CN110661086A - 基于谐振模腔辐射的高增益天线阵列结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于谐振模腔辐射的高增益天线阵列结构，包括基板、辐射缝隙、耦合缝隙、谐振模腔和馈电波导，电磁波在耦合缝隙处产生，进一步通过耦合缝隙耦合至辐射缝隙，通过基板分为左右两处环流，在辐射缝隙处形成磁场方向一致的电磁波，馈电波导进一步使电磁波形成受约束的导行波。本发明通过在天线中引入谐振模腔进行辐射，一个耦合缝隙可以对多个辐射缝隙耦合，产生电磁波辐射，进而组成高增益天线阵列结构，可以降低天线的结构复杂程度，提高天线的性能，通过引入谐振模腔，减少了一级馈电网络，降低了馈线的整体损耗，具有传输损耗小、回波损耗高、工作带宽宽、拆装便利、一致性好、便于加工，同时保证了阵列的整体带宽。

Description

基于谐振模腔辐射的高增益天线阵列结构

技术领域

本发明属于通信领域，更具体的是涉及一种高增益天线阵列结构。

背景技术

在通信领域，特别是微波、电磁波、毫米波等通信领域，由于天线单元的増益有限，为了获得更高的增益或者满足特定方向信号传输的需求，业界经常采用对天线单元进行组阵的形式，但随着天线单元数目的增加，天线的馈电网络也相应增加，导致天线结构复杂，天线的性能和信号传输效果反而下降。

中国专利申请号CN2017107835867提出了一种利用亚波长周期性非谐振结构覆层制作紧凑型高增益天线的方法，该方法可以在一定范围内实现紧凑、小型化并且具有高增益的单频带天线，但是天线频率依然限制在很小的范围内。

中国专利申请号CN2018100922055提供了一种基于石墨烯材料的Fabry-Perot谐振高增益天线，可用于增强天线的增益，并且天线谐振频率可以调节，可覆盖频段主要在太赫兹频段。该方案对材料的要求较高，制造成本较高，不利用产业上大规模推广。

因此，有必要改进高增益天线的设计思路，设计一种成本低、性能好，便于产业推广的提高天线增益的方案。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于谐振模腔的高增益天线阵列结构，该高增益天线阵列结构的技术方案为：

一种基于谐振模腔辐射的高增益天线阵列结构，包括基板，还包括辐射缝隙、耦合缝隙、谐振模腔和馈电波导，电磁波通过耦合缝隙耦合至辐射缝隙辐射。馈电波导使电磁波形成受约束的电磁波，并在耦合缝隙处耦合，进一步通过耦合缝隙耦合至谐振模腔，谐振模腔还包括上金属导板和下金属导板，电磁波通过基板分为左右两处环流，在辐射缝隙处形成磁场方向一致的电磁波。

进一步的，所述的辐射缝隙为复数个。

进一步的，所述的辐射缝隙的形状可以为矩形、椭圆形、T型、十字型、哑铃型。

进一步的，所述的耦合缝隙的形状也可以为矩形、椭圆形、十字型、哑铃型。

进一步的，该谐振模腔可以为四周封闭的模腔，也可以为周期性开缝或周期性突起组成的模腔，所述的谐振模腔还可包括设置在谐振模腔内表面的复数个突起。

进一步的，所述谐振模腔内表面的突起与谐振模腔内表面之间可以电性连接或绝缘连接，突起的形状可以为长方体、正方体、圆柱形、棱柱形、三角锥。

进一步的，所述谐振模腔内表面的突起排列周期小于一个电磁波的波长，突起的高度为电磁波波长的四分之一到一个波长。

进一步的，该馈电波导可以为四周封闭的模腔，也可以为周期性开缝或周期性突起组成的模腔。

进一步的，所述馈电波导内表面的突起与馈电波导内表面之间可以电性连接或绝缘连接，突起的形状可以为长方体、正方体、圆柱形、棱柱形、三角锥。

进一步的，所述馈电波导内表面的突起排列周期小于一个电磁波的波长，突起的高度为电磁波波长的四分之一到一个波长。

本发明通过在天线中引入谐振模腔进行辐射，一个耦合缝隙可以对多个辐射缝隙耦合，产生电磁波辐射，进而组成高增益天线阵列结构，可以降低天线的结构复杂程度，提高天线的性能，通过引入谐振模腔，减少了一级馈电网络，降低了馈线的整体损耗，具有传输损耗小、回波损耗高、工作带宽宽、拆装便利、一致性好、便于加工，同时保证了阵列的整体带宽。

附图说明

图1：本发明的第一种谐振模腔的结构示意图；

图2：本发明的第二种谐振模腔结构示意图；

图3：本发明的谐振模腔结构的天线阵列示意图；

图4：本发明的谐振模腔结构剖视示意图；

图5：本发明的谐振模腔原理示意图；

图6：应用图1的谐振模腔结构的天线仿真辐射的H面和E面方向图；

图7：应用图1的谐振模腔结构的天线传输S参数图。

具体实施方式

下面将详细参考本发明的优选实施例，其示例在附图中示出，虽然将结合优选实施例描述本发明，但是本领域技术人员应该理解，这些实施例并不是将本发明限制于这些实施例，相反，本发明旨在覆盖可包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的替代、修改和等同物。此外，在本发明的以下详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解，然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明。

请参考图1，本发明的第一种谐振模腔的结构示意图，该天线阵结构由辐射缝隙101、基板102、耦合缝隙103、谐振模腔104、馈电波导105组成，该2*2的天线阵结构的导体由金属结构件组成，在大规模阵列中，单元之间的耦合的影响极为重要，临近单元的相互耦合会影响单元的匹配带宽和辐射特性。特别的，图1中的辐射缝隙101可以为多个，其数量取决于实际的天线性能要求，图1中的2*2天线阵结构的中心频率为设定为140Ghz，请参考图4本发明的谐振模腔结构剖视示意图，辐射缝隙101的长度sa约为中心频率处0.5到1个波长的自由空间波长，即1.35mm，宽度sb为0.8mm，约中心频率处四分之一的自由空间波长；基板102采用导电性能良好的金属结构件；耦合缝隙103的长度ca为1.7mm，约为0.5到1个波长的电磁波波长，宽度cb为0.8mm，即宽度约为中心频率处四分之一的自由空间波长；谐振模腔104在辐射缝隙101的ｘ和ｙ方向上中心间距均为1.8mm，约为0.8倍中心频率处的自由空间波长。

图1实施例中，电磁波通过耦合缝隙103耦合至辐射缝隙101，馈电波导105使电磁波形成受约束的电磁波，并在耦合缝隙103处耦合，由于底部磁场在耦合缝隙103处产生，底部波导中TE10模的电磁波通过耦合缝隙103耦合至谐振模腔104，通过隔板作用分为左右两处环流，在四个辐射缝隙101处磁场方向一致，因此起到辐射增强的作用，两对隔板还起到匹配调谐的作用。

特别的，图1中的辐射缝隙101的形状可以为矩形、椭圆形、T型、十字型、哑铃型等不同的形状，以便对不同的电磁波频率进行天线辐射，相应的，耦合缝隙103的形状也可以为矩形、椭圆形、T型、十字型、哑铃型等不同的形状，谐振模腔104可为四周封闭的模腔，也可以周期性开缝，以拓展带宽。

请参考图2本发明的第二种谐振模腔结构示意图，该天线阵结构由基板201、辐射缝隙202、耦合缝隙203、突起204、馈电波导205组成，该谐振模腔结构亦可实现天线的高增益目标，与图1不同的是，该天线阵结构中辐射缝隙202被基板201的脊状物部分遮挡，基板201可以为导电性能良好的材料制成，也可以有其他材料制造，在材料表面涂覆导电金属膜制成，耦合缝隙203被多个形状和体积不同的突起204半包围，此处的突起的形状和体积由需要传输的具体的电磁波频率决定，突起204可以为周期性的缝隙或凸起，多个突起204组成高阻抗表面，导引电磁波沿预设方向传输，这取决于具体的天线性能要求，此类改变当然也在本发明的保护范围内，例如，突起204可以为长方体、正方体、圆柱形、棱柱形，三角锥等不同的形状和体积，馈电波导205使电磁波形成受约束的导行波，馈电波导205也可以为类似突起204的周期性结构。

请参考图3，本发明的谐振模腔结构的天线阵列示意图，该天线阵列由多个图1或图2所示的谐振模腔结构组合而成，该天线阵列由脊板301、辐射缝隙302、耦合缝隙303、突起304，谐振模腔305组成，在该实施例中，多个辐射缝隙302被多个长条状的脊板301阻隔，耦合缝隙303被多个形状和体积不同的突起304半包围，图3中的突起304还可以设置为周期性排布，该突起304进一步将电磁波引申到脊板304组成的高阻抗表面，此处的突起304的形状和体积由需要传输的具体的电磁波频率决定，这取决于具体的天线性能要求，此类改变当然也在本发明的保护范围内，电磁波通过耦合缝隙302耦合至谐振模腔305，谐振模腔305被多个形状和体积不同的突起304包围，这些突起304用于限定电磁波以预先设置的前进方向传输，并阻止电磁波沿任意不确定方向传输，从而达到电磁波在谐振模腔305的作用下实现高增益。

特别的，本发明的高增益天线阵列还可以继续进行组阵，不仅局限于上述的图1至图3的实施例，以便实现水平面、垂直面电磁波的波瓣宽带控制，实现更高增益。请参考图5本发明的谐振模腔原理示意图，谐振模腔可以为周期性设置缝隙的谐振模腔，该谐振模腔由上金属导板501，下金属导板502，周期性或准周期性的突起503，电磁波模腔504组成，其中突起503可设置于上金属导板501或下金属导板502的表面，突起503的排列周期小于一个标准电磁波的波长，突起的高度d为工作电磁波波长的四分之一,突起的高度d和突起相互之间的水平距离a的尺寸均为0～1个标准电磁波的波长，这样的设置可以更好的满足本发明实现高增益天线性能的目的。

特别的，图2中的突起204、图3中的突起304及图5中的突起503分别在各自的实施例中组成周期性或准周期性的结构，用于引导电磁波的前进方向沿着预定方向传输，阻止电磁波沿着不特定的方向传播，并且，这些突起与基板之间可以电性连接，也可以绝缘连接，这取决于具体的天线性能，本领域的技术人员可以根据具体天线应用需求自由选择。

本发明的高增益天线阵列结构中的谐振模腔还可以包括设置在其内表面的多个突起（例如图2中的突起204、图3中的突起304及图5中的突起503），该谐振模腔可以为四周封闭的模腔，也可以为周期性开缝或周期性凸起组成的模腔，突起与谐振模腔内表面之间可以电性连接或绝缘连接，突起的形状可以为长方体、正方体、圆柱形、棱柱形、三角锥，突起的排列周期小于一个电磁波的波长，突起的高度为电磁波波长的四分之一到一个波长。

相应的，本发明技术方案的实施例中馈电波导可以为四周封闭的模腔，也可以为周期性开缝或凸起的模腔组成的高阻抗表面，馈电波导还包括设置在馈电波导内表面的复数个突起（例如图2中的突起204、图3中的突起304及图5中的突起503），该突起与馈电波导内表面之间可以电性连接或绝缘连接，突起的形状可以为长方体、正方体、圆柱形、棱柱形、三角锥，突起的排列周期小于一个电磁波的波长，突起的高度为电磁波波长的四分之一到一个波长。

请参考图6，为应用图1的谐振模腔结构的天线仿真辐射的H面和E面方向图，从图中可以看出，随着角度从-180度到+180度的变化，电磁波的cp和xp传输性能均传输良好，天线増益在频段内约15dBi，归一化远场辐射方向图，主瓣宽度约为70°，副瓣电平在H面略高于-15dB，H面和E面的交叉极化均在-40db以下，实验结果证明本发明的谐振模腔结构的高增益天线有良好的增益效果，应用本发明谐振模腔结构的高增益天线具有较好的极化隔离度。

请参考图7：为应用图1的谐振模腔结构的高增益天线阵列的传输S参数图，从图中可以看出，随着电磁波频率从125Ghz增大到155Ghz，S参数的波形变化均表现良好。

本发明通过在天线中引入谐振模腔进行辐射，一个耦合缝隙可以对多个辐射缝隙耦合，产生电磁波辐射，进而组成高增益天线阵列结构，可以降低天线的结构复杂程度，提高天线的性能，通过引入谐振模腔，减少了一级馈电网络，降低了馈线的整体损耗，具有传输损耗小、回波损耗高、工作带宽宽、拆装便利、一致性好、便于加工，同时保证了阵列的整体带宽。

Claims (10)

1.一种基于谐振模腔辐射的高增益天线阵列结构，包括基板，其特征在于，还包括辐射缝隙、耦合缝隙、谐振模腔和馈电波导，馈电波导使电磁波形成受约束的电磁波，并在耦合缝隙处耦合，电磁波进一步通过耦合缝隙耦合至辐射缝隙，谐振模腔还包括上金属导板和下金属导板，电磁波通过基板分为左右两处环流，在辐射缝隙处形成磁场方向一致的电磁波进行传输。

2.如权利要求1所述的高增益天线阵列结构， 其特征在于，所述的辐射缝隙为复数个。

3.如权利要求1所述的高增益天线阵列结构，其特征在于，所述的辐射缝隙的形状可以为矩形、椭圆形、T型、十字型、哑铃型。

4.如权利要求1所述的高增益天线阵列结构，其特征在于，所述的耦合缝隙的形状可以为矩形、椭圆形、十字型、哑铃型。

5.如权利要求1所述的高增益天线阵列结构，其特征在于，所述的谐振模腔还可包括设置在谐振模腔内表面的复数个突起，该谐振模腔可以为四周封闭的模腔，也可以为周期性开缝或周期性突起组成的模腔。

6.如权利要求5所述的高增益天线阵列结构，其特征在于，所述突起与谐振模腔内表面之间可以电性连接或绝缘连接，突起的形状可以为长方体、正方体、圆柱形、棱柱形、三角锥。

7.如权利要求5所述的高增益天线阵列结构，其特征在于，所述突起的排列周期小于一个电磁波的波长，突起的高度为电磁波波长的四分之一到一个波长。

8.如权利要求1所述的高增益天线阵列结构，其特征在于，所述的馈电波导还包括设置在馈电波导内表面的复数个突起，该馈电波导可以为四周封闭的模腔，也可以为周期性开缝或周期性突起组成的模腔。

9.如权利要求8所述的高增益天线阵列结构，其特征在于，所述突起与馈电波导内表面之间可以电性连接或绝缘连接，突起的形状可以为长方体、正方体、圆柱形、棱柱形、三角锥。

10.如权利要求8所述的高增益天线阵列结构，其特征在于，所述突起的排列周期小于一个电磁波的波长，突起的高度为电磁波波长的四分之一到一个波长。

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