CN114639974A - 基于脊间隙波导技术的毫米波宽带喇叭阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于脊间隙波导技术的毫米波宽带喇叭阵列天线，所述毫米波宽带喇叭阵列天线由自上而下紧密贴合的天线上板及天线下板组成，所述天线上板的内表面作为第一内表面，所述第一内表面作为毫米波宽带喇叭阵列天线的辐射层，所述天线下板的内表面作为第二内表面，所述第二内表面作为毫米波宽带喇叭阵列天线的馈电网络层。本发明的毫米波宽带喇叭阵列天线，电磁波信号在天线下板的馈电端口处馈入，进一步通过垂直传输结构进入过渡结构和馈电网络层，并通过功分器网络将电磁波能量均匀分布分配，本发明的毫米波宽带喇叭阵列天线通过优化馈电网络，提供一种高增益、高效率、便于产业推广的宽带喇叭阵列天线。
Description
技术领域
本发明属于通信领域，具体涉及一种基于脊间隙波导技术的毫米波宽带喇叭阵列天线。
背景技术
在无线通信领域中，微带和基板集成波导结构由于低成本、易于制造和集成，已被广泛应用于设计圆极化、线极化天线，然而在毫米波频段通信领域，微带和基底集成的波导结构则必然会引起高的介质损耗。
中国发明专利申请号2021116055822公开了一种基于间隙波导结构的毫米波宽带低损耗定向耦合器，该技术方案的定向耦合器通过机械加工技术实现，包括三个部分：金属底板，耦合板和金属盖板，金属底板由两个U型金属槽和其周围的方形金属销钉以及间隙波导到标准WR-28波导的阶梯过渡转换结构构成，虽然该定向耦合器可以部分降低介质损耗，但该定向耦合器只能工作在30GHz的毫米波频段，存在较大的局限性。
如何设计一种基于脊间隙波导技术的适用于毫米波宽带喇叭阵列天线的天线结构，降低阵列天线庞大的馈电网络所带来的介质损耗，成为业界探讨的一个重要课题。
发明内容
目前已有的间隙波导技术（Gap Waveguide，GWG）继承了微带和基板集成波导（Substrate Integrated Waveguide，SIW）的成本低、易加工和集成的技术，同时消除了介质损耗，极大的降低了阵列天线庞大的馈电网络所引起的传输损耗，同时，脊间隙波导由于其波导间隙的存在，给装配、加工和电镀等环节带来了很多便利。
针对现有技术存在的问题，本发明提出一种基于脊间隙波导技术的毫米波宽带喇叭阵列天线，技术方案如下：
一种基于脊间隙波导技术的毫米波宽带喇叭阵列天线，所述毫米波宽带喇叭阵列天线由自上而下紧密贴合的天线上板及天线下板组成，所述天线上板的内表面作为第一内表面，所述第一内表面作为毫米波宽带喇叭阵列天线的辐射层，所述天线下板的内表面作为第二内表面，所述第二内表面作为毫米波宽带喇叭阵列天线的馈电网络层。
进一步的，所述第一内表面由8×8的辐射单元组成。
进一步的，所述毫米波宽带喇叭阵列天线的工作频率是69GHz到88GHz。
进一步的，所述天线下板进一步设置馈电端口，所述馈电端口的周围设置规律性排布的突起。
进一步的，所述天线上板由规律性排布的喇叭组成，所述喇叭的宽开口朝向天线上板的外侧。
进一步的，所述喇叭采用隔板区隔为两个辐射单元，用以发射和接受电磁波能量，所述辐射单元规律性排布为均匀阵列，所述辐射单元的长度和宽度均小于一个自由空间波长。
进一步的，所述辐射单元的背面设置耦合腔和耦合槽，所述耦合腔、耦合槽与喇叭的阻抗相匹配。
进一步的，所述第二内表面通过T形功分器和脊波导构成宽带喇叭阵列天线的馈电网络层。
进一步的，所述第二内表面还设置规律性排布的突起，所述突起设置在脊波导的环周，所述突起设置于喇叭的窄开口一侧。
进一步的，所述T形功分器进一步包括两个子阵，每两个子阵由一个末端呈T形的T形功分器进行馈电。
进一步的，所述T形功分器的末端与耦合槽之间进一步设置矩形波导和脊间隙波导的过渡结构，所述过渡结构与喇叭共同构成喇叭单元子阵，所述喇叭单元子阵的口径、电场面和磁场面长度均在5.5mm~6.5mm范围内。
进一步的，所述突起的上表面和下表面的截面形状是矩形、椭圆形、T形、十字形、哑铃形的任一种。
本发明基于脊间隙波导技术的毫米波宽带喇叭阵列天线，电信号在天线下板的馈电端口处进入，进一步通过垂直传输结构进入阵列天线的底板与馈电层之间的过渡结构，随后进入馈电网络层分配给每一个子阵，子阵通过脊波导与耦合腔之间的转换，以及耦合槽、辐射喇叭、将电磁信号辐射出去。
本发明基于脊间隙波导技术，设计了8×8的毫米波宽带喇叭阵列天线，通过全并联的馈电网络，提供一种高增益、高效率、便于产业推广的毫米波宽带喇叭阵列天线。
附图说明
图1：本发明毫米波宽带喇叭阵列天线的结构示意图。
图2：本发明毫米波宽带喇叭阵列天线的拆解图。
图3：本发明毫米波宽带喇叭阵列天线的下板拆解图。
图4：本发明毫米波宽带喇叭阵列天线的仿真与测量反射系数增益图。
图5a：本发明毫米波宽带喇叭阵列天线在81GHz在仿真和测量的远场电场面的方向图。
图5b：本发明毫米波宽带喇叭阵列天线在81GHz在仿真和测量的磁场面方向图。
图示标号说明：
毫米波宽带喇叭阵列天线101，天线上板102，天线下板103，第一内表面201，突起202，喇叭203，第二内表面204，T形功分器205，脊波导206，馈电端口 301。
具体实施方式
下面结合附图详细描述本发明的精神和实质，本领域的普通技术人员应该理解，这些实例并不用于限制本发明的保护范围，本发明旨在覆盖可包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的替代、修改和等同物。此外，在本发明的以下详细描述中，阐述了许多具体细节以便于提供对本发明的透彻理解，然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明。
请参考图1本发明毫米波宽带喇叭阵列天线的结构示意图，本发明提出一种基于脊间隙波导技术的毫米波宽带喇叭阵列天线101，所述毫米波宽带喇叭阵列天线101由自上而下紧密贴合的天线上板102及天线下板103组成，进一步参考请参考图2本发明毫米波宽带喇叭阵列天线的拆解图，其中第一内表面201是天线上板102的内表面，所述第一内表面201作为毫米波宽带喇叭阵列天线101的辐射层，所述第一内表面201由8×8的辐射单元组成，所述天线上板102由规律性排布的喇叭203组成，所述喇叭203的宽开口朝向天线上板102的外侧。
所述第二内表面204是天线下板103的内表面，所述第二内表面204作为毫米波宽带喇叭阵列天线101的馈电网络层。
进一步的，所述第二内表面204还设置规律性排布的突起202，所述突起202设置在脊波导206的环周，所述突起202设置于喇叭203的窄开口一侧。
进一步的，每一个喇叭203采用一个电场面的隔板区隔为两个辐射单元，用以发射和接受电磁波能量，所述辐射单元规律性排布为均匀阵列，所述辐射单元的长度和宽度均小于一个自由空间波长，以实现毫米波宽带喇叭阵列天线远场电场面和磁场面波瓣的最小化，每一喇叭组成的辐射单元的背面均为一个耦合腔和耦合槽，所述耦合腔、耦合槽与喇叭203的阻抗相匹配。
进一步的，每一个耦合腔、每一个耦合槽及同辐射层的喇叭203构成一个基本辐射子阵，一个馈电终端激发一个基本辐射子阵，喇叭203内部的隔板结构用于抑制毫米波宽带喇叭阵列天线的栅瓣和旁瓣。
进一步的，所述第二内表面204通过T形功分器205和脊波导206构成阵列天线的馈电网络层，进入脊波导的电磁波信号，通过功分网络实现功率分配，使得每一个基本辐射子阵获得对应的激励电流，实现高增益的阵列波形。
进一步的，由于单脊形式的波导具有较长的TE10模截波长，同时与高次模距离较远，因此具有较宽的工作带宽，所述T形功分器205进一步包括两个子阵，每两个子阵由一个末端呈T形的T形功分器205进行馈电，T形功分器205主要由位于T形节的匹配平台高度实现匹配阻抗，功率分配主要通过功分出去的两个端口的脊波导206深入T形节的长短及高度实现，由于T形功分器205的驻波参数较好，因此为大规模阵列天线设计提供了便利性。
请参考图3本发明毫米波宽带喇叭阵列天线的下板拆解图，所述天线下板103进一步设置WR-12标准波导接口的馈电端口301，所述馈电端口301的环周设置规律性排布的突起202，所述突起202用于防止电磁波泄露，其工作原理如下，当电磁波信号由馈电端口301馈入毫米波宽带喇叭阵列天线，进一步通过垂直传输结构进入馈电网络层。
本领域普通技术人员可以理解，所述突起202的上表面和下表面的截面形状可以为矩形、椭圆形、T形、十字形、哑铃形的任一种，所述突起202的尺寸、数量均可根据实际需求调整。
进一步的，在本发明的一个具体实施例中，所述T形功分器的末端与耦合槽之间进一步设置矩形波导和脊间隙波导的过渡结构，所述过渡结构与喇叭共同构成喇叭单元子阵，所述喇叭单元子阵的口径、电场面和磁场面长度均在5.5mm~6.5mm范围内。
图4本发明毫米波宽带喇叭阵列天线的仿真与测量反射系数增益图，可以观察到从69GHz到88GHz，本发明毫米波宽带喇叭阵列天线的仿真反射损耗低于-10dB，测量结果与仿真结果基本一致，微小误差主要由制造差异与组装不重合导致，从69GHz到88GHz，仿真瞄准线增益在25dB~28dB内，本发明的毫米波宽带喇叭阵列天线最大可用方向内100%和80%的天线效率，全部仿真天线效率优于80%。
参考图5a本发明毫米波宽带喇叭阵列天线在81GHz在仿真和测量的远场电场面的方向图及图5b本发明毫米波宽带喇叭阵列天线在81GHz在仿真和测量的磁场面方向图，结果表明，测量的交叉极化低于-40dB，在喇叭203内插入隔板后可以改善方向图，抑制了栅瓣，尤其在磁场面内，插入隔板后效果明显，测量结果与仿真结果的微小差异主要是因为整个毫米波宽带喇叭阵列天线采用铝质材料制成，随着频率的增加欧姆损耗会增加，同时脊表面的粗糙度、与标准波导的表面连接精确度，通过探针和螺钉组装与固定天线结构导致的安装精确度都可能是影响天线性能的原因。
本发明基于间隙波导技术的毫米波宽带喇叭阵列天线，电磁波信号在天线下板103的馈电端口301处馈入，进一步通过垂直传输结构进入阵列天线的天线下板与馈电层之间的过渡结构，随后进入馈电网络层，在馈电网络层中，功分器网络将电磁波能量均匀分配给每一个子阵，子阵进一步通过脊波导与耦合腔之间的转换，以及耦合槽、喇叭、将电磁波信号辐射出去。
本发明基于脊间隙波导技术设计8×8的毫米波宽带喇叭阵列天线，通过泰勒综合法设计馈电幅值，优化馈电网络，该宽带喇叭阵列天线具备高增益、低副瓣的良好性能，便于产业推广，加速产业技术迭代。
Claims (12)
1.一种基于脊间隙波导技术的毫米波宽带喇叭阵列天线，其特征在于，所述毫米波宽带喇叭阵列天线由自上而下紧密贴合的天线上板及天线下板组成，所述天线上板的内表面作为第一内表面，所述第一内表面作为毫米波宽带喇叭阵列天线的辐射层，所述天线下板的内表面作为第二内表面，所述第二内表面作为毫米波宽带喇叭阵列天线的馈电网络层。
2.如权利要求1所述的毫米波宽带喇叭阵列天线，其特征在于，所述第一内表面由8×8的辐射单元组成。
3.如权利要求1所述的毫米波宽带喇叭阵列天线，其特征在于，所述毫米波宽带喇叭阵列天线的工作频率是69GHz到88GHz。
4.如权利要求1所述的毫米波宽带喇叭阵列天线，其特征在于，所述天线下板进一步设置馈电端口，所述馈电端口的环周设置规律性排布的突起。
5.如权利要求1所述的宽带喇叭阵列天线，其特征在于，所述天线上板由规律性排布的喇叭组成，所述喇叭的宽开口朝向天线上板的外侧。
6.如权利要求5所述的毫米波宽带喇叭阵列天线，其特征在于，所述喇叭采用隔板区隔为两个辐射单元，用以发射和接受电磁波能量，所述辐射单元规律性排布为均匀阵列，所述辐射单元的长度和宽度均小于一个自由空间波长。
7.如权利要求6所述的毫米波宽带喇叭阵列天线，其特征在于，所述辐射单元的背面设置耦合腔和耦合槽，所述耦合腔、耦合槽与喇叭的阻抗相匹配。
8.如权利要求7所述的毫米波宽带喇叭阵列天线，其特征在于，所述第二内表面通过T形功分器和脊波导构成宽带喇叭阵列天线的馈电网络层。
9.如权利要求8所述的毫米波宽带喇叭阵列天线，其特征在于，所述第二内表面还设置规律性排布的突起，所述突起设置在脊波导的环周，所述突起设置于喇叭的窄开口一侧。
10.如权利要求8所述的毫米波宽带喇叭阵列天线，其特征在于，所述T形功分器进一步包括两个子阵，每两个子阵由一个末端呈T形的T形功分器进行馈电。
11.如权利要求8所述的毫米波宽带喇叭阵列天线，其特征在于，所述T形功分器的末端与耦合槽之间进一步设置矩形波导和脊波导的过渡结构，所述过渡结构与喇叭共同构成喇叭单元子阵，所述喇叭单元子阵的口径、电场面和磁场面长度均在5.5mm~6.5mm范围内。
12.如权利要求4或9任一项所述的毫米波宽带喇叭阵列天线，其特征在于，所述突起的上表面和下表面的截面形状是矩形、椭圆形、T形、十字形、哑铃形的任一种。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20220617 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |