CN113612029B - 多层波导馈电低成本毫米波高增益缝隙天线阵列 - Google Patents

多层波导馈电低成本毫米波高增益缝隙天线阵列 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多层波导馈电低成本毫米波高增益缝隙天线阵列，属于天线领域，具体包括从上到下的辐射结构、波导结构和馈电波导结构；所述辐射结构中板1上有辐射槽，板2上有脊型结构的矩形空腔；波导结构中板3，板4和板5上均有EBG结构，且板3有矩形馈电槽，板4上有与之连通的矩形空腔；板5有与矩形空腔连通的矩形槽；馈电波导结构中板6，板7和板8上均有EBG结构，板6上顶端正对板5有大小相同的矩形槽且连通，底端有与之连通的矩形空腔，板7和板8各有一个矩形槽正对且连通，用于过渡标准波导向板6底端的矩形空腔馈电；然后通过矩形槽，板5的矩形槽，板4的矩形空腔，板3的矩形馈电槽向辐射结构馈电。本发明实现了良好的辐射性能。

Description

多层波导馈电低成本毫米波高增益缝隙天线阵列
技术领域
本发明属于天线领域，具体是一种多层波导馈电低成本毫米波高增益缝隙天线阵列。
背景技术
近年来，随着通信技术的迅猛发展，对通信系统的容量需求越来越高。在高频的微波频段中，频谱资源极为丰富，因此现代通信系统正在向高频微波频段特别是毫米波频段发展。
在无线电波中，毫米波是指波长为1-10毫米的电磁波，它位于微波与远红外波相交叠的波长范围，因而兼具两者的特点，具有极宽的带宽、波束窄、可靠性高和方向性好等优点。凭借这一系列优点，毫米波技术被大量地应用于通信、雷达、遥感和射电天文等领域。而随着毫米波技术的发展，对于毫米波天线、毫米波器件等方面的研究都有了重大突破，进入了各种应用的新阶段。
毫米波天线，即工作于毫米波频段的天线；由于毫米波的宽频带特性，毫米波天线的应用场景很广，但也面临各种问题。在较高的毫米波频段，如W波段(75-110GHz)，高性能天线的设计面临严重的表面波效应、高介质损耗等问题。因此，传统的微带贴片天线在该频段下的效率较低，可用性大大降低。
而波导缝隙天线具有高效率、低副瓣的优点，能够广泛应用于这一频段。现有的波导缝隙天线大多采用矩形空腔波导进行馈电，而工作于高频段的该种波导结构加工难度大、成本高。
为了解决这一问题，有研究者提出了间隙波导结构，该结构使用周期性的销钉结构来代替波导的窄壁，同时在销钉结构上方添加了一层空气层，避免了其与波导的上壁进行电接触。周期性的销钉结构具有禁止电磁波在一定频率内传播的功能，因此可以用来防止空气层内电磁波的泄漏。间隙波导结构降低了高频段波导的加工成本，但其仍具有尺寸较大、结构较为复杂等缺点。
发明内容
本发明针对上述问题，提出了一种多层波导馈电低成本毫米波高增益缝隙天线阵列，将电磁带隙结构引入多层波导，禁止一定频率内的电磁波从波导的各层金属板之间的缝隙泄漏出去，可以在大大降低波导结构加工成本的情况下，让天线在较高的毫米波频段实现良好的辐射性能。
所述毫米波高增益缝隙天线阵列包括从上到下的辐射结构、波导结构和馈电波导结构；波导结构和馈电波导结构比辐射结构的右端长，长出的部分用于安装法兰；
所述辐射结构包括两层金属板，分别为第一金属板和第二金属板；
第一金属板上有6行8列大小相同的矩形槽作为辐射槽，第二金属板上有3行4列大小相同的矩形空腔，每个矩形空腔四壁的中心位置均有脊型结构；第二金属板上每个矩形空腔对应第一金属板上前后左右相邻的四个矩形槽；
在辐射结构的下方为三层金属板组成的波导结构，从上到下依次为第三金属板，第四金属板和第五金属板；
第三金属板左端上有3行4列大小相同的矩形馈电槽，均倾斜了45°，与每行矩形馈电槽间隔放置有4行6列大小相同的圆孔形EBG结构，各行圆孔与其相邻矩形馈电槽之间的距离相同；
第四金属板左端上有3行大小相同的矩形空腔作为波导结构的内部空腔，与第三金属板的矩形馈电槽所在行正对，且与矩形馈电槽连通；与每行矩形空腔间隔放置有4行6列大小相同的圆孔形EBG结构，各行圆孔与其相邻矩形空腔之间的距离相同；
第五金属板左端上有3行大小相同的矩形槽，与第四金属板的矩形空腔正对且连通，位于每行的中心位置；与每行矩形槽间隔放置有4行6列大小相同的圆孔形EBG结构，各行圆孔与其相邻矩形槽之间的距离相同；
第三、第四和第五金属板的每行圆孔中各相邻圆孔之间的距离相同，且相邻金属板上的圆孔呈滑行对称排列，即：第三和第五金属板上的各圆孔位置正对，第四金属板上的各圆孔位于第三或第五金属板上对应行的圆孔中相邻两圆孔的中心位置；
在第三、第四和第五金属板的右端，安装有位于同一圆周上的三大四小的法兰孔，用于连接标准波导进行馈电；相邻的孔之间间隔45°。
波导结构的下方为三层金属板组成的馈电波导结构，从上到下依次为第六金属板，第七金属板和第八金属板；在第六、第七和第八金属板的右端，安装有三大四小的法兰孔，分别对应第三、第四和第五金属板右端的各法兰孔。
第六金属板上顶端正对第五金属板有3行大小相同的矩形槽且连通，底端有一个矩形空腔作为馈电波导结构的内部空腔，且矩形槽与矩形空腔连通；矩形空腔长至法兰孔所在圆周的圆心；在矩形空腔两侧平行放置有2行8列大小相同的圆孔形EBG结构，各行圆孔与矩形空腔之间的距离相同；
第七金属板上有一个矩形槽A1，对应于第六金属板矩形空腔的最右端，且与第六金属板矩形空腔连通；在矩形槽A1两侧，正对第六金属板的圆孔位置，间隔放置2行9列大小相同的圆孔形EBG结构，各行圆孔与矩形槽A1之间的距离相同；
第八金属板上有一个矩形槽A2，正对第七金属板的矩形槽A1下方；在矩形槽A2两侧，正对第六金属板的圆孔位置间隔放置有2行8列大小相同的圆孔形EBG结构，各行圆孔与矩形槽A2之间的距离相同；
第六、第七和第八金属板上的每行圆孔中各圆孔之间的距离相同，且相邻金属板上的圆孔呈滑行对称排列，即：第六和第八金属板上的各圆孔位置相同，第七金属板上的各圆孔位于第六或第八金属板上对应行的圆孔中相邻两圆孔的中心位置。
各层金属板的左端对齐放置，在辐射结构、波导结构和馈电波导结构左端重叠部分板上，周围边缘均设置有大小相同的螺丝孔，用于固定各板；且从第三层到第八层各层金属板间留有0.01mm厚的缝隙，用来模拟实际加工时各层金属板间填充的空气。
所述毫米波高增益缝隙天线阵列的工作原理如下：
首先，标准波导通过第七和第八金属板的矩形槽A1和A2，过渡向第六金属板底端的矩形空腔馈电；
然后通过第六金属板顶端的矩形槽对波导结构的第五金属板的矩形槽馈电；过渡向第四金属板的矩形空腔馈电；
最后通过与矩形空腔馈电连通的第三金属板的矩形馈电槽向辐射结构馈电。
本发明由于第三层到第八层的金属板均采用EBG结构，禁止一定频率内的电磁波从波导的各层金属板之间的缝隙泄漏出去，大大降低波导结构加工成本的情况下，让天线在较高的毫米波频段实现良好的辐射性能。
本发明的优点在于：
1)多层波导馈电低成本毫米波高增益缝隙天线阵列，相比传统的矩形空腔波导在高频段会面临加工难度大、成本高的问题，本发明采用带EBG结构的多层波导结构，降低了加工难度和成本，并且保证了传输性能。
2)多层波导馈电低成本毫米波高增益缝隙天线阵列，采用波导缝隙天线的辐射结构，在第二层金属板上的带脊型结构的矩形空腔，具有抑制高次模的作用；克服了传统的微带贴片天线所面临的严重表面波效应、高介质损耗等问题，而且在高频段具有良好的辐射特性，实现高增益、高效率、低副瓣等目标。
3)多层波导馈电低成本毫米波高增益缝隙天线阵列，将多层波导结构引入波导缝隙天线阵列，使整体天线阵列能够实现高辐射性能。本发明的实施例的中心频率为95.59GHz，工作频率分布在94.33GHz–96.84GHz，工作于毫米波频段中的W波段，能在毫米波通信系统中得到广泛应用。
4)多层波导馈电低成本毫米波高增益缝隙天线阵列，结构简单，易于设计且便于加工制作；整体结构由多层金属板堆叠组成，各金属板可单独加工，最后再进行组装。
附图说明
图1为本发明多层波导馈电低成本毫米波高增益缝隙天线阵列的整体结构示意图；
图2为本发明多层波导馈电低成本毫米波高增益缝隙天线阵列的各层金属板爆炸图；
图3为本发明实施例中天线的S参数和增益仿真结果示意图；
图4为本发明实施例中天线的方向角度和增益的仿真结果示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明多层波导馈电低成本毫米波高增益缝隙天线阵列，采用多层薄金属板堆叠形成波导，金属板之间使用空气进行填充，不需要任何电气接触，同时使用电磁带隙(EBG)结构来防止各金属层间一定频率内的电磁波的泄漏，从而大大降低了加工成本。通过该新型波导结构为毫米波缝隙天线阵列进行馈电，实现了高辐射性能的毫米波天线阵列，对较高频段的毫米波天线的设计具有重要意义和应用价值。
所述毫米波缝隙天线阵列由多层金属板组成，整体结构示意图如图1所示，其中(a)为三维结构图，(b)为侧视图；依照其用途可分为辐射结构、多层波导结构和馈电波导结构。其中，馈电波导结构用于对多层波导结构进行馈电，多层波导结构再对辐射结构进行馈电。金属板从上到下依次为第一层金属板，第二层金属板，第三层金属板，第四层金属板，第五层金属板，第六层金属板，第七层金属板和第八层金属板，简称板1、板2、板3、板4、板5、板6、板7和板8；
所述各金属板左侧对齐，周边对称设有大小相同的孔，分别对应孔1，孔2，……孔11，用于安装螺丝，以固定各层板。
从板3到板8的右侧比板1和板2的右侧超出一部分，超出部分用于安装法兰，超出部分的大小与法兰尺寸对应即可；且对齐的板3到板8六块金属板上上下对齐设有三大四小的孔，安装有位于同一圆周上的三大四小的法兰孔，用于连接标准波导进行馈电；相邻的孔之间间隔45°；三大四小的孔分别命名为孔12，孔13……孔18。
如图2所示为本发明各部分的结构示意图，其中(a)为辐射结构的三维结构示意图，(b)为多层波导结构的三维结构示意图，(c)为馈电波导结构的三维结构示意图；
所述辐射结构包括两层金属板，分别为第一金属板和第二金属板；
第一金属板上有6行8列大小相同的矩形槽作为辐射槽，第二金属板上有3行4列大小相同的矩形空腔，每个矩形空腔四壁的中心位置均有脊型结构，用来抑制高次模；第二金属板上每个矩形空腔对应第一金属板上前后左右相邻的四个矩形槽；
在辐射结构的下方为三层金属板组成的波导结构，从上到下依次为第三金属板，第四金属板和第五金属板；
第三金属板左端上有3行4列大小相同的矩形馈电槽，均倾斜了45°，用来给辐射结构馈电；与每行矩形馈电槽间隔放置有4行6列大小相同的圆孔形EBG结构，各行圆孔与其相邻矩形馈电槽之间的距离相同；
第四金属板左端上有3行大小相同的矩形空腔作为波导结构的内部空腔，与第三金属板的矩形馈电槽所在行正对，且与矩形馈电槽连通；与每行矩形空腔间隔放置有4行6列大小相同的圆孔形EBG结构，各行圆孔与其相邻矩形空腔之间的距离相同；
第五金属板左端上有3行大小相同的矩形槽，与第四金属板的矩形空腔正对且连通，位于每行的中心位置；用来与馈电波导结构相连。与每行矩形槽间隔放置有4行6列大小相同的圆孔形EBG结构，各行圆孔与其相邻矩形槽之间的距离相同；
第三、第四和第五金属板的每行圆孔中各相邻圆孔之间的距离相同，且相邻金属板上的圆孔呈滑行对称排列，即：第三和第五金属板上的各圆孔位置正对，第四金属板上的各圆孔位于第三或第五金属板上对应行的圆孔中相邻两圆孔的中心位置；
在第三、第四和第五金属板的右端，安装有位于同一圆周上的三大四小的法兰孔，用于连接标准波导进行馈电；相邻的孔之间间隔45°。
波导结构的下方为三层金属板组成的馈电波导结构，从上到下依次为第六金属板，第七金属板和第八金属板；在第六、第七和第八金属板的右端，安装有三大四小的法兰孔，分别对应第三、第四和第五金属板右端的各法兰孔。
第六金属板上顶端正对第五金属板有3行大小相同的矩形槽且连通，该矩形槽与第五金属板中矩形槽的形状、大小、水平位置完全一致，用来与多层波导结构相连；底端有一个矩形空腔作为馈电波导结构的内部空腔，且矩形槽与矩形空腔连通；矩形空腔长至法兰孔所在圆周的圆心；在矩形空腔两侧平行放置有2行8列大小相同的圆孔形EBG结构，各行圆孔与矩形空腔之间的距离相同；
第七金属板上有一个矩形槽A1，对应于第六金属板矩形空腔的最右端，且与第六金属板矩形空腔连通；在矩形槽A1两侧，正对第六金属板的圆孔位置，间隔放置2行9列大小相同的圆孔形EBG结构，各行圆孔与矩形槽A1之间的距离相同；
第八金属板上有一个矩形槽A2，正对第七金属板的矩形槽A1下方；在矩形槽A2两侧，正对第六金属板的圆孔位置间隔放置有2行8列大小相同的圆孔形EBG结构，各行圆孔与矩形槽A2之间的距离相同；
两个矩形槽A1和A2作为过渡结构，将第六金属板的馈电波导过渡到标准波导BJ900。
第六、第七和第八金属板上的每行圆孔中各圆孔之间的距离相同，且相邻金属板上的圆孔呈滑行对称排列，即：第六和第八金属板上的各圆孔位置相同，第七金属板上的各圆孔位于第六或第八金属板上对应行的圆孔中相邻两圆孔的中心位置。
各层金属板的左端对齐放置，在辐射结构、波导结构和馈电波导结构左端重叠部分板上，周围边缘均设置有大小相同的螺丝孔，用于固定各板；且从第三层到第八层各层金属板间留有0.01mm厚的缝隙，用来模拟实际加工时各层金属板间填充的空气。
所述毫米波高增益缝隙天线阵列的工作原理如下：
首先，标准波导通过第七和第八金属板的矩形槽A1和A2，过渡向第六金属板底端的矩形空腔馈电；
然后通过第六金属板顶端的矩形槽对波导结构的第五金属板的矩形槽馈电；过渡向第四金属板的矩形空腔馈电；
最后通过与矩形空腔馈电连通的第三金属板的矩形馈电槽向辐射结构馈电。
本发明由于第三层到第八层的金属板均采用EBG结构，禁止一定频率内的电磁波从波导的各层金属板之间的缝隙泄漏出去，大大降低波导结构加工成本的情况下，让天线在较高的毫米波频段实现良好的辐射性能。
本发明通过分别加工单层金属板电路板再组装来实现，方法成熟，设计思路简单，具有结构简单、加工成本低、频带较宽、增益高、效率高、副瓣低的优点。
实施例
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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
为了满足当前通信系统对于毫米波频段的需求，本发明展示了频率为95GHz附近的实施例。在该实施例中，各层金属板的厚度从上到下分别为0.2mm，1.3mm，0.1mm，0.6mm，0.1mm，0.94mm，0.2mm，0.2mm，其中板6的上下部分厚度分别为0.2mm和0.74mm。板3——板8中相邻金属板之间的缝隙厚度均为0.01mm。
板1中辐射槽的长度LS为2mm，宽度WS为1.6mm。相邻辐射槽之间的距离L1，L2，W1，W2分别为0.4mm，0.5mm，0.9mm，0.4mm。辐射槽与板1的边缘之间的距离L3，W3分别为3.48mm，3.43mm。
板2中矩形空腔的长度LR为3.9mm，宽度WR为3.5mm。脊的长度LD为0.4mm，宽度WD为0.5mm。相邻矩形空腔之间的距离L4，W4均为1mm。矩形空腔与板2的边缘之间的距离L5，W5均为3.73mm。
板1和板2中圆孔的直径D1均为1mm。圆孔与金属板的边缘之间的距离S1，S2均为0.5mm。相邻圆孔之间的距离S3，S4分别为5.015mm，4.99mm。
板3中矩形馈电槽的长度LG为1.5mm，宽度WG为0.6mm，倾斜角度为相对x轴旋转45°，位于两列圆孔的中心。相邻矩形馈电槽之间的距离SG为4.9mm。矩形馈电槽与板3的边缘之间的距离L6为5.68mm。
板4中矩形空腔的长度LW为19.6mm，宽度WW为2.1mm，位于两列圆孔的中心。矩形空腔与板4的边缘之间的距离L7为3.23mm。
板5中矩形槽的长度LC为1.8mm，宽度WC为1mm，位于两列圆孔的中心。矩形槽与板5的边缘之间的距离L8为12.53mm。
板3、板4和板5中EBG结构的圆孔的直径D2均为1.6mm，相邻圆孔之间的间距S5，S6分别为3.1mm，2.9mm。板3和板5中圆孔与板的边缘之间的最近距离L9为5.53mm，板4中圆孔与板的边缘之间的最近距离L10为3.98mm，板3、板4和板5中圆孔与板的边缘之间的距离W6为2.43mm。
板6上半部分中矩形槽与板5中矩形槽的形状、大小、水平位置完全一致。板6下半部分中矩形空腔的长度LF为23.81mm，宽度WF为2.44mm。矩形空腔与板的边缘之间的距离L11，W7分别为12.39mm，3.2mm。板7中矩形槽的长度LT1为2.44mm，宽度WT1为1mm。矩形槽与板的边缘之间的距离W8为8.665mm。板8中矩形槽的长度LT2为2.54mm，宽度WT2为1.27mm。矩形槽与板的边缘之间的距离仍为W8。
板6、板7和板8中EBG结构的圆孔的直径仍为D2，相邻圆孔之间的间距S5，S7分别为3.1mm，4.14mm。板6、板8中圆孔与板的边缘之间的最近距离W9为3.35mm，板7中圆孔与板的边缘之间的最近距离W10为1.8mm，板6、板7和板8中圆孔与板的边缘之间的距离L12为9.94mm。
板3——板8中的孔12——孔18的直径D3，D4，D5分别为1.4224mm，1.56mm，1.71mm。孔12——孔18位于同一个圆的圆周上，该圆的半径R为7.15mm，相邻孔之间相差45°。孔12与板的边缘之间的距离L13为5.0426mm，孔13与板的边缘之间的距离W11为0.7276mm。
如图3所示为实施例的S参数和增益仿真结果示意图。仿真结果表明，当馈电波导被激励时，本实施例的回波损耗，即|S11|，小于-10dB的频率范围为94.33GHz–96.84GHz，工作于所需毫米波频段。在工作频段内，增益出现了一定程度的浮动，但在大部分频点的增益均保持在了20dBi以上，辐射性能比较稳定。
如图4所示为实施例的方向图仿真结果示意图。仿真结果表明，本实施例在95GHz时，E面和H面的方向图的主瓣峰值分别达到了21.44dBi和21.76dBi，均超过了21dBi，副瓣与主瓣的差值均超过了12dB，计算得到实施例的辐射效率最高可达40％。本实施例具有良好的辐射性能，即具有高增益、高效率、低副瓣的特性。
以上实验数据能很好地体现了本实施例天线阵列的性能，其工作于所需毫米波频段，具有高增益、高效率、低副瓣的辐射特性，且采用多层波导结构降低了加工成本。因此，本发明的应用前景广阔。
整个天线阵列的尺寸大小为26.06mm×19.96mm×1.5mm(辐射结构)、26.06mm×35.675mm×0.82mm(多层波导结构)和26.06mm×35.675mm×1.36mm(馈电波导结构)，整体结构简单、紧凑。使用多层波导结构来设计波导缝隙天线阵列能在保证辐射性能的前提下大大降低加工难度和成本，能够广泛用于波导缝隙天线阵列的设计及生产。

Claims (5)

1.多层波导馈电低成本毫米波高增益缝隙天线阵列，其特征在于，包括从上到下的辐射结构、波导结构和馈电波导结构；
所述辐射结构包括两层金属板，从上到下依次为第一金属板和第二金属板；第一金属板上有6行8列大小相同的矩形槽作为辐射槽，第二金属板上大小相同的矩形空腔，每个矩形空腔四壁的中心位置均有脊型结构；每个矩形空腔对应第一金属板上前后左右相邻的四个矩形槽；
在辐射结构的下方为三层金属板组成的波导结构，从上到下依次为第三金属板，第四金属板和第五金属板；
第三金属板左端上有3行4列大小相同的倾斜了45°的矩形馈电槽，第四金属板左端上有3行大小相同的矩形空腔作为波导结构的内部空腔，与第三金属板的矩形馈电槽正对，且与矩形馈电槽连通；第五金属板左端上有3行大小相同的矩形槽，与第四金属板的矩形空腔正对且连通；
第三，第四和第五金属板上都有大小相同的圆孔形EBG结构，每行圆孔中各相邻圆孔之间的距离相同，且相邻金属板上的圆孔呈滑行对称排列；
波导结构的下方为三层金属板组成的馈电波导结构，从上到下依次为第六金属板，第七金属板和第八金属板；
第六金属板上顶端正对第五金属板有3行大小相同的矩形槽且连通，底端有一个矩形空腔作为馈电波导结构的内部空腔，且矩形槽与矩形空腔连通；第七金属板上有一个矩形槽A1，对应于第六金属板矩形空腔的最右端，且与第六金属板矩形空腔连通；第八金属板上有一个矩形槽A2，正对第七金属板的矩形槽A1下方且连通；
第六、第七和第八金属板上都有大小相同的圆孔形EBG结构，且相邻金属板上的圆孔呈滑行对称排列；
所述毫米波高增益缝隙天线阵列工作时，标准波导通过矩形槽A1和A2，过渡向第六金属板底端的矩形空腔馈电；通过第六金属板顶端的矩形槽对第五金属板的矩形槽馈电；过渡向第四金属板的矩形空腔馈电；最后通过与矩形空腔馈电连通的第三金属板的矩形馈电槽向辐射结构馈电。
2.如权利要求1所述的多层波导馈电低成本毫米波高增益缝隙天线阵列，其特征在于，所述的波导结构和馈电波导结构比辐射结构的右端长，长出的部分用于安装法兰。
3.如权利要求1所述的多层波导馈电低成本毫米波高增益缝隙天线阵列，其特征在于，所述的第三到第八金属板的右端，安装有位于同一圆周上的三大四小的法兰孔，用于连接标准波导进行馈电；相邻的孔之间间隔45°。
4.如权利要求1所述的多层波导馈电低成本毫米波高增益缝隙天线阵列，其特征在于，所述的第一到第八层金属板的左端对齐放置，在辐射结构、波导结构和馈电波导结构左端重叠部分板上，周围边缘均设置有大小相同的螺丝孔，用于固定各板。
5.如权利要求1所述的多层波导馈电低成本毫米波高增益缝隙天线阵列，其特征在于，所述的第三层到第八层各层金属板间留有0.01mm厚的缝隙，用来模拟实际加工时各层金属板间填充的空气。
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