CN113904128B - 一种毫米波频段矩形喇叭天线子结构及n元天线阵 - Google Patents

一种毫米波频段矩形喇叭天线子结构及n元天线阵 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种毫米波频段矩形喇叭天线子结构及N元天线阵，包括主体结构，所述主体结构底端呈V字形，主体结构两侧分别为脊盖侧与脊盒侧，脊盖侧设有直波导段与后盖板，后盖板安装在主体结构V字形的任意一条边上，直波导段从脊盖侧顶端延伸至后盖板，位于后盖板处的直波导段末端设有盲孔，后盖板上设有通孔，通孔与盲孔位置对应；脊盒侧包括凹槽与设置在凹槽内的直波导段，脊盒侧的直波导段从脊盒侧顶端延伸至主体结构底端V字形未设有后盖板的一边处。本发明提出的方案最大限度保持喇叭口部的壁厚，有效降低其制造难度，特别适用于毫米波频段的小尺寸、高精度矩形喇叭天线阵的结构设计与制造，可以实现任意数量单元天线的组阵。

Description

一种毫米波频段矩形喇叭天线子结构及N元天线阵
技术领域
本发明涉及天线结构领域，特别涉及一种毫米波频段矩形喇叭天线子结构及N元天线阵。
背景技术
本发明涉及毫米波频段矩形喇叭天线阵具有工作频带宽、功率容量大、辐射特性好、抗干扰性能强、尺寸小易于集成等优点，目前在通信、雷达、电子战等领域的应用非常广泛。现有文献资料中，针对这种天线阵电磁设计方面的研究比较多，但对其结构形式的介绍均为简略示意图，缺少详细的结构设计介绍。众所周知，天线是一种典型的机电一体化产品，结构形式的选择和各零部件的详细结构设计不仅影响天线的电磁性能，而且直接影响到天线的可制造性和制造成本。
毫米波频段矩形喇叭天线阵常用的结构成型方法是先将天线阵分解成若干个具有独立物理形态和电磁性能指标的相同单元喇叭天线，再设计安装板或支架等结构安装件将这些单元喇叭天线组装得到天线阵。这种方法要求天线阵中各个单元喇叭天线间距与喇叭天线口部位于组阵方向的开口尺寸有比较好的匹配性，以确保分解后的单元喇叭口部有一定的壁厚从而保证其具有较好的可制造性。举例说明，如图1中的某4元喇叭天线阵，要求单元间距L减去单元喇叭口部宽度W后，还有一定的尺寸以确保分解后的单元喇叭口部有一定的壁厚T以保证其可制造性，其中T＝(L-W)/2。
毫米波频段天线尺寸比较小，某些紧凑型毫米波频段矩形喇叭天线阵，为了抑制天线栅瓣的产生，确保天线阵的电磁性能指标，单元间距L仅比单元喇叭口部宽度W大少许尺寸，极限情况下，仅大0.2mm，如果再按前述方法进行结构设计，先拆分成单元喇叭再装配成阵列，这样一样，单元喇叭口部壁厚仅0.1mm，给单元喇叭的制造带来很大的困难，工程上很难实现。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，提供了一种毫米波频段矩形喇叭天线子结构及N元阵天线，突破“先分解为单元喇叭，再装配成天线阵”的传统成型方法，解决某些紧凑型毫米波频段矩形喇叭天线阵的结构设计与制造问题。
本发明采用的技术方案如下：一种毫米波频段矩形喇叭天线子结构，包括主体结构，所述主体结构底端呈V字形，主体结构两侧分别为脊盖侧与脊盒侧，脊盖侧设有直波导段与后盖板，后盖板安装在主体结构V字形的任意一条边上，直波导段从脊盖侧顶端延伸至后盖板，位于后盖板处的直波导段末端设有盲孔，后盖板上设有通孔，通孔与盲孔位置对应；脊盒侧包括凹槽与设置在凹槽内的直波导段，脊盒侧的直波导段从脊盒侧顶端延伸至主体结构底端V字形未设有后盖板的一边处。
进一步的，所述脊盖侧的直波导段与脊盒侧的直波导段为弯曲结构，且两者弯曲方向相反。
进一步的，所述主体结构中开设有四个销孔贯通脊盖侧与脊盒侧，分布在主体结构的上下两侧。
进一步的，所述后盖板通孔两侧设有两个用于固定天线电连接器的固定螺纹孔。
本发明还提供了一种N元天线阵，基于上述的毫米波频段矩形喇叭天线子结构实现，其特征在于，当N为奇数时，包括(N-1)/2个后盖板设置在主体结构的V字形的其中一边的第一子结构、(N-1)/2个后盖板设置在主体结构的V字形的另一边的第二子结构、脊盖、脊盒；当N为偶数时，包括N/2个后盖板设置在主体结构的V字形的其中一边的第一子结构、(N-2)/2个后盖板设置在主体结构的V字形的另一边的第二子结构、脊盖、脊盒；第一子结构的脊盖侧与第二子结构的脊盒侧贴合安装，多个第一子结构与第二子结构交替贴合安装，所述脊盖的内侧设有直波导段及后盖板，直波导段位置与第一子结构脊盒侧的直波导段对应，脊盖的内侧与第一子结构的脊盒侧贴合安装；所述脊盒的内侧设有凹槽，凹槽内设有与第二子结构脊盖侧对应的直波导段，脊盒的内侧与第二子结构脊盖侧贴合安装；所述第一子结构、第二子结构以及脊盖上的后盖板均安装有天线电连接器，天线电连接器内导体穿过后盖板上通孔插入直波导段的盲孔中；脊盒与脊盖分别设有与矩形喇叭天线子结构对应的销孔，通过销螺钉与销孔配合固定贴合安装后的脊盖、脊盒以及N-1个子结构(第一子结构+第二子结构)形成N元天线阵。
进一步的，还包括两块相同的支撑板，所述支撑板分为第一支撑面与第二支撑面，第一支撑面与第二支撑面之间夹角呈一定角度；所述第一支撑面上设有与矩形喇叭天线子结构、脊盒及脊盖对应的销孔，支撑板通过第一支撑面分别安装在脊盖与脊盒的外侧，并通过螺栓和螺母固定；第二支撑面设有四个通孔，用于天线阵的安装。
进一步的，所述支撑板上设有加强板，设置在第一支撑面与第二支撑面之间，且与分别垂直与第一支撑面、第二支撑面。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：
(1)该子结构中相邻单元喇叭的脊盖与脊盒形成背靠背的结构形式，最大限度保持喇叭口部的壁厚，有效降低其制造难度，特别适用于毫米波频段的小尺寸、高精度矩形喇叭天线阵的结构设计与制造；
(2)该子结构仅为一个零件，结构紧凑，可制造性好，尺寸精度高，易于保证天线阵的电磁性能；
(3)该子结构不受天线阵中组阵单元天线数量的限制，可以实现任意数量单元天线的组阵；
(4)该子结构不但适用于内腔复杂的双脊矩形喇叭天线，而且也适用于内腔简单的矩形光喇叭天线。
附图说明
图1为现有技术中某4元喇叭阵口部示意图。
图2为本发明提出的矩形喇叭天线子结构轴侧图。
图3为本发明提出的矩形喇叭天线子结构另一轴侧图。
图4为本发明提出的矩形喇叭天线子结构剖视图。
图5为本发明一实施例中7元矩形喇叭天线阵轴侧图。
图6为本发明一实施例中7元矩形喇叭天线阵另一轴侧图。
图7为本发明一实施例中7元矩形喇叭天线阵分解图。
图8为本发明一实施例中7元矩形喇叭天线阵口部示意图。
附图标记：1-脊盖侧，2-脊盒侧，3-后盖板，4-销孔，5-直波导段，6-通孔，7-盲孔，8-第二子结构，9-第一子结构，10-脊盖，11-脊盒，12-天线电连接器，13-支撑板，14-销螺钉，15-平垫圈，16-弹簧垫圈，17-螺母，18-螺钉。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
实施例1
如图2、图3所示，本实施例提出了一种毫米波频段矩形喇叭天线子结构，包括主体结构，所述主体结构底端呈V字形，主体结构两侧分别为脊盖侧1与脊盒侧2，脊盖侧1设有直波导段5与后盖板3，后盖板3安装在主体结构V字形的任意一条边上，直波导段5从脊盖侧1顶端延伸至后盖板3，位于后盖板3处的直波导段5末端设有盲孔7，后盖板3上设有通孔6，通孔6与盲孔7位置对应；脊盒侧2包括凹槽与设置在凹槽内的直波导段5，脊盒侧2的直波导段5从脊盒侧2顶端延伸至主体结构底端V字形未设有后盖板3的一边处。
具体的，所述脊盖侧1的直波导段与脊盒侧2的直波导段为弯曲结构，且两者弯曲方向相反。将单元喇叭的直波导段设计成弯曲结构，使相邻喇叭的直波导段及盖板分别向左或向右偏转，有效避免天线电连接器的安装和干涉问题(标准天线电连接器的尺寸大于天线阵的单元间距，按常规设计不可避免会引起天线电连接器的干涉问题)。
为了便于安装以及天线集成，在主体结构中开设有四个销孔4贯通脊盖侧与脊盒侧，分布在主体结构的上下两侧，并且四个销孔可以作为子结构加工制造和装配的基准。
后盖板3上的通孔6用于安装天线电连接器12的外壳，相应的在后盖板3通孔两侧设有两个用于固定天线电连接器12的固定螺纹孔。
本发明提出的子结构不同于天线阵中的单元喇叭，它虽然有独立的物理形态，但是没有独立的电磁性能指标。子结构中脊盖与脊盒形成背靠背的结构形式，最大限度保持喇叭口部的壁厚以降低其制造难度。子结构中的后盖板用于天线电连接器的安装与固定，位于脊盖一侧，这样的结构有利于保证后盖板上的天线电连接器外壳安装孔与脊盖上的天线电连接器内导体安装孔的同轴度(天线电连接器包括外壳、内导体、介质，其中外壳需要与后盖板安装接触，内导体需要与脊盖上的脊安装接触，介质位于外壳与内导体之间)，从而保证天线的电磁性能，如图4所示。
实施例2
如图5、图6、图7所示，本实施例提出了一种7元天线阵，基于实施例1的毫米波频段矩形喇叭天线子结构实现，具体的，该7元天线阵包括：3个后盖板设置在主体结构的V字形的其中一边的第一子结构9、3个后盖板设置在主体结构的V字形的另一边的第二子结构8、脊盖10、脊盒11以及7件天线电连接器12，第一子结构9的脊盖侧与第二子结构8的脊盒侧贴合安装，3个第一子结构9与3个第二子结构8交替贴合安装，所述脊盖10的内侧设有与第一子结构9脊盒侧对应的直波导段及后盖板，脊盖10的内侧与第一子结构9的脊盒侧贴合安装；所述脊盒11的内侧设有凹槽，凹槽内设有与第二子结构8脊盖侧对应的直波导段，脊盒11的内侧与第二子结构8脊盖侧贴合安装；所述第一子结构9、第二子结构8以及脊盖10上的后盖板均安装有天线电连接器12，天线电连接器12内导体穿过后盖板上通孔插入直波导段的盲孔中；脊盒与脊盖分别设有与矩形喇叭天线子结构对应的4个销孔，通过销螺钉与销孔配合固定贴合安装后的脊盖、脊盒以及3个第一子结构、3个第二子结构形成7元天线阵。
其中，第一子结构9与第二子结构8仅有直波导段的偏转方向不同以避免天线电连接器的干涉，其余结构要素相同。
在一个优选实施例中，7元天线阵还包括两块相同的支撑板13，所述支撑板分为第一支撑面与第二支撑面，第一支撑面与第二支撑面之间夹角呈直角；所述第一支撑面上设有与矩形喇叭天线子结构、脊盒及脊盖对应的销孔，支撑板通过第一支撑面分别安装在脊盖与脊盒的外侧，并通过螺栓和螺母固定；第二支撑面设有四个通孔，用于天线阵的安装。支撑板上设有加强板，设置在第一支撑面与第二支撑面之间，且与分别垂直与第一支撑面、第二支撑面，用于加强支撑板。
天线阵装配时先将一件支撑板13装在4件销螺钉14上，再依次装上喇叭天线脊盒11，第二子结构8，第一子结构9，其中第一子结构9与第二子结构8相互交替进行装配，再装上喇叭天线脊盖10以及另外一件支撑板13，然后装上平垫圈15，弹簧垫圈16，用螺母17进行紧固，完成天线阵主体的安装。最后用件螺钉18将7件天线电连接器13分别装在天线阵主体上，最终完成整个天线阵的装配。
某毫米波频段7元矩形喇叭天线阵口部尺寸及组阵间距如图8所示，从图中显见，单元喇叭口部尺寸15mm×4.2mm，单元间距4.4mm，按照传统的先分解为单元喇叭，再装配成天线阵的结构成型方法进行设计，则单元喇叭口部壁厚仅0.1mm，给单元喇叭的加工制造带来困难，工程上难以实现。按照本发明提出的结构形式设计的毫米波频段7元矩形喇叭天线阵，结构简洁紧凑，可制造性好，经实物测试，天线阵各项电磁性能指标均满足设计要求，产品合格率100％。
需要注意的是，在本实施例中仅以7元天线阵作为例子介绍本发明提出的方案，在实际引用中，可以通过增加或减少第一子结构与第二子结构的数量来实现N元天线阵的方案。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

Claims (5)

1.一种毫米波频段矩形喇叭天线子结构，其特征在于，包括主体结构，所述主体结构底端呈V字形，主体结构两侧分别为脊盖侧与脊盒侧，主体结构的上表面一侧为脊盖侧，与上表面相对的一侧为脊盒侧，脊盖侧设有直波导段与后盖板，后盖板安装在主体结构V字形的任意一条边上，直波导段从脊盖侧顶端延伸至后盖板，位于后盖板处的直波导段末端设有盲孔，后盖板上设有通孔，通孔与盲孔位置对应；脊盒侧包括凹槽与设置在凹槽内的直波导段，脊盒侧的直波导段从脊盒侧顶端延伸至主体结构底端V字形未设有后盖板的一边处；
所述脊盖侧的直波导段与脊盒侧的直波导段为弯曲结构，且两者弯曲方向相反。
2.根据权利要求1所述的毫米波频段矩形喇叭天线子结构，其特征在于，所述主体结构中开设有四个销孔贯通脊盖侧与脊盒侧，分布在主体结构的上下两侧。
3.根据权利要求2所述的毫米波频段矩形喇叭天线子结构，其特征在于，后盖板通孔两侧设有两个用于固定天线电连接器的固定螺纹孔。
4.一种N元天线阵，基于权利要求1-3任一所述的毫米波频段矩形喇叭天线子结构实现，其特征在于，当N为奇数时，包括（N-1）/2个后盖板设置在主体结构的V字形的其中一边的第一子结构、（N-1）/2个后盖板设置在主体结构的V字形的另一边的第二子结构、脊盖、脊盒；当N为偶数时，包括N/2个后盖板设置在主体结构的V字形的其中一边的第一子结构、（N-2）/2个后盖板设置在主体结构的V字形的另一边的第二子结构、脊盖、脊盒；第一子结构的脊盖侧与第二子结构的脊盒侧贴合安装，多个第一子结构与第二子结构交替贴合安装，所述脊盖的内侧设有直波导段及后盖板，直波导段位置与第一子结构脊盒侧的直波导段对应，脊盖的内侧与第一子结构的脊盒侧贴合安装；所述脊盒的内侧设有凹槽，凹槽内设有与第二子结构脊盖侧对应的直波导段，脊盒的内侧与第二子结构脊盖侧贴合安装；所述第一子结构、第二子结构以及脊盖上的后盖板均安装有天线电连接器，天线电连接器内导体穿过后盖板上通孔插入直波导段的盲孔中；脊盒与脊盖分别设有与矩形喇叭天线子结构对应的销孔，通过销螺钉与销孔配合固定贴合安装后的脊盖、脊盒以及N-1个子结构形成N元天线阵。
5.根据权利要求4所述的N元天线阵，其特征在于，还包括两块相同的支撑板，所述支撑板分为第一支撑面与第二支撑面，第一支撑面与第二支撑面之间夹角呈一定角度；所述第一支撑面上设有与矩形喇叭天线子结构、脊盒及脊盖对应的销孔，支撑板通过第一支撑面分别安装在脊盖与脊盒的外侧，并通过螺栓和螺母固定；第二支撑面设有四个通孔，用于天线阵的安装。
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