CN113161726B - 一种金属腔体毫米波阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属腔体毫米波阵列天线，其包括，8×8天线辐射单元以及金属波导馈电网络，天线阵列由4×4个天线子阵组成。每个子阵包括：金属腔体，开有四个辐射口；金属腔体，用于接收电磁波产生谐振；四个金属块体，与上方四个辐射口共用同一个腔体，形成四个辐射单元。每个金属块上表面都有沿X轴方向的面电流；通过在腔体上方添加金属盖板，每个金属块平行于Y轴的两边与辐射口形成辐射双缝，等效为两个磁流辐射结构。四个辐射单元共用同一个金属腔体和一个馈电耦合缝隙，使天线结构得到简化，天线的厚度小于一个波长，具有低剖面的特性，整个天线为纯金属结构，避免了介质损耗问题，本发明天线具有低剖面、高增益、低损耗和高效率的特性。

Description

一种金属腔体毫米波阵列天线
技术领域
本发明涉及毫米波天线领域，具体涉及一种金属腔体毫米波阵列天线。
背景技术
现代无线通信网络已经成为支撑经济繁荣和国家竞争力的基础，并成为人类社会信息共享与协作的基础平台。随着高速率和高安全无线传输需求的增加，毫米波由于具有频带宽、波束窄、传输速率快、抗干扰能力强等优点，其在空间通信、精确制导和高分辨率成像等领域被广泛研究。新兴的高速数据传输毫米波无线系统对低剖面、高增益、高效率和低成本天线有很大的需求。作为无线通信系统的重要组成部分，毫米波天线近年来需求越来越大，具有广阔的应用前景和重要的研究价值。
毫米波天线在提供宽带、低时延、高容量通信的同时，也存在衰减大、穿透能力差等缺点。传统的微带天线、基片集成腔天线由于存在介质损耗，会降低天线的效率，而纯金属结构天线可以避免介质损耗问题，一般具有较高的效率和增益。其中，常见的金属结构天线为背腔天线，磁电偶极子天线等，背腔天线谐振模式多为基模，不能达到高增益效果；电磁偶极子天线，一般单元结构边长约为一个波长，效率较低。
近年来，由于60GHz频段的开放，毫米波天线的设计主要集中在该频段。而在E波段，由于具有较低的空气损耗，形成了良好的大气窗口，具有很好的应用前景。然而，基于E波段的低剖面、低损耗、高效率毫米波天线的发明研究非常少。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决毫米波天线无法兼具低剖面、低损耗，高增益和高效率性能的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种金属腔体毫米波阵列天线，整个天线由8×8单元天线阵列和金属波导馈电网络组成。
8×8单元天线阵列，由4×4个金属腔体天线子阵扩展而成，每个天线子阵由2×2个辐射口和一个金属腔体组成。金属腔体用于接收电磁波产生谐振，每个金属腔内有四个金属块，分别位于四个辐射口的正下方。每个金属块的上表面都有平行于X轴的电流，金属块沿Y轴的两边与上方对应辐射口形成辐射双缝，形成一对等效磁流辐射结构。每个金属块体与上方对应的辐射口形成一个最小辐射单元。
金属波导馈电网络，由1分16波导馈电网络(3)和垂直波导转接结构(4)组成。馈电网络通过金属腔体底面的耦合缝隙将电磁波传输到天线子阵中。
进一步的，整个天线辐射口面为正方形，边长的尺寸介于6λ0～9λ0之间(λ0为天线中心工作频率对应的空气中的波长)，由四层机械加工的金属板叠层制成。
进一步的，所述金属盖板由一层金属板构成，金属板上开有8×8个辐射口，金属盖板置于金属腔体上方。辐射口形状可为长方形或正方形，沿X轴或Y轴边长的尺寸均介于0.5λ0～λ0之间(λ0为天线中心工作频率对应的空气中的波长)，且大于腔内金属块边长。
进一步的，金属块体边长的尺寸介于0.4λ0～0.8λ0之间，小于辐射口面边长，每个金属块表面有沿X轴方向电流，形成面电流辐射结构；同时，金属块与上层辐射口形成上下左右四个缝隙，其中，平行于Y轴的两个平行纵缝，平行纵缝处电场沿X轴方向，等效为两个磁流辐射结构，相位相同，为天线的主极化；上下两个横缝平行于X轴，横缝处电场为沿Y轴方向的交叉极化电场，因为同一横缝两侧的交叉极化电场相位相反，所以在天线远场可以互相抵消，降低天线的交叉极化水平。
进一步的，金属腔体底面设有耦合缝隙用于电磁波的耦合，耦合缝隙长边平行于Y轴，位于腔体底面的正中间。
进一步的，每个金属腔体为正方形，边长的尺寸介于1.4λ0～2.4λ0之间，四个金属块以2×2方式均匀分布在腔体内部，每个金属块与正上方辐射口的中心坐标相同，电场在金属块体与辐射口面形成的平行辐射纵缝处形成最大值。每个辐射单元边长的尺寸介于0.7λ0～1.2λ0之间。金属腔体高度介于0.3λ0～λ0之间，腔体内的金属块体与腔体底部相连接。
进一步的，波导馈电网络的每个输出波导的侧壁上有突出的脊状金属，用于调节馈电波导与金属腔体之间的阻抗匹配。
进一步的，采用金属机械加工工艺，整个天线的厚度介于0.5λ0～λ0之间，是一款结构简单的低剖面的毫米波阵列天线。
本发明所提出的技术方案与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1、本发明中，金属块边长的尺寸为半波长左右，金属块表面为沿X轴方向电流，每个单独的金属块是一个等效的电流。通过在金属腔上方添加开有辐射口的金属盖板，每个金属块与上方辐射口，形成沿Y轴的辐射双缝，等效成两个磁流辐射结构。
2、每个金属块与辐射口形成一个辐射单元。四个单元共用一个腔体和耦合缝隙，结构更加简单。每个单元边长的尺寸小于一个λ0，四个单元共用一个腔体，减小天线的尺寸的同时，仍具有较高增益，从而可以提高天线的效率。
附图说明
图1为本发明实施例的阵列天线的立体结构示意图。
图2为本发明实施例的阵列天线的增益及反射系数仿真结果图。
图3为本发明实施例的子阵天线表面电流分布图。
图4为本发明实施例的子阵天线辐射口面电场分布图。
图5为本发明实施例的子阵天线辐射原理分析图。
具体实施方式
为了更清楚地表述本发明，下面结合附图及较佳实施例，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，仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参考图1至图2，图1是本发明的阵列天线的立体结构示意图。图2是本发明阵列天线的增益及反射系数仿真结果图，阵列天线阻抗带宽覆盖72GHz-83GHz，相对带宽为11.5％；增益最大值为26.3dBi，带宽范围内阵列天线增益均大于25.5dBi，辐射效率在80％左右。
作为一种具体实施方式，该毫米波阵列天线基于机械加工的工艺，由8×8单元天线阵列以及金属波导馈电网络组成。逐层由上至下分别为开有辐射口111的金属盖板1、加载金属块211的金属腔体2、金属波导馈电网络3和波导垂直转接结构4。
在本实施例中，电磁波通过波导垂直转接口41进入1分16馈电网络3中，经过馈电网络至终端短路的馈电波导31，并通过腔体底部的耦合缝隙22，将电磁波传输至腔体21中。金属腔体不存在介质损耗，可以降低天线的损耗，提高天线的效率。每个金属腔21内加载四个金属块体211，结合上方对应2×2的辐射口面111，形成一个辐射子阵。每个金属块体211是一个等效电流；每个金属块体211与辐射口111形成的两个纵缝是等效磁流辐射结构。本发明提出的毫米波天线具有低损耗，高效率和高增益的优点。我们提出的阵列可以扩展到更大的规模，同时简化馈电网络，保持其损耗小，增益高的特性。
其中，金属盖板1厚度为0.5mm，边长范围为45mm～60mm，本实例中边长为52mm，表面开有8×8的辐射口111，每个辐射口111的边长范围为2mm～2.7mm，本实例中长和宽均为2.3mm。
四个金属块211位于金属腔体21中，每个金属块211表面有沿X轴方向面电流。金属块211底面与金属腔体相连接，位于辐射口111正下方，高度为0.8mm，相邻两个金属块体211之间的距离为3mm，且金属块体211沿Y轴方向，边长最大为2.3mm，最小为1.6mm，本实例中为2.2mm；沿X轴方向，边长最大为2.2mm，最小为1.6mm,本实例中为1.5mm。每个金属块211与对应辐射口111形成两个纵缝，为等效磁流。
金属腔体层2金属板厚度为1.3mm，金属腔体21底面的厚度为0.5mm。金属腔体21开有沿Y轴方向的耦合缝隙22，将电磁波耦合到金属腔体21中。金属块211与上方对应辐射口111形成具有四个面电流和八个等效磁流的天线子阵，共用金属腔体21和耦合缝隙22。
图1中馈电波导31、加载金属块211的金属腔体21，以及开有2×2个辐射口111的金属盖板11组成了2×2天线子阵。结合图3至图5，给出了2×2天线子阵中金属块面电流分布、口面电场分布图以及其辐射原理。
图3为子阵天线金属块211-214表面电流分布示意图。如图带箭头的虚线所示，在金属块体211-214表面有沿X轴方向的面电流，金属块211沿X轴边长约为二分之一λ0，所以每个金属块211都是一个面电流。
图4是子阵天线辐射口面电场分布示意图，如图所示，金属块211与上层辐射口111形成上下左右四个缝隙。其中，每个金属块211左右两侧平行于Y轴的纵缝，产生沿X轴方向的同相电场，如图中沿X轴方向箭头，为天线的主极化方向，两个平行的纵缝等效为两个磁流。而金属块211上下两个横缝，产生沿Y轴方向的交叉极化电场，如图中沿Y轴方向箭头。观察整个天线子阵，关于X轴或Y轴对称的横缝所产生的Y方向的电场反相，可以互相抵消；同时以单个金属块211为例，a点与b点、c点与d点的电场也反相，可以互相抵消，降低天线的交叉极化水平。
图5是子阵天线的辐射原理示意图，整个天线的辐射结构由四个金属块211-214以及金属块211-214与辐射口111-114之间的缝隙组成。如图中带箭头的虚线所示，每个金属块211-214是一个面电流；加上金属盖板11后，每个金属块211-214与上方辐射口111-114形成两个纵缝，带箭头实线表示每个纵缝可以等效为一个磁流。四个辐射单元共用同一个腔体和一个耦合缝隙。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种金属腔体毫米波阵列天线，其特征在于：整个天线由8×8单元天线阵列和金属波导馈电网络组成；
8×8单元天线阵列，由4×4个金属腔体天线子阵扩展而成，每个天线子阵由2×2个辐射口和一个金属腔体组成，金属腔体用于接收电磁波产生谐振，每个金属腔内有四个金属块，分别位于四个辐射口的正下方；每个金属块上表面都有平行于X轴的电流，形成一个面电流辐射机构；金属块沿Y轴的两边与上方对应的辐射口共同构成辐射双缝，形成一对磁流辐射结构；每个金属块体与上方辐射口形成一个最小辐射单元，包括一个面电流辐射结构和两个磁流辐射结构；
金属波导馈电网络，由1分16波导馈电网络和垂直波导转接结构组成；馈电网络的输出端口通过金属腔体底面的耦合缝隙将电磁波传输到天线子阵中。
2.根据权利要求1所述的一种金属腔体毫米波阵列天线，其特征在于：辐射口可为长方形或正方形，边长大于腔内金属块边长。
3.根据权利要求1所述的一种金属腔体毫米波阵列天线，其特征在于：每个金属腔体内部的四个金属块以2×2形式均匀分布在腔体内，与腔体底面相连接，中心坐标均位于腔体边长四分之一处。
4.根据权利要求1所述的一种金属腔体毫米波阵列天线，其特征在于：金属盖板上的每个辐射口都对应一个金属块，辐射口与下方对应金属块的中心坐标相同。
5.根据权利要求1所述的一种金属腔体毫米波阵列天线，其特征在于：金属块沿X轴方向的尺寸介于0.4λ0～0.8λ0之间，λ0为天线中心工作频率对应的空气中的波长，每个金属块上表面均有沿X轴方向的电流，形成面电流辐射结构。
6.根据权利要求1所述的一种金属腔体毫米波阵列天线，其特征在于：金属盖板上辐射口沿X轴或Y轴的边长均大于金属块的边长，两者形成分别平行于X轴和Y轴的四个缝隙，其中，平行于Y轴的两个纵缝为主极化辐射缝，形成两个磁流辐射结构。
7.根据权利要求1所述的一种金属腔体毫米波阵列天线，其特征在于：波导馈电网络与金属腔体之间的耦合缝隙位于腔体底面的正中间。
8.根据权利要求1所述的一种金属腔体毫米波阵列天线，其特征在于：金属腔体高度小于一个λ0，λ0为天线中心工作频率对应的空气中的波长，腔体内的金属块体与腔体底部相连接。
9.根据权利要求1所述的一种金属腔体毫米波阵列天线，其特征在于：波导馈电网络的波导侧壁上有突出的脊状金属，用于调节馈电波导与金属腔体之间的阻抗匹配。
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