CN113937476A - 一种基于3d打印技术的圆极化开口波导天线阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种基于3D打印技术的圆极化开口波导天线阵列，包括矩形介质块、四个天线单元、一分四功率分配器和同轴接头，矩形介质块上开设有多个通孔组，每个通孔组包括多个通孔；四个天线单元均位于矩形介质块的下方，每个天线单元均包括第一波导和第二波导，第一波导的顶面与矩形介质块的底面接触，第二波导位于第一波导的底部，且第一波导内开设有两个相互平行的槽型结构以实现圆极化辐射，其中，槽型结构的内表面形状由指数函数确定，一分四功率分配器与四个天线单元均连接；同轴接头与一分四功率分配器连接。可以有效解决传统全金属开口波导天线所存在的重量重、体积大、加工困难的问题，具有宽带、增益稳定、方向图稳定等的优点。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，特别涉及一种基于3D打印技术的圆极化开口波导天线阵列。
背景技术
开口波导天线是一种十分常见且重要的天线类型，由于其损耗低、辐射性能稳定、功率容量大等的优点，常被广泛应用于各类通信系统当中。传统设计中，开口波导天线通常为全金属的波导结构，加工方式包括CNC工艺、金属注塑工艺等，这就导致这类天线普遍存在重量重、体积大、难以实现复杂结构、成本高、加工周期长等的缺点。这些缺点对于开口波导天线单元以及阵列的设计都提出了很大的挑战。
另一方面，为了实现圆极化辐射，传统的设计方案包括：采用阶梯状的金属膜片，如J.Bornemann等在《Analysis and design of circular ridged waveguidecomponents,IEEE Trans.on Micro.Theory and Tech,vol.47,no.3,pp.330-335,March1999》中，将金属膜片放置于波导内部正中的位置，这种结构对于天线加工有较高的要求，通常需要将波导和膜片拆解后分别加工，最后再进行组装，这样则有可能导致组装误差进而影响天线性能；采用双端口馈电的方案，如Seong,N.-S等在《A microstrip-fed cavity-backed circularly polarized horn antenna,Microw.Opt.Technol.Lett,vol.48,no.12,pp.2454-2456,Dec.2006》中，采用两条正交放置的微带线作为波导的馈电网络，两个端口处施加等幅度且相位差为90度的两路电磁信号，通过激励圆波导中的两个极化简并模式来实现圆极化辐射。该方案需要额外的功率分配以及移相电路，这将导致整个天线的损耗增加，此外，天线的整体尺寸、结构复杂度以及设计难度也相应增加；采用外部极化转换器件，如X.Ma等在《A Dual Circularly Polarized Horn Antenna in Ku-Band Basedon Chiral Metamaterial,IEEE Trans.Antennas and Propaga,vol.62,no.4,pp.2307-2311,Apr.2014》中，在开口波导天线的口径处加入了线极化转圆极化的手性超材料器件从而实现圆极化的电磁辐射。由于采用了外部极化转换器件，该方案中的天线设计明显存在尺寸过大的问题。值得一提的是，以上这些方案由于各自的缺陷都难以应用于天线阵列的设计当中。
发明内容
本发明通过结合3D打印技术，提出了一种基于3D打印技术的圆极化开口波导天线阵列，可以有效解决传统全金属开口波导天线所存在的重量重、体积大、加工困难的问题。
为了实现本发明目的，本发明提供的一种基于3D打印技术的圆极化开口波导天线阵列，由3D打印介质材料制成，包括矩形介质块、四个天线单元、一分四功率分配器和同轴接头，
矩形介质块上开设有多个通孔组，每个通孔组包括多个通孔，每个通孔组中的通孔的尺寸沿Z轴正方向依次递增以使介质材料的等效介电常数依次递减；
四个天线单元均位于矩形介质块的下方，每个天线单元均包括第一波导和第二波导，第一波导的顶面与矩形介质块的底面接触，第二波导位于第一波导的底部，且第一波导内开设有两个相互平行的槽型结构以实现圆极化辐射，其中，槽型结构的内表面形状由指数函数确定，所述指数函数为：x＝cs·exp(ks·z)-ws，其中x和z为槽型结构内表面各点的坐标，cs，ks和ws为指数函数表达式的系数；
一分四功率分配器位于四个天线单元的下方，并与四个天线单元均连接，其中，在四个天线单元以及一分四功率分配器的外表面上均设置有用于构成波导壁的金属层；
同轴接头与一分四功率分配器连接。
进一步地改进，矩形介质块上的通孔组呈阵列排布。
进一步地改进，矩形介质块上开设有呈8*8阵列排布的共64组通孔组。
进一步地改进，四个天线单元呈2*2线性阵列的形式设置在矩形介质块的下方。
进一步地改进，一分四功率分配器包括第三波导、第四波导、第五波导、第六波导、功率分配结构和第七波导，第三波导、第四波导、第五波导和第六波导分别设置在功率分配结构的四个不同端角处并分别与四个天线单元连接，第七波导连接在功率分配结构的中心轴处，同轴接头设置在第七波导上。
进一步地改进，同轴接头位于距离第七波导末端约四分之一导波波长处。
进一步地改进，金属层以电镀的方式设置在四个天线单元以及一分四功率分配器的外表面上。
进一步地改进，同轴接头粘贴固定在第七波导上。
进一步地改进，同轴接头和第七波导之间通过氰基丙烯酸乙酯胶固定。
进一步地改进，每个天线单元上均设置有第一定位单元，在矩形介质块上设置有与第一定位单元相配合的第二定位单元。
与现有技术相比，本发明能够实现的有益效果至少如下：
(1)本发明提供的天线阵列，其本质上为介质完全填充的波导天线阵列，相比于传统的空气填充波导天线具有更紧凑的尺寸，此外，结合3D打印技术的优势，本发明在加工方面具有易加工、快速成型的优点。由于天线主体为介质材料，所以相比于传统的全金属开口波导天线，本发明具有更轻的重量。
(2)天线性能方面，本发明具有宽带、增益稳定、方向图稳定等的优点。
(3)本发明设置的指数形平行双槽结构可视作一种置于波导内部的极化器，其可以在不额外增加单元尺寸的情况下实现线极化到圆极化的转换。
附图说明
图1是本发明实施例提供的开口波导天线阵列的整体结构示意图。
图2是本发明实施例提供的开口波导天线阵列的主视图。
图3是本发明实施例提供的开口波导天线阵列的侧视图。
图4是本发明实施例提供的开口波导天线阵列中单个天线单元的结构示意图。
图5是本发明实施例提供的开口波导天线阵列中一分四功率分配器的结构示意图。
图6是本发明实施例提供的开口波导天线的分解图。
图7是本发明实施例提供的开口波导天线阵列的反射系数示意图。
图8是本发明实施例提供的开口波导天线阵列的轴比特性示意图。
图9是本发明实施例提供的开口波导天线阵列在XZ和YZ平面上中心频率的方向图。
图10是本发明实施例提供的开口波导天线阵列的增益特性示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都是本发明保护的范围。
本发明提供的一种基于3D打印技术的圆极化开口波导天线阵列。阵列结构如图1、图2、图3所示，包括一个矩形介质块11、四个天线单元、一个一分四功率分配器16以及一个同轴接头17。其中，将四个天线单元分别定义为第一天线单元12、第二天线单元13、第三天线单元14和第四天线单元15。
该天线阵列由3D打印介质材料制成，介质材料的相对介电常数为2.9，损耗角正切为0.01。在四个天线单元以及功率分配器16的外表面上均通过电镀的方式覆盖金属层，金属层构成波导壁。在本发明的一些实施例中，金属层的材质为铜。
矩形介质块11上开设有多个通孔组18，每个通孔组包括多个通孔，每个通孔组中的通孔的尺寸沿Z轴正方向依次递增以使介质材料的等效介电常数依次递减。在本发明的一些实施例中，矩形介质块11上开设的通孔均为圆柱孔，共开设有64组，以8x8的形式等间距线性排列在矩形介质块11上，每组圆柱孔包括4个同轴心、高度相同且直径沿矩形介质块11高度方向依次递增的小圆柱孔(21，22，23，24)，如图2和图3所示。
四个天线单元均位于矩形介质块的下方，在本发明的一些实施例中，四个天线单元以2x2的形式等间距线性排列，组成阵列后的阵列截面与矩形介质块11的截面大小相同。
本发明中，四个天线单元的物理尺寸相同，图4所示为一个单元的结构示意图，每个天线单元均包括第一波导32和第二波导31，第一波导的顶面与矩形介质块的底面接触，第二波导位于第一波导的底部，且第一波导内开设有两个相互平行的槽型结构(331，332)以实现圆极化辐射。在本发明的一些实施例中，槽型结构的内表面形状由指数函数确定。函数公式为x＝cs·exp(ks·z)-ws，其中，cs，ks和ws为指数函数表达式的系数，三个系数的具体取值由天线的轴比性能决定，通过全波仿真软件优化得到具体的数值，x和z为槽型结构内表面各点在X方向和Z方向上的坐标，槽型结构沿Y方向均匀，坐标轴如图4所示，坐标轴原点位于第一波导32底面的中心点，X轴、Y轴分别平行、垂直于槽型结构，Z轴指向矩形介质块11)，在本发明的一些实施例中，cs＝3.7,ks＝0.04,ws＝4.7mm。
在本发明的一些实施例中，第二波导31的截面形状为矩形，第一波导32的截面形状为正方形。
一分四功率分配器16的结构如图5所示，包括第三波导41、第四波导42、第五波导43、第六波导44、功率分配结构45和第七波导46，其中第三波导41、第四波导42、第五波导43和第六波导44的形状一致，分别位于功率分配结构45的四个端角处，截面大小与天线单元中第二波导31的截面相同，分别与四个天线单元连接。第七波导46位于功率分配结构45的中心轴上，并与其连接。特性阻抗为50欧姆的同轴接头17位于距离第七波导46末端约四分之一导波波长处。
该天线阵列的加工通过三个步骤实现，首先，将阵列分解为两个部分分别进行介质主体的3D打印，如图6所示，矩形介质块11为第一部分，四个天线单元和一分四功率分配器16共同构成第二部分。矩形介质块11的底部设置有四个定位柱，分别定义为第一定位柱511、第二定位柱512、第三定位柱513和第四定位柱514，定位柱与矩形介质块11为相同的介质材料，通过一体打印实现。在每个天线单元的相应位置处设置分别与四个定位柱配合的定位孔，分别定义为第一定位孔521、第二定位孔522、第三定位孔523和第四定位孔524；其次，对第二部分的外表面进行电镀处理，第二部分与第一部分相接触的表面以及同轴接头17与第二部分相接触的表面通过掩模来避免被电镀。最后，通过定位孔和定位柱将第一部分和第二部分组装在一起，同时同轴接头17与第七矩形波导46通过氰基丙烯酸乙酯胶粘接固定。
在本发明的一些实施例中，定位柱和定位孔均为矩形。
工作原理上，矩形介质块11的作用为实现天线的阻抗匹配，圆柱孔18的设计基于等效媒质原理，当小圆柱孔(21，22，23，24)的直径沿矩形介质块的高度方向依次递增时，介质材料的等效介电常数则依次递减。为了实现电磁波从波导内到大气当中的平缓过渡，等效介电常数的变化范围应从介质材料2.9的介电常数逐步递减至大气当中的介电常数1。通过对小圆柱孔S参数(S指散射矩阵参数)的仿真可以计算出相应的等效介电常数值，在本发明的一些实施例中，小圆柱孔(21，22，23，24)所对应的等效介电常数值分别为2.7、2、1.5、1.3。
第一波导32上的指数形平行双槽结构可以看作一个波导内极化器。当天线由同轴接头17馈电时，电磁波通过一分四功率分配器16被等幅度、同相位的分配至四个天线单元当中。在每一个天线单元内基模TE10模式被首先激励，由于正方形截面的第一波导32具有极化简并能力，通过第一波导内的平行双槽结构对电磁波的扰动，TE10模式可以被分解为TE10和TE01两种极化正交的模式，通过改变指数函数的参数可以使这两种模式实现等幅度且相位差为90度，进而形成圆极化辐射。
天线阵列性能方面，如图7所示，该天线阵列在5.26-6.63GHz的范围内反射系数S11值均小于-10dB这说明该天线阵列的阻抗带宽为23.6％，在该频带内可以实现良好的阻抗匹配特性。
图8所示为天线阵列的轴比特性，可以看出在5.63-6.26GHz频带内，天线阵列轴比均小于3dB，说明该天线阵列的3-dB轴比带宽为11％。
图9所示为天线阵列在XZ和YZ平面上中心频率的方向图，说明该天线阵列具有良好的单向辐射特性。
天线阵列的增益特性如图10所示，在3-dB轴比带宽内天线阵列的增益位于9.1至10.1dBic区间，平均增益9.6dBic，波动范围为±0.5dBic，这说明该天线阵列具有良好的增益特性，工作频带内增益稳定。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种基于3D打印技术的圆极化开口波导天线阵列，其特征在于，由3D打印介质材料制成，包括矩形介质块、四个天线单元、一分四功率分配器和用于馈电的同轴接头，
矩形介质块上开设有多个通孔组，每个通孔组包括多个通孔，每个通孔组中的通孔的尺寸沿矩形介质块高度方向依次递增以使介质材料的等效介电常数依次递减；
四个天线单元均位于矩形介质块的下方，每个天线单元均包括第一波导和第二波导，第一波导的顶面与矩形介质块的底面接触，第二波导位于第一波导的底部，且第一波导内开设有两个相互平行的槽型结构以实现圆极化辐射，其中，槽型结构的内表面形状由指数函数确定，所述指数函数为：x＝cs·exp(ks·z)-ws，其中x和z为槽型结构内表面各点的坐标，cs，ks和ws为指数函数表达式的系数；
一分四功率分配器位于四个天线单元的下方，并与四个天线单元均连接，其中，在四个天线单元以及一分四功率分配器的外表面上均设置有用于构成波导壁的金属层；
同轴接头与一分四功率分配器连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的圆极化开口波导天线阵列，其特征在于，矩形介质块上的通孔组呈阵列排布。
3.根据权利要求2所述的一种基于3D打印技术的圆极化开口波导天线阵列，其特征在于，矩形介质块上开设有呈8*8阵列排布的共64组通孔组。
4.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的圆极化开口波导天线阵列，其特征在于，四个天线单元呈2*2线性阵列的形式设置在矩形介质块的下方。
5.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的圆极化开口波导天线阵列，其特征在于，一分四功率分配器包括第三波导、第四波导、第五波导、第六波导、功率分配结构和第七波导，第三波导、第四波导、第五波导和第六波导分别设置在功率分配结构的四个不同端角处并分别与四个天线单元连接，第七波导连接在功率分配结构的中心轴处，同轴接头设置在第七波导上。
6.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的圆极化开口波导天线阵列，其特征在于，同轴接头位于距离第七波导末端约四分之一导波波长处。
7.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的圆极化开口波导天线阵列，其特征在于，金属层以电镀的方式设置在四个天线单元以及一分四功率分配器的外表面上。
8.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的圆极化开口波导天线阵列，其特征在于，同轴接头粘贴固定在第七波导上。
9.根据权利要求8所述的一种基于3D打印技术的圆极化开口波导天线阵列，其特征在于，同轴接头和第七波导之间通过氰基丙烯酸乙酯胶固定。
10.根据权利要求1-9任一所述的一种基于3D打印技术的圆极化开口波导天线阵列，其特征在于，每个天线单元上均设置有第一定位单元，在矩形介质块上设置有与第一定位单元相配合的第二定位单元。
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Non-Patent Citations (1)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113937476B (zh) | 2023-02-10 |
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