CN113745823B - 一种微同轴转脊波导阵列天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微同轴转脊波导阵列天线系统，包括微同轴巴特勒矩阵、微同轴脊波导过渡结构以及脊波导缝隙天线，微同轴脊波导过渡结构与脊波导缝隙天线连接形成一个单元，微同轴巴特勒矩阵的输出端连接四个所述单元，相邻两个单元之间相互连接；所述单元内沿长度方向设置同轴内导体，同轴内导体外侧设置同轴外导体，脊波导缝隙天线中的脊波导结构的顶部开设缝隙；缝隙的位置偏离脊波导缝隙天线的中线；实现了微同轴结构与脊波导天线结构的过渡，过渡结构内产生了新的谐振点，大大增加了系统的带宽，脊波导缝隙天线的缝隙处于波导宽壁一侧，其位置相对于波导中轴线存在偏移，该缝隙主要切割横向电流，从而产生辐射。

Description

一种微同轴转脊波导阵列天线系统

技术领域

本发明属于阵列技术以及微同轴加工技术领域，具体涉及一种微同轴转脊波导相控阵天线系统。

背景技术

微同轴的加工技术从低温共烧陶瓷到MEMS工艺再到多层3DMMFT微同轴工艺，加工工艺一直不成熟，但近几年的发展也为微同轴以及W波段的天线系统的制作铺平了道路；另外波导缝隙阵常用于高频的相控阵，但其带宽较窄，扫描角度也较窄。如何提高带宽，提高扫描角度及增益成为研究的重点对象。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种微同轴转脊波导阵列天线系统，使微同轴过渡到脊波导缝隙阵，并且提高带宽，提高扫描角度及增益。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是:一种微同轴转脊波导阵列天线系统，微同轴巴特勒矩阵、微同轴脊波导过渡结构以及脊波导缝隙天线，微同轴脊波导过渡结构与脊波导缝隙天线连接形成一个单元，微同轴巴特勒矩阵的输出端连接四个所述单元，相邻两个单元之间相互连接；所述单元内沿长度方向设置同轴内导体，同轴内导体外侧设置同轴外导体。

所述单元沿长度方向包括依次连接的第一部分、第二部分、第三部分、第四部分、第五部分以及第六部分；第一部分、第二部分以及第三部分同轴设置；第四部分、第五部分以及第六部分设置为脊波导结构；脊波导缝隙的顶部外导体加载缝隙；缝隙的位置偏离脊波导缝隙天线的中线。

分为五层，其中第一层和第五层均为同轴外导体，第一层和第五层的厚度相等，第一部分、第二部分及第三部分一体化设置，其同轴内导体位于第三层；第二部分的同轴外导体宽度逐渐增加，第三部分的同轴内导体宽度增大，第四部分和第五部分的脊波导的脊结构位于第三层和第四层，并且宽度依次增大。

第三层同轴内导体的中设置支撑结构；支撑结构间隔设置，支撑结构横穿第一部分、第二部分及第三部分的同轴内导体。

相邻两个单元的距离W10＝1.2mm。

支撑结构采用SU-8制成，其相对介电常数为2.85，相对磁导率为1，损耗角正切为0.045；同轴内导体以及同轴外导体材质为铜。

同轴内导体外侧设置同轴外导体之间设有间隙，填充材料为空气。

外导体沿长度方向间隔开设若干凹槽，所述凹槽包括顶部挖槽和底部挖槽，顶部挖槽位于第一层和第二层，底部挖槽位于第四层和第五层，顶部挖槽和底部挖槽的宽度为外导体宽度与内导体宽度的差值的二分之一，顶部挖槽的厚度为H1+H2，H1为第一层的厚度，H2为第二层的厚度，底部挖槽的厚度为H4+H5，H4为第四层厚度，H5为第五层厚度。

缝隙边缘距离脊波导缝隙天线外侧较小的距离为W8＝0.4874mm，缝隙的宽度为S5＝0.1mm，缝隙的长度为L7＝1.7mm，缝隙的端点与脊波导缝隙天线末端的距离L8＝0.8mm。

第一部分至第六部分的长度分别为L1、L2、L3、L4、L5和L6，第一部分至第三部分的同轴内导体的宽度分别为W3、W3和W4，第四部分至第六部分的脊结构宽度分别为W5、W6和W9；L1＝L2＝L3＝L4＝2mm，L5＝2.7mm，L6＝3.2mm，W3＝0.14mm，W4＝0.343mm，W5＝0.5mm，W6＝0.65mm，W9＝0.75mm；第一部分、第二部分和第三部分同轴内导体的厚度均为H3，H3＝0.1mm，第四部分、第五部分和第六部分脊结构的厚度为H7，H7＝0.2mm。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

1.本发明工作在95GHz-105GHz，频率在W波段，基于现有工艺，大幅提升工作频率；

2.该天线实现微同轴结构和波导天线的过渡，使同轴中传播的准TEM波转换为在脊波导中传播的TE波，并且过渡结构插损大于-12dB；

3.采用脊波导结构，与传统波导天线相比，相对带宽提高至10％以上；

4.该天线在2、3端口馈电时主瓣的扫描角度可达±60°，1、4端口馈电时主瓣的扫描角度为±20°，增益接近10dB；

5.该天线可以通过现有的3DMMFT微同轴加工技术实现加工，在国内就可以做出器件；

6.该天线系统通过巴特勒矩阵将天线阵列的相位梯度确定在±45°或±135°，结构与有源相控阵相比更加简单，不需要考虑有源电路问题；

7.该天线可在脊波导缝隙天线上串馈更多的缝隙，达到提高增益的效果。

附图说明

图1是本发明一种可实施的天线整体结构示意图。

图2是本图1所示结构的俯视图。

图3是本发明一种单元结构示意图。

图4是本发明中图3所示结构的俯视图。

图5是本发明中微同轴结构的俯视图。

图6是本发明中微同轴结构的剖面图。

图7是本发明中单元结构内导体的右视图。

图8是本发明中单元天线结构示意图。

图9是本发明中单元天线的主视图。

图10是本发明中单元天线的俯视图。

图11是本发明中阵列结构的俯视图。

图12是本发明的实施例中，天线的S参数仿真结果图。

图13是本发明的实施例中，巴特勒矩阵各端口馈电时的E面方向图。

图14是本发明的实施例中，巴特勒矩阵各端口馈电时的H面方向图。

附图中，1-微同轴巴特勒矩阵，2-微同轴脊波导过渡结构，3-脊波导缝隙天线，4-同轴内导体，5-支撑结构，6-过渡部分脊结构，7-脊波导缝隙天线脊结构，8-缝隙，9-顶部挖槽，10-底部挖槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的目的是提供一种工作在95GHZ-105GHZ的微同轴转脊波导缝隙阵列天线系统，该系统包括微同轴巴特勒矩阵、微同轴脊波导过渡结构以及脊波导缝隙阵，为了实现同轴线上的TEM波与脊波导中的准TEM波的匹配，设计了一种变换结构，实现了阻抗匹配和低插入损耗的模式转换，由于脊波导宽度较小，在95GHZ-105GHZ的工作频段内，该天线可实现±60°波束扫描范围，最大增益为8.5dB，增益变化为0.5dB。较宽的波束扫描范围和较小的尺寸(与传统矩形波导相比)使其成为W波段多波束应用的合适选择。

第一部分：

图1、图2为本发明整体结构示意图，一种工作在95GHz-105GHz的微同轴转脊波导阵列的天线系统，包括微同轴巴特勒矩阵1、微同轴脊波导过渡结构2以及脊波导缝隙天线阵3，巴特勒矩阵1与微同轴脊波导过渡结构2通过微同轴相连，微同轴脊波导过渡结构2与脊波导缝隙天线阵3通过脊波导相连，采用3DMMFT微同轴工艺，如图6所示，天线系统在垂直方向上由下至上分为五层，其中第一层和第五层的厚度相等，即H1＝H5，第二、第三以及第四层的厚度相同，即H2＝H3＝H4。

将一个微同轴脊波导过渡结构2与一个脊波导缝隙天线3连接形成一个单元，图3和图4为本发明单元结构示意图，如图所示，此单元包括依次连接的6个部分，第一部分至第六部分的长度分别为L1、L2、L3、L4、L5和L6，其中第一部分至第三部分为同轴结构，第一部分的宽度为W1，第三部分的内导体宽度为W4，如图6所示，第一部分至第三部分的同轴内导体4位于第三层，厚度为H3，第一部分和第二部分的同轴内导体宽度为W3，第三部分的同轴内导体宽度为W4，且同轴外导体侧壁厚度为W7，顶部与底部位于第一层和第五层，厚度分别为H1和H5，第一部分外导体宽度为W1，第三部分外导体宽度为W2。

根据制备工艺需求，在同轴结构的正中心设置有材料为SU-8的长方体作为支撑结构5，支撑结构5的宽度小于同轴外导体的宽度，在第一部分的结构中支撑结构5的宽度为W11，厚度为H6，长度为S1，两个支撑体的间距为S3，参考图5。第四部分和第五部分为两端通透的脊波导结构，图7为一个单元结构内导体的右视图，其中，第四部分和第五部分的过渡部分脊结构6位于第三层和第四层，厚度为H7。如图4所示，第四部分和第五部分的过渡部分脊结构宽度分别为W5和W6，外导体厚度宽度与L3部分相同，图8、图9和图10为天线结构示意图。如图所示，第六部分为脊波导缝隙天线，其中的脊波导缝隙天线脊结构7的宽度为W9，脊波导缝隙天线脊结构7的厚度、外导体参数与第四部分相同，脊波导缝隙天线处的外导体宽度为W7，并在脊波导缝隙天线脊结构7顶部的外导体开设缝隙8，缝隙8长度为L7，宽度为S5，缝隙8与脊波导缝隙天线外侧面的距离分别为W8，距离波导端面的距离为L8。

按照3DMMFT微同轴工艺标准，在进行模型设计时在外导体上进行挖槽处理，如图5和图8所示，顶部挖槽9位于第一层和第二层，底部挖槽10位于第四层和第五层，顶部挖槽9和底部挖槽10的长度为S2，顶部挖槽9的宽度为外导体宽度与内导体宽度差值的二分之一，厚度为H1+H2，且每组顶部挖槽9之间的距离为S3；底部挖槽10的宽度为外导体宽度与内导体宽度差值的二分之一，厚度为H4+H5，另外，如图11所示，阵列间距为W10。

第二部分：

本发明所提供的天线，通过脊波导结构使天线的扫描角度增加，与传统的波导天线相比，扫描角度由40°左右优化为60°；

采用巴特勒矩阵馈电，在微同轴巴特勒矩阵1、4端口馈电时可使天线阵列产生±45度的相位差，在微同轴脊波导过渡结构2、3端口馈电时可使天线阵列产生±135度的相位差，从而实现无源相控阵；实现了微同轴结构与脊波导天线结构的过渡，过渡结构内产生了新的谐振点，大大增加了系统的带宽，使过渡结构的带宽达到10GHZ以上；脊波导缝隙天线3的缝隙处于波导宽壁一侧，其位置相对于波导中轴线存在偏移，该缝隙主要切割横向电流，从而产生辐射。

第三部分：

图12为单元结构的S参数仿真结果。可以看到此单元结构在94.88GHZ-105GHZ的范围内反射系数小于-10dB，S21以及S32均小于-12dB；

图13是本发明的实施例中，100GHZ时，微同轴巴特勒矩阵1各端口馈电时的E面方向图，可以看到天线系统的扫描角度可以达到±60°，并且实际增益达到8.5dB；

图14是本发明的实施例中，100GHZ时，微同轴巴特勒矩阵1各端口馈电时的H面方向图。

本发明提供的这种天线系统的整体结构为铜材质，其中支撑材料SU-8的相对介电常数为2.85，相对磁导率为1，损耗角正切为0.045。

整体尺寸为：27.4mm*14.5mm*0.4mm，具体几何参数为：L1＝L2＝L3＝L4＝2mm，L5＝2.7mm，L6＝3.2mm，L7＝1.7mm，L8＝0.8mm，W1＝0.5mm，W2＝1.25mm，W3＝0.14mm，W4＝0.343mm，W5＝0.5mm，W6＝0.65mm，W7＝0.1mm，W8＝0.4874mm，W9＝0.75mm，W10＝1.2mm，W11＝0.4mm，S1＝0.1mm，S2＝0.2mm，S3＝0.7mm，S4＝0.18mm，S5＝0.1mm，H1＝H5＝0.05mm，H2＝H3＝H4＝0.1mm，H6＝0.02mm，H7＝0.2mm。

Claims (8)

1.一种微同轴转脊波导阵列天线系统，其特征在于，包括微同轴巴特勒矩阵（1）、微同轴脊波导过渡结构（2）以及脊波导缝隙天线（3），微同轴脊波导过渡结构（2）与脊波导缝隙天线（3）通过脊波导连接形成一个单元，微同轴巴特勒矩阵（1）的输出端连接四个所述单元，相邻两个单元之间相互连接；所述单元内沿长度方向设置同轴内导体（4），同轴内导体（4）外侧设置同轴外导体；微同轴巴特勒矩阵（1）与微同轴脊波导过渡结构（2）通过微同轴连接；

所述单元沿长度方向包括依次连接的第一部分、第二部分、第三部分、第四部分、第五部分以及第六部分；第一部分、第二部分以及第三部分为同轴设置；第四部分、第五部分以及第六部分设置为脊波导结构；脊波导缝隙的顶部外导体开设缝隙（8）；缝隙（8）的位置偏离脊波导缝隙天线（3）的中线；所述单元分为五层，其中第一层和第五层均为同轴外导体，第一层和第五层的厚度相等，第一部分、第二部分及第三部分一体化设置，其同轴内导体位于第三层；第二部分的同轴外导体宽度逐渐增加，第三部分的同轴内导体宽度增大，第四部分和第五部分的脊波导的脊结构位于第三层和第四层，并且宽度依次增大；外导体沿长度方向间隔开设若干凹槽，所述凹槽包括顶部挖槽（9）和底部挖槽（10），顶部挖槽（9）位于第一层和第二层，底部挖槽（10）位于第四层和第五层。

2.根据权利要求1所述的微同轴转脊波导阵列天线系统，其特征在于，第三层同轴内导体的中设置支撑结构（5）；支撑结构（5）间隔设置，支撑结构（5）横穿第一部分、第二部分及第三部分的同轴内导体（4）。

3.根据权利要求1所述的微同轴转脊波导阵列天线系统，其特征在于，相邻两个单元的距离W10=1.2mm。

4.根据权利要求1所述的微同轴转脊波导阵列天线系统，其特征在于，支撑结构（5）采用SU-8制成，其相对介电常数为2.85，相对磁导率为1，损耗角正切为0.045；同轴内导体（4）以及同轴外导体材质为铜。

5.根据权利要求1所述的微同轴转脊波导阵列天线系统，其特征在于，同轴内导体（4）外侧设置同轴外导体之间设有间隙，填充材料为空气。

6.根据权利要求1所述的微同轴转脊波导阵列天线系统，其特征在于，顶部挖槽（9）和底部挖槽（10）的宽度为外导体宽度与内导体宽度的差值的二分之一，顶部挖槽（9）的厚度为H1+H2，H1为第一层的厚度，H2为第二层的厚度，底部挖槽（10）的厚度为H4+H5，H4为第四层厚度，H5为第五层厚度。

7.根据权利要求1所述的微同轴转脊波导阵列天线系统，其特征在于，缝隙（8）边缘距离脊波导缝隙天线外侧较小的距离为W8=0.4874mm，缝隙（8）的宽度为S5=0.1mm，缝隙（8）的长度为L7=1.7mm，缝隙（8）的端点与脊波导缝隙天线（3）末端的距离L8=0.8mm。

8.根据权利要求1所述的微同轴转脊波导阵列天线系统，其特征在于，第一部分至第六部分的长度分别为L1、L2、L3、L4、L5和L6，第一部分至第三部分的同轴内导体的宽度分别为W3、W3和W4，第四部分至第六部分的脊结构宽度分别为W5、W6和W9；L1=L2=L3=L4=2mm，L5=2.7mm，L6=3.2mm，W3=0.14mm，W4=0.343mm，W5=0.5mm，W6=0.65mm，W9=0.75mm；第一部分、第二部分和第三部分同轴内导体的厚度均为H3，H3=0.1mm，第四部分、第五部分和第六部分脊结构的厚度为H7，H7=0.2mm。

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