CN111129763A - 一种脊波导缝隙阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种脊波导缝隙阵列天线，该脊波导缝隙阵列天线由从上至下的辐射层、耦合层及馈电层组成，其中，馈电层对接收的电磁波信号进行分配并传递到耦合层，耦合层对电磁波信号进行耦合处理后传输至辐射层进行辐射，在辐射层设置交叉十字形的高阻抗表面，从而形成电磁波的抑制结构，减少电磁波的损耗，馈电层采用脊隙与波导腔体分层加工的方式，加工难度小，并通过WR‑12标准矩形波导接口进行垂直馈电，提高天线的增益和效率。
Description
技术领域
本发明属于天线领域，特别是涉及一种缝隙阵列天线。
背景技术
目前的微波波段中，尤其是6GHz以下的频段应用已经趋向饱和，但是，面向未来的无线与移动通信系统对于通信速率有着更高的要求，例如要求下载速度达到1Gbps，因此能够提供更高带宽的毫米波波段就成了新的利用目标，其频率范围介于30GHz-300GHz。然而，到目前为止毫米波技术中所遇到的核心障碍便是其氧气衰减或水衰减比较严重，相应地毫米波通信的距离会受到限制，因此开发高增益的天线便成了毫米波通信系统中的技术难点。
传统的高增益天线包括反射面和阵列天线，考虑到未来无线与移动通信系统中基站体积小巧，因此，厚重的反射面天线显然不适合再作为毫米波通信系统的终端。相反地，高辐射效率的缝隙阵列天线就成为未来无线通信系统中前传通信和回传通信的唯一选择。
在传统的卫星通信应用的机载通信与微波探测系统中，缝隙阵列天线的劣势十分明显，例如：矩形波导虽然具有低损耗的特点，但是其在毫米波的应用中对于多层金属结合的紧密性、加工误差度等要求过高，且组装时存在金属贴面间的电磁波泄露。市场上已有的多层金属片层压技术在很大程度上解决了矩形波导稳定性差的问题，但是该多层金属片层压技术的加工成本异常高昂，并不适合大量工业化生产。
因此，有必要开发一种设计复杂度小，辐射效果良好，加工成本低的缝隙阵列天线。
发明内容
为了解决以上现有技术的不足，本发明提出一种基于高阻抗表面的脊波导缝隙阵列天线，本发明的技术方案如下：
一种脊波导缝隙阵列天线，该脊波导缝隙阵列天线由从上至下的辐射层、耦合层及馈电层组成，其中，馈电层对接收的电磁波信号进行分配并传递到耦合层，耦合层对电磁波信号进行耦合处理后传输至辐射层进行辐射。
进一步的，所述的辐射层进一步包括从上至下依次设置的辐射口、辐射腔体、耦合层腔体及辐射单元。
进一步的，所述的辐射层的相邻两个辐射单元之间的间距为0.84倍的电磁波波长。
进一步的，所述的辐射层的辐射单元正下方还设置长方体的金属块用于提高带宽。
进一步的，所述的耦合层进一步包括复数个耦合口。
进一步的，所述的脊波导缝隙阵列天线的工作频率为30GHz至220GHz。
进一步的，所述的馈电层进一步包括从上至下依次设置的基于高阻抗表面的脊传输线，WR-12标准波导口及底板。
进一步的，所述的馈电层采用全并联方式馈电。
进一步的，所述的馈电层设置有T形的功率分配器，该功率分配器将电磁波信号由T型功率分配器传递到耦合层。
进一步的，所述的馈电层在末端采用磁场激励耦合层。
进一步的，所述的馈电层上表面和下表面均设置交叉十字形的高阻抗表面。
采用本发明的基于高阻抗表面的脊波导缝隙阵列天线，在30GHz至220GHz的毫米波频段内，利用高阻抗表面传输线的脊波导缝隙阵列天线采取分层加工的方式进行组装，天线辐射效果好，加工成本低，市场上竞争力较强。
附图说明
图1：本发明脊波导缝隙阵列天线的整体结构图。
图2：本发明脊波导缝隙阵列天线的子阵列透视图。
图3：本发明脊波导缝隙阵列天线的辐射层背面示意图。
图4：本发明脊波导缝隙阵列天线的耦合层正面示意图。
图5：本发明脊波导缝隙阵列天线馈电层的透视图。
图6：本发明脊波导缝隙阵列天线馈电层的功率分配器。
图7：本发明脊波导缝隙阵列天线的馈电层WR-12接口示意图。
图8：本发明脊波导缝隙阵列天线的方向辐射图。
图9：本发明脊波导缝隙阵列天线的增益性能图。
图10：本发明脊波导缝隙阵列天线的驻波性能图。
图示标号说明：
1：辐射层；
2：耦合层；
3：馈电层；
101：辐射口
102：辐射腔体；
103：耦合层腔体；
201：耦合口；
301：基于高阻抗表面的脊传输线；
302：WR-12标准波导口；
303： 底板。
具体实施方式
为了解决现有技术的不足，本发明提出一种脊波导缝隙阵列天线，并利用交叉十字形的高阻抗表面形成电磁波的抑制结构，该高阻抗表面的抑制结构在脊波导缝隙阵列天线的馈电传输线中能够减少电磁波的损耗，提高天线的增益和效率。
请参考图1脊波导缝隙阵列天线的整体结构图，该脊波导缝隙阵列天线由从上至下的辐射层1、耦合层2及馈电层3组成，其中馈电层3采用WR-12标准矩形波导接口垂直提供电磁信号，并采用全并联馈电的方式，电磁波信号由五级的T型功率分配器传递到耦合层2，馈电层3的上表面和下表面均布设有交叉十字形高阻抗表面，用来抑制电磁波的泄露，从而避免需要良好电接触的真空焊或者扩散焊加工方式，设计成本可控，测试效果良好。
特别的，馈电层3采用脊与波导腔体分层加工的方式，该脊波导缝隙阵列天线通过WR-12标准矩形波导接口进行垂直馈电，输出端的电磁波信号相位有180度的相位差别，然后整个天线阵列进行镜像对称设计来进行相位抵消。
请参考图2脊波导缝隙阵列天线的子阵列透视图及图7脊波导缝隙阵列天线的馈电层WR-12接口示意图，图2是图1脊波导缝隙阵列天线的透视图，其中辐射层1进一步由辐射口101，辐射腔体102，耦合层腔体103及辐射单元组成，其中辐射腔体102呈矩形，相邻两个辐射单元之间的间距为0.84倍的电磁波波长，辐射腔体102位于辐射单元的上方，辐射单元的正下方设置长方体的金属块，用来提高脊波导缝隙阵列天线的带宽。耦合层2进一步包括耦合口201，馈电层3进一步包括基于高阻抗表面的脊传输线301，WR-12标准波导口302及底板303，馈电层3的表面进一步设置有大致呈长条形的间隙，该间隙与基于高阻抗表面的脊传输线301共同构成五级的T形功率分配器，对电磁波信号进行分配，便于与耦合口201进行配合。特别的，耦合层2通过耦合口201与馈电层3连接。
进一步的，馈电层3的末端采用磁场激励耦合层2，从而避免使用转弯波导激励的方式，节省脊波导馈电的布线空间。
请参考图3脊波导缝隙阵列天线的辐射层1的背面示意图，辐射层1的背面设置有耦合层腔体103，该耦合层腔体103用于配合耦合层2进行电磁波信号的耦合。
参考图4脊波导缝隙阵列天线的耦合层2的正面示意图，该耦合层2的表面设置多个耦合口201。
参考图5脊波导缝隙阵列天线的馈电层3的透视图，基于高阻抗表面的脊传输线301设置在底板303的表面。
参考图6脊波导缝隙阵列天线的馈电层3的功率分配器，复数个基于高阻抗表面的脊传输线301设置在大致呈丁字形的脊隙两侧，两者共同构成馈电层3的功率分配器。
请参考图8脊波导缝隙阵列天线的方向辐射图，图8中分别设置电磁波频率为71GHz、79 GHz及86 GHz，实际的电磁波辐射测量值与模拟值呈现较好的吻合曲线，表明本发明脊波导缝隙阵列天线的设计效果良好，达到了设计目的。
请参考图9脊波导缝隙阵列天线的增益性能图和图10本发明脊波导缝隙阵列天线的驻波性能图，在图10中设置两个电磁波采样点频率为69.38GHz和88.78GHz，实际测量电磁波的S11反射系数分别为-13.05dB和-15.51dB，电磁波的增益和驻波性能均处于良好状态。
以上所述仅为本发明的优选实施例，其示例在附图中示出，本领域技术人员应该理解，这些实施并不用于限制本发明的保护范围，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，在本发明的以上详细描述中，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。
Claims (11)
1.一种脊波导缝隙阵列天线，其特征在于：该脊波导缝隙阵列天线由从上至下的辐射层、耦合层及馈电层组成，其中，馈电层对接收的电磁波信号进行分配并传递到耦合层，耦合层对电磁波信号进行耦合处理后传输至辐射层进行辐射。
2.如权利要求1所述的脊波导缝隙阵列天线，其特征在于，所述的辐射层进一步包括从上至下依次设置的辐射口、辐射腔体、耦合层腔体及辐射单元。
3.如权利要求2所述的脊波导缝隙阵列天线，其特征在于，所述的辐射层的相邻两个辐射单元之间的间距为0.84倍的电磁波波长。
4.如权利要求2所述的脊波导缝隙阵列天线，其特征在于，所述的辐射层的辐射单元正下方还设置长方体的金属块用于提高带宽。
5.如权利要求1所述的脊波导缝隙阵列天线，其特征在于，所述的耦合层进一步包括复数个耦合口。
6.如权利要求1所述的脊波导缝隙阵列天线，其特征在于，所述的脊波导缝隙阵列天线的工作频率为30GHz至220GHz。
7.如权利要求1所述的脊波导缝隙阵列天线，其特征在于，所述的馈电层进一步包括从上至下依次设置的基于高阻抗表面的脊传输线，WR-12标准波导口及底板。
8.如权利要求7所述的脊波导缝隙阵列天线，其特征在于，所述的馈电层采用全并联方式馈电。
9.如权利要求7所述的脊波导缝隙阵列天线，其特征在于，所述的馈电层设置有T形的功率分配器，该功率分配器将电磁波信号由T型功率分配器传递到耦合层。
10.如权利要求7所述的脊波导缝隙阵列天线，其特征在于，所述的馈电层在末端采用磁场激励耦合层。
11.如权利要求7所述的脊波导缝隙阵列天线，其特征在于，所述的馈电层上表面和下表面均设置交叉十字形的高阻抗表面。
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