CN112436295A - 基于脊间隙波导的毫米波高增益高辐射效率槽天线阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于脊间隙波导的毫米波高增益高辐射效率槽天线阵列，包括上中下三层结构：最上层是通过机械加工制成的全金属辐射单元层，由16个等间距的倒梯形槽辐射单元组成；中间层是通过多层印刷电路板技术加工而成的基片集成波导高次模谐振腔馈电层，所述的基片集成波导高次模谐振腔馈电层由上中下三层平面结构组成：上方是具有矩形缝隙的金属印刷面，中间是带有周期性排布的金属通孔的介质基板，下方是带有四个矩形耦合孔的金属板；最底层是由机械加工的脊间隙波导馈电网络层，包括金属脊线，围绕在金属脊线周围的金属销钉和金属底板。整个天线阵列体积小，质量轻，集成度高，在工作带宽内实现高增益和高辐射效率。
Description
技术领域
本发明属于毫米波集成天线阵列，特别是一种基于脊间隙波导的毫米波高增益高辐射效率槽天线阵列。
背景技术
随着无线通信技术的发展，人们对雷达通信系统的要求越来越高，而高增益高辐射效率的天线是雷达系统不可或缺的组件。近年来，由于脊间隙波导结构良好的传输特性，基于脊间隙波导结构的馈电技术被广泛用于天线阵列的馈电网络中,例如文献1（A. U.Zaman and P. Kildal, "Wide-Band Slot Antenna Arrays With Single-LayerCorporate-Feed Network in Ridge Gap Waveguide Technology," IEEE Trans. Antennas Propag. , vol. 62, no. 6, pp. 2992-3001, June 2014.）。脊间隙波导结构，通常由金属脊线，周期性排布的金属销钉构成和上下两层金属板构成。由于金属脊线和金属销钉与上层金属板存在一定高度的空气间隙，电磁波在这层空气间隙中传播，降低了能量传输过程中的传输损耗，从而提高了天线阵列的增益和辐射效率。而且由于这层空气间隙的存在，上层金属板与下层结构不需要良好的电接触，所以降低了加工难度。M.Ferrando-Rocher等人提出基于脊间隙波导结构的天线阵列（“M. Ferrando-Rocher, J.I. Herranz-Herruzo, A. Valero-Nogueira and B. Bernardo-Clemente, "Full-MetalK-Ka Dual-Band Shared-Aperture Array Antenna Fed by Combined Ridge-Groove GapWaveguide," IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., vol. 18, no. 7, pp. 1463-1467, July 2019.”），底层是基于脊间隙波导的馈电网络，虽然天线阵列在带宽内实现了高增益高辐射效率，但是整个天线阵列由全金属加工而成，而且由于在高频段天线阵列尺寸很小，对加工精度要求很高，导致加工成本增大。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于脊间隙波导的毫米波高增益高辐射效率槽天线阵列，采用脊间隙波导结构的馈电网络，降低传输损耗，利用机械加工和多层电路板印刷技术相结合的加工方法，构造脊间隙波导馈电网络和基片集成波导高次模谐振腔两层垂直分布的馈电形式，降低加工成本和天线重量，简化馈电网络的复杂程度，缩小天线阵列的平面面积，实现高增益、高辐射效率的天线特性。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于脊间隙波导的毫米波高增益高辐射效率槽天线阵列，包括上中下三层结构：16个倒梯形槽辐射单元水平周期分布位于最顶层，16个倒梯形槽辐射单元被金属条分隔开；中间层由三层紧密贴合的平面结构组成，带有16个矩形缝隙的金属印刷面位于最上方，中间是带周期性分布金属通孔的介质基板，周期性的金属通孔与介质基板形成四个矩形的高次模谐振腔，下方是带有四个矩形耦合孔的金属板；底层是由金属脊线、围绕在金属脊线周围的金属销钉和金属底板组成，馈电端口位于金属脊线前端，金属脊线通过尺寸变换和分支，构造成T型功分结，金属脊线通过三个T型功分结分成四路，对应四路金属脊线末端。
进一步的，16个倒梯形槽辐射单元被第一金属条、第二金属条、第三金属条、第四金属条、第五金属条、第六金属条水平周期性地分隔开，第一金属条和第六金属条各一根，在阵列中心处交叉垂直，第二金属条和第三金属条各两根，围绕在四周，与第一金属条和第六金属条形成四个中心对称的大的倒梯槽，每个大的倒梯槽中又包含一根第四金属条和两根第五金属条，第四金属条和第五金属条位于在大的倒梯槽的中心位置，将一个大的倒梯槽划分为四个尺寸相同且中心对称分布的四个倒梯形槽辐射单元，四根第四金属条和八根第五金属条将四个大的倒梯槽分割成16个尺寸相同的倒梯形槽辐射单元。
进一步的，16个倒梯形槽辐射单元具有相同的尺寸，第一金属条、第二金属条、第三金属条、第四金属条、第五金属条、第六金属条尺寸不同，16个倒梯形槽辐射单元的高度由最低的金属条高度决定。
进一步的，所述矩形缝隙与顶层倒梯形槽辐射单元的下底面尺寸相同，金属印刷面与顶层辐射单元层紧密贴合。
进一步的，周期性分布的金属通孔尺寸相同，将介质基板划分为4个尺寸相同的、等间距的矩形高次模谐振腔，金属通孔与介质基板的高度相同。
进一步的，带有四个矩形耦合孔的金属板与介质基板紧密贴合，介质基板与金属印刷面紧密贴合。
进一步的，围绕在金属脊线周围的金属销钉与金属脊线高度相同，金属销钉尺寸完全相同。
进一步的，金属脊线和金属销钉都加工在金属底板上，金属脊线和金属销钉与上层带有四个矩形耦合孔的金属板没有互相接触，在金属脊线与金属板上下之间存在一层空气间隙，空气间隙的高度为0.15-0.25mm。
进一步的，金属脊线通过尺寸变换和分支，构造成T型功分结，T型功分结将能量等幅同相分成两路；
金属脊线共包含三个T型功分结，将金属脊线分成四路，四路金属脊线末端方向一致。
进一步的，四路金属脊线末端位于上层金属板的矩形耦合孔正下方的中心位置。
与现有技术相比，本发明的显著优点为：（1）底层采用机械加工的脊间隙波导结构的馈电网络，电磁波沿着金属脊线在空气中传播，降低了插入损耗，分散排布的金属销钉很好的抑制了电磁波的泄露，提高了馈电网络的稳定性；（2）中间层采用印刷电路板技术的基片集成波导高次模谐振腔馈电结构，降低加工成本的同时，减轻了天线阵列的重量，而且采用高次模谐振腔的馈电结构，能过简化底层馈电网络的复杂性，缩小天线阵列的平面面积，提高天线阵列的辐射效率；（3）顶层采用倒梯形槽辐射单元结构，整个天线阵列在95-110GHz频带内，反射系数|S11|小于-10dB，天线阵列的增益在工作带宽（95-110GHz）内超过18.5dBi，天线的辐射效率超过73.4%，天线阵列具有高增益高辐射效率的优点。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1（a）~图1（d）为本发明基于脊间隙波导的毫米波高增益高辐射效率槽天线阵列的结构示意图，其中图1（a）为整个槽天线阵列的三维图，图1（b）为顶层由金属条组成的倒梯形槽辐射单元层，图1（c）为底层馈电网络层和中间高次模谐振腔层的三维图，图1（d）为T型功分结结构图。
图2（a）~图2（b）为本发明基于脊间隙波导的毫米波高增益高辐射效率槽天线阵列的倒梯形槽辐射单元天线阵列的设计标注图，其中图2（a）为设计标注俯视图，图2（b）为设计标注侧视图。
图3（a）~图3（b）为本发明基于脊间隙波导的毫米波高增益高辐射效率槽天线阵列的底层馈电网络层和中间高次模谐振腔层的设计标注图，其中图3（a）为设计标注俯视图，图3（b）为设计标注侧视图。
图4（a）~图4（c）为本发明基于脊间隙波导的毫米波高增益高辐射效率槽天线阵列的仿真结果图，图4（a）为反射参数和增益曲线图，图4（b）为100GHz处的E面方向图，图4（c）为100GHz处的H面方向图。
具体实施方式
如图1（a）所示，本发明基于脊间隙波导的毫米波高增益高辐射效率槽天线阵列，包括上中下三层结构，如图1（b）和（c）所示：
最上层是辐射单元层，包含16个尺寸相同的倒梯形槽辐射单元1，金属条2、3、4、5、6、7将16个倒梯形槽辐射单元1周期性分隔开。中间层是采用多层印刷电路板技术加工而成的基片集成波导高次模谐振腔馈电层，从上到下由三层平面结构组成，金属板、介质基板和金属印刷面三层紧密贴合；位于上方的是带有16个矩形缝隙8的金属印刷面9，16个矩形缝隙8与底层的倒梯形槽辐射单元底面对齐且尺寸相同；位于中间的是带有金属通孔10的介质基板11，介质基板11的衬底材料是Rogers 5880，介电常数
=2.2，正切损耗
=0.0013；金属通孔10周期性排布，将介质基板11划分为四个中心对称的高次模谐振腔12，每个高次模谐振腔12对应四个矩形缝隙8；下方是带有四个矩形耦合孔13的金属板14。底层是基于脊间隙波导结构的馈电网络，由金属脊线15、围绕在金属脊线15周围的金属销钉16和金属底板17构成，采用机械加工的方法在金属底板上加工金属脊线和分散排布的金属销钉，金属脊线15通过尺寸变换和分支形成T型功分结18，底层网络共包含3个T型功分结18将金属脊线15分为四路，四路金属脊线的末端方向一致，保证电磁波在金属脊线的末端相位相同。金属脊线和销钉高度相同，与上层带有四个矩形耦合孔的金属板间隔0.15-0.25mm。四路金属脊线末端19位于矩形耦合孔13正下方的中心位置。
整个天线阵列通过馈电端口馈入电磁波，通过金属脊线15和T行功分结18，在金属脊线末端19将电磁波等幅同相分为四路，电磁波在金属脊线末端19通过矩形耦合孔13耦合到上方的高次模谐振腔12，四个高次模谐振腔12中电磁波的幅度和相位一致，由于电磁波在高次模谐振腔12中以TE220模式存在，每个高次模谐振腔12中的电磁波通过四个矩形缝隙8等幅同相地传输到上方的四个倒梯形槽辐射单元1，最终16个倒梯形槽辐射单元1中的电磁波幅度和相位都一致，形成天线阵列。
下面结合附图和实施例对本发明技术方案做进一步说明。
如图1（b）所示，为基于脊间隙波导的毫米波高增益高辐射效率槽天线阵列的顶层由金属条组成的倒梯形槽辐射单元层的三维图，为天线阵列由全金属加工而成，整个倒梯形槽辐射单元天线阵列的宽度为9mm，厚度为0.5mm，天线阵列共包含16个倒梯形槽辐射单元1，金属条2、3、4、5、6、7将16个倒梯形槽辐射单元1分割开，16个倒梯形槽辐射单元1呈中心对称分布，第一金属条2和第六金属条7各一根，且都为梯形金属条，在阵列的中心位置处交叉垂直，第一金属条2的上底边宽度为0.14mm，下底边宽度为0.74mm，高度与天线阵列厚度相同为0.5mm，第六金属条7的上底边宽度为0.382mm，下底边宽度为0.982mm，高度也为0.5mm，第二金属条3和第三金属条4各两根，围绕在四周，与第一金属条2和第六金属条7组合在一起形成四个大的倒梯槽，第二金属条3和第三金属条4的高度为0.5mm，上下底边宽度可以向外延长，一个大的倒梯槽包含一根梯形金属条5和两根三角形金属条6，记为第四金属条5和第五金属条6，第四金属条5和第五金属条6相交垂直，位于大的倒梯槽中心位置，第四金属条5的上底边宽度为0.152mm，下底边宽度为0.752mm，高度为0.5mm，第五金属条6下底边宽度为0.31mm，整个第五金属条6的长度为1.683mm，高度为0.258mm，四根第四金属条5和八根第五金属条6将四个大的倒槽划分为16个中心对称分布且尺寸相同的倒梯形槽辐射单元1，16个倒梯形槽辐射单元1的下底面宽度为1.383mm，长度为1.725mm，高度为0.258mm。如图1（c）所示，为基于脊间隙波导的毫米波高增益高辐射效率槽天线阵列的底层馈电网络层和中间高次模谐振腔层的三维图，在槽辐射单元层下方是带有矩形缝隙8的金属印刷面9，矩形缝隙8的尺寸与倒梯形槽辐射单元1的下底面尺寸相同，宽度为1.383mm，长度为1.725mm，金属印刷面9上共有16个矩形缝隙8，呈中心对称分布，金属印刷面9的边长为9.7mm，金属印刷面9的尺寸可以增大。带有周期性排布金属通孔10的介质基板11在金属印刷面9的下方，金属通孔10的直径为0.25mm，周期为0.45mm，介质基板11的衬底材料是Rogers 5880（介电常数
=2.2，正切损耗
=0.0013），介质基板11的宽度为10.18mm，厚度为0.508mm，金属通孔10的高度和介质基板11厚度相同，周期排布的金属通孔10将介质基板11划分成四个四周封闭的高次模谐振腔12，每一个高次模谐振腔12对应四个矩形缝隙8，称为一组辐射缝，一组辐射缝里的四个矩形缝隙8呈中心对称分布，相邻的矩形缝隙8之间沿x方向间隔0.752mm，沿y方向间隔0.85mm，相邻的两组辐射缝沿x方向间隔1.65mm，沿y方向间隔0.6mm。一个高次模谐振腔12激励四个倒梯形槽辐射单元1，称为一组子阵，一组子阵内的四个倒梯形槽辐射单元1呈中心对称分布，相邻的倒梯形槽辐射单元1沿x方向间隔0.752mm，沿y方向间隔0.85mm，相邻子阵沿x方向间隔0.382mm，沿y方向间隔0.14mm。
带有四个矩形耦合孔13的金属板14在介质基板11的下方，四个矩形耦合孔13呈中心对称分布，矩形耦合孔13的宽度为0.7mm，长度为1.3mm，与金属板14的厚度相同，金属板14的边长为10.315mm，厚度为0.2mm，金属板4的尺寸也可以扩大。如图1（d）所示，在金属板下方是基于脊间隙波导结构的馈电网络，金属脊线15和围绕在金属脊线15周围的金属销钉16加工在金属底板17上，金属脊线15的宽度为0.4mm，高度为1mm，金属销钉16的边长为0.3mm，间距为0.9mm，高度也为1mm，金属销钉16相距金属脊线15的距离为0.35mm，在金属脊线15布线密集的地方，金属销钉16与金属脊线15之间的距离可以增大或减小，在0.25-0.45mm内波动，金属销钉16之间的距离在0.7-1.1mm范围内变化，金属底板17宽度为10.315mm，厚度为0.1mm，金属底板的尺寸也可以增大。金属脊线15和金属销钉16与金属板14间隔0.15-0.25mm，称为空气层，能量在金属脊线15与金属板14之间的这层空气中传播，可以降低能量在传输过程中的损耗。金属脊线15通过尺寸变换和分支形成T型功分结18，金属脊线15从馈电端口到第一个T型功分结18的长度为4.25mm，通过尺寸变换，T型功分结18的宽度为0.8mm，长度为0.6mm，T型功分结18在末端的中心位置分支，两分支路对称，之间的间距为1.4mm，支路下长边长度为0.85mm，从T型功分结18分离的两支路金属脊线15可以将能量等幅同相的分成两路，分离的两支路金属脊线15分别与两个尺寸相同的T型功分结18串联，分成四路金属脊线15，四路金属脊线15尺寸相同，短边长度为1.15mm，长边为1.65mm，宽度保持0.4mm不变，四路金属脊线15逆时针弯折90度，构成四路金属脊线末端19，四路金属脊线末端19方向一致，保证能量在金属脊线末端19的相位一致，四路金属脊线末端19短边为0.4mm，长边为0.6mm，宽度为0.4mm，四路金属脊线末端19尺寸相同，保证能量在金属脊线末端19的幅度一致。金属脊线末端19位于金属板14的矩形耦合孔13的正下方中心位置，金属脊线末端19伸入矩形耦合孔13的长度为0.35mm，金属脊线末端19的边缘相距矩形耦合孔13的对边距离为0.35mm，金属脊线末端19的长边相距矩形耦合孔13的下短边的距离为0.45mm，由于金属脊线末端19在矩形耦合孔13的正下方中心位置，金属脊线末端19的短边相距矩形耦合孔13的上短边距离也为0.45mm。整个天线阵从馈电端口馈入电磁波，通过金属脊线15和三个T型功分结18将电磁波等幅同相地分为四路，四路电磁波在金属脊线末端19通过上方的矩形耦合孔13耦合到高次模谐振腔12中，在高次模谐振腔12中，电磁波以TE220模式分布，可以等幅同相地激励四个倒梯形槽辐射单元1，16个倒梯形槽辐射单元1被四个相同的高次模谐振腔12等幅同相地激励，然后将电磁波辐等幅同相射出去，形成天线阵列。
如图2（a）~图2（b）所示，为本发明基于脊间隙波导的毫米波高增益高辐射效率槽天线阵列的倒梯形槽辐射单元天线阵列的设计标注图，其中图2（a）为设计标注俯视图，图2（b）为设计标注侧视图，具体几何参数为：l d4 =0.31mm，l d5 =0.752mm，l d6 =0.982mm，l d7 =0.74mm，l d8 =1.693mm，l d9 =0.14mm，l d10 =0.382mm，l d11 =0.152mm，l s1 =1.383mm，l s2 =1.725mm，h a1 =0.258mm，h a =0.5mm。如图3（a）~图3（b）所示，为本发明基于脊间隙波导的毫米波高增益高辐射效率槽天线阵列的底层馈电网络层和中间高次模谐振腔层的设计标注图，其中图3（a）为设计标注俯视图，图3（b）为设计标注侧视图，具体几何参数为：w=0.3mm，w r1 =0.4mm，w r2 =0.8mm，p=0.9mm，l d1 =0.35mm，l d2 =0.35mm，l d3 =0.45mm，l r1 =4.25mm，l r2 =0.6mm，l r3 =1.4mm，l r4 =0.85mm，l r5 =1.15mm，l r6 =1.65mm，l r7 =0.35mm，l c1 =0.7mm，l c2 =1.3mm，d e =0.25mm，p e =0.45mm，h t1 =0.2mm，h t =0.1mm，h=1mm，g=0.2mm，h e =0.508mm。
如图4（a）所示，为基于脊间隙波导结构的高增益高辐射效率槽天线阵列的反射系数和增益仿真结果图，馈电端口馈入电磁波，可以得到反射系数|S11|在95GHz-110GHz频段内小于-10dB，增益在95GHz-110GHz频段内高于18.5dBi，在108GHz处达到峰值增益19.8dBi，天线的有效口径面积为9mm×9mm，根据公式（1）-（2）：
其中A e 为设计的天线阵列有效口径面积，D为方向系数，λ 0 是中心频率对应的波长，G是仿真的天线增益，η是天线的辐射效率，结合图4（a）中数据可以计算出，天线的辐射效率在工作频带内高于73.4%。
如图4（b）所示，为基于脊间隙波导结构的高增益高辐射效率槽天线阵列在100GHz处的E面方向图，图4（c）所示为基于脊间隙波导结构的高增益高辐射效率槽天线阵列在100GHz处的H面方向图，根据方向图显示，设计的天线阵列副瓣电平低于-10dB，具有良好的辐射性能。
Claims (10)
1.一种基于脊间隙波导的毫米波高增益高辐射效率槽天线阵列，其特征在于，包括上中下三层结构：16个倒梯形槽辐射单元（1）水平周期分布位于最顶层，16个倒梯形槽辐射单元（1）被金属条分隔开；中间层由三层紧密贴合的平面结构组成，带有16个矩形缝隙（8）的金属印刷面（9）位于最上方，中间是带周期性分布金属通孔（10）的介质基板（11），周期性的金属通孔（10）与介质基板（11）形成四个矩形的高次模谐振腔（12），下方是带有四个矩形耦合孔（13）的金属板（14）；底层是由金属脊线（15）、围绕在金属脊线（15）周围的金属销钉（16）和金属底板（17）组成，馈电端口位于金属脊线（15）前端，金属脊线（15）通过尺寸变换和分支，构造成T型功分结（18），金属脊线（15）通过三个T型功分结（18）分成四路，对应四路金属脊线末端（19）。
2.根据权利要求1所述的基于脊间隙波导的毫米波高增益高辐射效率槽天线阵列，其特征在于，16个倒梯形槽辐射单元（1）被第一金属条（2）、第二金属条（3）、第三金属条（4）、第四金属条（5）、第五金属条（6）、第六金属条（7）水平周期性地分隔开，第一金属条（2）和第六金属条（7）各一根，在阵列中心处交叉垂直，第二金属条（3）和第三金属条（4）各两根，围绕在四周，与第一金属条（2）和第六金属条（7）形成四个中心对称的大的倒梯槽，每个大的倒梯槽中又包含一根第四金属条（5）和两根第五金属条（6），第四金属条（5）和第五金属条（6）位于在大的倒梯槽的中心位置，将一个大的倒梯槽划分为四个尺寸相同且中心对称分布的四个倒梯形槽辐射单元（1），四根第四金属条（5）和八根第五金属条（6）将四个大的倒梯槽分割成16个尺寸相同的倒梯形槽辐射单元（1）。
3.根据权利要求2所述的基于脊间隙波导的毫米波高增益高辐射效率槽天线阵列，其特征在于，16个倒梯形槽辐射单元（1）具有相同的尺寸，第一金属条（2）、第二金属条（3）、第三金属条（4）、第四金属条（5）、第五金属条（6）、第六金属条（7）尺寸不同，16个倒梯形槽辐射单元（1）的高度由最低的金属条高度决定。
4.根据权利要求1所述的基于脊间隙波导的毫米波高增益高辐射效率槽天线阵列，其特征在于，所述矩形缝隙（8）与顶层倒梯形槽辐射单元（1）的下底面尺寸相同，金属印刷面（9）与顶层辐射单元层紧密贴合。
5.根据权利要求1所述的基于脊间隙波导的毫米波高增益高辐射效率槽天线阵列，其特征在于，周期性分布的金属通孔（10）尺寸相同，将介质基板（11）划分为4个尺寸相同的、等间距的矩形高次模谐振腔（12），金属通孔（10）与介质基板（11）的高度相同。
6.根据权利要求1所述的基于脊间隙波导的毫米波高增益高辐射效率槽天线阵列，其特征在于，带有四个矩形耦合孔（13）的金属板（14）与介质基板（11）紧密贴合，介质基板（11）与金属印刷面（9）紧密贴合。
7.根据权利要求1所述的基于脊间隙波导的毫米波高增益高辐射效率槽天线阵列，其特征在于，围绕在金属脊线（15）周围的金属销钉（16）与金属脊线（15）高度相同，金属销钉（16）尺寸完全相同。
8.根据权利要求1所述的基于脊间隙波导的毫米波高增益高辐射效率槽天线阵列，其特征在于，金属脊线（15）和金属销钉（16）均加工在金属底板（17）上，金属脊线（15）和金属销钉（16）与上层带有四个矩形耦合孔（13）的金属板（14）没有互相接触，在金属脊线（15）与金属板（14）上下之间存在一层空气间隙，空气间隙的高度为0.15-0.25mm。
9.根据权利要求1所述的基于脊间隙波导的毫米波高增益高辐射效率槽天线阵列，其特征在于，金属脊线（15）通过尺寸变换和分支，构造成T型功分结（18），T型功分结将能量等幅同相分成两路；
金属脊线（15）共包含三个T型功分结（18），将金属脊线（15）分成四路，四路金属脊线末端（19）方向一致。
10.根据权利要求9所述的基于脊间隙波导的毫米波高增益高辐射效率槽天线阵列，其特征在于，四路金属脊线末端（19）位于上层金属板的矩形耦合孔（13）正下方的中心位置。
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