CN113300124A - 基于缝隙波导技术的右旋圆极化阵列天线 - Google Patents

Abstract

提出一种基于缝隙波导技术的右旋圆极化阵列天线，自下而上依次包括天线底板(101)、天线下板(102)、天线中板(103)和天线上板(104)，四者紧密贴合在一起构成缝隙阵列天线。电磁波在天线底板(101)的馈电端口线处产生，进一步通过耦合缝隙耦合进弯波导，再通过两个1/2功分器，将电磁波功分至四个过渡槽，再通过传输缝隙进入二级过渡槽，最后通过辐射缝隙，蜂窝辐射端口将电磁波辐射出去。本发明在馈电结构中通过功分器、过渡槽、传输缝隙组合，将电磁波功分至蜂窝阵列辐射端口；能够对多个缝隙进行辐射，从而降低天线的结构复杂程度，提高天线性能，降低馈线的整体损耗，具有传输损耗小，回波损耗低，工作带宽宽、拆装便利，能够同时保证整列的整体带宽。

Description

基于缝隙波导技术的右旋圆极化阵列天线

技术领域

本发明属于通信领域，具体涉及一种基于缝隙波导技术的右旋圆极化阵列天线结构。

背景技术

在通信领域无线系统中，与普通线性极化天线相比，圆极化天线能够在发射器和接收器之间提供稳定的无线链路。在微波传感器网络、雷达系统和无线电力系统中，尤其需要高增益圆极化天线。微带和基底集成波导结构由于低成本、易于制造和集成，已被广泛应用于设计圆极化天线。然而在毫米波频段，微带和基底集成波导结构会带来介电损耗。

因此，有必要改进高增益天线的设计思路，开发一种性能好、便于产业推广的提高天线增益的方案。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出一种基于缝隙波导技术的右旋圆极化阵列天线，所述天线自下而上依次包括天线底板101、天线下板102、天线中板103和天线上板104，四者紧密贴合在一起构成缝隙阵列天线；其中

(1)天线底板101

从天线底板101的下表面看，馈电端口201为贯穿天线底板101上下表面的通孔，其横截面形状根据需要确定，是矩形、圆形、椭圆或任意适当的形状；馈电端口201向上继续贯穿天线下板102，馈电端口201与天线下板102中E面弯波导307相连；馈电端口201能够位于天线底板101上的任意位置，只需避开安装与固定螺钉，以及天线底板101与天线下板102上除E面弯波导307和T型功分器310之外的所有开槽、开孔、突起等；天线底板101长为L1，宽为W1；外接传输线与馈电端口201连接；天线底板101上的其它孔均用于装配和固定，位置任意，只需避开底板与下板上的所有开槽、开孔、突起等；

从天线底板101的上表面看，以天线底板101的俯视图表面的中心为坐标原点，建立直角坐标系o-xyz，x轴为水平轴，y轴为纵轴，z轴垂直穿过纸面，指向纸的正面；天线底板101以y轴为对称轴，左右两边分别具有一个功分器202，每个功分器202都配备有金属块203、金属柱204，此二者均用调节匹配；还配备有金属凹槽205、金属凹槽206，此二者均用于配合天线下板102调节匹配；对于左边功分器202而言：功分器202自上而下依次由呈凹槽状的上横部、竖部、中横部、下横部组成，其中，上横部为水平长条，其右端连接竖部上端；竖部为竖直长条，其下部连接下横部右端；中横部为水平长条，其左端连接于竖部中间位置；下横部为水平长条；上横部、下横部关于平行于x轴的轴线为对称；横部、竖部、中横部、下横部为一体化形成结构，四者之间无缝隙结合；上横部、竖部、中横部、下横部均为同种标准波导；上横部、竖部、中横部、下横部的宽度和深度需要符合波导的要求，长度根据效果调节；

金属块203、金属柱204位于功分器202的中横部任意位置；其中，金属块203为加工凹槽状上横部、竖部、中横部、下横部时留下的金属柱；金属柱204同样为加工凹槽状上横部、竖部、中横部、下横部时留下的金属柱，金属柱204平行于天线底板101上、下表面的截面通常为矩形；由于金属块203、金属柱204都是在天线底板101上加工而成的，因此二者的最大高度均不超过天线底板101的上表面；

金属凹槽205的个数和位置根据需要确定，不过，金属凹槽205的个数和位置必须与天线下板102上的金属凹槽306的个数和位置一致，所配置的金属凹槽205的个数和位置达到调节阻抗匹配的目的；金属凹槽206的个数和位置根据需要确定，不过，金属凹槽206的个数和位置必须与天线下板102上的金属匹配调节孔305的个数和位置一致，所配置的金属凹槽206的个数和位置达到阻抗匹配的目的；

根据需要，金属块203、金属柱204、金属凹槽205、金属凹槽206平行于天线底板101上、下表面的截面形状和尺寸均根据需求确定，只需达到调节匹配，使传输的电磁信号满足需求的目的；

(2)天线下板102

从天线下板102的下表面看，以天线下板102仰视图表面的中心为坐标原点，建立直角坐标系o’-x’y’z’，x’轴为水平轴，y’轴为纵轴，z’轴垂直穿过纸面，指向纸的正面；馈电端口301与天线底板101中馈电端口201相通，因此，波导过渡孔303与天线底板101功分器202中横部最右端对应，馈电端口301与天线底板101中馈电端口201的位置对应；金属匹配调节块302位于馈电端口301内部，用于调节馈电匹配，金属匹配调节块302为一个长方体金属块，横跨馈电端口301，与天线下板102的上表面齐平，与天线下板102的下表面形成台阶状，使电磁信号更好地通过馈电端口301；金属匹配调节块302的高度根据需求调节；以y’轴为对称轴，左右两边分别具有一个波导过渡孔303、一对匹配调节孔305，一对辐射缝隙304，一对匹配调节孔306；波导过渡孔303自上而下贯穿天线下板102，波导过渡孔303内部有一个金属匹配调节台阶，用于调节T功分器310到功分器202的电磁信号，金属匹配调节台阶横跨波导过渡孔303，与天线下板102的上表面齐平，与天线下板102的下表面形成台阶状，使电磁信号更好地通过波导过渡孔303，金属匹配调节台阶高度根据需求调节；天线下板102的波导过渡孔303、一对辐射孔304、一对匹配调节孔305、一对匹配调节孔306均关于y’轴对称、均自上而下贯穿天线下板102；对于y’轴左边而言：波导过渡孔303需与天线底板101的功分器202最右端连通，因此，匹配调节孔305需与天线底板101的金属凹槽206位置对应，匹配调节孔306需与天线底板101的金属凹槽205位置对应，辐射缝隙304需与天线底板101左边功分器202的最左端位置对应；辐射缝隙304、匹配调节孔305、匹配调节孔306均为穿透天线底板102上下表面的通孔，形状均为长方形，辐射缝隙304用于传输由功分器202到波导传输槽311的电磁信号，匹配调节孔305需与天线底板101中金属凹槽206的位置对应，匹配调节孔306需与天线底板101中金属凹槽205位置对应以调节匹配；以y’轴为对称轴，对y’轴左边而言：匹配调节孔305和306的位置分别与天线底板101的金属凹槽206、金属凹槽205对应，辐射缝隙304的位置与天线底板101功分器202的上下横部最左端对应；

从天线下板102的上表面看，以天线下板102俯视图表面的中心为坐标原点，建立直角坐标系o-xyz；一个E面弯波导307将馈电端口301与天线下板102上表面上的T功分器310连通；E面弯波导307由竖部和横部组成，竖部最上端与横部最右端连接，E面弯波导307为凹槽；E面弯波导307竖部下端的位置对应于馈电端口301的位置；T功分器310由横部和竖部组成，竖部上端与横部中间位置连通，在竖部中间位置留有金属柱308、横部上壁大致中间位置留有向下的突起309，二者均用于匹配调节，T功分器310为凹槽；T功分器310横部左右两端的位置分别对应于波导过渡孔303的位置；T功分器310横部的左端与天线下板102左边缘之间具有一对或多对波导传输槽311，这些对波导传输槽311x轴坐标相同，平行于y轴延伸，且这些对波导传输槽311关于x轴对称分布；以y轴为对称轴，T功分器310右边也具有一对完全相同、与左边对称分布的波导传输槽311；E面弯波导307、T功分器310、波导传输槽311宽度和深度需要符合波导的要求，长度根据效果调节；

馈电端口301、波导过渡孔303、金属柱308、突起309、匹配调节孔305和306、辐射缝隙304的截面形状和尺寸均根据需求确定，只需达到调节匹配，使传输功率、相位满足需求；匹配调节孔305、306的数量根据需求确定；匹配调节孔305、306、辐射缝隙304需与T功分器202连通；匹配调节孔305和306的数量和位置分别天线底板101的金属凹槽205、金属凹槽206对应，辐射缝隙304的位置与天线底板101功分器202上下横部的最左端对应；保证T功分器202中的电磁信号能够很好地到达波导传输槽311中；

(3)天线中板103

从天线中板103下表面看，其左右对称地布置两组辐射缝隙401，每组单独排成一列；辐射缝隙401自上而下贯穿天线中板103，与辐射槽402一一对应，对天线中板103左边的辐射缝隙401而言：辐射缝隙401包括自上而下排布的多个缝隙，缝隙的延伸方式和数量都不受限制，只要大致自上而下贯穿天线中板103即可，这组辐射缝隙401与波导传输槽401的位置对应，并且，辐射缝隙401沿x轴的宽度不能超过波导传输槽311沿x轴的宽度，缝隙的长度可变，偏转角度任意；

从天线中板103上表面看，其左右对称地分布着两组辐射缝隙槽402，每个辐射槽402都相同；对左边而言：与左侧辐射缝隙401数量一致的辐射槽402均与x轴平行，各槽形状一致，其上下边沿均相互平行，其左右两侧均齐平，辐射槽402等间距地自上而下均匀分布；

天线中板103上其它孔均用于固定及装配用；

(4)天线上板104

从天线上板104下表面看，以仰视图表面的中心为坐标原点，建立直角坐标系o”-x’y’z’；以y’轴为对称轴，左右各布置一个准周期性的N×M阵列辐射槽501；对左边而言：辐射槽501与蜂窝辐射端口502的数量和位置一一对应；每个辐射槽501均为水平布置的、自上而下贯穿天线上板104的通孔；相同列上的辐射槽501等间隔排布，相邻列上下错位一定距离，以保证相同行中相邻两个缝隙上下错位；最外围的辐射槽501距离天线上板104的边缘保持一定距离；同一行中相邻两个缝隙需要上下错位，由此减少相邻辐射端口的耦合；缝隙矩阵排布及数量无具体限制，但必须左右对称；天线上板104的竖直对称轴的左右两侧的缝隙矩阵之间的水平间隔较其它列之间的水平间隔更大；缝隙矩阵的排布及数量以需达到高增益，低反射、宽带工作的目的为准；

从天线上板104上表面看，左右对称地分布着例如两个N×2M蜂窝阵列，每个蜂窝的形状和结构均完全相同，对左边而言：每个N×M蜂窝阵列均是由蜂窝辐射端口502构成；辐射槽501位于蜂窝辐射端口502的内部大约中心位置；蜂窝辐射端口502为凹槽；左右对称分布的蜂窝阵列之间的水平间隔较其它列之间的水平间隔更大。

在本发明的一个具体实施例中，天线底板101长L1在10mm-600mm范围内，宽W1在10mm-600mm范围内。

在本发明的另一个较具体实施例中，天线底板101长L1为167mm，宽W1为110mm；功分器202的上横部、竖部、中横部、下横部的宽度在0.85-15mm范围内，深度在0.43-8mm范围内。

在本发明的一个实施例中，功分器202的竖部与上横部、下横部连接处形成倒角；所述倒角是阶梯型或者其它形状；设置倒角或者是阶梯的目的是调节匹配，大小根据需求确定。

在本发明的另一个实施例中，金属块203位于中横部靠近竖部处；金属柱204位于上横部最右端，为一个金属台阶，该金属台阶的高度低于天线底板101上表面。

在本发明的又一个具体实施例中，

对于左边金属凹槽205而言：金属凹槽205位于左边功分器202的竖部以左、上横部以下、下横部以上，数量为两个，与左边功分器202的竖部相平行地排列；

对于左边金属凹槽206而言：金属凹槽206位于左边功分器202的上横部之上以及下横部之下，数量为两个。

在本发明的另一个实施例中，

天线下板102的E面弯波导307将馈电端口301与天线下板102上表面上的T功分器310连通，在连接处形成倒角；E面弯波导307竖部和横部的连接处形成倒角；

金属柱308、突起309都是在天线下板102上加工而成的，因此二者的最大高度均不超过天线下板102的上表面。

在本发明的再一个具体实施例中，辐射缝隙401包括自上而下大致曲折蛇形的多个缝隙，自上而下，第一个缝隙呈左上右下延伸，第二个缝隙呈右上左下延伸，第三个缝隙呈左上右下延伸，第四个缝隙呈左上右下延伸，第五个缝隙呈右上左下延伸，第六个缝隙呈左上右下延伸，第七个缝隙呈右上左下延伸，第八个缝隙呈右上左下延伸，第九个缝隙呈左上右下延伸，第十个缝隙呈右上左下延伸，以此类推。

在本发明的还一个具体实施例中，辐射槽402的长度l＝65.5mm，槽宽w＝5.5mm，槽的分布周期p＝7.35mm，深度为2.2mm。

在本发明的一个较佳的具体实施例中，辐射槽501形状为缝隙状。

本发明基于缝隙波导技术的右旋圆极化阵列天线，电磁波在天线底板101的馈电端口线处产生，进一步通过耦合缝隙耦合进弯波导，再通过两个1/2功分器，将电磁波功分至四个过渡槽，再通过传输缝隙进入二级过渡槽，最后通过辐射缝隙，蜂窝辐射端口将电磁波辐射出去。

本发明在馈电结构中通过功分器、过渡槽、传输缝隙组合，将电磁波功分至蜂窝阵列辐射端口；能够对多个缝隙进行辐射，降低天线的结构复杂程度，提高天线性能，降低馈线的整体损耗，具有传输损耗小，回波损耗低，拆装便利。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点，结合下面附图对实施例的描述将变得明显和容易理解，其中：

图1示出本发明基于缝隙波导技术的右旋圆极化阵列天线；

图2a示出本发明的天线底板101仰视图；

图2b示出本发明的天线底板101俯视图；

图3a示出本发明的天线下板102仰视图；

图3b示出本发明的天线下板102俯视图；

图4a示出本发明的天线中板103仰视图；

图4b示出本发明的天线中板103俯视图；

图5a示出本发明的天线上板104仰视图；

图5b示出本发明的天线上板104俯视图；

图6示出本发明天线的仿真和测量的反射系数；

图7示出本发明天线的远场测试轴比；

图8示出本发明天线的远场测量方向图；

图9示出本发明天线的仿真和测量增益。

具体实施方式

下面将详细参考本发明的优选实施例，其示例在附图中示出，虽然将结合优选实施例描述本发明，但是本领域技术人员应该理解，这些实施例并不是将本发明限制于这些实施例，相反，本发明旨在覆盖可包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的替代、修改和等同物。此外，在本发明的以下详细描述中，阐述了许多具体细节以便于提供对本发明的透彻理解，然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明。

请参考图1，本发明的Ka波段缝隙阵列天线示意图，天线底板101，天线下板102，天线中板103，天线上板104紧密贴合在一起构成缝隙阵列天线。

请参考图2a，图2a示出本发明的天线底板101的仰视图，馈电端口201为贯穿天线底板101上下表面的通孔，其横截面形状根据需要确定，可以是矩形、圆形、椭圆或任意适当的形状。馈电端口201向上继续贯穿天线下板102，馈电端口201与天线下板102中E面弯波导307相连。馈电端口201为标准WR-28波导，同时它可以为同轴线、圆形波导、介质波导等各种形式的传输线。馈电端口201在天线底板101上的位置可以为任意位置，只需避开安装与固定螺钉，以及天线底板101与天线下板102上除E面弯波导307和T型功分器310之外的所有开槽、开孔、突起等。天线底板101长L1在10mm-600mm范围内，优选值为167mm；宽W1在10mm-600mm范围内，优选值为110mm。馈电端口201周围四个孔贯穿天线底板101与天线下板102，起到固定天线底板101、天线下板102和外接传输线的作用。外接传输线与本发明馈电端口201连接，其中外接传输线波导法兰与馈电端口201周围四个孔通过螺钉固定。天线底板101上的其它孔均用于装配和固定，位置可以任意，只需避开底板与下板上的所有开槽、开孔、突起等。所有孔可多可少，形状可以为矩形、椭圆形、T型、十字型、哑铃型等。

请参考图2b，本发明的天线底板101的俯视图，以俯视图表面的中心为坐标原点，建立直角坐标系o-xyz，x轴为水平轴，y轴为纵轴，z轴垂直穿过纸面，指向纸的正面。天线底板101以y轴为对称轴，左右两边分别具有一个功分器202，每个功分器202都配备有金属块203、金属柱204，此二者均用调节匹配；还配备有金属凹槽205、金属凹槽206，此二者均用于配合天线下板102调节匹配。以左边功分器202为例进行说明，功分器202自上而下依次由呈凹槽状的上横部、竖部、中横部、下横部组成，类似一个开口向左的大括号的形状，其中，上横部为水平长条，其右端连接竖部上端；竖部为竖直长条，其下部连接下横部右端；中横部为水平长条，其左端连接于竖部中间位置；下横部为水平长条；上横部、下横部关于平行于x轴的轴线为对称。横部、竖部、中横部、下横部为一体化形成结构，四者之间无缝隙结合。在本发明的一个实施例中，竖部与上横部、下横部连接处形成倒角；在本发明的另一个实施例中，所述倒角可以是阶梯型或者其它形状。其中倒角或者是阶梯的目的是调节匹配，大小根据需求确定。上横部、竖部、中横部、下横部均为同种标准波导。上横部、竖部、中横部、下横部的宽度在0.85-15mm范围内，优选值为5.1mm；深度在0.43-8mm范围内，优选值为2.2mm，宽度和深度需要符合波导的要求，长度可根据效果调节。

金属块203、金属柱204可以在T功分器202的中横部任意位置。其中，金属块203为加工凹槽状上横部、竖部、中横部、下横部时留下的金属柱；金属柱204同样为加工凹槽状上横部、竖部、中横部、下横部时留下的金属柱，金属柱204平行于天线底板101上、下表面的截面通常为矩形。在本发明的一个具体实施例中，如图2b所示，金属块203位于中横部靠近竖部处，其与中横部的凹槽边缘存在一定距离；金属柱204位于上横部最右端，为一个金属台阶，该金属台阶的高度低于天线底板101上表面。由于金属块203、金属柱204都是在天线底板101上加工而成的，因此二者的最大高度均不超过天线底板101的上表面。

金属凹槽205的个数和位置可以根据需要确定，不过，金属凹槽205的个数和位置必须与图3a中金属凹槽306的个数和位置一致，所配置的金属凹槽205的个数和位置达到调节阻抗匹配的目的。在本发明的一个具体实施例中，如图2b所示，以左边金属凹槽205例进行说明，金属凹槽205位于左边功分器202的竖部以左、上横部以下、下横部以上，数量为两个，与左边功分器202的竖部相平行地排列。金属凹槽206的个数和位置亦可以根据需要确定，不过，金属凹槽206的个数和位置必须与图3a中匹配调节孔305的个数和位置一致，所配置的金属凹槽206的个数和位置达到阻抗匹配的目的。在本发明的一个具体实施例中，如图2b所示，以左边金属凹槽206例进行说明，金属凹槽206位于左边功分器202的上横部之上以及下横部之下，数量为两个。金属凹槽205、金属凹槽206的深度如果与功分器202深度相同，构成等功分器；但是，金属凹槽205、金属凹槽206的深度也可以与功分器202深度不同，构成不等功分器。

在实际应用中，根据需要，金属块203、金属柱204、金属凹槽205、金属凹槽206平行于天线底板101上、下表面的截面形状可以为矩形、椭圆形、T型、十字型、哑铃型等，尺寸均根据需求确定，只需达到调节匹配，使传输功率、相位满足需求的目的。

图3a示出本发明的天线下板102的仰视图，以仰视图表面的中心为坐标原点，建立直角坐标系o’-x’y’z’，x’轴为水平轴，y’轴为纵轴，z’轴垂直穿过纸面，指向纸的正面。馈电端口301为标准波导，例如WR-28。馈电端口301与天线底板101中馈电端口201相通，因此，波导过渡孔303与图2b中功分器中横部最右端对应，馈电端口301与天线底板101中馈电端口201的位置对应。金属匹配调节块302位于馈电端口301内部，用于调节馈电匹配，金属匹配调节块302为一个长方体金属块，横跨馈电端口301，与天线下板102的上表面齐平，与天线下板102的下表面形成台阶状，使电磁信号更好地通过馈电端口301，金属匹配调节块302不会堵住横跨馈电端口301，其结构和位置为本领域技术人员熟知，不再累述。金属匹配调节块302的高度可以根据需求调节。馈电端口301周围的四个孔用于固定外接传输线。图3a以y’轴为对称轴，左右两边分别具有一个波导过渡孔303、一对匹配调节孔305，一对辐射缝隙304，一对匹配调节孔306。波导过渡孔303内部有一个金属匹配调节台阶，用于调节T功分器310到功分器202的电磁信号，金属匹配调节台阶横跨波导过渡孔303，与天线下板102的上表面齐平，与天线下板102的下表面形成台阶状，使电磁信号更好地通过波导过渡孔303，金属匹配调节台阶高度根据需求可以调节，金属匹配调节块302不会堵住横跨馈电端口301，其结构和位置为本领域技术人员熟知，不再累述。天线下板102的波导过渡孔303、一对辐射孔304、一对匹配调节孔305、一对匹配调节孔306均关于y’轴对称、均自上而下贯穿天线下板102。以y’轴左边为例进行说明，波导过渡孔303需与图2b中功分器202最右端连通。天线下板102上其它孔均用于固定及装配用。辐射缝隙304、匹配调节孔305、匹配调节孔306均为穿透天线下板102上下表面的通孔，形状均为长方形，辐射缝隙304用于传输由功分器202到波导传输槽311的电磁信号。以y’轴为对称轴，以y’轴左边为例，匹配调节孔305和306的位置和数量分别与图2b中金属凹槽206、金属凹槽205对应，辐射缝隙304的位置与图2b中功分器上下横部最左端对应。

图3b示出本发明的天线下板102的俯视图。以俯视图表面的中心为坐标原点，建立直角坐标系o-xyz，除原点o位置不同之外，该坐标系与图2b所示坐标系方向相同。一个E面弯波导307将馈电端口301与天线下板102上表面上的T功分器310连通，可以在连接处形成倒角。E面弯波导307由竖部和横部组成，竖部最上端与横部最右端连接，连接处可以形成倒角，E面弯波导307为凹槽。E面弯波导307竖部下端的位置对应于馈电端口301的位置。T功分器310由横部和竖部组成，竖部上端与横部中间位置连通，在竖部中间位置留有金属柱308、横部上壁大致中间位置留有向下的突起309，二者均用于匹配调节，T功分器310为凹槽。金属柱308、突起309都是在天线下板102上加工而成的，因此二者的最大高度均不超过天线下板102的上表面。T功分器310横部左右两端的位置分别对应于波导过渡孔303的位置。T功分器310横部的左端与天线下板102左边缘之间具有一对或多对波导传输槽311，这对波导传输槽311x轴坐标相同，平行于y轴延伸，且这对波导传输槽311关于x轴对称分布。以y轴为对称轴，T功分器310右边也具有一对完全相同、与左边对称分布的波导传输槽311。E面弯波导307、T功分器310、波导传输槽311均由同种波导构成，宽度在0.85-15mm范围内，优选值为5.1mm；深度在0.43-8mm范围内，优选值为2.2mm，宽度和深度需要符合波导的要求，长度可根据效果调节。

在具体实施过程中，馈电端口301、波导过渡孔303、金属柱308、突起309、匹配调节孔305和306、辐射缝隙304的上表面平行于天线下板102的上、下表面，截面的形状可以为矩形、椭圆形、T型、十字型、哑铃型等，尺寸均根据需求确定，只需达到调节匹配，使传输功率、相位满足需求。E面弯波导上的倒角、及T功分器与E面弯波导连接处的倒角大小、角度、类型均可变换。E面弯波导、T功分器类型均可替换。匹配调节孔305、306的数量可根据需求确定，图中所示匹配调节孔305、306可以全部去掉，也可以在波导传输槽311中多设置一些匹配调节孔305、306。匹配调节孔305、306、辐射缝隙304需与T功分器202连通。波导传输槽311也可以多增加几列，只需匹配调节孔305和306的数量和位置分别与图2b中金属凹槽205、金属凹槽206对应，辐射缝隙304的位置与图2b中功分器上下横部最左端对应。保证T功分器202中的电磁信号能够很好的到达波导传输槽311中。

图4a示出本发明的天线中板103的仰视图，图4a左右对称地布置两组辐射缝隙401，每组单独排成一列。辐射缝隙401自上而下贯穿天线中板103，与图4b中的辐射槽402一一对应，辐射槽402位于图3b中波导传输槽311上部。以天线中板103左边的辐射缝隙401为例进行说明，辐射缝隙401包括自上而下大致曲折蛇形的多个缝隙，自上而下，第一个缝隙呈左上右下延伸，第二个缝隙呈右上左下延伸，第三个缝隙呈左上右下延伸，第四个缝隙呈左上右下延伸，第五个缝隙呈右上左下延伸，第六个缝隙呈左上右下延伸，第七个缝隙呈右上左下延伸，第八个缝隙呈右上左下延伸，第九个缝隙呈左上右下延伸，第十个缝隙呈右上左下延伸，以此类推。缝隙的延伸方式和数量都不受限制，只要大致自上而下贯穿天线中板103，这组辐射缝隙401与波导传输槽311的位置对应，并且，辐射缝隙401沿x轴的宽度不能超过波导传输槽311沿x轴的宽度，可以出现横缝隙，缝隙的长度可变，偏转角度任意。

图4b示出本发明天线中板103的俯视图。图4b左右对称地分布着两组辐射缝隙槽402，每个辐射槽402都相同。以左边为例进行说明，与图4a左侧的辐射缝隙401数量一致的(例如10个)辐射槽402均与x轴平行，各槽形状一致，其上下边沿均相互平行，其左右两侧均齐平，辐射槽402等间距地自上而下(仅就图4b中所示方向而言)均匀分布，辐射槽402的四个内角可以倒圆角。在本发明的一个优选实施例中，辐射槽402的长度优选值为l＝65.5mm，槽宽优选值w＝5.5mm，槽的分布周期优选值为p＝7.35mm，深度为2.2mm。

在具体实施过程中，辐射缝隙401的上、下表面，截面的形状可以为矩形、椭圆形、T型、十字型、哑铃型等，尺寸、数量均可根据需求确定，只需达到调节匹配，使传输功率、相位满足需求。

天线中板103上其它孔均用于固定及装配用。

图5a示出本发明的天线上板104的仰视图，以仰视图表面的中心为坐标原点，建立直角坐标系o”-x’y’z’，除原点o”位置不同之外，该坐标系与图3a所示坐标系方向相同。以y’轴为对称轴，左右各布置一个准周期性的例如10×10阵列辐射槽501。以左边为例进行说明，辐射槽501与图5b中蜂窝辐射端口502的数量和位置一一对应。每个辐射槽501均为水平布置的、自上而下贯穿天线上板104的通孔，其形状通常为缝隙状。相同列上的辐射槽501等间隔排布，相邻列上下错位一定距离，以保证相同行中相邻两个缝隙上下错位。最外围的辐射槽501距离天线上板104的边缘保持一定距离。同一行中相邻两个缝隙需要上下错位，由此可以减少相邻辐射端口的耦合。缝隙矩阵排布及数量无具体限制，但必须左右对称，也就是说，以图5a所示天线上板104的仰视图为例，天线上板104的竖直对称轴的左右两侧的缝隙矩阵必须对称，且左右两侧缝隙矩阵之间的水平间隔较其它列之间的水平间隔更大。缝隙矩阵的排布及数量以需达到高增，低反射工作的目的为准。

图5b示出本发明的天线上板104的俯视图。图中左右对称地分布着例如两个10×20蜂窝阵列，每个蜂窝的形状和结构均完全相同，以左边为例，每个10×10蜂窝阵列均是由蜂窝辐射端口502构成。辐射槽501位于蜂窝辐射端口502的内部大约中心位置。蜂窝辐射端口502为凹槽，在本发明的一个具体实施例中，其上、下表面的截面形状为导倒圆角的长方形。与图5a类似，图5b中左右对称分布的蜂窝阵列之间的水平间隔较其它列之间的水平间隔更大。

另外，需要强调的是，本发明的叙述中多次提及“位置对应”或类似的说明，所谓的“位置对应”，指的是相关部件在水平面上的投影的位置，是对应的。

在具体实施过程中，辐射缝隙501、蜂窝辐射端口502平行于天线上板104上、下表面的截面形状可以为矩形、椭圆形、T型、十字型、哑铃型等，尺寸、数量均可根据需求确定，只需天线低反射，高增益，抑制副瓣，抑制耦合等需求。

图6示出本发明的仿真和测量的反射系数；从34GHz到37GHz，仿真反射损耗低于-10dB。测量结果与仿真结果基本一致，测量结果略高于仿真，是由于制造差异与组装不重合导致。

图7为本发明的远场轴比测试结果，结果表明，早整个工作频段内，轴比小于2dB，在35.5GHz处为最小值0.3dB。

图8示出本发明在35GHz处方位面(虚线为90度，实线为0度)上远场测量方向图，且通过峰值增益进行了标准化，特别的方位面和俯仰面半功率波束宽度分别为3.1和6.4度。

图9为本发明的仿真和测量增益结果，在34.5GHz到37GHz内，仿真和测量增益都大于31dBi，在35.5GHz处，测量增益为31.5dBi。

测量结果略低于仿真结果，是因为整个天线用吕材料制成，随着频率的增加欧姆损耗会增加，同时脊表面的粗糙度，与标准WR-28波导的表面连接，通过探针和螺钉组装与固定天线结构导致的安装精确度都可能是影响天线性能的原因。

Claims (10)

1.基于缝隙波导技术的右旋圆极化阵列天线，其特征在于，所述天线自下而上依次包括天线底板(101)、天线下板(102)、天线中板(103)和天线上板(104)，四者紧密贴合在一起构成缝隙阵列天线；其中

(1)天线底板(101)

从天线底板(101)的下表面看，馈电端口(201)为贯穿天线底板(101)上下表面的通孔，其横截面形状根据需要确定，是矩形、圆形、椭圆或任意适当的形状；馈电端口(201)向上继续贯穿天线下板(102)，馈电端口(201)与天线下板(102)中E面弯波导(307)相连；馈电端口(201)能够位于天线底板(101)上的任意位置，只需避开安装与固定螺钉，以及天线底板(101)与天线下板(102)上除E面弯波导(307)和T型功分器(310)之外的所有开槽、开孔、突起等；天线底板(101)长为L1，宽为W1；外接传输线与馈电端口(201)连接；天线底板(101)上的其它孔均用于装配和固定，位置任意，只需避开底板与下板上的所有开槽、开孔、突起等；

从天线底板(101)的上表面看，以天线底板(101)的俯视图表面的中心为坐标原点，建立直角坐标系o-xyz，x轴为水平轴，y轴为纵轴，z轴垂直穿过纸面，指向纸的正面；天线底板(101)以y轴为对称轴，左右两边分别具有一个功分器(202)，每个功分器(202)都配备有金属块(203)、金属柱(204)，此二者均用调节匹配；还配备有金属凹槽(205)、金属凹槽(206)，此二者均用于配合天线下板(102)调节匹配；对于左边功分器(202)而言：功分器(202)自上而下依次由呈凹槽状的上横部、竖部、中横部、下横部组成，其中，上横部为水平长条，其右端连接竖部上端；竖部为竖直长条，其下部连接下横部右端；中横部为水平长条，其左端连接于竖部中间位置；下横部为水平长条；上横部、下横部关于平行于x轴的轴线为对称；横部、竖部、中横部、下横部为一体化形成结构，四者之间无缝隙结合；上横部、竖部、中横部、下横部均为同种标准波导；上横部、竖部、中横部、下横部的宽度和深度需要符合波导的要求，长度根据效果调节；

金属块(203)、金属柱(204)位于功分器(202)的中横部任意位置；其中，金属块(203)为加工凹槽状上横部、竖部、中横部、下横部时留下的金属柱；金属柱(204)同样为加工凹槽状上横部、竖部、中横部、下横部时留下的金属柱，金属柱(204)平行于天线底板(101)上、下表面的截面通常为矩形；由于金属块(203)、金属柱(204)都是在天线底板(101)上加工而成的，因此二者的最大高度均不超过天线底板(101)的上表面；

金属凹槽(205)的个数和位置根据需要确定，不过，金属凹槽(205)的个数和位置必须与天线下板(102)上的金属凹槽306的个数和位置一致，所配置的金属凹槽(205)的个数和位置达到调节阻抗匹配的目的；金属凹槽(206)的个数和位置根据需要确定，不过，金属凹槽(206)的个数和位置必须与天线下板(102)上的匹配调节孔(305)的个数和位置一致，所配置的金属凹槽(206)的个数和位置达到阻抗匹配的目的；

根据需要，金属块(203)、金属柱(204)、金属凹槽(205)、金属凹槽(206)平行于天线底板(101)上、下表面的截面形状和尺寸均根据需求确定，只需达到调节匹配，使传输的电磁信号满足需求的目的；

(2)天线下板(102)

从天线下板(102)的下表面看，以天线下板(102)仰视图表面的中心为坐标原点，建立直角坐标系o’-x’y’z’，x’轴为水平轴，y’轴为纵轴，z’轴垂直穿过纸面，指向纸的正面；馈电端口(301)与天线底板(101)中馈电端口(201)相通，因此，波导过渡孔(303)与天线底板(101)功分器(202)中横部最右端对应，馈电端口(301)与天线底板(101)中馈电端口(201)的位置对应；金属匹配调节块(302)位于馈电端口(301)内部，用于调节馈电匹配，金属匹配调节块(302)为一个长方体金属块，横跨馈电端口(301)，与天线下板(102)的上表面齐平，与天线下板(102)的下表面形成台阶状，使电磁信号更好地通过馈电端口(301)；金属匹配调节块(302)的高度根据需求调节；以y’轴为对称轴，左右两边分别具有一个波导过渡孔(303)、一对匹配调节孔(305)，一对辐射缝隙(304)，一对匹配调节孔(306)；波导过渡孔(303)自上而下贯穿天线下板(102)，波导过渡孔(303)内部有一个金属匹配调节台阶，用于调节T功分器(310)到功分器(202)的电磁信号，金属匹配调节台阶横跨波导过渡孔(303)，与天线下板(102)的上表面齐平，与天线下板(102)的下表面形成台阶状，使电磁信号更好地通过波导过渡孔(303)，金属匹配调节台阶高度根据需求调节；天线下板(102)的波导过渡孔(303)、一对辐射缝隙(304)、一对匹配调节孔(305)、一对匹配调节孔(306)均关于y’轴对称、均自上而下贯穿天线下板(102)；对于y’轴左边而言：波导过渡孔(303)需与天线底板(101)的功分器(202)最右端连通；辐射缝隙(304)、匹配调节孔(305)、匹配调节孔(306)均为穿透天线下板(102)上下表面的通孔，辐射缝隙(304)用于传输由功分器(202)到波导传输槽(311)的电磁信号；以y’轴为对称轴，对y’轴左边而言：匹配调节孔(305)和匹配调节孔(306)的位置和数量分别与天线底板(101)的金属凹槽(206)、金属凹槽(205)对应，以调节匹配；辐射缝隙(304)的位置与天线底板(101)功分器(202)的上下横部最左端对应；

从天线下板(102)的上表面看，以天线下板(102)俯视图表面的中心为坐标原点，建立直角坐标系o-xyz；一个E面弯波导(307)将馈电端口(301)与天线下板(102)上表面上的T功分器(310)连通；E面弯波导(307)由竖部和横部组成，竖部最上端与横部最右端连接，E面弯波导(307)为凹槽；E面弯波导(307)竖部下端的位置对应于馈电端口(301)的位置；T功分器(310)由横部和竖部组成，竖部上端与横部中间位置连通，在竖部中间位置留有金属柱(308)、横部上壁大致中间位置留有向下的突起(309)，二者均用于匹配调节，T功分器(310)为凹槽；T功分器(310)横部左右两端的位置分别对应于波导过渡孔(303)的位置；T功分器(310)横部的左端与天线下板(102)左边缘之间具有一对或多对波导传输槽(311)，这些对波导传输槽(311)x轴坐标相同，平行于y轴延伸，且这些对波导传输槽(311)关于x轴对称分布；以y轴为对称轴，T功分器(310)右边也具有一对完全相同、与左边对称分布的波导传输槽(311)；E面弯波导(307)、T功分器(310)、波导传输槽(311)宽度和深度需要符合波导的要求，长度根据效果调节；

馈电端口(301)、波导过渡孔(303)、金属柱(308)、突起(309)、匹配调节孔(305)和匹配调节孔(306)、辐射缝隙(304)的截面形状和尺寸均根据需求确定，只需达到调节匹配，使传输功率、相位满足需求；匹配调节孔(305、306)的数量根据需求确定；匹配调节孔(305、306)、辐射缝隙(304)需与T功分器(202)连通；匹配调节孔(305)和匹配调节孔(306)的数量和位置分别天线底板(101)的金属凹槽(205)、金属凹槽(206)对应，辐射缝隙(304)的位置与天线底板(101)功分器(202)上下横部的最左端对应；保证T功分器(202)中的电磁信号能够很好地到达波导传输槽(311)中；

(3)天线中板(103)

从天线中板(103)下表面看，其左右对称地布置两组辐射缝隙(401)，每组单独排成一列；辐射缝隙(401)自上而下贯穿天线中板(103)，与辐射槽(402)一一对应，对天线中板(103)左边的辐射缝隙(401)而言：辐射缝隙(401)包括自上而下排布的多个缝隙，缝隙的延伸方式和数量都不受限制，只要大致自上而下贯穿天线中板(103)即可，这组辐射缝隙(401)与波导传输槽(311)的位置对应，并且，辐射缝隙(401)沿x轴的宽度不能超过波导传输槽(311)沿x轴的宽度，缝隙的长度可变，偏转角度任意；

从天线中板(103)上表面看，其左右对称地分布着两组辐射槽(402)，每个辐射槽(402)都相同；对左边而言：与左侧辐射缝隙(401)数量一致的辐射槽(402)均与x轴平行，各槽形状一致，其上下边沿均相互平行，其左右两侧均齐平，辐射槽(402)等间距地自上而下均匀分布；

天线中板(103)上其它孔均用于固定及装配用；

(4)天线上板(104)

从天线上板(104)下表面看，以仰视图表面的中心为坐标原点，建立直角坐标系o”-x’y’z’；以y’轴为对称轴，左右各布置一个准周期性的N×M阵列辐射槽(501)；对左边而言：辐射槽(501)与蜂窝辐射端口(502)的数量和位置一一对应；每个辐射槽(501)均为水平布置的、自上而下贯穿天线上板(104)的通孔；相同列上的辐射槽(501)等间隔排布，相邻列上下错位一定距离，以保证相同行中相邻两个缝隙上下错位；最外围的辐射槽(501)距离天线上板(104)的边缘保持一定距离；同一行中相邻两个缝隙需要上下错位，由此减少相邻辐射端口的耦合；缝隙矩阵排布及数量无具体限制，但必须左右对称；天线上板(104)的竖直对称轴的左右两侧的缝隙矩阵之间的水平间隔较其它列之间的水平间隔更大；缝隙矩阵的排布及数量以需达到高增，低反射、宽带工作的目的为准；

从天线上板(104)上表面看，左右对称地分布着例如两个N×2M蜂窝阵列，每个蜂窝的形状和结构均完全相同，对左边而言：每个N×M蜂窝阵列均是由蜂窝辐射端口(502)构成；辐射槽(501)位于蜂窝辐射端口(502)的内部大约中心位置；蜂窝辐射端口(502)为凹槽；左右对称分布的蜂窝阵列之间的水平间隔较其它列之间的水平间隔更大。

2.如权利要求1所述的基于缝隙波导技术的右旋圆极化阵列天线，其特征在于，天线底板(101)长L1在10mm-600mm范围内，宽W1在10mm-600mm范围内。

3.如权利要求2所述的基于缝隙波导技术的右旋圆极化阵列天线，其特征在于，天线底板(101)长L1为167mm，宽W1为110mm；功分器(202)的上横部、竖部、中横部、下横部的宽度在0.85-15mm范围内，深度在0.43-8mm范围内。

4.如权利要求1所述的基于缝隙波导技术的右旋圆极化阵列天线，其特征在于，功分器(202)的竖部与上横部、下横部连接处形成倒角；所述倒角是阶梯型或者其它形状；设置倒角或者是阶梯的目的是调节匹配，大小根据需求确定。

5.如权利要求4所述的基于缝隙波导技术的右旋圆极化阵列天线，其特征在于，金属块(203)位于中横部靠近竖部处；金属柱(204)位于上横部最右端，为一个金属台阶，该金属台阶的高度低于天线底板(101)上表面。

6.如权利要求4所述的基于缝隙波导技术的右旋圆极化阵列天线，其特征在于，

对于左边金属凹槽(205)而言：金属凹槽(205)位于左边功分器(202)的竖部以左、上横部以下、下横部以上，数量为两个，与左边功分器(202)的竖部相平行地排列；

对于左边金属凹槽(206)而言：金属凹槽(206)位于左边功分器(202)的上横部之上以及下横部之下，数量为两个。

7.如权利要求6所述的基于缝隙波导技术的右旋圆极化阵列天线，其特征在于，

天线下板(102)的E面弯波导(307)将馈电端口(301)与天线下板(102)上表面上的T功分器(310)连通，在连接处形成倒角；E面弯波导(307)竖部和横部的连接处形成倒角；

金属柱(308)、突起(309)都是在天线下板(102)上加工而成的，因此二者的最大高度均不超过天线下板(102)的上表面。

8.如权利要求1所述的基于缝隙波导技术的右旋圆极化阵列天线，其特征在于，辐射缝隙(401)包括自上而下大致曲折蛇形的多个缝隙，自上而下，第一个缝隙呈左上右下延伸，第二个缝隙呈右上左下延伸，第三个缝隙呈左上右下延伸，第四个缝隙呈左上右下延伸，第五个缝隙呈右上左下延伸，第六个缝隙呈左上右下延伸，第七个缝隙呈右上左下延伸，第八个缝隙呈右上左下延伸，第九个缝隙呈左上右下延伸，第十个缝隙呈右上左下延伸，以此类推。

9.如权利要求1所述的基于缝隙波导技术的右旋圆极化阵列天线，其特征在于，辐射槽(402)的长度l＝65.5mm，槽宽w＝5.5mm，槽的分布周期p＝7.35mm，深度为2.2mm。

10.如权利要求1所述的基于缝隙波导技术的右旋圆极化阵列天线，其特征在于，辐射槽(501)形状为缝隙状。

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