所述空心球体的球心且与所述弧形槽的长度方向平行的平面为第二平面，所述第二平面与所述第一平面垂直。

3.如权利要求2所述的球形腔天线辐射器，其特征在于：穿过所述球心且与所述第一平面、所述第二平面均垂直的平面为第三平面，所有所述弧形槽的两端均以所述第三平面为中心平面对称。

4.如权利要求2所述的球形腔天线辐射器，其特征在于：所述耦合窗口为矩形窗口，所述耦合窗口的长度方向与所述第二平面平行或重合。

5.如权利要求4所述的球形腔天线辐射器，其特征在于：所述波导为矩形波导，所述耦合窗口的长度小于或等于所述矩形波导端口宽边的长度，所述耦合窗口的宽度小于或等于所述矩形波导端口窄边的长度。

6.如权利要求1所述的球形腔天线辐射器，其特征在于：所有所述弧形槽相互平行设置，相邻所述弧形槽之间的间距相等，所述弧形槽的两端分别与所述空心球体的球心的连线所形成的圆心角的范围为50度至250度。

7.如权利要求1所述的球形腔天线辐射器，其特征在于：所有所述弧形槽的宽度与所述空心球体的内径的比值均在5％至20％之间。

8.如权利要求1所述的球形腔天线辐射器，其特征在于：两个相邻所述弧形槽之间的间距与所述空心球体的内径的比值在5％至20％之间。

9.如权利要求1所述的球形腔天线辐射器，其特征在于：所述球形腔天线辐射器还包括用于安装外部波导的波导法兰盘，所述波导的两端分别与所述波导法兰盘和所述空心球体连接，所述空心球体、所述波导和所述波导法兰盘采用3-D打印技术一体化制造成型。

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