CN112003029A - 平板缝隙阵列天线、雷达、无线通信系统、毫米波天线 - Google Patents

Abstract

本发明属于天线技术领域，公开了一种平板缝隙阵列天线、雷达、无线通信系统、毫米波天线，设置有基体材料为纤维增强特种工程塑料的平板缝隙天线阵列、馈电板、功分网络、输出板；基底材料上依次设有化学镀层、金属化信号层和保护层；平板缝隙天线阵列1又包括44个隔离方腔、44个辐射缝和6个激励波导腔，功分网络3包括由若干个等臂长等功分的波导功分器级联而成。本发明与传统金属平板波导缝隙天线相比，具有轻量化，减重30％以上、加工更简单、生产成本低、更宽的频带和效率、高增益，无线信号传播距离更远、耐高温；有利于降低航空航天火箭及导弹武器的结构质量，提高其有效载荷和战斗力的目标。

Description

平板缝隙阵列天线、雷达、无线通信系统、毫米波天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种平板缝隙阵列天线、雷达、无线通信系统、毫米波天线。

背景技术

目前，随着雷达大量应用于陆、海、空三军及民航气象等领域，雷达天线的应用也日益广泛，现有雷达天线产品均采用锌(铝)合金压铸或机械加工制成，再通过表面打磨或机加后做电镀银、电镀锡等表面导电处理；这类天线重量大，生产成本高，工艺复杂，已不能满足我国航空航天及军事工业导弹轻量化、耐高温和低成本的需求。

现有技术中，用于航空航天飞行器的微波器件，多采用碳纤维增强环氧复合材料作表面金属化处理，代替传统铝、铜等金属材料，可减轻自重70％以上。这类微波器材的制作有多种方法，如：电镀法、模压法、金属铝热喷涂法、导电胶粘剂涂覆法、金属铝磁控溅射法、金属铝喷涂移模法等，根据微波器材不同的形态结构，金属化处理的方法各不相同。这类天线工作频率一般100MHz-18GHz之间，由于加工工艺和表面光洁度的限制，天线电气性能和工作频率很难再提升。而这些传统低频段已经被大量占用，相互之间的干扰也不可避免，Ka波段毫米波以其丰富的频谱资源和高抗干扰性能，越来越受到广大研究人员的青睐。随着人们对数据传输速率的要求日益提高，毫米波高增益天线也日益成为人们关注和研究的热点问题。

平板缝隙阵列天线是一种常用的微波功率辐射器件，具有低损耗，易加工，天线波束指向稳定等特点，特别适合毫米波高性能天线应用，Ka波段毫米波平板缝隙阵列天线由于工作频段高，用塑料制备的天线表面光洁度最好只有Ra 1.6mm，表面平整度也只有2mm，这很难保证天线的电气性能；所以现在急需研究一种轻量化高增益纤维增强特种工程塑料平板缝隙阵列天线。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：目前常用的金属平板缝隙阵列天线重量大、生产成本高、工艺复杂和现有塑料天线表面光洁度差、电气性能差。

解决以上问题及缺陷的难度为：

为了克服金属平板天线重量大、生产成本高和现有塑料天线光洁度差的困难，需要设计合理的天线结构、电镀工艺和特种工程塑料成形工艺，使得其光洁度达到Ra0.04mm，这是一个难题；另外，怎样使得制备的天线具有耐高温和增益高也是难点。

解决以上问题及缺陷的意义为：

本发明一改金属平板缝隙阵列天线生产工艺复杂、现有塑料天线只能在低频应用和光洁度差的现状，利用纤维增强特种工程塑料优异的热塑性、优化后的平板缝隙阵列天线电气性能及电镀工艺，制备轻量化高增益雷达毫米波平板缝隙阵列天线。本发明使得天线能够满足我国航空航天及军事工业导弹轻量化、耐高温和低成本的市场需求。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种平板缝隙阵列天线、雷达、无线通信系统、毫米波天线。

本发明是这样实现的，一种平板缝隙阵列天线，所述平板缝隙阵列天线设置有基体材料为纤维增强特种工程塑料的平板缝隙天线阵列、馈电板、功分网络、输出板；

所述基底材料上依次设有化学镀层、金属化信号层和保护层；

所述平板缝隙天线阵列包括隔离方腔、辐射缝和辐射波导腔，辐射缝上方设有隔离方腔，隔离方腔和辐射缝一一对应，辐射缝按一定倾角规律排序，辐射缝下方设有辐射波导腔；

所述馈电板包括馈电波导缝，馈电波导缝位于辐射波导腔的正下方；

所述功分网络包括由若干个等臂长等功分的波导功分器级联而成，分别分布在功分网络正反两面，功分网络正面为波导功分网络，馈电波导缝与波导功分网络上表面相连，功分网络反面为功分波导；

所述输出板采用平面结构，包括输入端口，输入端口又包括激励波导腔、激励缝；激励缝上表面与功分网络的功分波导相连，在输入端口分别形成校准、和波束、方位差和俯仰差波束。

进一步，所述平板缝隙天线阵列包括44个隔离方腔、44个辐射缝和6个辐射波导腔，辐射缝上方设有隔离方腔，隔离方腔和辐射缝一一对应，辐射缝按一定倾角规律排序，以增加相邻辐射缝的隔离度和提高辐射口径效率，辐射缝下方设有6个辐射波导腔；馈电板包括24个馈电波导缝，馈电波导缝位于辐射波导腔的正下方；功分网络包括由若干个等臂长等功分的波导功分器级联而成，分别分布在功分网络正反两面，功分网络正面为波导功分网络，馈电波导缝与波导功分网络上表面相连，功分网络反面为功分波导；输出板采用平面结构，包括4个输入端口，输入端口又包括4个激励波导腔、4个激励缝；激励缝上表面与功分网络的功分波导相连，在4个输入端口分别形成校准、和波束、方位差和俯仰差波束。

进一步，所述平板缝隙天线阵列为直径150mm×高3.5mm，44个辐射缝结构参数如下：

A1zα₁＝9.5°L₁＝4.04mm；A2：α₂＝14.5°L₂＝4.05mm；A3：α₃＝19°L₃＝4mm；A4：α₄＝24.5°L₄＝4mm；A5：α₅＝19°L₅＝3.98mm；A6：α₆＝22°L₆＝4.05mm；B1：α₇＝15°L₇＝4.04mm；B2：α₈＝16.8°L₈＝4.025mm；B3：α₉＝18°L₉＝3.99mm；B4：α₁₀＝21.8°L₁₀＝4.03mm；B5：α₁₁＝21.8°L₁₁＝4.10mm；

其中，A1、A2、A3、A4、A5、A6、B1、B2、B3、B4、B5为辐射缝编号，α₁、α₂、α₃、α₄、α₅、α₆、α₇、α₈、α₉、α₁₀、α₁₁为辐射缝倾斜角，L₁、L₂、L₃、L₄、L₅、L₆、L₇、L₈、L₉、L₁₀、L₁₁为辐射缝长度，辐射缝宽度W为0.8mm。

进一步，所述馈电板为直径150mm×高0.5mm；24个馈电波导缝有16条水平缝和8条斜缝，水平缝尺寸为长4.33mm×宽0.8mm，斜缝为长4.04mm×宽0.8mm，水平倾角为30°；

所述功分网络为直径150mm×高4mm，波导功分网络的波导功分器有2种；第1种采用1个功率分配膜片、1个阻抗匹配膜片和1个耦合缝隙，包括第一端口、第二端口、第三端口、第一功率分配膜片、第一阻抗匹配膜片和耦合缝隙；第2种采用1个功率分配膜片、3个阻抗匹配膜片和1个耦合缝隙，包括第一端口、第二端口、第三端口、第一功率分配膜片、第一阻抗匹配膜片和第二阻抗匹配膜片；信号从第1种波导功分器输入，经过第2种波导功分器，输出等幅同相的信号。

进一步，所述输出板为直径150mm×高3.5mm，所述激励波导腔尺寸为长7.112mm×宽2mm，激励缝尺寸为长4.7mm×宽1mm。

进一步，所述所述天线基体材料的纤维含量在25％至60％。

进一步，所述金属镀层和保护层利用激光镭雕、真空电镀、磁控电镀等技术完成，所述天线表面粗糙度为Ra0.04mm，所述天线表面平整度为0.04mm；

所述天线工作于Ka波段，频段为26.5GHz到40GHz。

所述天线增益仿真为32dB，E面3dB波束宽度为±5.6°，H面3dB波束宽度达到±5.3°，满足副瓣电平抑制大于15dBc，满足高增益，窄波束，低副瓣的性能要求；所述天线在26.5～40GHz带内驻波均优于-15dB。

本发明的另一目的在于提供一种安装有所述平板缝隙阵列天线的雷达。

本发明的另一目的在于提供一种安装有所述平板缝隙阵列天线的无线通信系统。

本发明的另一目的在于提供一种安装有所述平板缝隙阵列天线的毫米波天线。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供一种轻量化高增益纤维增强特种工程塑料平板缝隙阵列天线，采用不同纤维含量增强的不同种类特种工程塑料电气性能、耐高温、金属化设计、成形工艺及制造技术设计天线，实现轻量化高增益纤维增强特种工程塑料平板缝隙阵列天线，解决了目前常用的金属平板缝隙阵列天线重量大、生产成本高、工艺复杂和现有塑料天线表面光洁度差、电气性能差的问题，天线增益30db以上。

本发明提出了轻量化高增益纤维增强特种工程塑料平板缝隙阵列天线单元结构，采用新材料、新成型工艺和低剖面的天线结构设计克服了传统平板缝隙阵列天线由于谐振天线本质而导致的电气特性差的缺点；对多模波导的激励采用了缝隙耦合结构，与常规的采用波导口进行激励的方式相比，此种形式具有更低的剖面；在辐射缝的上方引入隔离方腔，不但增加相邻辐射缝单元之间的隔离度，同时提高了口径效率；与传统波导缝隙天线相比，此种天线形式效率和增益更高。

本发明馈电板提出了规律排列的馈电波导缝，结构简单；这些规律排列的馈电波导缝与功分网络相连，其表面充当了功分网络腔体的上表面，低剖面，减小了天线的体积。

本发明提出了紧凑型新型功分网络，由若干个等臂长等功分的波导功分器级联而成，采用平面结构，相对于传统的四端口网络，结构简单、阵列整体的剖面高度小，有利于减小整个天线的体积。

本发明轻量化高增益纤维增强特种工程塑料平板缝隙阵列天线具有明显的分层结构，可以采用多层板焊接的方式加工，易于生产。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，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是本发明实施例提供的平板缝隙阵列天线平面图；

图2是本发明实施例提供的分层结构示意图；

图3是本发明实施例提供的隔离方腔和辐射缝结构俯视图；

图4是本发明实施例提供的激励波导腔结构俯视图；

图5是本发明实施例提供的馈电板结构俯视图；

图6是本发明实施例提供的波导功分网络结构俯视图；

图7是本发明实施例提供的功分波导结构俯视图；

图8是本发明实施例提供的输出板结构正面俯视图；

图9是本发明实施例提供的输出板结构反面俯视图；

图10是本发明实施例提供的第1种波导功分器内腔结构示意图。

图11是本发明实施例提供的第2种波导功分器内腔结构示意图。

图中：1、平板缝隙天线阵列；2、馈电板；3、功分网络；4、输出板；31、第一端口；32、第二端口；33、第三端口；34、第一功率分配膜片；35、第一阻抗匹配膜片；36、耦合缝隙。

图12是本发明实施例提供的天线增益仿真图。

图13为本发明的驻波仿真图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，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。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种平板缝隙阵列天线、雷达、无线通信系统、毫米波天线，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1和图2所示，本发明实施例提供的平板缝隙阵列天线包括：平板缝隙天线阵列1、馈电板2、功分网络3、输出板4。

平板缝隙天线阵列1、馈电板2、功分网络3、输出板4基体材料为纤维增强特种工程塑料；天线基体材料的纤维含量40％。基底材料上依次设有化学镀层、金属化信号层和保护层。

本发明通过不同纤维含量增强的不同种类特种工程塑料电气性能、耐高温、金属化设计、成形工艺及制造技术设计天线，金属镀层和保护层利用激光镭雕、真空电镀、磁控电镀等技术完成，天线表面粗糙度为Ra 0.04mm，天线表面平整度为0.04mm；采用新材料、新成型工艺和低剖面的天线结构设计实现天线轻量化、耐高温和高增益等特性。

如图5-图9所示，馈电板2包括24个馈电波导缝，馈电波导缝位于辐射波导腔的正下方；功分网络3包括由若干个等臂长等功分的波导功分器级联而成，分别分布在功分网络3正反两面，功分网络3正面为波导功分网络，馈电波导缝与波导功分网络上表面相连，功分网络3反面为功分波导；输出板4采用平面结构，包括4个输入端口，输入端口又包括4个激励波导腔、4个激励缝；激励缝上表面与功分网络3的功分波导相连，在4个输入端口分别形成校准、和波束、方位差和俯仰差波束。

如图3和图4所示，在本发明的优选实施例中平板缝隙天线阵列1)尺寸为直径150mm×高3.5mm，平板缝隙天线阵列1又包括44个隔离方腔、44个辐射缝和6个辐射波导腔，辐射缝上方设有隔离方腔，隔离方腔和辐射缝一一对应，辐射缝按一定倾角规律排序，以增加相邻辐射缝的隔离度和提高辐射口径效率，辐射缝下方设有6个辐射波导腔；44个辐射缝结构参数如下：

A1：α1＝9.5°L1＝4.04mm；

A2：α2＝14.5°L2＝4.05mm；

A3：α3＝19°L3＝4mm；

A4：α4＝24.5°L4＝4mm；

A5：α5＝19°L5＝3.98mm；

A6：α6＝22°L6＝4.05mm；

B1：α7＝1 5°L7＝4.04mm；

B2：α8＝16.8°L8＝4.025mm；

B3：α9＝1 8°L9＝3.99mm；

B4：α10＝21.8°L10＝4.03mm；

B5：α11＝21.8°L11＝4.10mm；

其中，A1、A2、A3、A4、A5、A6、B1、B2、B3、B4、B5为辐射缝编号，α1、α2、α3、α4、α5、α6、α7、α8、α9、α10、α11为辐射缝倾斜角，L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8、L9、L10、L11为辐射缝长度，辐射缝宽度W为0.8mm。辐射缝形状决定了天线极化；辐射缝大小决定了天线频率，本发明天线工作于Ka波段，频段为26.5GHz到40GHz。

如图3所示，在本发明的优选实施例中隔离方腔的高度与天线增益有关，隔离方腔的高度越高，天线增益越大，优选实施例中隔离方腔高度1.5mm，天线增益30dB。

如图5所示，在本发明的优选实施例中馈电板2尺寸为直径150mm×高0.5mm；24个馈电波导缝有16条水平缝和8条斜缝，水平缝尺寸为长4.33mm×宽0.8mm，斜缝尺寸为长4.04mm×宽0.8mm，水平倾角为30°。

如图6、图7、图10、图11所示，在本发明的优选实施例中功分网络3尺寸为直径150mm×高4mm，波导功分网络的波导功分器有2种；第1种采用1个功率分配膜片、1个阻抗匹配膜片和1个耦合缝隙，包括第一端口31、第二端口32、第三端口33、第一功率分配膜片34、第一阻抗匹配膜片35和耦合缝隙36；第2种采用1个功率分配膜片、3个阻抗匹配膜片和1个耦合缝隙，包括第一端口31、第二端口32、第三端口33、第一功率分配膜片34、第一阻抗匹配膜片35和第二阻抗匹配膜片36；信号从第1种波导功分器输入，经过第2种波导功分器，输出等幅同相的信号。

如图8、图9所示，在本发明的优选实施例中输出板4尺寸为直径150mm×高3.5mm，激励波导腔尺寸为长7.112mm×宽2mm，激励缝尺寸为长4.7mm×宽1mm。

如图12所示，本发明天线增益仿真为32dB，E面3dB波束宽度为±5.6°，H面3dB波束宽度达到±5.3°，满足副瓣电平抑制大于15dBc，满足高增益，窄波束，低副瓣的性能要求；如图13驻波仿真图可知，本实施例在26.5～40GHz带内驻波均优于-15dB。

本发明将微带功分器4、匹配网络3以及各线阵结构置于同一个平面内构成面阵结构，方便制作、减少加工成本；将各线阵结构中辐射体1的尺寸从中间到两边依次逐渐变小，并且由于馈线2的特点，辐射体1间距变小，减小了天线的尺寸，同时改善了面阵结构的旁瓣电平，进而可提高车载毫米波雷达的测角精度；最后，在天线面阵结构中增加相位调节网络6，可提升天线的波束宽度，使雷达天线满足不同环境与场景测速和测角要求。

证明部分(具体实施例/实验/仿真/能够证明本发明创造性的正面实验数据等)

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种平板缝隙阵列天线，其特征在于，所述平板缝隙阵列天线设置有基体材料为纤维增强特种工程塑料的平板缝隙天线阵列、馈电板、功分网络、输出板；

所述基底材料上依次设有化学镀层、金属化信号层和保护层；

所述平板缝隙天线阵列包括隔离方腔、辐射缝和辐射波导腔，辐射缝上方设有隔离方腔，隔离方腔和辐射缝一一对应，辐射缝按一定倾角规律排序，辐射缝下方设有辐射波导腔；

所述馈电板包括馈电波导缝，馈电波导缝位于辐射波导腔的正下方；

所述功分网络包括由若干个等臂长等功分的波导功分器级联而成，分别分布在功分网络正反两面，功分网络正面为波导功分网络，馈电波导缝与波导功分网络上表面相连，功分网络反面为功分波导；

所述输出板采用平面结构，包括输入端口，输入端口又包括激励波导腔、激励缝；激励缝上表面与功分网络的功分波导相连，在输入端口分别形成校准、和波束、方位差和俯仰差波束。

2.如权利要求1所述的平板缝隙阵列天线，其特征在于，所述平板缝隙天线阵列包括44个隔离方腔、44个辐射缝和6个辐射波导腔，辐射缝上方设有隔离方腔，隔离方腔和辐射缝一一对应，辐射缝按一定倾角规律排序，以增加相邻辐射缝的隔离度和提高辐射口径效率，辐射缝下方设有6个辐射波导腔；馈电板包括24个馈电波导缝，馈电波导缝位于辐射波导腔的正下方；功分网络包括由若干个等臂长等功分的波导功分器级联而成，分别分布在功分网络正反两面，功分网络正面为波导功分网络，馈电波导缝与波导功分网络上表面相连，功分网络反面为功分波导；输出板采用平面结构，包括4个输入端口，输入端口又包括4个激励波导腔、4个激励缝；激励缝上表面与功分网络的功分波导相连，在4个输入端口分别形成校准、和波束、方位差和俯仰差波束。

3.如权利要求1所述的平板缝隙阵列天线，其特征在于，所述平板缝隙天线阵列为直径150mm×高3.5mm，44个辐射缝结构参数如下：

A1：α₁＝9.5°L₁＝4.04mm；A2：α₂＝14.5°L₂＝4.05mm；A3：α₃＝19°L₃＝4mm；A4：α₄＝24.5°L₄＝4mm；A5：α₅＝19°L₅＝3.98mm；A6：α₆＝22°L₆＝4.05mm；B1：α₇＝15°L₇＝4.04mm；B2：α₈＝16.8°L₈＝4.025mm；B3：α₉＝18°L₉＝3.99mm；B4：α₁₀＝21.8°L₁₀＝4.03mm；B5：α₁₁＝21.8°L₁₁＝4.10mm；

其中，A1、A2、A3、A4、A5、A6、B1、B2、B3、B4、B5为辐射缝编号，α₁、α₂、α₃、α₄、α₅、α₆、α₇、α₈、α₉、α₁₀、α₁₁为辐射缝倾斜角，L₁、L₂、L₃、L₄、L₅、L₆、L₇、L₈、L₉、L₁₀、L₁₁为辐射缝长度，辐射缝宽度W为0.8mm。

4.如权利要求1所述的平板缝隙阵列天线，其特征在于，所述馈电板为直径150mm×高0.5mm；24个馈电波导缝有16条水平缝和8条斜缝，水平缝尺寸为长4.33mm×宽0.8mm，斜缝为长4.04mm×宽0.8mm，水平倾角为30°；

所述功分网络为直径150mm×高4mm，波导功分网络的波导功分器有2种；第1种采用1个功率分配膜片、1个阻抗匹配膜片和1个耦合缝隙，包括第一端口、第二端口、第三端口、第一功率分配膜片、第一阻抗匹配膜片和耦合缝隙；第2种采用1个功率分配膜片、3个阻抗匹配膜片和1个耦合缝隙，包括第一端口、第二端口、第三端口、第一功率分配膜片、第一阻抗匹配膜片和第二阻抗匹配膜片；信号从第1种波导功分器输入，经过第2种波导功分器，输出等幅同相的信号。

5.如权利要求1所述的平板缝隙阵列天线，其特征在于，所述输出板为直径150mm×高3.5mm，所述激励波导腔尺寸为长7.112mm×宽2mm，激励缝尺寸为长4.7mm×宽1mm。

6.如权利要求1所述的平板缝隙阵列天线，其特征在于，所述所述天线基体材料的纤维含量在25％至60％。

7.如权利要求1所述的平板缝隙阵列天线，其特征在于，所述金属镀层和保护层利用激光镭雕、真空电镀、磁控电镀等技术完成，所述天线表面粗糙度为Ra0.04mm，所述天线表面平整度为0.04mm；

所述天线工作于Ka波段，频段为26.5GHz到40GHz。

8.一种安装有权利要求1～7任意一项所述平板缝隙阵列天线的雷达。

9.一种安装有权利要求1～7任意一项所述平板缝隙阵列天线的无线通信系统。

10.一种安装有权利要求1～7任意一项所述平板缝隙阵列天线的毫米波天线。

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