CN112332113B - 宽带高增益空气波导阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种宽带高增益空气波导阵列天线，属于阵列天线技术领域。包括由多级X型功分器构成的空气波导功分网络拓扑结构，电磁能量由输入端口输入X型功分器等分为四路后分别传送至下一级X型功分器；最后一级X型功分器将电磁能量传输给辐射单元；输入波导连接第一级X型功分器的输入端口；电磁能量经输入波导传输给第一级X型功分器，最后一级X型功分器将由上一级X型功分器输入的电磁能量等分为四路后分别传输给辐射单元的一个子辐射单元。本发明整体结构简单紧凑，易于加工，空气波导功分网络拓扑结构为多层馈电网络结构，实现了电磁能量有效分配及高效传输；且具有较高增益和工作带宽。

Description

宽带高增益空气波导阵列天线

技术领域

本发明涉及阵列天线技术领域，具体涉及一种宽带高增益空气波导阵列天线。

背景技术

随着通信系统对传输速率的需求越来越高，为了缩小系统体积、提高增益克服大气传输损耗，具有宽带高增益特性的天线对于提升系统性能至关重要。而宽带的馈电网络是组成宽带阵列天线的重要组成部分。传统的宽带馈电网络多采用多个T型结级联构成的H型拓扑结构，为了提高此类馈电网络的带宽，现有的方法多采用在T型结处增加调谐针、输入端口与T型结输出端口两臂之间增加高度差等方法，减小单个T型结处的反射，进而增加整个馈电网络的阻抗带宽。然而，由于在多个T型结处的小反射叠加，使得这种H型并联拓扑结构的馈电网络的阻抗带宽很难进一步得到提高。近年来，随着新兴制造工艺的发展，为阵列天线的设计提供了更多的自由度，使得其馈电网络的拓扑结构不再局限于H型拓扑设计。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提升阵列天线的阻抗带宽，具有宽频带、高增益、良好且稳定辐射特性的宽带高增益空气波导阵列天线，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：

本发明提供的一种宽带高增益空气波导阵列天线，包括：

空气波导功分网络拓扑结构，所述空气波导功分网络拓扑结构包括多级X型功分器，所述X型功分器包括一个输入端口，电磁能量由输入端口输入所述功分器等分为四路后分别传送至下一级X型功分器的输入端口；最后一级X型功分器将电磁能量传输给辐射单元；

金属基体，金属基体内部设有所述空气波导功分网络拓扑结构和输入波导；所述输入波导连接空气波导功分网络拓扑结构的第一级X型功分器的输入端口；

电磁能量经所述输入波导传输给所述空气波导功分网络拓扑结构的第一级X型功分器，所述空气波导功分网络拓扑结构的最后一级X型功分器将由上一级X型功分器输入的电磁能量等分为四路后分别传输给辐射单元的一个子辐射单元。

所述X型功分器由一个输入端口连接四个传输枝节构成，最后一级X型功分器的四个传输枝节的末端分别连接一个子辐射单元；

所述子辐射单元包括空气腔体，与空气腔体连接的四个锥型喇叭以及位于锥型喇叭的开口面上方的截方波导，四个锥型喇叭以及截方波导通过连通腔连通设置。

优选的，每一级所述X型功分器的传输枝节的末端分别设有一短直波导，相邻的两级所述X型功分器通过短直波导连接。

优选的，每一级所述X型功分器的输入端口设有两个相对的第一直角膜片以及相对的两个第一三角膜片；所述传输枝节的末端一侧设所述短直波导，所述短直波导位于远离所述输入端口的一侧；所述传输枝节的末端的另一侧设有凹陷膜片。

优选的，所述空气波导功分网络由三级X型功分器上下逐次级联构成；

所述输入波导连接第一级X型功分器的输入端口，所述第一级X型功分器的四个传输枝节的末端的短直波导分别连接一个第二级X型功分器的输入端口；

所述第二级X型功分器位于所述第一级X型功分器的上方，所述第二级X型功分器的四个传输枝节的末端的短直波导分别连接一个第三级X型功分器的输入端口；

所述第三级X型功分器位于所述第二级X型功分器的上方，所述第三级X型功分器的四个传输枝节的末端的短直波导分别连接一个子辐射单元。

优选的，所述多级X型功分器将电磁能量均匀分配成多路后通过最后一级X型功分器上的短直波导传输给所述子辐射单元的空气腔体。

优选的，电磁能量由输入波导传输给第一级X型功分器被等分为4路后，每一路电磁能量由第一级X型功分器的四个短直波导分别传输给四个第二级X型功分器的输入端口。

优选的，每一个第二级X型功分器将电磁能量等分为四路后，每一路电磁能量由第二级X型功分器的四个短直波导分别传输给四个第三级X型功分器的输入端口。

优选的，每一个第三级X型功分器将电磁能量等分为四路后，每一路电磁能量由第三级X型功分器的四个短直波导分别传输给四个子辐射单元的空气腔体。

优选的，所述空气腔体的上表面设有第二三角膜片。

本发明有益效果：整体结构紧凑，馈电网络拓扑结构简单、易于加工实现，在拓扑网络结构末端对辐射单元馈电，具有多层的馈电网络结构，可实现电磁能量有效分配及高效传输；具有较好的增益和工作带宽。

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宽带高增益空气波导阵列天线的功分网络拓扑原理框图。

图2为本发明实施例所述的宽带高增益空气波导阵列天线的立体结构图。

图3为本发明实施例所述的宽带高增益空气波导阵列天线的三维分层结构图，

图4为本发明实施例所述的宽带高增益空气波导阵列天线的功分网络侧视结构图。

图5为本发明实施例所述的宽带高增益空气波导阵列天线的子辐射单元的立体结构图。

图6为本发明实施例所述的宽带高增益空气波导阵列天线的子辐射单元的主视结构图。

图7为本发明实施例所述的宽带高增益空气波导阵列天线的第三级X型功分器俯视结构图。

图8为本发明实施例所述的宽带高增益空气波导阵列天线的第二级X型功分器俯视结构图。

图9为本发明实施例所述的宽带高增益空气波导阵列天线的第一级X型功分器俯视结构图。

图10为本发明实施例所述的宽带高增益空气波导阵列天线的S参数仿真结果示意图。

其中：1-金属基体；2-输入波导；3-输入端口；4-传输枝节；5-子辐射单元；6-空气腔体；7-锥型喇叭；8-截方波导；9-连通腔；10-短直波导；11-第一直角膜片；12-第一三角膜片；13-凹陷膜片；14-第一级X型功分器；15-第二级X型功分器；16-第三级X型功分器；17-第二三角膜片。

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。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

在本专利的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。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。

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1

本发明实施例1提供一种宽带高增益空气波导阵列天线，如图1所示，整体拓扑网络由多个子辐射单元5、1分4功分器(X型功分器)和连接节点构成，4个子辐射单元5由第三级X型功分器16连接(即第三级1分4功分器14的末端输出端口连接至4个子辐射单元)，第三级1分4功分器的输入节点即输入端口3，4个第三级1分4功分器的输入节点由第二级1分4功分器(即第二级X型功分器15)进行连接(即第二级1分4功分器的末端输出端口连接至4个第三级1分4功分器的输入节点)。如图1所示的馈电网络拓扑结构可扩大至更大的阵列规模，只需将上一级1分4功分器末端的输入端口与下一级1分4功分器的末端输出端口连接即可。

在本实施例1中，如图2、图3、图4所示，空气波导阵列天线嵌于金属基体1中，电磁能量经由输入波导2进入金属空气腔体内部，经由第一级1分4功分器(即第一级X型功分器14)、第二级1分4功分器(即第二级X型功分器15)和第三级X型功分器16馈送至2×2子辐射单元5，为实现各层级1分4功分器之间的连接，上一级1分4功分器的中间位置与下一级1分4功分器末端通过一截短直波导10进行连接。

为实现电磁能量的良好匹配，1分4功分器由中间位置向4个传输枝节4传递电磁能量，通过一对第一直角膜片11和一对第一三角膜片12实现。为实现下一级与上一级功分器间能量的良好传输，在下一级功分器支路末端与短直波导10连接处采用向内凹陷的膜片(即凹陷膜片13)。

如图5、图6所示，为实现宽带特性，除需要宽带的馈电网络外，同样需要采用宽带的2×2子辐射单元5，子辐射单元5具体包括空气腔体6，E面角锥喇叭(即锥型喇叭7)以及一截方波导8，为提高子辐射单元的带宽，空气腔体上表面增加三角形膜片(即第二三角膜片17)，为了进一步改善匹配特性，将4个基本辐射单元(即E面角锥喇叭和一截方波导)通过中间的连通腔9相连连通(连通腔9为由4个锥型喇叭和截方波导中间的金属基体去掉上部分形成)。

本实施例1所示的空气波导阵列天线，具体结构包括：

空气波导功分网络拓扑结构，所述空气波导功分网络拓扑结构为包括多级X型功分器，所述X型功分器包括一个输入端口，电磁能量由输入端口3输入所述功分器等分为四路后分别传送至下一级X型功分器的输入端口；最后一级X型功分器将电磁能量传输给辐射单元；

金属基体1，金属基体1内部设有所述空气波导功分网络拓扑结构和输入波导2；所述输入波导2连接空气波导功分网络拓扑结构的第一级X型功分器的输入端口3；

电磁能量经所述输入波导2传输给所述空气波导功分网络拓扑结构的第一级X型功分器，所述空气波导功分网络拓扑结构的最后一级X型功分器将由上一级X型功分器输入的电磁能量等分为四路后分别传输给辐射单元的一个子辐射单元。

所述X型功分器由一个输入端口3连接四个传输枝节4构成，最后一级X型功分器的四个传输枝节4的末端分别连接一个子辐射单元5；所述子辐射单元5包括空气腔体6，与空气腔体6连接的四个锥型喇叭7以及位于角锥喇叭7的开口面上方的截方波导8，四个锥型喇叭7及截方波导围绕连通腔9连通设置。每一级所述X型功分器的传输枝节4的末端分别设有一短直波导10，相邻的两级所述X型功分器通过短直波导10连接。

每一级所述X型功分器的输入端口3设有两个相对的第一直角膜片11以及相对的两个第一三角膜片12；所述传输枝节4的末端一侧设所述短直波导10，所述短直波导10位于远离所述输入端口3的一侧；所述传输枝节4的末端的另一侧设有凹陷膜片13。

所述空气波导功分网络由三级X型功分器上下逐次级联构成；

如图9所示，所述输入波导2连接第一级X型功分器14的输入端口3，所述第一级X型功分器14的四个传输枝节4的末端的短直波导10分别连接一个第二级X型功分器15的输入端口3；

如图8所示，所述第二级X型功分器15位于所述第一级X型功分器14的上方，所述第二级X型功分器15的四个传输枝节4的末端的短直波导10分别连接一个第三级X型功分器16的输入端口3；

如图7所示，所述第三级X型功分器16位于所述第二级X型功分器15的上方，所述第三级X型功分器16的四个传输枝节4的末端的短直波导10分别连接一个子辐射单元5。

所述多级X型功分器将电磁能量均匀分配成多路后通过最后一级X型功分器上的短直波导10传输给所述子辐射单元5的空气腔体6。电磁能量由输入波导2传输给第一级X型功分器14被等分为4路后，每一路电磁能量由第一级X型功分器14的四个短直波导10分别传输给四个第二级X型功分器15的输入端口3。每一个第二级X型功分器15将电磁能量等分为四路后，每一路电磁能量由第二级X型功分器15的四个短直波导10分别传输给四个第三级X型功分器16的输入端口3。每一个第三级X型功分器16将电磁能量等分为四路后，每一路电磁能量由第三级X型功分器16的四个短直波导10分别传输给四个子辐射单元5的空气腔体6。

实施例2

本发明实施例2提供一种带宽增强拓扑网络，整体拓扑网络由多个子辐射单元5、1分4功分器(X型功分器)和连接节点构成，4个子辐射单元5由第三级X型功分器16连接(即第三级1分4功分器14的末端输出端口连接至4个子辐射单元)，第三级1分4功分器的输入节点即输入端口3，4个第三级1分4功分器的输入节点由第二级1分4功分器(即第二级X型功分器15)进行连接(即第二级1分4功分器的末端输出端口连接至4个第三级1分4功分器的输入节点)。基于所设计的拓扑结构设计的阵列结构，阵列规模为2n×2n，拓扑结构网络从上至下分别为2×2的子辐射单元，第1，2，3…n级1分4功分器，第k级1分4功分器的其中一个支路末端输出端口(k≤n)，与第k-1级1分4功分器中间输入端口相连接。图中所示的功分器为示意结构，仅表示各级间的连接关系。

本实施例2中，基于所设计的带宽增强拓扑网络，设计宽带高增益的空气波导阵列天线。具有宽带特性的阵列结构需要宽带的馈电网络以及宽带的辐射单元结构。应注意，为实现宽带的平面阵列结构，宽带辐射单元结构部分不局限于现有的喇叭结构设计，此处设计的宽带高增益空气波导阵列天线为采用上述带宽增强方法的一种具体实施形式，用以验证所提出的方法，可以实现更宽的阻抗带宽。

所设计的空气波导功分网络共有16×16个辐射单元，每4个辐射单元可以构成一个子辐射单元。其中，空气波导阵列天线嵌于金属基体1中，电磁能量经由输入波导2进入金属空气腔体内部，经由三级1分4功分器(即第一级X型功分器14、第二级X型功分器15、第三级X型功分器16)馈送至2×2子辐射单元5，相邻层级的1分4功分器通过短直波导10相连接。

本实施2中，1分4功分器为X型结构，为实现电磁能量的良好传输，1分4功分器由中间位置向4个输出端口传递电磁能量，通过引入一对直角膜片(第一直角膜片11)和一对三角膜片(第一三角膜片12)实现匹配，传输枝节4连接1分4功分器中间主体部分与4个短直波导10(不局限于45度倾斜直波导，也应包括为实现主体结构与支路结构连接的其他弯折结构)。

为实现各个辐射单元馈电，X型功分器的末端支节方向与短直波导长边方向一致。为实现相邻两级1分4功分器间能量的良好传输，在下一级功分器支路末端与短直波导连接处采用向内凹陷的膜片(即凹陷膜片13)。(此处1分4功分器末端与上一级功分器输入端口连接方式除采用末端支节弯折方式外，也可将末端支节与短直波导10直连，保持1分4功分器主体部分为X型)

为实现宽带特性，除上述宽带的馈电网络设计外，需采用宽带的2×2子辐射单元5，此处宽带辐射单元设计基于E面角锥喇叭，并做了相应的改进。同样可采用其他具有宽带特性的辐射单元结构，如磁电偶极子等。所设计的子辐射单元5具体包括空气腔体6，E面角锥喇叭(即锥型喇叭7)以及位于喇叭口面上方的一截方波导8。为改进喇叭口面电场分布，提高匹配特性，另一种设计将在4个锥型喇叭之间挖去金属基体部分的上部形成锥型连通腔9。为实现空气腔体与4个喇叭单元间的良好匹配，在空气腔体上表面增加三角形的金属膜片(即第二三角膜片17)。

所设计的平面阵列天线的S参数仿真结果如图10所示，可以看出|S11|<-10dB的阻抗带宽为42.1％，采用所提出的阵列天线带宽增强方法设计的16×16规模的阵列天线的阻抗带宽得到了显著提高，采用多层X型1分4功分器实现带宽增强方法中的互连结构，证实所提出的设计方案可以实现较好的性能。

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)

1.一种宽带高增益空气波导阵列天线，其特征在于，包括：

空气波导功分网络拓扑结构，所述空气波导功分网络拓扑结构包括多级X型功分器，所述X型功分器包括一个输入端口，电磁能量由输入端口(3)输入所述X型功分器等分为四路后分别传送至下一级X型功分器的输入端口(3)；最后一级X型功分器将电磁能量传输给辐射单元；

金属基体(1)，金属基体(1)内部设有所述空气波导功分网络拓扑结构和输入波导(2)；所述输入波导(2)连接空气波导功分网络拓扑结构的第一级X型功分器的输入端口(3)；

电磁能量经所述输入波导(2)传输给所述空气波导功分网络拓扑结构的第一级X型功分器，所述空气波导功分网络拓扑结构的最后一级X型功分器将由上一级X型功分器输入的电磁能量等分为四路后分别传输给辐射单元的一个子辐射单元；

所述X型功分器由一个输入端口(3)连接四个传输枝节(4)构成，最后一级X型功分器的四个传输枝节(4)的末端分别连接一个子辐射单元(5)；

所述子辐射单元(5)包括空气腔体(6)，与空气腔体(6)连接的四个锥型喇叭(7)以及位于锥型喇叭(7)的开口面上方的截方波导(8)，四个锥型喇叭(7)以及截方波导(8)通过连通腔(9)连通设置；

每一级所述X型功分器的传输枝节(4)的末端分别设有一短直波导(10)，相邻的两级所述X型功分器通过短直波导(10)连接；

每一级所述X型功分器的输入端口(3)设有两个相对的第一直角膜片(11)以及相对的两个第一三角膜片(12)；所述传输枝节(4)的末端一侧设所述短直波导(10)，所述短直波导(10)位于远离所述输入端口(3)的一侧；所述传输枝节(4)的末端的另一侧设有凹陷膜片(13)。

2.根据权利要求1所述的宽带高增益空气波导阵列天线，其特征在于：

所述空气波导功分网络由三级X型功分器上下逐次级联构成；

所述输入波导(2)连接第一级X型功分器(14)的输入端口(3)，所述第一级X型功分器(14)的四个传输枝节(4)的末端的短直波导(10)分别连接一个第二级X型功分器(15)的输入端口(3)；

所述第二级X型功分器(15)位于所述第一级X型功分器(14)的上方，所述第二级X型功分器(15)的四个传输枝节(4)的末端的短直波导(10)分别连接一个第三级X型功分器(16)的输入端口(3)；

所述第三级X型功分器(16)位于所述第二级X型功分器(15)的上方，所述第三级X型功分器(16)的四个传输枝节(4)的末端的短直波导(10)分别连接一个子辐射单元(5)。

3.根据权利要求2所述的宽带高增益空气波导阵列天线，其特征在于：

所述多级X型功分器将电磁能量均匀分配成多路后通过最后一级X型功分器上的短直波导(10)传输给所述子辐射单元(5)的空气腔体(6)。

4.根据权利要求3所述的宽带高增益空气波导阵列天线，其特征在于：

电磁能量由输入波导(2)传输给第一级X型功分器(14)被等分为4路后，每一路电磁能量由第一级X型功分器(14)的四个短直波导(10)分别传输给四个第二级X型功分器(15)的输入端口(3)。

5.根据权利要求4所述的宽带高增益空气波导阵列天线，其特征在于：

每一个第二级X型功分器(15)将电磁能量等分为四路后，每一路电磁能量由第二级X型功分器(15)的四个短直波导(10)分别传输给四个第三级X型功分器(16)的输入端口(3)。

6.根据权利要求5所述的宽带高增益空气波导阵列天线，其特征在于：

每一个第三级X型功分器(16)将电磁能量等分为四路后，每一路电磁能量由第三级X型功分器(16)的四个短直波导(10)分别传输给四个子辐射单元(5)的空气腔体(6)。

7.根据权利要求6所述的宽带高增益空气波导阵列天线，其特征在于：

所述空气腔体(6)的上表面设有第二三角膜片(17)。

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