CN113113782B - 一种宽带金属平板阵列天线、雷达、无线通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于微波毫米波天线技术领域，公开了一种宽带金属平板阵列天线、雷达、无线通信系统，所述宽带金属平板阵列天线从下至上依次是使用双脊波导的馈电层、下层间隙波导馈电网络层和上层辐射单元层；所述馈电层与馈电网络层之间存在过渡结构，在馈电网络层中脊间隙波导的脊上引入阶梯进行过渡；馈电网络层与辐射单元层之间存在过渡结构，在馈电网络层端口处引入金属脊引导能量过渡。本发明使用全金属结构，简单的三层金属平板通过螺丝进行固定，便于组装方便使用。本发明采用双层间隙波导作为馈电网络，使天线整体结构紧凑剖面低，并实现较宽的带宽。本发明使用简单的辐射单元，去除空气腔，使天线剖面降低并在毫米波频段实现了宽频带。

Description

一种宽带金属平板阵列天线、雷达、无线通信系统

技术领域

本发明属于微波毫米波天线技术领域，尤其涉及一种宽带金属平板阵列天线、雷达、无线通信系统。

背景技术

随着无线通信的飞速发展，毫米波通信波段带宽宽、高速率、低延时、方向性好，有着其他技术无法取代的优点；相对于其他使用介质板的平板天线，全金属结构更容易加工和制造、不易损坏，而且损耗较小；相比于反射阵、透射阵天线，平板天线剖面低、体积小、成本低，在通信领域有十分广泛的应用。宽带平板天线主要包含微带平板阵列、波导缝隙平板阵列、印刷振子平板阵列、非标准尺寸喇叭标准阵列，它们都存在自己的优点，但同时也存在一定不足：

(1)对于毫米波微带平板阵列天线的研究较早，通过在介质板上蚀刻贴片单元实现，设计自由度较高。例如，Yujian Li等人曾使用SIW馈电结构设计了一种64单元的微带贴片阵列天线，带宽为14.1％，辐射效率为68.5％，随单元数目增多，天线的阻抗带宽会随之降低，使得辐射效率会大大降低。

(2)对于波导缝隙平板阵列，通过在波导上开缝实现辐射。Jiro Hirokawa教授团队进行了一系列的研究，通过改变馈电结构、加工工艺等方式提高天线的性能，2014年该团队设计了一种应用于120GHz的波导缝隙平板阵列天线，其带宽为3.7％，天线效率为67％。此种平板阵列天线普遍辐射效率较高，但由于波导体积较大，到了毫米波波段，加工精度很难保证，容易发生电磁波泄露，影响天线性能。

(3)对于喇叭平板天线阵列，使用喇叭作为辐射单元，例如，Abbas Vosoogh提出的一种金属宽带喇叭平板阵列天线，带宽可达24％，效率大于85％。此种平板阵列天线带宽更高，天线效率更大，但是喇叭剖面高，使得天线整体尺寸较大，在实际应用中会存在一定限制。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有的毫米波微带平板阵列天线损耗较大。

(2)现有的波导缝隙平板阵列体积大、带宽相对较窄。

(3)现有的喇叭平板阵列天线剖面较高，在实际应用中存在一定限制，不适合应用于小型化的通信系统中。

解决以上问题及缺陷的难度为：

使用介质板就会存在损耗的问题，而使用传统的波导结构，体积大，对于使用和加工来说都是很困难的；

通过改变馈电网络传输线、加工工艺等方式有助于天线带宽的展宽，但展宽天线带宽的同时会伴随着天线体积增大，加工成本增加，因此选择折中的方法存在一定难度；

对于辐射单元的设计，一方面需考虑天线带宽的问题，另一方面需考虑尺寸问题，因此需要在目前已知的辐射单元中寻求一种新的设计方法同时具备带宽宽、剖面低的特点。

解决以上问题及缺陷的意义为：

普通的介质基板会随着频率的增加损耗增加，从而影响天线效率，因此使用纯金属结构的平板阵列天线是最佳方案；

寻求一种低剖面、体积小的天线具有重要的使用价值，可应用于小型化的通信系统中；

随着通信技术领域的不断发展，传输速率更高，覆盖范围更广，普通的天线难以满足需求，采用宽带平板天线可以使同一天线在多个通信系统中。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种宽带金属平板阵列天线、雷达、无线通信系统。

本发明是这样实现的，一种宽带金属平板阵列天线，所述宽带金属平板阵列天线从下至上依次是使用双脊波导的馈电层、下层间隙波导馈电网络层和上层辐射单元层；

所述馈电层与馈电网络层之间存在过渡结构，通过在馈电网络层中脊间隙波导的脊上引入阶梯结构，使得馈电层能量过渡到馈电网络层中；

所述间隙波导馈电网络由两级子馈电网络组成，所述子馈电网络由双层间隙波导组成；

所述馈电网络层与辐射单元层存在过渡结构，辐射单元通过脊间隙波导馈电，通过在馈电网络层输出端口处引入金属脊，引导能量进入辐射缝隙进入辐射层；

所述辐射层由辐射单元组成，所述辐射单元通过在金属中开缝辐射能量，再通过金属壁两侧脊挤压辐射缝中电场向空气中辐射。

进一步，基于辐射单元结合馈电网络和馈电层组成8×8平板阵列天线。

进一步，馈电层使用双脊波导口馈电。

进一步，馈电层与馈电网络层存在过渡结构，使进入双脊波导口的能量沿间隙波导中的脊阶梯进入到馈电网络层中。

进一步，间隙波导包括上下金属盖板、呈周期排列的金属销钉和金属脊或金属槽，金属销钉距上盖板间隙0.05mm。

进一步，间隙波导馈电网络层包含两级子馈电网络，为64个辐射单元进行馈电，所述两级子馈电网络均为双层结构，通过双脊波导和E面波导结合，使得两端输出口相位相差180°，为64个辐射单元提供相位需求。

进一步，两级子馈电网络中的一级馈电网络输入端口为二级馈电网络的输出端口，输出端口为辐射层的馈电口，此输入口与输出口不在同一平面上；两级子馈电网络中的二级馈电网络输入端口为馈电层到馈电网络层过渡后的输出端口，此时，输入端口与输出端口在同一平面上。

进一步，馈电网络层与辐射层过渡结构，在馈电网络输出口处添加金属脊；

辐射层在辐射口处添加金属脊，挤压辐射口处的电场。

本发明的另一目的在于提供一种雷达，所述雷达安装有所述的宽带金属平板阵列天线。

本发明的另一目的在于提供一种无线通信系统，所述无线通信系统安装有所述的宽带金属平板阵列天线。

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：本发明的馈电层使用双脊波导口馈电，可覆盖较宽的频带。馈电层与馈电网络层存在过渡结构，使进入双脊波导口的能量沿间隙波导中的脊阶梯进入到馈电网络层中，实现了良好的阻抗匹配。间隙波导包括上下金属盖板、呈周期排列的金属销钉和金属脊或金属槽，其由空气填充，电磁波在空气中传播解决了传统传输线损耗大的问题，金属销钉距上盖板间隙0.05mm。间隙波导馈电网络层包含两级子馈电网络，以便为64个辐射单元进行馈电，所述两级子馈电网络均为双层结构，通过双脊波导和E面波导结合，类似于’ET’，使得两端输出口相位相差180°，以便为64个辐射单元提供相位需求。

本发明的两级子馈电网络中的一级馈电网络输入端口为二级馈电网络的输出端口，输出端口为辐射层的馈电口，此输入口与输出口不在同一平面上；所示两级子馈电网络中的二级馈电网络输入端口为馈电层到馈电网络层过渡后的输出端口，此时，输入端口与输出端口在同一平面上。通过此设计使得天线的馈电网络剖面降低，并有良好的阻抗匹配特性，获得了较宽的带宽。馈电网络层与辐射层过渡结构，在馈电网络输出口处添加金属脊，引导能量进入上一层，省去空气腔部分，有效的降低了剖面。辐射层在辐射口处添加金属脊，使其挤压辐射口处的电场，并在较宽的带宽内获得良好的阻抗匹配特性。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明使用全金属结构，结构简单、易于加工；简单的三层金属平板可通过螺丝进行固定，便于组装，方便使用。

(2)本发明采用双层间隙波导作为馈电网络，使天线整体结构紧凑，剖面低，并实现了较宽的带宽。

(3)本发明使用了简单的辐射单元，去除空气腔，使天线剖面降低并在毫米波频段实现了宽频带。

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宽带金属平板阵列天线的整体分层结构示意图；

图2是本发明实施例提供的间隙波导层俯视、下视示意图；

图1和图2中：1、上辐射层；2、间隙波导馈电网络层；3、馈电层；4、周期性金属销钉；5、馈电层馈电口；6、一级馈电网络；7、二级馈电网络；8、间隙波导过渡。

图3是本发明实施例提供的天线反射系数仿真结果图。

图4是本发明实施例提供的天线增益的仿真结果图。

图5(a)是本发明实施例提供的天线19GHz处仿真方向图。

图5(b)是本发明实施例提供的天线24.5GHz处仿真方向图。

图5(c)是本发明实施例提供的天线30GHz处仿真方向图。

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，本发明提供了一种宽带金属平板阵列天线、雷达、无线通信系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。

可通过将单层的馈电网络设计成双层的方式，如在本发明中将两级馈电网络均设计成双层的方式，这样既满足于馈电单元的排布、相位需求，又能减小天线尺寸、降低天线剖面；对于辐射单元的设计，可将馈电口与辐射口进行结合，如在本发明中通过引入金属脊的方式直接使能量进入上层，无需其他结构，这样有利于天线剖面的降低。对于馈电方式，可不仅限于传统的波导口馈电，如在本发明中使用双脊波导口馈电能覆盖更宽的带宽。

如图1和图2所示，本发明天线关于轴线AA'对称本发明阵列天线包括从上往下依次层叠为上辐射层1、间隙波导馈电网络层2和馈电层3，间隙波导层馈电网络2与上辐射层1组合形成上层间隙波导结构，间隙波导馈电网络层2与下馈电层3组合形成下层间隙波导结构。其中包括馈电层到馈电网络层过渡结构以及馈电网络层到辐射层过渡结构。

馈电层馈电口5为天线整体输入端口。对于馈电方式，可不仅限于传统的波导口馈电，如在本发明中使用双脊波导口馈电能覆盖更宽的带宽

如图2，间隙波导层分为两级馈电网络，辐射单元馈电口为一级馈电网络6的输出端口，输入端口与输出端口在不同平面上，通过双脊波导和E面波导结合，可在输出端产生180°相位差，进而为对称摆放的辐射单元馈电；二级馈电网络7的输出端口为一级馈电网络的输入端口，输入端口与输出端口在同一平面上，同样，可在输出端产生180°相位差，进而为一级馈电网络馈电；双脊波导到间隙波导过渡8为二级馈电网络馈电；间隙波导中的周期性金属销钉4提供高阻抗表面，能够产生阻带抑制电磁波的传播。通过将单层的馈电网络设计成双层的方式，如在本发明中将两级馈电网络均设计成双层的方式，不同于其他双层结构的设计，本发明通过双脊波导和E面波导结合，这样既满足于馈电单元的排布、相位需求，又能减小天线尺寸、降低天线剖面。

上层金属平板上开缝作为天线的辐射口，由馈电网络层中的脊间隙波导馈电，通过在输出端口后引入金属脊，引导能量直接进入辐射缝，辐射腔中的金属脊挤压电场，使能量辐射到空气中，这种结构构成了一个基本辐射单元，基于此辐射单元排布成具有对称特性的8×8天线阵列。对于辐射单元的设计，可将馈电口与辐射口进行结合，如在本发明中通过引入金属脊的方式直接使能量进入上层，无需其他结构，这样有利于天线剖面的降低。

双脊波导到馈电网络过渡部分在较宽的频带内有良好的阻抗匹配特性；馈电网络中，一级馈电网络和二级馈电网络中的脊间隙波导到槽间隙波导过渡均在较宽频带内有较好的匹配特性，馈电网络层到辐射层在较宽频带内有良好阻抗匹配特性。

图3给出了本发明反射系数的仿真结果图，可以看出本发明天线在18.5-30.2GHz频带内反射系数小于-10dB，相对阻抗带宽达到了47.8％。

图4给出了本发明天线增益的仿真结果图，可以看出本发明天线在工作频带内增益均大于20dBic，最高增益达到27.7dBic。

参见图5(a)、图5(b)和图5(c)，分别给出了本发明天线在整体输入端口馈电时低、中、高三个不同频点19GHz、24.5GHz、30GHz处的仿真方向图，可以看出本发明天线在工作频带内均有较好地方向特性。

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 (8)

1.一种宽带金属平板阵列天线，其特征在于，所述宽带金属平板阵列天线从下至上依次是使用双脊波导的馈电层、下层间隙波导馈电网络层和上层辐射单元层；

所述馈电层与馈电网络层之间存在过渡结构，通过在馈电网络层中脊间隙波导的脊上引入阶梯结构，使得馈电层能量过渡到馈电网络层中；

所述间隙波导馈电网络由两级子馈电网络组成，所述子馈电网络均由双层间隙波导组成；

所述馈电网络层与辐射单元层存在过渡结构，辐射单元通过脊间隙波导馈电，通过在馈电网络层输出端口处引入金属脊，引导能量进入辐射缝隙进入辐射层；

所述辐射单元通过在金属中开缝辐射能量，再通过金属壁两侧脊挤压辐射缝中电场向空气中辐射；

基于辐射单元结合馈电网络和馈电层组成8×8平板阵列天线；

馈电层使用双脊波导口馈电。

2.如权利要求1所述的宽带金属平板阵列天线，其特征在于，馈电层与馈电网络层存在过渡结构，使进入双脊波导口的能量沿间隙波导中的脊阶梯进入到馈电网络层中。

3.如权利要求1所述的宽带金属平板阵列天线，其特征在于，间隙波导包括上下金属盖板、呈周期排列的金属销钉和金属脊或金属槽，金属销钉距上盖板间隙0.05mm。

4.如权利要求1所述的宽带金属平板阵列天线，其特征在于，间隙波导馈电网络层包含两级子馈电网络，为64个辐射单元进行馈电，所述两级子馈电网络均为双层结构，通过双脊波导和E面波导结合，使得两端输出口相位相差180°，为64个辐射单元提供相位需求；能量从馈电口进入，通过过渡结构将能量一分四，之后进入由四个双层一分四功分器组成二级馈电网络，进入二级网络后再入一级馈电网络，一级馈电网络由十六个双层一分四功分器组成，通过此拓扑结构组成间隙波导馈电网络。

5.如权利要求1所述的宽带金属平板阵列天线，其特征在于，两级子馈电网络中的一级馈电网络输入端口为二级馈电网络的输出端口，输出端口为辐射层的馈电口，此输入口与输出口不在同一平面上；两级子馈电网络中的二级馈电网络输入端口为馈电层到馈电网络层过渡后的输出端口，此时，输入端口与输出端口在同一平面上。

6.如权利要求1所述的宽带金属平板阵列天线，其特征在于，馈电网络层与辐射层过渡结构，在馈电网络输出口处添加金属脊引导能量通过；辐射层在辐射口处添加金属脊，挤压辐射口处的电场。

7.一种雷达，其特征在于，所述雷达安装有权利要求1～6任意一项所述的宽带金属平板阵列天线。

8.一种无线通信系统，其特征在于，所述无线通信系统安装有权利要求1～6任意一项所述的宽带金属平板阵列天线。

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