CN110444904B - 一种空气填充金属平面阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种空气填充金属平面阵列天线，属于阵列天线技术领域。包括空气功分网络，空气功分网络中相互连接的两个传输节片构成T型连接结构，电磁能量在每个T型连接结构完成能量等量分配；最后一级传输节片的两端分别设有第一空气垂直波导，第一空气垂直波导的上表面连接空气腔体，空气腔体上呈中心对称布置有四个第二空气垂直波导；四个辐射单元单体呈中心对称分布于第二空气垂直波导的长边的两侧。本发明结构紧凑，集成度高，空间体积小，易于加工；实现了具有宽频带辐射特性的辐射单元，且辐射单元与馈电网络间能够良好匹配，电磁能量能够在多层金属空腔内高效传输及有效分配，保证了天线具有宽频带、高增益及稳定的辐射特性。

Description

一种空气填充金属平面阵列天线

技术领域

本发明涉及阵列天线技术领域，具体涉及一种具有宽频带和稳定辐射特性的空气填充金属平面阵列天线。

背景技术

随着电子科学与无线通信技术的发展，为满足移动通信系统高容量、高速率、低延时的需求，现代通信天线则需向宽频带、高增益、小型化方向发展。阵列天线具有良好的波束成形能力，易于实现高定向性、高增益、可赋形波束，是一种实现宽频带、高增益特性的重要技术手段。阵列天线通常由馈电网络和辐射单元组成。馈电网络作为阵列天线实现电磁能量有效分配的重要组成部分，其插入损耗将直接限制天线的增益。在毫米波频段，相较于微带线馈电网络，波导结构类型具有更低的传输损耗和更高的功率容量。基片集成波导具有低剖面、易加工、易于与辐射单元集成等优势，广泛地应用于毫米波阵列天线的研究。然而对于16×16单元以上的大规模阵列天线，相较于空气波导馈电网络，介质波导中的介质损耗仍会限制天线增益的提高。与以上类型的传输线相比，空气波导具有更低的损耗。另一方面，相较于串联馈电网络，并联馈电具有宽带特性的固有优势，近年来空气波导并联馈电网络已广泛用于微波毫米波器件和系统的研究设计中。目前已有的各类空气波导并联馈电网络多基于T型结构级联设计，通常采用一组或多组膜片实现匹配，由于电磁能量在不同枝节形成多次反射，难以实现较宽的工作频带，因而需要设计一种新型宽带电磁能量分配结构。

具有宽频带辐射特性的辐射单元，且馈电网络与辐射单元间良好匹配，是保证天线具有良好的带宽和高增益辐射特性的关键。因而需要提供一种可实现宽带电磁能量辐射结构，以实现宽频带、高增益的平面阵列天线设计。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现电磁能量在馈电网络内高效传输与有效分配并具有宽频带和稳定辐射特性的空气填充金属平面阵列天线，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

本发明提供的一种空气填充金属平面阵列天线，包括设于金属基体内部的馈电网络以及设于所述金属基体的上部的辐射单元；

所述馈电网络包括空气功分网络、第一空气垂直波导、空气腔体以及第二空气垂直波导；

所述空气功分网络包括多个传输节片，相互连接的两个传输节片相互垂直构成T型连接结构，所述空气功分网络包括多级T型连接结构逐次级联构成，在所述T型连接结构中，按照电磁能量的传播方向将两个传输节片分别命名为输入节片和输出节片，电磁能量在每个T型连接结构完成能量等量分配；其中，

最后一级的T型连接结构中的输出节片上表面的两端分别设有一个所述第一空气垂直波导，每一个所述第一空气垂直波导的上表面连接一个所述空气腔体，每一个所述空气腔体的上表面呈中心对称布置有四个所述第二空气垂直波导；

所述辐射单元包括多个辐射单元单体，四个辐射单元单体呈中心对称分布于一个所述第二空气垂直波导的长边的两侧。

优选的，所述空气功分网络包括一个一级传输节片的一端为标准波导口，所述一级传输节片的另一端连接一个二级传输节片；

所述二级传输节片的两端分别连接有一个三级传输节片，所述三级传输节片的两端分别连接有一个四级传输节片，所述四级传输节片的两端分别连接有一个五级传输节片；

所述五级传输节片的上表面的两端分别设有一个所述第一空气垂直波导。

优选的，所述辐射单元单体包括一个水平辐射板以及两个竖直辐射板，两个所述竖直辐射板均与所述水平辐射板垂直连接，且两个所述竖直辐射板同样垂直连接。

优选的，所述竖直辐射板与所述金属基体垂直连接，且其中一个竖直辐射板与所述第二空气垂直波导在长度方向上相平行。

优选的，所述空气腔体的左右两个侧面分别设有两个横截面为L型的L型缺口，每一个L型缺口分别对应一个所述第二空气垂直波导，所述空气腔体的前后两个侧面上设有V型缺口。

优选的，在所述T型连接结构的连接处，所述输入节片的上表面高度低于所述输出节片的上表面高度。

优选的，所述电磁能量由所述标准波导口进入所述空气功分网络，经过一渐变结构进入所述一级传输节片，所述渐变结构的厚度由所述标准波导口向所述一级传输节片的方向逐渐变薄；

所述三级传输节片的中部为平面结构，所述平面结构的两侧为渐变结构，所述三级传输节片上的渐变结构的厚度向两侧逐渐变薄，所述渐变结构的末端为平面结构。

优选的，所述输入节片的两侧均设有一个贯通缺口；在所述输出节片上，与所述输入节片相对的一侧设有与所述输入节片相对应的第一凹口；两个所述贯通缺口和一个所述第一凹口共同组成匹配膜片。

优选的，每一个所述五级传输节片上的两个所述第一空气垂直波导均位于所述五级传输节片的同一侧，且不同的所述五级传输节片上的所述第一空气垂直波导的位置一致。

优选的，所述五级传输节片上设有与所述第一空气垂直波导对应的第二凹口，所述第二凹口位于所述第一空气垂直波导的下方。

本发明有益效果：结构紧凑，集成度高，空间占有体积小，易于加工；实现了具有宽频带辐射特性的辐射单元，且辐射单元与馈电网络间能够良好匹配，电磁能量能够在多层金属空腔内高效传输及有效分配，保证了天线具有宽频带、高增益及稳定的辐射特性。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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他的附图。

图1为本发明实施例所述的空气填充金属平面阵列天线的立体结构图。

图2为本发明实施例所述的空气填充金属平面阵列天线的横向剖视结构图。

图3为本发明实施例所述的空气填充金属平面阵列天线的纵向剖视结构图。

图4为本发明实施例所述的空气填充金属平面阵列天线的结构分解图。

图5为本发明实施例所述的空气填充金属平面阵列天线的空气功分网络的立体结构图。

图6为本发明实施例所述的空气填充金属平面阵列天线的空气功分网络的主视结构图。

图7为本发明实施例所述的空气填充金属平面阵列天线的空气功分网络的侧视结构图。

图8为本发明实施例所述的空气填充金属平面阵列天线的空气功分网络的俯视结构图。

图9为本发明实施例所述的空气填充金属平面阵列天线的一个波导单元的立体结构图。

图10为本发明实施例所述的空气填充金属平面阵列天线的一个波导单元的主视结构图。

图11为本发明实施例所述的空气填充金属平面阵列天线的一个波导单元的侧视结构图。

图12为本发明实施例所述的空气填充金属平面阵列天线的一个波导单元的俯视结构图。

图13为本发明实施例所述的空气填充金属平面阵列天线的S参数示意图。

其中：1-金属基体；2-空气功分网络；3-第一空气垂直波导；4-空气腔体；5-第二空气垂直波导；6-一级传输节片；7-标准波导口；8-二级传输节片；9-三级传输节片；10-四级传输节片；11-五级传输节片；12-辐射单元单体；121-水平辐射板；122-竖直辐射板；13-L型缺口；14-V型缺口；15-贯通缺口；16-第一凹口；17-匹配膜片；18-渐变结构；19-第二凹口。

具体实施方式

下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或它们的组。

在本专利的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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专利和简化描述，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专利的限制。

在本专利的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。

为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。

实施例

如图1至图4所示，本发明实施例提供一种空气填充金属平面阵列天线，包括设于金属基体1内部的馈电网络以及位于所述金属基体1的上部的辐射单元；

所述馈电网络包括空气功分网络2、第一空气垂直波导3、空气腔体4以及第二空气垂直波导5。

如图5至图8所示，所述空气功分网络2包括多个传输节片，相互连接的两个传输节片相互垂直构成T型连接结构，电磁能量在每个T型连接结构完成能量等量分配；其中，

一个一级传输节片6的一端为标准波导口7，所述一级传输节片6的另一端连接一个二级传输节片8；

所述二级传输节片8的两端分别连接有一个三级传输节片9，所述三级传输节片9的两端分别连接有一个四级传输节片10，所述四级传输节片10的两端分别连接有一个五级传输节片11；

所述五级传输节片11的上表面的两端分别设有一个所述第一空气垂直波导3，每一个所述第一空气垂直波导3的上表面连接一个所述空气腔体4，每一个所述空气腔体4的上表面呈中心对称布置有四个所述第二空气垂直波导5；

所述辐射单元包括多个金属制辐射单元单体12，四个辐射单元单体12呈中心对称分布于一个所述第二空气垂直波导5的长边的两侧。

所述辐射单元单体12包括一个水平辐射板121以及两个竖直辐射板122，两个所述竖直辐射板122均与所述水平辐射板121垂直连接，且两个所述竖直辐射板122同样垂直连接。

所述竖直辐射板122与所述金属基体1垂直连接，且其中一个竖直辐射板122与所述第二空气垂直波导5相平行。

如图4所示，阵列天线结构整体分为5层，具体的，包括位于金属基体1上部的金属结构单元(即辐射单元单体)构成的天线辐射单元层，嵌套于金属基体内的第一空气垂直波导层、空气腔体层、第二空气垂直波导层以及空气功分网络层，第一空气垂直波导层、空气腔体层、第二空气垂直波导层以及空气功分网络层共同构成的空气馈电网络。电磁能量经由标准波导入口进入空气功分网络，通过五级传输节片等分为16路分别进入第一空气垂直波导3，从第一空气垂直波导3馈入空气腔体4，每个空气腔体4再将电磁能量等分为4路分别进入第二空气垂直波导5，每个第二空气垂直波导5再将电磁能量等分为4路分别耦合到辐射单元单体，由辐射单元单体再将电磁能量向自由空间辐射，完成电磁能量转换过程。

所述空气腔体4的左右两个侧面分别设有两个横截面为L型的L型缺口13，每一个L型缺口13分别对应一个所述第二空气垂直波导5，所述空气腔体4的前后两个侧面上设有V型缺口14。

在所述T型连接结构中，按照电磁能量的传播方向将两个传输节片分别为输入节片和输出节片，所述输入节片的上表面高度低于所述输出节片的上表面高度。而在实际应用中，只要输入节片上下表面高度差低于输出节片中间处上下表面高度差即可实现相同功能。

在所述T型连接结构的连接处，所述输入节片的两侧均设有一个贯通缺口15；在所述输出节片上，与所述输入节片相对的一侧设有与所述输入节片相对应的第一凹口16；两个所述贯通缺口15和一个所述第一凹口16共同组成匹配膜片17。

所述电磁能量由所述标准波导口7进入所述空气功分网络2，经过一渐变结构18进入所述一级传输节片6，所述渐变结构18的下表面为斜面，所述渐变结构18的厚度由所述标准波导口7向所述一级传输节片6的方向逐渐变薄。

而在实际应用当中，所有的渐变结构，采用下表面渐变、上表面渐变、上下表面同时渐变均可实现相同结果。

在本发明实施例中，在二级传输节片和三级传输节片的T型连接处，为了使二级传输节片的上表面高度低于三级传输节片的上表面高度，所述三级传输节片9的中部为平面结构，所述平面结构的两侧为渐变结构，即该渐变结构向两侧逐渐变薄，使得三级传输节片和四级传输节片的T型连接处，三级传输节片的上表面高度低于四级传输节片的上表面高度。同理，为了使其他T型级联结构中输入节片的上表面高度低于输出节片的上表面高度，同样可以使用上述渐变结构实现。

而在实际应用中，为了使T型连接结构中，输入节片的上表面高度低于输出节片的上表面的高度，并不限于使用上述渐变结构，如图5所示，四级传输节片和五级传输节片间的T型连接结构就没有使用上述渐变结构，同样实现了四级传输节片的上表面高度低于五级传输节片的上表面高度。

每一个所述五级传输节片11上的两个所述第一空气垂直波导3均位于所述五级传输节片11的同一侧，且不同的所述五级传输节片11上的所述第一空气垂直波导3的位置一致。

所述五级传输节片11上设有与所述第一空气垂直波导3对应的第二凹口19，所述第二凹口19位于所述第一空气垂直波导3的下方，用于实现不同层之间的良好匹配。

本发明实施例所述的天线阵列在具体应用中，空气波导馈电网络嵌套于金属基体1内部，由第一空气垂直波导3、空气腔体4、第二空气垂直波导5与空气功分网络2共同组成。空气功分网络2为单层结构，整体结构呈左右对称分布。标准波导入口为矩形，沿水平方向为长边，沿垂直方向为短边。单层空气功分网络由n个T型结构级联而成，每个T型结构的高度不高于标准波导入口的高度，准波导入口的宽度不大于标准波导入口的长边宽度。每个T型结构的连接处的入口枝节(即按照电磁能量传播方向为输入节片)高度低于两个出口枝节(即按照电磁能量传播方向为输出节片)高度，且存在向内侧的3个凸起(即输入节片上的两个贯通缺口及输出节片上的第一凹口)用于匹配，且第一凹口向内侧的深度小于T型结构的传输节片的宽度。最后一级T型连接结构的两个传输节片(即五级传输节片)的两端，存在朝向内侧凸起(即第二凹口)，且第二凹口的深度不大于传输节片宽度的一半。

第一空气垂直波导3与第二空气垂直波导5的长边尺寸均大于最低频率截止波长的一半，短边尺寸均小于标准波导入口12的高度。

平面阵列天线其中一个辐射单元由4个相同的位于金属基体1上方的金属结构单元(即辐射单元单体)组成，其与金属基体1的连接处靠近第二空气垂直波导5的长边，呈中心对称分布。金属结构单元的上表面与金属基体的上表面平行。沿第二空气垂直波导5长边方向的相邻两个金属结构单元的距离可不与沿宽度方向的两个金属结构单元的距离相等。

如图9至图12所示，在本发明实施例中，一个第一空气垂直波导3、与其连接的一个空气腔体4、空气腔体4上的第二空气垂直波导5以及与第二空气垂直波导5对应的4个辐射单元单体共同构成为一个波导单元。即，平面阵列天线由1组空气波导馈电网络与多个组金属辐射单元单体结构组成，金属辐射单元单体的个数与第二空气垂直波导的个数比例为4：1，第二空气垂直波导的个数与空气腔体以及第一垂直波导的个数比例均为4：1。

而在实际应用中，空气功分网络中，传输节片的级数并不限于五级，也可在五级传输节片的两端再分别连接六级传输节片，依次类推，实现电磁能量分配更加精细的功分网络。

所设计的平面阵列天线的S参数结果如图13所示，由图中可以看出，本发明实施例所述的平面阵列天线的|S11|<-10dB阻抗带宽为32.4％。

综上所述，本发明实施例所述的空气填充金属平面阵列天线，在金属基体内分层嵌套空气功分网络、第一空气垂直波导、空气腔体以及第二空气垂直波导，在金属基体的上表面设辐射单元，使阵列天线的结构紧凑，集成度高，空间占有体积小，易于加工；通过在空气功分网络与辐射单元间分层设置空气垂直波导以及空气腔体，若干辐射单元单体在金属基体的表面阵列排列，电磁能量由空气垂直波导耦合到辐射单元，实现了具有宽频带辐射特性的辐射单元，完成了馈电网络与辐射单元间的良好匹配，使电磁能量能够在多层金属空腔内高效传输及有效分配，保证了天线具有宽频带、高增益及稳定的辐射特性。

本领域普通技术人员可以理解：本发明实施例中的装置中的部件可以按照实施例的描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的部件可以合并为一个部件，也可以进一步拆分成多个子部件。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种空气填充金属平面阵列天线，其特征在于：包括设于金属基体(1)内部的馈电网络以及设于所述金属基体(1)的上部的辐射单元；

所述馈电网络包括空气功分网络(2)、第一空气垂直波导(3)、空气腔体(4)以及第二空气垂直波导(5)；

所述空气功分网络(2)包括多个传输节片，相互连接的两个传输节片相互垂直构成T型连接结构，所述空气功分网络包括多级T型连接结构逐次级联构成，在所述T型连接结构中，按照电磁能量的传播方向将两个传输节片分别命名为输入节片和输出节片，电磁能量在每个T型连接结构完成能量等量分配；在所述T型连接结构的连接处，所述输入节片的上表面高度低于所述输出节片的上表面高度；其中，

最后一级的T型连接结构中的输出节片上表面的两端分别设有一个所述第一空气垂直波导(3)，每一个所述第一空气垂直波导(3)的上表面连接一个所述空气腔体(4)，每一个所述空气腔体(4)的上表面呈中心对称布置有四个所述第二空气垂直波导(5)；

所述辐射单元包括多个辐射单元单体(12)，四个辐射单元单体(12)呈中心对称分布于一个所述第二空气垂直波导(5)的长边的两侧；

所述空气功分网络(2)包括一个一级传输节片(6)，所述一级传输节片(6)的一端为标准波导口(7)，所述一级传输节片(6)的另一端连接一个二级传输节片(8)；

所述二级传输节片(8)的两端分别连接有一个三级传输节片(9)，所述三级传输节片(9)的两端分别连接有一个四级传输节片(10)，所述四级传输节片(10)的两端分别连接有一个五级传输节片(11)；

所述五级传输节片(11)的上表面的两端分别设有一个所述第一空气垂直波导(3)；所述辐射单元单体(12)包括一个水平辐射板(121)以及两个竖直辐射板(122)，两个所述竖直辐射板(122)均与所述水平辐射板(121)垂直连接，且两个所述竖直辐射板(122)同样垂直连接。

2.根据权利要求1所述的空气填充金属平面阵列天线，其特征在于：所述竖直辐射板(122)与所述金属基体(1)垂直连接，且其中一个竖直辐射板(122)与所述第二空气垂直波导(5)在长度方向上相平行。

3.根据权利要求2所述的空气填充金属平面阵列天线，其特征在于：所述空气腔体(4)的左右两个侧面分别设有两个横截面为L型的L型缺口(13)，每一个L型缺口(13)分别对应一个所述第二空气垂直波导(5)，所述空气腔体(4)的前后两个侧面上设有V型缺口(14)。

4.根据权利要求1-3任一项所述的空气填充金属平面阵列天线，其特征在于：所述电磁能量由所述标准波导口(7)进入所述空气功分网络(2)，经过一渐变结构(18)进入所述一级传输节片(6)，所述渐变结构(18)的厚度由所述标准波导口(7)向所述一级传输节片(6)的方向逐渐变薄；

所述三级传输节片(9)的中部为平面结构，所述平面结构的两侧为渐变结构，所述三级传输节片(9)上的渐变结构的厚度向两侧逐渐变薄，所述三级传输节片(9)的渐变结构的末端为平面结构。

5.根据权利要求4所述的空气填充金属平面阵列天线，其特征在于：所述输入节片的两侧均设有一个贯通缺口(15)；在所述输出节片上，与所述输入节片相对的一侧设有与所述输入节片相对应的第一凹口(16)；两个所述贯通缺口(15)和一个所述第一凹口(16)共同组成匹配膜片(17)。

6.根据权利要求5所述的空气填充金属平面阵列天线，其特征在于：每一个所述五级传输节片(11)上的两个所述第一空气垂直波导(3)均位于所述五级传输节片(11)的同一侧，且不同的所述五级传输节片(11)上的所述第一空气垂直波导(3)的位置一致。

7.根据权利要求6所述的空气填充金属平面阵列天线，其特征在于：所述五级传输节片(11)上设有与所述第一空气垂直波导(3)对应的第二凹口(19)，所述第二凹口(19)位于所述第一空气垂直波导(3)的下方。

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