CN114300852B - 一种毫米波金属喇叭天线阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种毫米波金属喇叭天线阵列，包含多组天线阵列单元，所述天线阵列单元包括金属喇叭天线阵列和硅基正反渐变槽线天线，所述金属喇叭天线阵列包括矩形波导和喇叭天线，两者首尾相连且均为挖空的腔体，形成贯通的微波传输的通道，所述硅基正反渐变槽线天线位于所述矩形波导的口面的中心，作为金属喇叭天线的馈源，由硅基介质上下表面沉积金属化图形实现，包括共面波导‑基片集成波导转换结构和辐射结构，所述辐射结构伸入到所述矩形波导中。该天线阵列采用硅基正反渐变槽线天线作为金属喇叭天线的馈源，与现有的CMOS工艺兼容，非常适合与后端毫米波电路通过金丝键合方式实现平面互联，其口径效率高、增益高，克服了现有技术中三维金属壁喇叭的体积笨重、不易集成的劣势，在相控阵雷达中具有重要的工程应用价值。

Description

一种毫米波金属喇叭天线阵列

技术领域

本发明主要涉及天线与微波技术领域，特别是涉及一种毫米波金属喇叭天线阵列。

背景技术

雷达系统的发展方向是宽带化和阵列化，当前日益拥挤的低频段频谱已经无法满足这一发展需求，拥有丰富频谱资源的毫米波频段无疑成为了高分辨率目标探测与识别的必然选择。喇叭天线具有设计简单、定向性强、功率容量大等优点，然而传统三维金属壁喇叭天线由于体积庞大、需要外加法兰安装结构，很难满足相控阵扫描单元间距要求，再加上其波导馈电结构不易与后端平面有源电路集成等因素，限制了喇叭天线在现代毫米波相控阵雷达系统中的应用。

随着平面印刷电路技术的发展，很多专家学者提出了一些新型的毫米波天线形式。这些天线得以平面形式在普通印刷电路板上实现，可与有源电路集成在一整块电路板上，使得整个微波毫米波系统小型化、一体化。然而，这些平面天线依然存在一些问题亟需解决，如：口径效率低、增益不高等，这就限制了其应用范围，特别是对于高功率远距离探测需求的相控阵雷达系统，这些天线并不适用。因此，研究具有高增益、易集成、宽角扫描的毫米波天线阵列很有必要。

发明内容

本发明为了克服上述技术问题，提供了一种毫米波金属喇叭天线阵列，能解决金属喇叭天线难以组阵和平面集成等问题，以满足高功率远距离毫米波相控阵雷达探测系统应用。

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种毫米波金属喇叭天线阵列，包含多组天线阵列单元，所述天线阵列单元包括金属喇叭天线阵列和硅基正反渐变槽线天线，所述金属喇叭天线阵列包括矩形波导和喇叭天线，两者首尾相连且均为挖空的腔体，形成贯通的微波传输的通道，所述硅基正反渐变槽线天线位于所述矩形波导的口面的中心，作为金属喇叭天线的馈源，由硅基介质上下表面沉积金属化图形实现，包括共依次设置的三段结构：面波导-基片集成波导转换结构和辐射结构，所述辐射结构伸入到所述矩形波导中。

进一步的，所述金属喇叭天线阵列还包括馈源天线载台，设置在矩形波导前侧的波导口面处，所述硅基正反渐变槽线天线设置在所述馈源天线载台上。

进一步的，所述金属喇叭天线阵列还包括十字形栅格，设置在喇叭天线的喇叭口尾端的天线口面中心。

进一步的，所述的共面波导-基片集成波导转换结构为基片集成波导上表面耦合缝隙，形状为三角形，由基片集成波导中心位置向两边扩张。

进一步的，所述辐射结构采用正反面对称的渐变槽线形式，上下表面的金属化图形呈V字型。

进一步的，所述硅基正反渐变槽线天线还包括加载介质，处于所述硅基正反渐变槽线天线的尾端，伸入到所述矩形波导中，为硅基介质凸出于辐射结构的矩形部分。

进一步的，所述硅基正反渐变槽线天线的两边的设置金属化通孔，按照等间距排列从共面波导-基片集成波导转换结构的首端一直延伸至所述辐射结构的末端。

进一步的，相邻的所述天线阵列单元的矩形波导之间、喇叭天线之间、十字形栅格之间的中心间距为等间距，且小于工作中心频率对应的波长。

进一步的，所述金属喇叭天线阵列为一体成型的金属矩形结构件。

有益的效果：

本发明提供一种毫米波金属喇叭天线阵列，采用一体成型方式，省去了传统单个喇叭天线组阵需要的大量法兰安装结构，单元间距可满足相控阵波束扫描要求；该天线阵列采用硅基正反渐变槽线天线作为金属喇叭天线的馈源，与现有的CMOS工艺兼容，非常适合与后端毫米波电路通过金丝键合方式实现平面互联，该天线口径效率高、增益高，克服了传统三维金属壁喇叭的体积笨重、不易集成的劣势，能够满足大规模生产应用，在相控阵雷达中具有重要的工程应用价值。

附图说明

图1为本发明的一种毫米波金属喇叭天线阵列的正面结构示意图；

图2为本发明的一种毫米波金属喇叭天线阵列的背面结构示意图；

图3为本发明的一种毫米波金属喇叭天线阵列的内部结构示意图；

图4为本发明的的硅基正反渐变槽线天线的俯视图；

图5为本发明的硅基正反渐变槽线天线的仰视图；

图6为本发明仿真实验的各天线单元法向有源驻波比图；

图7为本发明仿真实验的96GHz工作频率时不同角度扫描方向图；

其中：

1、金属喇叭天线阵列；2、硅基正反渐变槽线天线；3、馈源天线载台；4、十字形栅格；5、矩形波导；6、喇叭天线；7、共面波导-基片集成波导转换结构；8、辐射结构；9、加载介质；10、金属化通孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的优选的机构和运动实现的方法做进一步的说明。

如图1-5所示，为一种毫米波金属喇叭天线阵列，包含多组天线阵列单元，所述天线阵列单元包括金属喇叭天线阵列1和硅基正反渐变槽线天线2。

所述金属喇叭天线阵列1，为一体成型的金属矩形结构件，其正面具有一层阶梯，背面为镂空结构，包括馈源天线载台3、矩形波导5、喇叭天线6和十字形栅格4。

所述阶梯即为所述馈源天线载台3，所述馈源天线载台3高于所述矩形波导5的口面。所述矩形波导5和喇叭天线6设置在所述金属喇叭天线阵列1的内部，两者首尾相连，所述矩形波导5为挖空的矩形结构，所述喇叭天线6为挖空的波导管终端渐变张开的矩形截面的结构。而多组所述矩形波导5和喇叭天线6则通过在金属喇叭天线阵列内部周期性挖腔实现。

所述矩形波导5、喇叭天线6的尺寸均由所需频率确定，所述喇叭天线6的张角由所需增益确定。相邻的天线阵列单元的矩形波导之间、喇叭天线之间、十字形栅格之间的中心间距为等间距，且小于工作中心频率对应的波长。

所述十字形栅格4位于所述喇叭天线6的天线口面中心，用于改善电磁场在所述喇叭天线6的口面相位差以提高喇叭天线6的辐射效率，达到提高增益的目的。

所述硅基正反渐变槽线天线2作为金属喇叭天线6的馈源，由硅基介质上下表面沉积金属化图形实现，包括依次设置的三段结构：共面波导-基片集成波导转换结构7、辐射结构8和加载介质9。

所述硅基正反渐变槽线天线2的共面波导-基片集成波导转换结构7焊接在所述馈源天线载台3上，所述辐射结构8和加载介质9伸入到所述矩形波导5中。

所述矩形波导5的矩形横切面的长度方向与所述硅基正反渐变槽线天线2的极化方向一致，以保证所述矩形波导5处于主模工作模式。

所述馈源天线载台3的高度需保证所述硅基正反渐变槽线天线2上下表面到所述矩形波导5上下表面的距离一致，即保证所述硅基正反渐变槽线天线2处于所述矩形波导5的口面中心。所述共面波导-基片集成波导转换结构7为基片集成波导上表面耦合缝隙，形状为三角形，由基片集成波导中心位置向两边扩张，实现与共面波导的阻抗匹配与模场匹配。

所述辐射结构8采用正反面对称的渐变槽线形式，上下表面的金属化图形呈V字型。

所述加载介质9为硅基介质凸出于所述辐射结构8的矩形部分，其作用在于进一步提升天线增益。

所述硅基正反渐变槽线天线2的两边设置金属化通孔10，按照等间距排列从共面波导-基片集成波导转换结构7的首端一直延伸至所述辐射结构8的末端，其作用在于减少相邻天线之间的电磁耦合，从而增加隔离度达到拓展天线阵列扫描角度的目的。

本发明采用ANSYS HFSS电磁仿真软件对天线模型进行典型实例的分析仿真，仿真实验以8单元一维天线阵列，工作于W波段为例。

所述毫米波金属喇叭天线阵列由8个天线阵列单元组成，即包括8个馈源天线载台3、8个矩形波导5、8个喇叭天线6和8个十字形栅格4构成，8个馈源天线载台3为一整体。相邻的矩形波导之间、相邻的喇叭天线之间、相邻的十字形栅格之间的间距均为2.4mm。

喇叭天线的口面尺寸为6mm×2.4mm，长度为5mm。矩形波导口面尺寸为2.54mm×1.4mm，长度为3mm。十字形栅格各金属条宽度0.4mm，厚度0.4mm。馈源天线载台的高度为2.91mm，宽度为1.6mm。

硅基正反渐变槽线天线采用高阻硅为介质材料，相对介电常数为11.9，电阻率4000。硅基介质宽度为1mm，厚度为0.18mm，上下表面金属层厚度3μm。共面波导-基片集成波导转换结构长度为1.6mm、辐射结构长度为1.15mm，加载介质长度为0.8mm。金属化过孔的直径为30μm，相邻金属化过孔的中心间距为100μm。相邻硅基正反渐变槽线天线的间距为2.4mm。

利用仿真软件ANSYS HFSS对上述实例的扫描有源驻波在88～100GHz范围内进行仿真计算，结果如图6和图7所示：

由图6可以看出，在频率92GHz到99GHz范围内，当本实施例天线阵列指向为法向时，所有单元的有源驻波比均低于2。

由图7可以看出，本实施例在天线排列方向的扫描角度范围为-15°到+15°，天线增益达到了21dB。

最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种毫米波金属喇叭天线阵列，其特征在于，包含多组天线阵列单元，所述天线阵列单元包括金属喇叭天线阵列（1）和硅基正反渐变槽线天线（2），所述金属喇叭天线阵列（1）包括矩形波导（5）和喇叭天线（6），两者首尾相连且均为挖空的腔体，形成贯通的微波传输的通道，所述硅基正反渐变槽线天线（2）位于所述矩形波导（5）的口面的中心，作为金属喇叭天线（6）的馈源，由硅基介质上下表面沉积金属化图形实现，包括依次设置的三段结构：共面波导-基片集成波导转换结构（7）、辐射结构（8）和加载介质（9），所述的共面波导-基片集成波导转换结构（7）为基片集成波导上表面耦合缝隙，形状为三角形，由基片集成波导中心位置向两边扩张；所述辐射结构（8）伸入到所述矩形波导（5）中，采用正反面对称的渐变槽线形式，上下表面的金属化图形呈V字型；所述加载介质（9）处于所述硅基正反渐变槽线天线（2）的尾端，伸入到所述矩形波导（5）中，为硅基介质凸出于辐射结构（8）的矩形部分。

2.根据权利要求1所述的毫米波金属喇叭天线阵列，其特征在于，所述金属喇叭天线阵列（1）还包括馈源天线载台（3），设置在矩形波导（5）前侧的波导口面处，所述硅基正反渐变槽线天线（2）设置在所述馈源天线载台（3）上。

3.根据权利要求1所述的毫米波金属喇叭天线阵列，其特征在于，所述金属喇叭天线阵列（1）还包括十字形栅格（4），设置在喇叭天线（6）的喇叭口尾端的天线口面中心。

4.根据权利要求1所述的毫米波金属喇叭天线阵列，其特征在于，所述硅基正反渐变槽线天线（2）的两边的设置金属化通孔（10），按照等间距排列从共面波导-基片集成波导转换结构（7）的首端一直延伸至所述辐射结构（8）的末端。

5.根据权利要求3所述的毫米波金属喇叭天线阵列，其特征在于，相邻的所述天线阵列单元的矩形波导（5）之间、喇叭天线（6）之间、十字形栅格（4）之间的中心间距为等间距，且小于工作中心频率对应的波长。

6. 根据权利要求3所述的毫米波金属喇叭天线阵列，其特征在于，所述金属喇叭天线阵列（1） 为一体成型的金属矩形结构件。