CN113300094A - 一种波导天线单元及波导阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及波导阵列天线技术领域，公开一种波导天线单元及波导阵列天线。其中波导天线单元包括波导辐射器、波导背腔以及置于波导辐射器和波导背腔之间的馈电层，波导背腔包括至少一个第一印制板和多个金属化过孔，每个第一印制板的两面均设置有第一金属层，除距离馈电层最远的第一金属层外，其余第一金属层均设置有孔洞，孔洞的截面形状与波导辐射器相适配；金属化贯穿第一印制板和第一金属层，且均匀分布于孔洞的边缘，金属化过孔与第一金属层围设成金属栅网，馈电层设置有输出端，输出端在波导背腔上的投影位于金属栅网内。本发明设置了金属栅网，使得波导天线单元具有良好的电气性能，同时体积也更加轻便小巧。

Description

一种波导天线单元及波导阵列天线

技术领域

本发明涉及波导阵列天线技术领域，尤其涉及一种波导天线单元及波导阵列天线。

背景技术

在移动卫星通信地面终端产品中，车载动中通天线系统安装在车顶上，受车顶空间限制，该系统对天线的高度、体积、重量、电气性能提出了苛刻要求，为了满足车载卫星通信的条件，在满足电气指标的前提下，要求车载天线高度、体积和重量要尽可能的小。目前车载动中通天线系统的工作频段已经进入了毫米波段，在这个波段，可以使用波导天线单元或微带天线单元组成阵列天线，进而设计车载动中通天线。

目前，波导阵列天线电气性能高、损耗小，但金属的背腔体积大且不容易与有源电路集成在一起制作成更小巧轻便的有源相位控制阵列天线；而微带阵列天线体积小且容易与射频有源电路集成在一起，但因存在表面波导致电气性能欠佳等问题。

所以，需要一种天线辐射单元，既具有波导天线优异的电气性能、又具有微带天线易于与有源电路一起集成在印制板上的新的天线单元，以解决上述问题。

发明内容

基于以上所述，本发明的目的在于提供一种波导天线单元及波导阵列天线，轻便小巧，电气性能良好。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种波导天线单元，包括波导辐射器、波导背腔以及置于所述波导辐射器和所述波导背腔之间的馈电层，所述波导背腔包括：

至少一个第一印制板，每个所述第一印制板的两面均设置有第一金属层，除距离所述馈电层最远的所述第一金属层外，其余所述第一金属层均设置有孔洞，所述孔洞的截面形状与所述波导辐射器相适配；

多个金属化过孔，贯穿所述第一印制板和所述第一金属层，且均匀分布于所述孔洞的边缘，所述金属化过孔与所述第一金属层围设成金属栅网，所述馈电层设置有输出端，所述输出端在所述波导背腔上的投影位于所述金属栅网内。

作为一种波导天线单元的优选方案，所述金属栅网的所述波导背腔漏失电磁波能量小于1％。

作为一种波导天线单元的优选方案，所述馈电层包括：

馈线层，为两面均设置有第二金属层的第二印制板，所述第二金属层设置有与所述孔洞相同的辐射孔；

馈电线，设置于所述馈线层内，所述馈电线的一端为所述输出端，另一端为输入端，所述输入端凸出于所述波导背腔的一侧。

作为一种波导天线单元的优选方案，所述馈线层设置有两个，两个所述馈线层的所述馈电线垂直设置。

作为一种波导天线单元的优选方案，所述波导辐射器的上端面和/或下端面设置有金属匹配片。

作为一种波导天线单元的优选方案，位于所述波导辐射器的上端面的所述金属匹配片与所述波导辐射器之间设置有介质层，所述金属匹配片设置于所述介质层上。

作为一种波导天线单元的优选方案，所述输出端在所述波导辐射器上的投影位于所述金属匹配片内。

作为一种波导天线单元的优选方案，所述金属匹配片与所述孔洞同轴设置。

作为一种波导天线单元的优选方案，所述输出端设置为探针。

一种波导阵列天线，包括射频有源电路和与所述射频有源电路电连接的多个如以上任一方案所述的波导天线单元。

本发明的有益效果为：

本发明通过将波导天线单元的波导背腔设置为第一印制板和金属化过孔，在第一印制板除距离馈电层最远端的第一金属层以外的所有第一金属层上设置孔洞，并在孔洞的边缘均匀设置金属化过孔，使得金属化过孔和第一金属层组成金属栅网，然后使馈电层的输出端在波导背腔上的投影位于金属栅网内，使得经由馈电层的能量能在金属栅网内反射，提高了波导天线单元的电气性能；同时，金属栅网的设置还简化了波导天线单元的体积，使波导天线单元更加小巧，进一步地由于该波导天线单元的底部为印制板，进而便于波导天线单元与射频有源电路的集成。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，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，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1是本发明具体实施方式提供的波导天线单元隐藏顶部介质层和金属匹配片的示意图；

图2是本发明具体实施方式提供的波导天线单元的波导背腔的示意图；

图3是本发明具体实施方式提供的波导天线单元的俯视图；

图4是图3中沿A-A方向的剖视图。

图中：

1、波导辐射器；11、金属匹配片；12、介质层；

2、波导背腔；21、第一印制板；22、第一金属层；23、孔洞；24、金属化过孔；

3、馈电层；31、馈线层；32、馈电线。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图4所示，本实施方式提供一种用于波导阵列天线的波导天线单元，该波导天线单元包括波导辐射器1、波导背腔2以及置于波导辐射器1和波导背腔2之间的馈电层3，波导背腔2包括至少一个第一印制板21和多个金属化过孔24，每个第一印制板21的两面均设置有第一金属层22，除距离馈电层3最远的第一金属层22外，其余第一金属层22均设置有孔洞23，孔洞23的截面形状与波导辐射器1相适配；金属化过孔24贯穿第一印制板21和第一金属层22，且均匀分布于孔洞23的边缘，金属化过孔24与第一金属层22围设成金属栅网，馈电层3设置有输出端，输出端在波导背腔2上的投影位于金属栅网内。

通过将波导天线单元的波导背腔2设置为第一印制板21和金属化过孔24，在第一印制板21除距离馈电层3最远端的第一金属层22以外的所有第一金属层22上设置孔洞23，并在孔洞23的边缘均匀设置金属化过孔24，使得金属化过孔24和第一金属层22组成金属栅网，然后使馈电层3的输出端在波导背腔2上的投影位于金属栅网内，使得经由馈电层3的能量能在金属栅网内反射，提高了波导天线单元的电气性能；同时，金属栅网的设置还简化了波导天线单元的体积，使波导天线单元更加小巧，进一步地由于该波导天线单元的底部为印制板，进而便于波导天线单元与射频有源电路的集成。

具体地，为保证波导天线单元良好的电气性能，设置为金属栅网的波导背腔2的漏失电磁波能量小于1％。优选地，金属化过孔24沿孔洞23的轴向等间隔设置。值得说明的是，金属栅网的漏失电磁能量可以通过仿真软件计算获得，计算方式为现有技术，在保证金属栅网的漏失电磁波能量小于1％的情况下，本领域技术人员可以根据实际需要设计金属化过孔24的直径与数量、第一印制板21的层数以及每层第一印制板21上的第一金属层22的层数，在此不做具体限定。

可选地，第一金属层22上的孔洞23通过蚀刻制成，加工方便。孔洞23的截面形状与波导辐射器1适配。示例性地，波导辐射器1的截面可以为圆形、矩形、正八边形等，相应地，孔洞23就蚀刻成相似的圆形、矩形、正八边形。值得说明的是，孔洞23略小于波导辐射器1或与波导辐射器1相等，以使得经过孔洞23反射的能量能完全经由波导辐射器1发射出去而不造成浪费。

优选地，为提高波导天线单元的辐射效率，波导辐射器1设置为喇叭形，喇叭形的波导辐射器1的小端设置于馈电层3上，用于将经由波导背腔2的能量更加有效地辐射出去。于其他实施例中，波导辐射器1还可以设置为直筒型，同样可是实现对能量的辐射。

进一步地，馈电层3包括馈线层31和馈电线32，馈线层31为两面均设置有第二金属层的第二印制板，第二金属层设置有与孔洞23相同的辐射孔。值得说明的是，第一印制板21和第二印制板均为相同的印制板，只是应用的位置不同以及其上金属层的加工位置不同；同理，第二金属层上辐射孔的加工与第一金属层22上孔洞23的加工相同，均通过蚀刻加工，辐射孔的设置是用于波导背腔2内的能量的通过；馈电线32设置于馈线层31内，馈电线32的一端为输出端，另一端为输入端，输入端用于输入能量，且输入端凸出于波导背腔2的一侧，便于接线操作。示例性地，输出端为探针，连接方便，且导电性能良好。

本实施例中，馈线层31设置有两个，两个馈线层31的馈电线32垂直设置，通过垂直设置的馈电线32输入的能量经由波导转化器和波导辐射器1后可以发射双线极化波。于其他实施例中，馈线层31可以设置有一个，且仅设置一个馈电线32，此时，通过一个馈电线32输入的能量经由波导背腔2和波导辐射器1后可以发射单线极化波，本领域技术人员可以根据所需极化波来设置馈电线32，以提高波导天线单元的使用范围。

优选地，波导辐射器1的上端面和/或下端面设置有金属匹配片11，以增加能量的反射，解决电磁波在传输中的失配问题。进一步地，金属匹配片11的形状和大小同样可以通过仿真软件计算获得，以使得波导天线单元满足使用要求。示例性地，本实施例中，孔洞23设置为正八边形，相应地，波导辐射器1为正八边形辐射器，波导辐射器1的上端面和下端面均设置有金属匹配片11，金属匹配片11设置为圆形。

为实现位于波导辐射器1的上端面的金属匹配片11与波导辐射器1之间的连接，位于波导辐射器1的上端面的金属匹配片11与波导辐射器1之间设置有介质层12，金属匹配片11设置于介质层12上。同理，位于波导辐射器1的下端面的金属匹配片11设置于馈电层3靠近波导辐射器1的馈电印制板上。

值得说明的是，输出端在波导辐射器1上的投影位于金属匹配片11内，以使得通过输出端输出的能量能更多地进入波导背腔2，而减少未经由波导背腔2直接进入波导辐射器1内的能量，有利于提高能量在波导背腔2内的反射。

优选地，金属匹配片11与孔洞23同轴设置，以使得波导天线单元辐射的能量更加均匀。

本实施方式还公开一种波导阵列天线，包括射频有源电路和与射频有源电路电连接的多个如上所述的波导天线单元，上述波导天线单元能与射频有源电路集成，并阵列组成波导阵列天线，该波导阵列天线轻便小巧，电气性能良好，阻抗带宽可以达到20％到50％，交叉极化电平达到23dB。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

Claims (10)

1.一种波导天线单元，其特征在于，包括波导辐射器(1)、波导背腔(2)以及置于所述波导辐射器(1)和所述波导背腔(2)之间的馈电层(3)，所述波导背腔(2)包括：

至少一层第一印制板(21)，每层第一印制板(21)的两面均设置有第一金属层(22)，除距离所述馈电层(3)最远的第一金属层(22)外，其余所述第一金属层(22)均设置有孔洞(23)，所述孔洞(23)的截面形状与所述波导辐射器(1)相适配；

多个金属化过孔(24)，贯穿所述第一印制板(21)和所述第一金属层(22)，且均匀分布于所述孔洞(23)的边缘，所述金属化过孔(24)与所述第一金属层(22)围设成金属栅网，所述馈电层(3)设置有输出端，所述输出端在所述波导背腔(2)上的投影位于所述金属栅网内。

2.根据权利要求1所述的波导天线单元，其特征在于，所述金属栅网的所述波导背腔漏失的电磁波能量小于1％。

3.根据权利要求1所述的波导天线单元，其特征在于，所述馈电层(3)包括：

馈线层(31)，为两面均设置第二金属层的第二印制板，所述第二金属层设置有与所述孔洞(23)相适配的辐射孔；

馈电线(32)，设置于所述馈线层(31)内，所述馈电线(32)的一端为所述输出端，另一端为输入端，所述输入端凸出于所述波导背腔(2)的一侧。

4.根据权利要求3所述的波导天线单元，其特征在于，所述馈线层(31)设置有两个，两个所述馈线层(31)的所述馈电线(32)垂直设置。

5.根据权利要求1所述的波导天线单元，其特征在于，所述波导辐射器(1)的上端面和/或下端面设置有金属匹配片(11)。

6.根据权利要求5所述的波导天线单元，其特征在于，位于所述波导辐射器(1)的上端面的所述金属匹配片(11)与所述波导辐射器(1)之间设置有介质层(12)，所述金属匹配片(11)设置于所述介质层(12)上。

7.根据权利要求5所述的波导天线单元，其特征在于，所述输出端在所述波导辐射器(1)上的投影位于所述金属匹配片(11)内。

8.根据权利要求5所述的波导天线单元，其特征在于，所述金属匹配片(11)与所述孔洞(23)同轴设置。

9.根据权利要求1-8任一项所述的波导天线单元，其特征在于，所述输出端设置为探针。

10.一种波导阵列天线，其特征在于，包括射频有源电路和与所述射频有源电路电连接的多个如权利要求1-9任一项所述的波导天线单元。

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