CN114498040B - 基于双脊间隙波导的波束可重构的h面喇叭天线 - Google Patents

基于双脊间隙波导的波束可重构的h面喇叭天线 Download PDF

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Abstract

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种波导天线领域中的基于双脊间隙波导的波束可重构的H面喇叭天线，其特征在于，包括顶部金属板(1)、中间金属层(3)、底部金属板(2)；顶部金属板(1)和底部金属板(2)为大小和形状相同的长方形，顶部金属板(1)、中间金属层(3)和底部金属板(2)依次从上到下叠层分布；所述的顶部金属板(1)下表面有第一金属销钉(101)和顶部金属脊(102),顶部金属脊(102)居中在顶部金属板(1)下表面长度方向上，第一金属销钉(101)在顶部金属板(1)下表面顶部金属脊(102)周围周期性分布。本发明H面喇叭天线具备高增益、宽带宽、损耗小的特点。

Description

基于双脊间隙波导的波束可重构的H面喇叭天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种波导天线领域中的基于双脊间隙波导的波束可重构的H面喇叭天线。
背景技术
传统的波导天线在较低的微波波段虽然易于加工，但结构笨重，且随着频率的升高，尺寸变小，加工难度急剧增加；微带天线虽然成本低，易于集成，但带宽窄，且随着频率升高，其辐射损耗和介质损耗都比较大。随后学者提出了基片集成波导，基片集成波导是介于微带线与介质填充波导之间的一种传输线，由于没有辐射损耗，其传输损耗相比微带线和共面线较小，在毫米波频段的天线设计中有基于该类型传输线的设计，但由于基片集成波导中还存有大量的传输介质，所以仍有较高的损耗，导致基于基片集成波导设计的天线整体工作效率不高。
2009年，国际著名电磁学专家瑞典查尔姆斯理工大学的P-S.Kildal教授在其当年发表的论文中首次提出了间隙波导的概念，指出间隙波导理想电导体表面PEC与高阻抗表面high impedance surface,HIS之间间隙高度小于工作频率的四分之一波长时，在高阻抗表面中加入导带，可以实现电磁波的定向传输。初步给出了三种可实现的间隙波导结构：脊隙波导、槽隙波导和微带隙波导。间隙波导的提出，极大地解决了介质损耗及加工制造难题，这是因为间隙波导的基本结构为上下两个导体平板构成平行平板波导，长方体或其他形状销钉等间距周期排列在底部导体平板上，其传输介质为空气，不仅减少了介质损耗，而且也没有严格的电接触要求，易于加工集成，成本低。随后学者对间隙波导进行深入研究，对间隙波导技术的应用可大致分为四类：滤波器、功分器等微波毫米波器件；阵列天线的馈电网络；单独的天线；转换器，如微带/波导-GWG。2018年F.Ahmadfard等人基于脊间隙波导传输结构，设计出了一款H面喇叭天线，该天线把脊间隙波导和喇叭结构相结合。天线带宽12.4-16.3GHz，增益为12-14dBi，相比较同工作频段的喇叭天线，该天线的增益和带宽表现良好。但天线只有一种端射模式，同时天线方向图存在不对称的问题。2019年M.Hamedani等人基于槽间隙波导传输结构和慢波壁结构，设计出了一款高前后比的H面喇叭天线，增益为8.5-12dBi，前后比大于20dB，其大量的周期结构增加了加工难度，同样该天线也只有一种端射模式。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种结构简单、易于加工集成、加工成本低，具备高增益、宽带宽、损耗小，当天线顶部单独馈电时，天线可辐射指向60°左右的波束；天线底部单独馈电时，天线可辐射指向120°左右的波束；当天线的顶部与底部同时输入等幅同相的信号时，可以辐射出差波束；当天线的顶部与底部同时输入等幅且相位相差130°的信号时，可以辐射出平顶波束的基于双脊间隙波导的波束可重构的H面喇叭天线。
为实现上述目的，本发明提供一种基于双脊间隙波导的波束可重构的H面喇叭天线，其特征在于，包括顶部金属板(1)、中间金属层(3)、底部金属板(2)；顶部金属板(1)和底部金属板(2)为大小和形状相同的长方形，顶部金属板(1)、中间金属层(3)和底部金属板(2)依次从上到下叠层分布；所述的顶部金属板(1)下表面有第一金属销钉(101)和顶部金属脊(102),顶部金属脊(102)居中在顶部金属板(1)下表面长度方向上，第一金属销钉(101)在顶部金属板(1)下表面顶部金属脊(102)周围周期性分布；顶部金属板(1)下表面上的顶部金属脊(102)与中间层金属板(3)之间存在的第二空气间隙(5)；第一金属销钉(101)与底部金属板(2)上表面上的第二金属销钉(201)之间存在的第一空气间隙(4)，底部金属板(2)上表面的底部金属脊(202)与中间层金属板(3)之间存在的第三空气间隙(6)；所述的底部金属板(2)上表面周期性分布有第二金属销钉(201)和底部金属脊(202)，底部金属脊(202)居中在底部金属板(2)上表面长度方向上，第二金属销钉(201)在底部金属板(2)上表面底部金属脊(202)周围周期性分布；底部金属板(2)上表面四周有四个金属柱(206)；天线辐射形式为端射，且通过改变馈电的状态实现不同的波束模式，当在天线的顶部金属板(1)上单独馈电时，天线可辐射指向60°左右的波束；当在天线的底部金属板(2)上单独馈电时，天线可辐射指向120°左右的波束；当在天线的顶部金属板(1)和底部金属板(2)上同时输入等幅同相的信号时，可以辐射出差波束；当在天线的顶部金属板(1)和底部金属板(2)上同时输入等幅异相的信号时，可以辐射出和波束，且波束方向图对称；当在天线的顶部金属板(1)和底部金属板(2)上同时输入等幅且相位相差130°的信号时，可以辐射出平顶波束。
所述的顶部金属板(1)与底部金属板(2)的厚度d为0.5-1.5mm，所述顶部金属板(1)与底部金属板(2)的长度L为116-118mm，所述顶部金属板(1)与底部金属板(2)的宽度W为96-98mm，中间金属层(3)的厚度为0.7-0.8mm，顶部金属板(1)下表面上的周期性第一金属销钉(101)与底部金属板(2)上表面上的周期性第二金属销钉(201)之间存在的第一空气间隙(4)高度为2.3-3mm，顶部金属板(1)下表面上的顶部金属脊(102)与中间层金属板(3)之间存在的第二空气间隙(5)高度为0.8-1.1mm，底部金属板(2)上表面上的底部金属脊(202)与中间层金属板(3)之间存在的第三空气间隙(6)高度为0.8-1.1mm。
所述的底部金属板(2)上包括一个底部板金属化过孔(203)，底部板金属化过孔(203)和底部金属脊上的金属化过孔(204)上下一一对齐且尺寸大小相同，二者形成的通孔用于SMA探针的插入馈电；底部板金属化过孔(203)的直径为2.7-2.92mm，底部板金属化过孔(203)的圆心距底部金属板(2)边缘的距离为35-37.5mm。
所述的顶部金属板(1)上包括一个顶部板金属化过孔(103)，顶部板金属化过孔(103)和顶部金属脊上的金属化过孔(104)上下一一对齐且尺寸大小相同，二者形成的通孔用于SMA探针的插入馈电；顶部板金属化过孔(103)的直径为2.7-2.92mm，且顶部板金属化过孔(103)的圆心距顶部金属板边缘的距离为35-37.5mm。
所述的顶部金属板(1)边缘四周排列有周期性的顶板周边金属化过孔(105)，顶板周边金属化过孔(105)的直径为1.1-1.3mm，所述底部金属板2边缘四周排列有周期性的底板周边金属化过孔(205)，底板周边金属化过孔(205)的直径为1.1-1.3mm，所述顶板周边金属化过孔(105)与底板周边金属化过孔(205)上下一一对齐且尺寸相同，用于组装天线。
所述的顶部金属板(1)下表面周期性排列的第一金属销钉(101)的结构为长方体，该长方体高度h为2.5-2.6mm，宽度a为2.8-3mm，销钉周期p为7.3-7.5mm，底部金属板(2)上表面周期性排列的第二金属销钉(201)的结构为长方体，该长方体高度h为2.5-2.6mm，宽度a为2.8-3mm，销钉周期p为7.3-7.5mm，并且第一金属销钉(101)与第二金属销钉(201)，上下一一对齐且尺寸相同。
所述的顶部金属板(1)下表面上排列的顶部金属脊(102)为H面喇叭形的结构，该顶部金属脊(102)由输入段长方体(106)、带有金属化过孔(104)的长方体(107)，喇叭张开段(108)组成，其中长方体(106)的长度L1为26-28mm，宽度W1为2.3-2.5mm，高度为2.5-2.6mm，带有金属化过孔(104)的长方体(107)的高度为2.5-2.6mm，长度为3-4mm，宽度为3-4mm,喇叭张开段(108)末端口径宽W2为43-45mm，且喇叭张开段(108)的末端呈台阶式过渡，从左至右第一个台阶长度L2为3.4-3.5mm，高度h2＝0.8-1mm，第二个台阶长度L3＝2.3-2.5mm，高度h1＝0.3-0.5mm，所述底部金属板(2)上表面上排列的金属脊(202)也是由输入段长方体(206)、带有金属化过孔(204)的长方体(207)，喇叭张开段(208)组成，且其结构尺寸与顶部金属板(1)下表面上排列的金属脊(102)一致，底部金属脊(202)与顶部金属脊(102)上下一一对齐，二者镜像对称，其中顶部金属板(1)下表面上排列的金属脊(102)上的金属化过孔(104)、底部金属板(2)上表面上排列的金属脊(202)上的金属化过孔(204)、顶部金属板(1)上排列的金属化过孔(103)、底部金属板(2)排列的金属化过孔(203)四者上下一一对齐且尺寸相同。
所述的底部金属板(2)上表面上四周的四个金属柱(206)为带有金属化过孔的正方体，该金属柱的高度为3.45-3.6mm，宽度为5-6mm，金属过孔直径为1.1-1.3mm,四个金属柱(206)的作用为支撑中间金属层结构(3)。
所述的中间金属层(3)由带有金属化过孔的长方体(301)、H面喇叭结构左侧的长方体(302)、H面喇叭形结构(303)以及H面喇叭形结构右侧的长方体(304)组成，其中带有金属化过孔的长方体(301)与底部金属板(2)上表面上四周的四个金属柱(206)上下一一对齐，且其过孔尺寸一致。
所述的带有金属化过孔的长方体(301)的宽度为4.8-5mm,长度为7.5-9mm,高度为0.7-0.8mm,金属化过孔的直径为1.1-1.3mm，H面喇叭结构(303)左侧的长方体(302)长度为96-98mm，宽度为0.8-1mm，厚度为0.7-0.8mm，H面喇叭形结构(303)的厚度为0.7-0.8mm,该结构其余尺寸与顶部金属板下表面上的顶部金属脊(102)及底部金属板上表面上的底部金属脊(202)相同，且与它们上下一一对齐，H面喇叭形结构(303)右侧的长方体(304)长度W为96-98mm，宽度L4为13-15mm，厚度为0.7-0.8mm。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的一种基于双脊间隙波导的波束可重构的H面喇叭天线，结构简单，易于加工集成，且加工成本低。
2、本发明的一种基于双脊间隙波导的波束可重构的H面喇叭天线，其辐射形式为端射，且通过改变馈电的状态实现不同的波束模式，当天线顶部单独馈电时，天线可辐射指向60°左右的波束；天线底部单独馈电时，天线可辐射指向120°左右的波束；当天线的顶部与底部同时输入等幅同相的信号时，可以辐射出差波束；当天线的顶部与底部同时输入等幅异相的信号时，可以辐射出和波束，且波束方向图对称；当天线的顶部与底部同时输入等幅且相位相差130°的信号时，可以辐射出平顶波束。
3、本发明的基于双脊间隙波导的波束可重构的H面喇叭天线具备高增益、宽带宽、损耗小的特点。
附图说明
图1a为本发明的整体结构示意图；
图1b为整体结构示意图顶部金属板示意图；
图1b1为顶部金属板示意图；
图1b2为顶部金属脊示意图；
图1c为本发明的整体结构示意图底部金属板示意图；
图1d为本发明的整体结构示意图中间金属层示意图；
图2为本发明的侧视结构示意图；
图3a为本发明的顶部金属板整体的俯视结构示意图；
图3b为本发明的底部金属板整体的俯视结构示意图；
图4为本发明的中间金属板的俯视结构示意图；
图5为本发明的间隙波导H面喇叭天线的S参数图；
图6为本发明的间隙波导H面喇叭天线的顶部单独馈电时16.5GHz的电场示意图；
图7为本发明的间隙波导H面喇叭天线的顶部单独馈电时17.5GHz的E面方向图；
图8为本发明的间隙波导H面喇叭天线的顶部单独馈电时17.5GHz的H面方向图；
图9为本发明的间隙波导H面喇叭天线的底部单独馈电时16.5GHz的电场示意图；
图10为本发明的间隙波导H面喇叭天线的底部单独馈电时17.5GHz的E面方向图；
图11为本发明的间隙波导H面喇叭天线的底部单独馈电时17.5GHz的H面方向图；
图12为本发明的间隙波导H面喇叭天线的顶部与底部同时馈入等幅同相信号时16.5GHz的电场示意图；
图13为本发明的间隙波导H面喇叭天线的顶部与底部同时馈入等幅同相信号时17.5GHz的E面方向图；
图14为本发明的间隙波导H面喇叭天线的顶部与底部同时馈入等幅同相信号时17.5GHz的H面方向图；
图15为本发明的间隙波导H面喇叭天线的顶部与底部同时馈入等幅异相信号时16.5GHz的电场示意图；
图16为本发明的间隙波导H面喇叭天线的顶部与底部同时馈入等幅异相信号时17.5GHz的E面方向图；
图17为本发明的间隙波导H面喇叭天线的顶部与底部同时馈入等幅异相信号时17.5GHz的H面方向图；
图18为本发明的间隙波导H面喇叭天线的顶部与底部同时馈入等幅且相位相差130°信号时16.5GHz的电场示意图；
图19为本发明的间隙波导H面喇叭天线的顶部与底部同时馈入等幅且相位相差130°信号时17.5GHz的E面方向图；
图20为本发明的间隙波导H面喇叭天线的顶部与底部同时馈入等幅且相位相差130°信号时17.5GHz的H面方向图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
实施例1：
参照图1a、图1b、图1b1、图1b2、图1c、图1d、图2、图3和图4，一种基于双脊间隙波导的波束可重构的H面喇叭天线，其特征在于，包括顶部金属板1、中间金属层3、底部金属板2；顶部金属板1和底部金属板2为大小和形状相同的长方形，顶部金属板1、中间金属层3和底部金属板2依次从上到下叠层分布；
如图1a、图1b、图1b1、图1b2、图1c、图1d所示，顶部金属板1下表面有第一金属销钉101和顶部金属脊102,顶部金属脊102居中在顶部金属板1下表面长度方向上，第一金属销钉101在顶部金属板1下表面顶部金属脊102周围周期性分布；顶部金属板1下表面上的顶部金属脊102与中间层金属板3之间存在的第二空气间隙5；第一金属销钉101与底部金属板2上表面上的第二金属销钉201之间存在的第一空气间隙4，底部金属板2上表面的底部金属脊202与中间层金属板3之间存在的第三空气间隙6；
所述的底部金属板2上表面周期性分布有第二金属销钉201和底部金属脊202，底部金属脊202居中在底部金属板2上表面长度方向上，第二金属销钉201在底部金属板2上表面底部金属脊202周围周期性分布；底部金属板2上表面四周有四个金属柱206。
本实施例中，顶部金属板1与底部金属板2的厚度d为1.5mm，所述顶部金属板与底部金属板的长度L为118mm，所述顶部金属板1与底部金属板2的宽度为98mm，中间金属层3的厚度为0.8mm，顶部金属板1下表面上的周期性第一金属销钉101与底部金属板2上表面上的周期性第二金属销钉201之间存在的第一空气间隙4高度为3mm，顶部金属板1下表面上的顶部金属脊102与中间层金属板3之间存在的第二空气间隙5高度为1.1mm，底部金属板2上表面上的底部金属脊202与中间层金属板3之间存在的第三空气间隙6高度为1.1mm。
本实施例中，顶部金属板1边缘四周排列有周期性的顶板周边金属化过孔105，顶板周边金属化过孔105的直径为1.1mm；所述底部板金属板2边缘四周排列有周期性的底板周边金属化过孔205，底板周边金属化过孔205的直径为1.1mm，所述顶部金属板上排列的金属过孔105与底部金属板上排列的金属过孔205上下一一对齐，用于组装天线。
如图1a、图1b、图1b1、图1b2、图1c、图1d所示，本实施例中，底部金属板2上包括一个底部板金属化过孔203，底部板金属化过孔203和底部金属脊上的金属化过孔204上下一一对齐且尺寸大小相同，二者形成的通孔用于SMA探针的插入馈电；底部板金属化过孔203的直径为2.92mm，底部板金属化过孔203的圆心距底部金属板2边缘的距离为37.5mm。
如图1a、图1b、图1b1、图1b2、图1c、图1d所示，本实施例中，顶部金属板1上包括一个顶部板金属化过孔103，顶部板金属化过孔103和顶部金属脊上的金属化过孔104上下一一对齐且尺寸大小相同，二者形成的通孔用于SMA探针的插入馈电；顶部板金属化过孔103的直径为2.92mm，且顶部板金属化过孔103的圆心距顶部金属板边缘的距离为37.5mm。
本实施例中，顶部金属板1下表面上排列的周期性第一金属销钉101的结构为长方体，该长方体高度h为2.5mm，宽度a为3mm，销钉周期p为7.5mm，底部金属板2上表面上排列的周期性第二金属销钉201的结构为长方体，该长方体高度h为2.5mm，宽度a为3mm，销钉周期p为7.5mm，并且第一金属销钉101与第二金属销钉201，上下一一对齐且尺寸相同。
本实施例顶部金属板1下表面上排列的顶部金属脊102为H面喇叭形的结构，该顶部金属脊102由输入段顶部金属脊长方体根部106、带有顶部金属脊金属化过孔104的顶部金属脊长方体头部107，顶部金属脊喇叭张开段108组成，其中顶部金属脊长方体根部106的长度L1为28mm，宽度W1为2.5mm，高度为2.5mm，带有顶部金属脊金属化过孔104与顶部金属脊长方体头部107的高度为2.5mm，长度为4mm，宽度为4mm,顶部金属脊喇叭张开段108末端口径宽W2为45mm，且顶部金属脊喇叭张开段108的末端呈台阶式过渡，从左至右第一个台阶长度L2为3.5mm，高度h2＝1mm，第二个台阶长度L3＝2.5mm，高度h1＝0.5mm，所述底部金属板2上表面上排列的底部金属脊202也是由输入段底部金属脊长方体206、带有底部金属脊金属化过孔204的底部金属脊长方体头部207，底部金属脊喇叭张开段208组成，且其结构尺寸与顶部金属板1下表面上排列的顶部金属脊102一致，底部金属脊202与顶部金属脊102上下一一对齐，二者镜像对称，其中顶部金属板1下表面上排列的顶部金属脊102上的顶部金属脊金属化过孔104、底部金属板2上表面上排列的底部金属脊202上的底部金属脊金属化过孔204、顶部金属板1上排列的顶部板金属化过孔103、底部金属板2排列的底部金属化过孔203四者上下一一对齐且尺寸相同
本实施例中，底部金属板2上表面上四周的四个金属柱206为带有金属化过孔的正方体，该金属柱的高度为3.6mm，宽度为5mm，金属过孔直径为1.1mm，该金属柱的作用为支撑中间金属层结构3。
本实施例中，中间金属层3由带有金属化过孔的长方体301、H面喇叭结构左侧的长方体302、H面喇叭形结构303以及H面喇叭形结构右侧的长方体304组成，其中带有金属化过孔的长方体301与底部金属板2上表面上四周的四个金属柱206上下一一对齐，且其过孔尺寸一致。
本实施例中，带有金属化过孔的长方体301的宽度为5mm,长度为7.5mm,高度为0.8mm,金属化过孔的直径为1.1mm，H面喇叭结构303左侧的长方体302长度为98mm，宽度为1mm，厚度为0.8mm，H面喇叭形结构303的厚度为0.8mm,该结构其余尺寸与顶部金属板下表面上的顶部金属脊102及底部金属板上表面上的底部金属脊202相同，且与它们上下一一对齐，H面喇叭形结构303右侧的长方体304长度W为98mm，宽度L4为15mm，厚度为0.8mm。
本实施例的结构均为金属，可以为铝，铝合金，铜等。
实施例2：
参照图1、图2、图3和图4，一种基于双脊间隙波导的波束可重构的H面喇叭天线，其特征在于，包括顶部金属板1、中间金属层3、底部金属板2；顶部金属板1和底部金属板2为大小和形状相同的长方形，顶部金属板1、中间金属层3和底部金属板2依次从上到下叠层分布；所述的顶部金属板1下表面有第一金属销钉101和顶部金属脊102,顶部金属脊102居中在顶部金属板1下表面长度方向上，第一金属销钉101在顶部金属板1下表面顶部金属脊102周围周期性分布；顶部金属板1下表面上的顶部金属脊102与中间层金属板3之间存在的第二空气间隙5；第一金属销钉101与底部金属板2上表面上的第二金属销钉201之间存在的第一空气间隙4，底部金属板2上表面的底部金属脊202与中间层金属板3之间存在的第三空气间隙6；
所述的底部金属板2上表面周期性分布有第二金属销钉201和底部金属脊202，底部金属脊202居中在底部金属板2上表面长度方向上，第二金属销钉201在底部金属板2上表面底部金属脊202周围周期性分布；底部金属板2上表面四周有四个金属柱206。
本实施例顶部金属板1与底部金属板2的厚度d为0.5mm，所述顶部金属板1与底部金属板2的长度L为116mm，所述顶部金属板1与底部金属板2的宽度为96mm，中间金属层3的厚度为0.7mm，顶部金属板1下表面上的周期性第一金属销钉101与底部金属板2上表面上的周期性第二金属销钉201之间存在的第一空气间隙4高度为2.3mm，顶部金属板1下表面上的顶部金属脊102与中间层金属板3之间存在的第二空气间隙5高度为0.8mm，底部金属板2上表面上的底部金属脊202与中间层金属板3之间存在的第三空气间隙6高度为0.8mm。
本实施例中，顶部金属板1边缘四周排列有周期性的顶板周边金属化过孔105，顶板周边金属化过孔105的直径为1.3mm；所述底部板金属板2边缘四周排列有周期性的底板周边金属化过孔205，底板周边金属化过孔205的直径为1.3mm，所述顶部金属板上排列的金属过孔105与底部金属板上排列的金属过孔205上下一一对齐，用于组装天线。
本实施例如图1a、图1b、图1b1、图1b2、图1c、图1d所示，本实施例中，底部金属板2上包括一个底部板金属化过孔203，底部板金属化过孔203和底部金属脊上的金属化过孔204上下一一对齐且尺寸大小相同，二者形成的通孔用于SMA探针的插入馈电；底部板金属化过孔203的直径为2.92mm，底部板金属化过孔203的圆心距底部金属板2边缘的距离为37.5mm。
如图1a、图1b、图1b1、图1b2、图1c、图1d所示，本实施例中，顶部金属板1上包括一个顶部板金属化过孔103，顶部板金属化过孔103和顶部金属脊上的金属化过孔104上下一一对齐且尺寸大小相同，二者形成的通孔用于SMA探针的插入馈电；顶部板金属化过孔103的直径为2.92mm，且顶部板金属化过孔103的圆心距顶部金属板边缘的距离为37.5mm。
本实施例顶部金属板1下表面上排列的周期性第一金属销钉101的结构为长方体，该长方体高度h为2.6mm，宽度a为2.8mm，销钉周期p为7.3mm，底部金属板2上表面上排列的周期性第二金属销钉201的结构为长方体，该长方体高度h为2.6mm，宽度a为2.8mm，销钉周期p为7.3mm，并且第一金属销钉101与第二金属销钉201，上下一一对齐且尺寸相同。
本实施例顶部金属板1下表面上排列的顶部金属脊102为H面喇叭形的结构，该顶部金属脊102由输入段顶部金属脊长方体根部106、带有顶部金属脊金属化过孔104的顶部金属脊长方体头部107，顶部金属脊喇叭张开段108组成，其中顶部金属脊长方体根部106的长度L1为26mm，宽度W1为2.3mm，高度为2.6mm，带有顶部金属脊金属化过孔104的顶部金属脊长方体头部107的高度为2.6mm，长度为3mm，宽度为3mm,顶部金属脊喇叭张开段108末端口径宽W2为43mm，且顶部金属脊喇叭张开段108的末端呈台阶式过渡，从左至右第一个台阶长度L2为3.4mm，高度h2＝0.8mm，第二个台阶长度L3＝2.3mm，高度h1＝0.3mm，所述底部金属板2上表面上排列的底部金属脊202也是由输入段底部金属脊长方体206、带有底部金属脊金属化过孔204的底部金属脊长方体头部207，底部金属脊喇叭张开段208组成，且其结构尺寸与顶部金属板1下表面上排列的顶部金属脊102一致，底部金属脊202与顶部金属脊102上下一一对齐，二者镜像对称，其中顶部金属板1下表面上排列的顶部金属脊102上的顶部金属脊金属化过孔104、底部金属板2上表面上排列的底部金属脊202上的底部金属脊金属化过孔204、顶部金属板1上排列的顶部板金属化过孔103、底部金属板2排列的底部金属化过孔203四者上下一一对齐且尺寸相同。
本实施例底部金属板2上表面上四周的四个金属柱206为带有金属化过孔的正方体，该金属柱的高度为3.45mm，宽度为6mm，金属过孔直径为1.3mm，该金属柱的作用为支撑中间金属层结构3。
本实施例中间金属层3由带有金属化过孔的长方体301、H面喇叭结构左侧的长方体302、H面喇叭形结构303以及H面喇叭形结构右侧的长方体304组成，其中带有金属化过孔的长方体301与底部金属板2上表面上四周的四个金属柱206上下一一对齐，且其过孔尺寸一致。
本实施例带有金属化过孔的长方体301的宽度为4.8mm,长度为9mm,高度为0.7mm,金属化过孔的直径为1.3mm，H面喇叭结构303左侧的长方体302长度为96mm，宽度为0.8mm，厚度为0.7mm，H面喇叭形结构303的厚度为0.7mm,该结构其余尺寸与顶部金属板下表面上的顶部金属脊102及底部金属板上表面上的底部金属脊202相同，且与它们上下一一对齐，H面喇叭形结构303右侧的长方体304长度W为96mm，宽度L4为13mm，厚度为0.7mm。
本实施例的结构均为金属，可以为铝，铝合金，铜等。
本实施例的工作原理如下：
本实施例是一种基于双脊间隙波导的波束可重构的H面喇叭天线，通过控制对天线馈电状态的改变，可以实现波束可重构，具体如下：当在天线的顶部金属板1上单独馈电时，即SMA探针仅插入天线顶部板金属化过孔103及顶部金属脊中金属化过孔104，天线可辐射指向60°左右的波束；当在天线的底部金属板2上单独馈电时，即SMA探针仅插入天线底部板金属化过孔203及底部金属脊中金属化过孔204，天线可辐射指向120°左右的波束；当在天线的顶部金属板1和底部金属板2上同时输入等幅同相的信号时，即一个SMA探针插入天线顶部板金属化过孔103及顶部金属脊中金属化过孔104，另一个SMA探针插入天线底部板金属化过孔203及底部金属脊中金属化过孔204，可以辐射出差波束；当在天线的顶部金属板1和底部金属板2上同时输入等幅异相的信号时，即一个SMA探针插入天线顶部板金属化过孔103及顶部金属脊中金属化过孔104，另一个SMA探针插入天线底部板金属化过孔203及底部金属脊中金属化过孔204，可以辐射出和波束，且波束方向图对称；当在天线的顶部金属板1和底部金属板2上同时输入等幅且相位相差130°的信号时，即一个SMA探针插入天线顶部板金属化过孔103及顶部金属脊中金属化过孔104，另一个SMA探针插入天线底部板金属化过孔203及底部金属脊中金属化过孔204，可以辐射出平顶波束，其平顶波束宽度为90°幅值电平波动小于1.05。该天线不仅可以辐射出端射方向图，而且能够实现波束可重构，在实际中应用更加广泛。
以下结合仿真实验对本发明的技术效果作进一步说明：
1、仿真条件及内容：
1.1参照图5，利用商业仿真软件ANSYS19.2对实施例1的天线进行仿真，仿真的中心频率设置为17.5GHz，得到天线的S参数分布图；参照图6-8，得到顶部端口单独馈电时天线的电场矢量以及远场方向图；参照图9-11，得到底部端口单独馈电时天线的电场矢量以及远场方向图；参照图12-14，得到顶部端口与底部端口同时馈入同相等幅信号时天线的电场矢量以及远场方向图；参照图15-17，得到顶部端口与底部端口同时馈入异相等幅信号时天线的电场矢量以及远场方向图；参照图18-20，得到顶部端口与底部端口同时馈入相位相差130°且等幅信号时天线的电场矢量以及远场方向图；
2、仿真结果分析：
参照图5，横坐标表示频率，纵坐标表示反射系数，以反射系数小于-10dB为标准，本实施例1的带宽为16.5-18.4GHz，相对带宽为11.5％。
参照图6，图6表示天线在频率16.5GHz处顶部端口单独馈电时电场矢量图。
参照图7，图7表示当顶部端口单独馈电时天线在频率17.5GHz处的远场的E面方向图，该方向图主波束指向60°左右的方向。
参照图8，图8表示当顶部端口单独馈电时天线在频率17.5GHz处远场H面方向图。
参照图9，图9表示天线在频率16.5GHz处底部端口单独馈电时的电场矢量图。
参照图10，图1表示当底部端口单独馈电时天线在频率17.5GHz处远场的E面方向图，该方向图主波束指向120°左右的方向。
参照图11，图11表示当底部端口单独馈电时天线在频率17.5GHz处远场H面方向图。
参照图12，图12表示天线在频率16.5GHz处顶部端口与底部端口同时馈入等幅同相的信号时的电场矢量图。
参照图13，图13表示当顶部端口与底部端口同时馈入等幅同相的信号时天线在频率17.5GHz处远场的E面方向图，该方向图为在90°左右的方向上出现零点的差波束。
参照图14，图14表示当顶部端口与底部端口同时馈入等幅同相的信号时天线在频率17.5GHz处远场H面方向图。
参照图15，图15表示天线在频率16.5GHz处顶部端口与底部端口同时馈入等幅异相相的信号时的电场矢量图。
参照图16，图16表示当顶部端口与底部端口同时馈入等幅异相的信号时天线在频率17.5GHz处远场的E面方向图，该方向图主波束指向90°左右的和波束，主波束的最大增益为11.05dBi。
参照图17，图17表示当顶部端口与底部端口同时馈入等幅异相的信号时天线在频率17.5GHz处远场H面方向图。
本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。

Claims (10)

1.一种基于双脊间隙波导的波束可重构的H面喇叭天线，其特征在于，包括顶部金属板(1)、中间金属层(3)、底部金属板(2)；顶部金属板(1)和底部金属板(2)为大小和形状相同的长方形，顶部金属板(1)、中间金属层(3)和底部金属板(2)依次从上到下叠层分布；所述的顶部金属板(1)下表面有第一金属销钉(101)和顶部金属脊(102),顶部金属脊(102)居中在顶部金属板(1)下表面长度方向上，第一金属销钉(101)在顶部金属板(1)下表面顶部金属脊(102)周围周期性分布；顶部金属板(1)下表面上的顶部金属脊(102)与中间层金属板(3)之间存在的第二空气间隙(5)；第一金属销钉(101)与底部金属板(2)上表面上的第二金属销钉(201)之间存在的第一空气间隙(4)，底部金属板(2)上表面的底部金属脊(202)与中间层金属板(3)之间存在的第三空气间隙(6)；所述的底部金属板(2)上表面周期性分布有第二金属销钉(201)和底部金属脊(202)，底部金属脊(202)居中在底部金属板(2)上表面长度方向上，第二金属销钉(201)在底部金属板(2)上表面底部金属脊(202)周围周期性分布；底部金属板(2)上表面四周有四个金属柱(206)；天线辐射形式为端射，且通过改变馈电的状态实现不同的波束模式，当在天线的顶部金属板(1)上单独馈电时，天线可辐射指向60°左右的波束；当在天线的底部金属板(2)上单独馈电时，天线可辐射指向120°左右的波束；当在天线的顶部金属板(1)和底部金属板(2)上同时输入等幅同相的信号时，可以辐射出差波束；当在天线的顶部金属板(1)和底部金属板(2)上同时输入等幅异相的信号时，可以辐射出和波束，且波束方向图对称；当在天线的顶部金属板(1)和底部金属板(2)上同时输入等幅且相位相差130°的信号时，可以辐射出平顶波束；所述异相的相位差为180o。
2.根据权利要求1所述的一种基于双脊间隙波导的波束可重构的H面喇叭天线，其特征在于：所述的顶部金属板(1)与底部金属板(2)的厚度d为0.5-1.5mm，所述顶部金属板(1)与底部金属板(2)的长度L为116-118 mm，所述顶部金属板(1)与底部金属板(2)的宽度W为96-98mm，中间金属层(3)的厚度为0.7-0.8mm，顶部金属板(1)下表面上的周期性第一金属销钉(101)与底部金属板(2)上表面上的周期性第二金属销钉(201)之间存在的第一空气间隙(4)高度为2.3-3mm，顶部金属板(1)下表面上的顶部金属脊(102)与中间层金属板(3)之间存在的第二空气间隙(5)高度为0.8-1.1mm，底部金属板(2)上表面上的底部金属脊(202)与中间层金属板(3)之间存在的第三空气间隙(6)高度为0.8-1.1mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于双脊间隙波导的波束可重构的H面喇叭天线，其特征在于：所述的底部金属板（2）上包括一个底部板金属化过孔（203），底部板金属化过孔（203）和底部金属脊上的金属化过孔（204）上下一一对齐且尺寸大小相同，二者形成的通孔用于SMA探针的插入馈电；底部板金属化过孔（203）的直径为2.7-2.92mm，底部板金属化过孔（203）的圆心距底部金属板（2）边缘的距离为35-37.5mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于双脊间隙波导的波束可重构的H面喇叭天线，其特征在于：所述的顶部金属板（1）上包括一个顶部板金属化过孔（103），顶部板金属化过孔（103）和顶部金属脊上的金属化过孔（104）上下一一对齐且尺寸大小相同，二者形成的通孔用于SMA探针的插入馈电；顶部板金属化过孔（103）的直径为2.7-2.92mm，且顶部板金属化过孔（103）的圆心距顶部金属板边缘的距离为35-37.5mm。
5.根据权利要求1所述的一种基于双脊间隙波导的波束可重构的H面喇叭天线，其特征在于：所述的顶部金属板（1）边缘四周排列有周期性的顶板周边金属化过孔（105），顶板周边金属化过孔（105）的直径为1.1-1.3mm，所述底部金属板2边缘四周排列有周期性的底板周边金属化过孔（205），底板周边金属化过孔（205）的直径为1.1-1.3mm，所述顶板周边金属化过孔（105）与底板周边金属化过孔（205）上下一一对齐且尺寸相同，用于组装天线。
6.根据权利要求1所述的一种基于双脊间隙波导的波束可重构的H面喇叭天线，其特征在于：所述的顶部金属板(1)下表面周期性排列的第一金属销钉(101)的结构为长方体，该长方体高度h为2.5-2.6mm，宽度a为2.8-3mm，销钉周期p为7.3-7.5mm，底部金属板(2)上表面周期性排列的第二金属销钉(201)的结构为长方体，该长方体高度h为2.5-2.6mm，宽度a为2.8-3mm，销钉周期p为7.3-7.5mm，并且第一金属销钉(101)与第二金属销钉(201)，上下一一对齐且尺寸相同。
7.根据权利要求1所述的一种基于双脊间隙波导的波束可重构的H面喇叭天线，其特征在于：所述的顶部金属板(1)下表面上排列的顶部金属脊(102)为H面喇叭形的结构，该顶部金属脊(102)由输入段长方体(106)、带有金属化过孔(104)的长方体(107)，喇叭张开段(108)组成，其中长方体(106)的长度L1为26-28mm，宽度W1为2.3-2.5mm，高度为2.5-2.6mm，带有金属化过孔(104)的长方体(107)的高度为2.5-2.6mm，长度为3-4mm，宽度为3-4mm,喇叭张开段(108)末端口径宽W2为43-45mm，且喇叭张开段(108)的末端呈台阶式过渡，从左至右第一个台阶长度L2为3.4-3.5mm，高度h2=0.8-1mm，第二个台阶长度L3=2.3-2.5mm，高度h1=0.3-0.5mm，所述底部金属板(2)上表面上排列的金属脊(202)也是由输入段长方体(206)、带有金属化过孔(204)的长方体(207)，喇叭张开段(208)组成，且其结构尺寸与顶部金属板(1)下表面上排列的金属脊(102)一致，底部金属脊(202)与顶部金属脊(102)上下一一对齐，二者镜像对称，其中顶部金属板(1)下表面上排列的金属脊(102)上的金属化过孔(104)、底部金属板(2)上表面上排列的金属脊(202)上的金属化过孔(204)、顶部金属板(1)上排列的金属化过孔(103)、底部金属板(2)排列的金属化过孔(203)四者上下一一对齐且尺寸相同。
8.根据权利要求1所述的一种基于双脊间隙波导的波束可重构的H面喇叭天线，其特征在于：所述的底部金属板(2)上表面上四周的四个金属柱(206)为带有金属化过孔的正方体，该金属柱的高度为3.45-3.6mm，宽度为5-6mm，金属过孔直径为1.1-1.3mm,四个金属柱(206)的作用为支撑中间金属层结构(3)。
9.根据权利要求1所述的一种基于双脊间隙波导的波束可重构的H面喇叭天线，其特征在于：所述的中间金属层(3)由带有金属化过孔的长方体(301)、H面喇叭结构左侧的长方体(302)、H面喇叭形结构(303)以及H面喇叭形结构右侧的长方体(304)组成，其中带有金属化过孔的长方体(301)与底部金属板(2)上表面上四周的四个金属柱(206)上下一一对齐，且其过孔尺寸一致。
10.根据权利要求9所述的一种基于双脊间隙波导的波束可重构的H面喇叭天线，其特征在于：所述带有金属化过孔的长方体(301)的宽度为4.8-5mm,长度为7.5-9mm,高度为0.7-0.8mm,金属化过孔的直径为1.1-1.3mm，H面喇叭结构(303)左侧的长方体(302)长度为96-98mm，宽度为0.8-1mm，厚度为0.7-0.8mm，H面喇叭形结构(303)的厚度为0.7-0.8mm,该结构其余尺寸与顶部金属板下表面上的顶部金属脊(102)及底部金属板上表面上的底部金属脊(202)相同，且与它们上下一一对齐，H面喇叭形结构(303)右侧的长方体(304)长度W为96-98mm，宽度L4为13-15mm，厚度为0.7-0.8mm。
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