CN113381204B - 新型平面阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型平面阵列天线，包括：天线辐射单元、金属体、空气波导馈电网络和扭转波导；天线辐射单元由多个辐射结构单元组成，多个辐射结构单元阵列地嵌于金属体内部的上层；空气波导馈电网络设置于金属体内部的下层；空气波导馈电网络由多个E面功分器和多个W型E面功分器级联组成，每个W型E面功分器的末端与分别与两个扭转波导相连，每一个扭转波导的另一末端与其上部对应位置的天线辐射单元的结构单元相连。天线阵列的体积较小，剖面高度较低，设计的复杂度较小，节省时间成本和材料成本。

Description

新型平面阵列天线

技术领域

本发明涉及电磁能量分配技术领域，尤其涉及一种新型平面阵列天线。

背景技术

高增益、宽频带的平面天线阵列是在毫米波频谱中运行的集成无线系统的关键部分，由于在各种新兴的应用场景中，对数据的传输速率要求都很高，所以也使毫米波无线应用对具有高增益和宽频带的天线提出了很高的要求。平面阵列天线易于实现高定向性、高增益、宽频带特性，具有良好的波束成形能力，所以被广泛地应用于现代无线通信系统中，由于其具有结构紧凑、体积小、重量轻和易于制造的优点，对于在单片或多层介电基板中实现的天线阵列已经有了很多的研究，但是对于印刷电路板工艺制作的阵列天线，其材料存在介质损耗，并且阵列的损耗会随着阵列尺寸的增大而提高，大尺寸的阵列可实现的增益和辐射效率也会受到很大的限制，而以空气波导结构作为传输线的阵列天线不存在介质损耗，衰减很小，所以其辐射特性更好，具有高增益、高定向性以及出色的辐射效率。通常阵列天线是由馈电网络和辐射单元两部分构成。馈电网络对于阵列天线实现电磁能量的有效分配至关重要，在毫米波频段，相对于微带线馈电网络，波导结构的传输损耗更低，功率容量更高。目前已有的空气波导馈电的平面阵列一般采用多层馈电网络结构，采用主馈电网络和副馈电网络相结合的方式来实现电磁能量的有效分配。E型或H型功分器是主馈电网络实现能量的分配的常用方式，而平面矩形腔体是副馈电网络实现能量的分配的常用方式。但是多层馈电网络的设计会使阵列的整体尺寸增大，结构的复杂度更高，需要花费更多的时间成本和材料成本。随着新兴工业制造工艺的发展，平面阵列天线的结构开始呈现多样化趋势，我们除了要设计一种新型的电磁能量分配结构以及设计合适的辐射单元与其进行良好匹配之外，还要简化经常采用的多层馈电网络结构。

发明内容

本发明提供了一种新型平面阵列天线，以提供一种新型的电磁能量分配结构，解决现有技术问题中存在的缺陷。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种新型平面阵列天线，包括：天线辐射单元、金属体、空气波导馈电网络和扭转波导；

所述天线辐射单元由多个辐射结构单元组成，多个辐射结构单元阵列地嵌于金属体内部的上层；所述空气波导馈电网络设置于金属体内部的下层；

所述空气波导馈电网络由多个E面功分器和W型E面功分器级联组成，每个W型E面功分器的末端分别与两个扭转波导相连，每一个扭转波导的另一末端与其上部对应位置的天线辐射单元的结构单元相连。

优选地，每个W型E面功分器的W结构对应两个V字型的输出枝节，每个V字型的输出枝节与一个扭转波导相连。

优选地，空气波导馈电网络由多组T型结构级联构成，多组T型结构的最终输出端与所述W型E面功分器相连。

优选地，多组T型结构为以T型结构的下端作为第一枝节，通过顶端分支为两路第二枝节，第一枝节的出口与顶端两路第二枝节的入口相连接，构成T型结构，顶端两路第二枝节的出口分别作为两个下一级分支的出口，下一级分支的出口与下一级对应T型顶端两路枝节的入口相连接，构成下一级T型结构，其中，每一个分支的入口处向出口处宽度渐变宽。

优选地，空气波导馈电网络还包括波导入口，所述波导入口为渐变窄结构，所述波导入口与空气波导馈电网络通过三角形膜片结构连接。

优选地，每个V字型远离中间连接处的边设置为三角形膜片。

优选地，扭转波导的底部形状与所述V字型结构相同，顶部形状为矩形，与所述辐射结构单元的底部相同，扭转波导为渐变结构，底面的V字型分为两个边对应的两部分进行旋转组合为矩形，然后所述矩形的长度和宽度扭转渐变增加至所述辐射结构单元底部相同的形状。

由上述本发明的新型平面阵列天线提供的技术方案可以看出，本发明采用了一种扭转结构的波导，将组成馈电网络的每一个E面功分器截面设计为W型，并将W型功分器的末端与扭转波导相连接，将扭转波导的末端与辐射单元相连接，通过简单的扭转波导即可实现单层的馈电网络与辐射单元的连接，得到阵列的双层结构，即单层的馈电网络和辐射单元，使天线阵列的剖面高度降低，本发明实施例的阵列天线体积小，重量轻，结构紧凑，节省空间，避免了与馈电网络内部其他波导相交叉，大大减小天线的复杂程度，并进而实现电磁能量到辐射单元的等幅同相的传输，得到的平面阵列天线具有良好的辐射效率，高增益，宽频带特性。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实施例提供的新型平面阵列天线结构示意图；

图2为新型平面阵列天线的上下层结构示意图；

图3为空气波导馈电网络结构示意图；

图4为空气波导馈电网络俯视图；

图5是4×4空气波导馈电网络的三维结构图；

图6为本实施例的新型平面阵列天线的纵向剖面图；

图7为本实施例的上下层连接结构示意图；

图8为4×4空气波导馈电网络的俯视图；

图9为空气波导馈电网络的侧视图；

图10为波导入口结构示意图；

图11为4×4空气波导馈电网络的侧视图；

图12为本实施例的扭转波导的三维结构图；

图13是本实施例的中W型E面功分器与扭转波导相连接的三维结构图；

图14是本实施例的W型E面功分器与扭转波导相连接的俯视图；

图15是本实施例的W型E面功分器与扭转波导相连接的前视图；

图16是本实施例的W型E面功分器与扭转波导相连接的侧视图；

图17本实施例的平面阵列天线的S参数仿真结果图；

附图标记说明：

1—天线辐射单元；2—金属体；3—空气波导馈电网络；4—扭转波导；5—辐射结构单元；6W型E面功分器；7—V字型的输出枝节；8—第一枝节；9—第二枝节；10—第一枝节的出口；11—第二枝节的入口；12—波导入口；13—三角形膜片结构。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且并不构成对本发明实施例的限定。

实施例

图1为本实施例提供的新型平面阵列天线结构示意图，参照图1，该天线包括：天线辐射单元、金属体2、空气波导馈电网络和扭转波导。

天线辐射单元由多个辐射结构单元5组成，多个辐射结构单元5阵列地嵌于金属体内部的上层，如图1所示，256个辐射结构单元5阵列地嵌于金属体内部的上层，总体为每边16个辐射结构单元5的正方形；空气波导馈电网络设置于金属体内部的下层，如图2所示为新型平面阵列天线的上下层结构示意图，参照图2，上层为天线辐射单元1，下层为空气波导馈电网络3。本实施例的天线阵列的尺寸为：15.6mm×15.6mm×3.23mm。

图3为空气波导馈电网络结构示意图，图4为空气波导馈电网络俯视图，图5是4*4空气波导馈电网络的三维结构图，图6为本实施例的新型平面阵列天线的纵向剖面图，图7为本实施例的上下层连接结构示意图，参照图3，图4，图5，图6和图7，空气波导馈电网络3由多个E面功分器和多个W型E面功分器6级联组成。每个W型E面功分器6的末端与分别与两个扭转波导4相连，每一个扭转波导4的另一末端与其上部对应位置的天线辐射单元1的辐射结构单元5相连。每个W型E面功分器6的W结构对应两个V字型的输出枝节，每个V字型的输出枝节与一个扭转波导4相连。具体地，空气波导馈电网络3由多组T型结构级联构成，多组T型结构的最终输出端与W型E面功分器6相连。通过该结构的设置可以将整个馈电网络设计在单层空间，避免与空气波导馈电网络3内部其他波导相交。

图8为4×4空气波导馈电网络的俯视图，参照图8和图4，多组T型结构为以T型结构的下端作为第一枝节8，通过顶端分支为两路第二枝节9，第一枝节的出口10与顶端两路第二枝节的入口11相连接，构成T型结构，顶端两路第二枝节的出口分别作为两个下一级分支的出口，下一级分支的出口与下一级对应T型顶端两路枝节的入口相连接，构成下一级T型结构，其中，每一个分支的入口处向出口处宽度渐变宽，用于阻抗匹配，上述的T型结构就是E面功分器。

图9为空气波导馈电网络的侧视图，参照图9，空气波导馈电网络还包括波导入口12。图10为波导入口结构示意图，参照图10，波导入口为渐变窄结构，波导入口12与空气波导馈电网络通过三角形膜片结构13连接，电磁能量经波导入口通过三角形膜片结构可以实现良好的阻抗匹配。

图11为4×4空气波导馈电网络的侧视图，参照图11，每个V字型远离中间连接处的边设置为三角形膜片结构。

图12为本实施例的扭转波导的三维结构图；图13是本实施例的中W型E面功分器与扭转波导相连接的三维结构图；图14是本实施例的W型E面功分器与扭转波导相连接的俯视图；图15是本实施例的W型E面功分器与扭转波导相连接的前视图；图16是本实施例的W型E面功分器与扭转波导相连接的侧视图；参照图12，图13，图14和图15，扭转波导的底部形状与V字型结构相同，顶部形状为矩形，与辐射结构单元的底部相同，扭转波导为渐变结构，底面的V字型分为两个边对应的两部分进行旋转组合为矩形，矩形的长度和宽度通过扭转渐变增加至辐射结构单元底部相同的形状。渐变结构不仅保证了阵列的良好匹配，也保证了电磁能量的等幅同相传输。

电磁能量经由波导入口进入空气波导馈电网络内部，先经渐变窄结构，从T型结构将电磁能量等分为2路，每经过一个T型结构都将电磁能量进行等量分配，最终实现电磁能量由1路等分为256路的过程，并采用扭转波导实现电磁能量的同相馈电。每一路能量都经过馈电网络的末端，通过扭转波导传递给辐射单元，向自由空间辐射完成能量转换。

本实施例的平面阵列天线的S参数仿真结果如图17所示，从图17可以看出，其|S₁₁|<-15dB阻抗带宽为38.5％。

综上所述，本发明实施例的平面阵列天线的阵列结构紧凑，具有较好的增益和工作带宽，以及良好且稳定的辐射特性；整体结构分为两层，简化了设计，将组成馈电网络的每一个E面功分器的截面设计成W型，并使W型E面功分器的末端与扭转波导连接，扭转波导的末端再与辐射单元连接，来实现电磁能量等幅同相的分配及高效传输；整个天线阵列的体积较小，剖面高度较低，设计的复杂度较小，节省时间成本和材料成本。

本领域技术人员应能理解，图1仅为简明起见而示出的辐射结构单元的数量可能小于一个实际网络中的数量，但这种省略无疑是以不会影响对发明实施例进行清楚、充分的公开为前提的。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种新型平面阵列天线，其特征在于，包括：天线辐射单元、金属体、空气波导馈电网络和扭转波导；

所述天线辐射单元由多个辐射结构单元组成，多个辐射结构单元阵列地嵌于金属体内部的上层；所述空气波导馈电网络设置于金属体内部的下层；

所述空气波导馈电网络由多个E面功分器和多个W型E面功分器级联组成，每个W型E面功分器的末端分别与两个扭转波导相连，每一个扭转波导的另一末端与其上部对应位置的天线辐射单元的结构单元相连；

所述每个W型E面功分器的W结构对应两个V字型的输出枝节，每个V字型的输出枝节与一个扭转波导相连，扭转波导用于将电磁能量同相传输到辐射单元；

所述扭转波导的底部形状与所述V字型结构相同，顶部形状为矩形，与所述辐射结构单元的底部相同，扭转波导为渐变结构，底面的V字型分为两个边对应的两部分进行旋转组合为矩形，然后所述矩形的长度和宽度扭转渐变增加至所述辐射结构单元底部相同的形状。

2.根据权利要求1所述的平面阵列天线，其特征在于，所述空气波导馈电网络由多组T型结构级联构成，多组T型结构的最终输出端与所述W型E面功分器相连。

3.根据权利要求2所述的平面阵列天线，其特征在于，所述多组T型结构为以T型结构的下端作为第一枝节，通过顶端分支为两路第二枝节，第一枝节的出口与顶端两路第二枝节的入口相连接，构成T型结构，顶端两路第二枝节的出口分别作为两个下一级分支的出口，下一级分支的出口与下一级对应T型顶端两路枝节的入口相连接，构成下一级T型结构，其中，每一个分支的入口处向出口处宽度渐变宽。

4.根据权利要求1所述的平面阵列天线，其特征在于，所述空气波导馈电网络还包括波导入口，所述波导入口为渐变窄结构，所述波导入口与空气波导馈电网络通过三角形膜片结构连接。

5.根据权利要求1所述的平面阵列天线，其特征在于，每个V字型远离中间连接处的边设置为三角形膜片。

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