CN114709628A - 一种基于间隙波导技术的w波段阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种W波段阵列天线，包括自上而下依次紧密贴合的天线上板、天线中板、天线下板和天线底板，天线上板包括第一上板面及第一下板面，天线中板包括第二上板面和第二下板面，天线下板包括第三上板面和第三下板面，天线底板包括第四上板面和第四下板面，第一上板面为辐射层，第一下板面和第二上板面构成背腔层，第二下板面与第三上板面构成馈电网络层，第三下板面与第四上板面构成合路馈电和差路馈电结构，第四下板面为阵列天线底面，第四下板面的表面布设合路馈电端口和180°相位差的差路馈电端口。本发明的W波段阵列天线实现了远场电场面和磁场面波瓣的最小化，实现了低副瓣、高增益，同时具有宽带工作频率，方便设计大规模阵列天线。

Description

一种基于间隙波导技术的W波段阵列天线
技术领域
本发明属于天线领域，具体涉及一种基于间隙波导技术的W波段高增益低副瓣单脉冲阵列天线结构。
背景技术
在无线通信系统中，微带和基底集成波导结构由于低成本、易于制造和集成度高，已被广泛应用于设计天线，然而在毫米波频段应用场景中，微带和基底集成波导结构会带来较高的介质损耗。业界采用的脊间隙波导技术继承了微带和基底集成波导的低成本、易加工和集成度高的优点，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、加工及电镀带来很多便利，并且节省了真空焊接和扩散焊接导致的高成本。
现有的间隙波导技术在面对W波段（75 GHz -110 GHz)天线设计时，仍然需要解决W波段的高增益低副瓣单脉冲天线的设计复杂问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明基于脊间隙波导技术，设计一种48×48的W波段阵列天线，通过泰勒综合法设计馈电幅值，优化馈电网络，开发一种高增益、低副瓣、便于产业推广的单脉冲阵列天线，本发明的技术方案如下：一种基于间隙波导技术的W波段阵列天线，所述W波段阵列天线包括自上而下依次紧密贴合的天线上板、天线中板、天线下板和天线底板，所述天线上板进一步包括第一上板面及第一下板面，所述天线中板进一步包括第二上板面和第二下板面，所述天线下板进一步包括第三上板面和第三下板面，所述天线底板进一步包括第四上板面和第四下板面，所述第一上板面为辐射层，所述第一下板面和第二上板面面构成背腔层，所述第二下板面与所述第三上板面构成馈电网络层，所述第三下板面与上述第四上板面一起构成阵列天线的合路馈电和差路馈电结构，所述第四下板面为阵列天线的底面，所述第四下板面的表面布设合路馈电端口和180°相位差的差路馈电端口。
进一步的，所述天线上板进一步设置狭缝，所述狭缝作为辐射单元用于发射和接受电磁波，所述狭缝均匀设置，所述狭缝的长度和宽度均小于一个自由空间波长。
进一步的，所述背腔层的腔体内部还设置至少两个凸起，所述凸起用于抑制高次模。
进一步的，所述馈电网络层进一步通过功率分配网络实现功率分配，所述功率分配网络由不等分功分器和脊间隙波导组成。
进一步的，所述第二下板面进一步包括至少两个子阵结构，每两个子阵由一个末端呈T形的T形功分器馈电。
进一步的，所述T形功分器由T形节的匹配平台高度实现匹配阻抗，通过功分器的两个端口的脊深入T形节的长度及高度实现功率分配。
进一步的，所述T形功分器的末端与矩形波导之间设置过渡结构，所述过渡结构与背腔层、辐射层共同构成单元子阵。
进一步的，所述第四下板面进一步包括两个相互垂直180°的相位反转馈电的第一接口和第二接口。
进一步的，所述天线下板进一步设置第四接口、第一魔T结构、第二魔T结构及第三魔T结构，所述第一魔T结构与第二魔T结构实现馈电在Y方向的180°相位反转，所述第三魔T结构实现第四接口的馈电在X方向的180°相位反转。
进一步的，所述天线上板、天线中板、天线下板及天线底板截面形状是矩形、椭圆形、T型、十字型、哑铃型的任一种。
进一步的，所述W波段阵列天线的直径介于130mm~140mm。
进一步的，所述W波段阵列天线的辐射缝隙在两个垂直方向的距离是2.9mm~1.6mm。
进一步的，所述W波段阵列天线的驻波小于1.6，主瓣在方位面小于2°，俯仰面小于2°，旁瓣小于-21dB，增益大于等于38dBi。
采用本发明的基于间隙波导技术的W波段阵列天线，电磁波信号在天线底板的馈电端口处馈入两路，进一步通过垂直传输结构进入阵列天线的天线底板与天线下板之间的结构，馈入的电磁信号一分为二馈入第一魔T结构304及第二魔T结构305，实现了Y方向的相位反转，第三魔T结构307实现了X方向的相位反转，合路馈电接口403最终汇入到X及Y方向每一个分路，在馈电网络层中，功分器网络将电磁能量按照泰勒综合分布分配给每一个子阵，子阵通过脊波导与矩形波导之间的转换及背腔匹配层的辐射缝隙将电磁信号辐射出去，实现阵列天线远场电场面和磁场面波瓣的最小化，实现了低副瓣高增益的阵列波形，同时具有较宽的工作带宽，方便设计大规模阵列天线。
附图说明
图1是本发明阵列天线的结构示意图。
图2a~图2f是本发明的阵列天线分解示意图。
图3是本发明的阵列天线下板分解示意图。
图4是本发明的阵列天线底板分解示意图。
图5是本发明阵列天线的测量驻波图。
图6是本发明阵列天线在94.36GHz处电场面和波束与差波束的远场测量方向图。
图7是本发明阵列天线在93.36GHz处电场面和波束与差波束的远场测量方向图。
图8是本发明阵列天线在92.36GHz处电场面和波束与差波束的远场测量方向图。
图9是本发明阵列天线的测量增益图。
具体实施方式
下面将详细参考本发明的优选实施例对本发明技术方案进行说明，本领域技术人员应该理解，这些实施例并不是将本发明限制于这些实施例，相反，本发明旨在覆盖由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便于透彻理解本发明，对本领域技术人员来说，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本发明阵列天线的结构示意图，本发明提供一种W波段48×48的基于间隙波导技术的阵列天线10，所述阵列天线10自上而下依次包括紧密贴合的天线上板101、天线中板102、天线下板103和天线底板104，进一步参考图2a~图2f本发明的阵列天线分解示意图，所述天线上板101包括第一上板面101a及第一下板面101b，201是第一上板面101a的局部放大部分示意图，202是第一下板面101b的局部放大部分示意图，所述天线中板102包括第二上板面102a和第二下板面102b，203是第二上板面102a的局部放大示意图，204是第二下板面102b的局部放大示意图，所述天线下板103包括第三上板面103a和第三下板面103b，所述天线底板104包括第四上板面104a和第四下板面104b，其中所述第一上板面101a为辐射层，所述第一下板面101b和第二上板面102a面构成背腔层，所述第二下板面102b与所述第三上板面103a构成馈电网络层，所述第三下板面103b与上述第四上板面104a一起构成阵列天线的合路馈电和差路馈电结构，所述第四下板面104b为阵列天线的底面，所述第四下板面104b的表面布设合路馈电端口和180°相位差的差路馈电端口，狭缝205为天线上板101的辐射单元，用以发射和接受电磁波能量，狭缝205均匀设置，狭缝205的长度和宽度均小于一个自由空间波长，以实现阵列天线远场电场面和磁场面波瓣的最小化。
所述第一下板面101b和第二上板面102a构成的天线背腔层起到与辐射狭缝匹配阻抗的作用，一个背腔与四个辐射单元构成一个基本辐射子阵，一个背腔激发四个辐射狭缝，其中背腔层的腔体内部结构的两个凸起起到抑制高次模的作用，所述第二下板面102b与天线下板103a构成阵列天线的馈电网络层，根据泰勒综合法得到阵列电流激励幅值，进入脊间隙波导的电流通过功率分配网络实现功率分配，所述功率分配网络由不等分功分器和脊间隙波导组成，使得每一个辐射背腔得到对应的激励电流，以实现低副瓣高增益的阵列波形。
进一步的，所述第二下板面102b包括若干个子阵结构，每两个子阵由一个末端呈T形的T形功分器馈电，所述T形功分器主要由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器的两个端口的脊深入T形节的长度及高度实现，由于T形功分器的驻波较好，因此，方便设计大规模阵列天线。
进一步的，所述T形功分器的末端与矩形波导之间形成一个矩形波导和脊间隙波导的过渡结构，该过渡结构与背腔、以及背腔馈电的四个辐射单元共同构成单元子阵，其中的背腔匹配、脊间隙波导到矩形波导的过渡结构及辐射缝隙单元的设计，直接决定单元子阵性能，进而影响阵列天线整体性能。
本发明的阵列天线由于脊间隙波导具有较长的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。
请参考图3是本发明的阵列天线下板分解示意图及图4是本发明的阵列天线底板分解示意图，所述第三下板面103b用于实现阵列天线合路馈电，实现电磁波信号的180°相位反转和波束扫描，所述第四下板面104b进一步包括两个相互垂直180°的相位反转馈电的第一接口401和第二接口402，403为合路馈电接口，馈电接口周围的高阻抗表面结构起到防止电磁泄露的作用。
具体说明如下，馈电接口301、第一接口401及第二接口402共同构成垂直传输结构，该路电磁波信号通过波导馈入垂直传输结构302，为了实现合路馈电，第三接口303与合路馈电接口403共同构成垂直传输结构，馈入的电磁信号一分为二馈入第一魔T结构304及第二魔T结构305，第四接口306与合路馈电接口403一起构成垂直传输结构，馈入的电磁信号馈入第三魔T结构307之后一分为二，在第三魔T结构307中，第四接口306与合路馈电接口403构成垂直传输结构馈入的能量在磁场面上实现电流等功分，从而使分开的两路电磁波相差180°，若以第三魔T结构307上端口磁场面为Y方向，电场面为X方向，则第三魔T结构307实现了第四接口306的馈电在X方向的180°相位反转，而第一魔T结构304与第二魔T结构305实现了馈电在Y方向的180°相位反转，因此整个相位阵列天线的主波束就可以在整个辐射半球内任意扫描。
本领域的普通技术人员熟知，整个阵列天线上的其它孔、螺钉均用于固定或装配作用，本发明在此不再赘述。
进一步的，本发明阵列天线的天线上板101、天线中板102、天线下板103和天线底板104的上、下表面的截面形状可以为矩形、椭圆形、T型、十字型、哑铃型的任一种或其组合，其尺寸、数量均可根据需求确定，实际工程中只需要考虑尽量减小对阵列天线性能的影响。
图5是本发明阵列天线的测量驻波图，电磁波频率从92 GHz到95GHz变化，其驻波均低于1.6，在92.36GHz、93.36GHz及94.36GHz三个频点驻波分别是1.21、1.09、1.43，表明本发明的阵列天线在92 GHz到95GHz的频率范围内具有较小的回波损耗。
图6示出本发明阵列天线在94.36GHz处电场面和波束与差波束的远场测量方向图；图7是本发明阵列天线在93.36GHz处电场面和波束与差波束的远场测量方向图；图8是本发明阵列天线在92.36GHz处电场面和波束与差波束的远场测量方向图；图9是本发明阵列天线的测量增益图，可以看出，在92.5GHz至94.4GHz频率范围内，测量增益都大于38dBi，主瓣在方位面小于2°，俯仰面小于2°，旁瓣小于-21dB。
测量结果略低于仿真结果，是因为本发明的阵列天线采用铝或铝基材料制成，随着电磁波频率的增加，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、通过探针和螺钉组装与固定天线结构导致的安装精确度等因素都可能是影响天线性能的原因。
在本发明的一个具体实施例中，天线直径介于130mm~140mm范围内。
在本发明的另一个较具体实施例中，天线辐射缝隙在两个垂直方向距离是2.9mm~1.6mm。
采用本发明的基于间隙波导技术的W波段阵列天线，电磁波信号在天线底板的馈电端口处馈入两路，进一步通过垂直传输结构进入阵列天线的天线底板与天线下板之间的结构，馈入的电磁信号一分为二馈入第一魔T结构304及第二魔T结构305，实现了Y方向的相位反转，第三魔T结构307实现了X方向的相位反转，合路馈电接口403最终汇入到X及Y方向每一个分路，在馈电网络层中，功分器网络将电磁能量按照泰勒综合分布分配给每一个子阵，子阵通过脊间隙波导与矩形波导之间的转换及背腔匹配层的辐射缝隙将电磁信号辐射出去，实现阵列天线远场电场面和磁场面波瓣的最小化，实现了低副瓣高增益的阵列波形，同时具有较宽的工作带宽，方便设计大规模阵列天线。
尽管已经按照最佳实施例对本发明的精神和实质进行了说明，但本领域普通技术人员仍然可以在不脱离本发明精神和实质的情况下对本发明做出改进，这些改进仍然属于本发明的保护范围，并且，为了清楚和简要，本发明对一些众所周知的细节进行了省略描述，这些内容应当视为已经充分公开。

Claims (13)

1.一种基于间隙波导技术的W波段阵列天线，其特征在于，所述W波段阵列天线包括自上而下依次紧密贴合的天线上板、天线中板、天线下板和天线底板，所述天线上板进一步包括第一上板面及第一下板面，所述天线中板进一步包括第二上板面和第二下板面，所述天线下板进一步包括第三上板面和第三下板面，所述天线底板进一步包括第四上板面和第四下板面，所述第一上板面为辐射层，所述第一下板面和第二上板面面构成背腔层，所述第二下板面与所述第三上板面构成馈电网络层，所述第三下板面与上述第四上板面一起构成阵列天线的合路馈电和差路馈电结构，所述第四下板面为阵列天线的底面，所述第四下板面的表面布设合路馈电端口和180°相位差的差路馈电端口。
2.如权利要求1所述的W波段阵列天线，其特征在于，所述天线上板进一步设置狭缝，所述狭缝作为辐射单元用于发射和接受电磁波，所述狭缝均匀设置，所述狭缝的长度和宽度均小于一个自由空间波长。
3.如权利要求1所述的W波段阵列天线，其特征在于，所述背腔层的腔体内部还设置至少两个凸起，所述凸起用于抑制高次模。
4.如权利要求1所述的W波段阵列天线，其特征在于，所述馈电网络层进一步通过功率分配网络实现功率分配，所述功率分配网络由不等分功分器和脊间隙波导组成。
5.如权利要求4所述的W波段阵列天线，其特征在于，所述第二下板面进一步包括至少两个子阵结构，每两个子阵由一个末端呈T形的T形功分器馈电。
6.如权利要求5所述的W波段阵列天线，其特征在于，所述T形功分器由T形节的匹配平台高度实现匹配阻抗，通过功分器的两个端口的脊深入T形节的长度及高度实现功率分配。
7.如权利要求6所述的W波段阵列天线，其特征在于，所述T形功分器的末端与矩形波导之间设置过渡结构，所述过渡结构与背腔层、辐射层共同构成单元子阵。
8.如权利要求1所述的W波段阵列天线，其特征在于，所述第四下板面进一步包括两个相互垂直180°的相位反转馈电的第一接口和第二接口。
9.如权利要求1所述的W波段阵列天线，其特征在于，所述天线下板进一步设置第四接口、第一魔T结构、第二魔T结构及第三魔T结构，所述第一魔T结构与第二魔T结构实现馈电在Y方向的180°相位反转，所述第三魔T结构实现第四接口的馈电在X方向的180°相位反转。
10.如权利要求1所述的W波段阵列天线，其特征在于，所述天线上板、天线中板、天线下板及天线底板截面形状是矩形、椭圆形、T型、十字型、哑铃型的任一种。
11.如权利要求1所述的W波段阵列天线，其特征在于，所述W波段阵列天线的直径介于130mm~140mm。
12.如权利要求1所述的W波段阵列天线，其特征在于，所述W波段阵列天线的辐射缝隙在两个垂直方向的距离是2.9mm~1.6mm。
13.如权利要求1所述的W波段阵列天线，其特征在于，所述W波段阵列天线的驻波小于1.6，主瓣在方位面小于2°，俯仰面小于2°，旁瓣小于-21dB，增益大于等于38dBi。
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