CN115663485A - 毫米波太赫兹高增益缝隙阵列天线 - Google Patents

Abstract

本申请公开了毫米波太赫兹高增益缝隙阵列天线，该天线由金属缝隙阵列板、第一金属体及第二金属体构成，金属缝隙阵列板与第一金属体形成波导缝隙阵列，第一金属体包含由多根并列的波导级联组成的波导馈电网络；波导馈电网络包括用于进行多根波导之间电磁能量耦合的耦合口；波导馈电网络中间的耦合口为倾斜劈尖结构，该倾斜劈尖结构用于实现波导馈电网络的波导功分输出端口依次等幅反相，波导馈电网络两端的耦合口为T型波导功分结构。在存在有效激励及降低传输损耗时，能够实现本申请的毫米波太赫兹高增益缝隙阵列天线的高增益。本申请可在简化波导馈电网络的复杂性及长度并降低传输损耗的同时，实现毫米波太赫兹高增益缝隙阵列天线的高增益。

Description

毫米波太赫兹高增益缝隙阵列天线

技术领域

本申请涉及天线技术领域，更具体地说，涉及一种毫米波太赫兹高增益缝隙阵列天线。

背景技术

为了满足通信及雷达的发展需求，通信及雷达的频率朝着更高频段发展，已由微波发展到了毫米波太赫兹频段。在通信、雷达具体应用系统中，为了实现更高精度探测或更远距离通信，常采用高增益天线。其中，传统微带结构的阵列天线往往因为包括介质损耗、导体损耗在内的大量损耗问题导致天线效率低下，而波导缝隙天线可以减弱此问题，因而，波导缝隙天线在电大尺寸和高增益天线领域成为常用的实现方式。

但现有技术中的并馈波导缝隙阵列天线，虽然具备较高的口径效率，但其波导馈电网络较为复杂，导致并馈波导缝隙阵列天线加工难度较高和传输损耗大，成本较高。因而，如何减轻波导馈电网络的复杂度和降低损耗成为了本领域人员所关注的重点。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种毫米波太赫兹高增益缝隙阵列天线，用于减轻波导馈电网络的复杂度、降低传输损耗和实现高增益。

为了实现上述目的，现提出的方案如下：

一种毫米波太赫兹高增益缝隙阵列天线，包括金属缝隙阵列板、第一金属体及第二金属体；

所述金属缝隙阵列板与所述第一金属体形成波导缝隙阵列；

所述第一金属体靠近所述第二金属体的一端包含波导馈电网络；

所述波导馈电网络由多根并列的波导级联组成；

所述波导馈电网络还包括多个耦合口，所述耦合口用于进行多根所述波导之间电磁能量的耦合；

所述波导馈电网络中间的耦合口为倾斜劈尖结构，所述倾斜劈尖结构用于实现所述波导馈电网络中的各个波导功分输出端口等幅反相；

所述波导馈电网络左右两端的耦合口为T型波导功分结构。

可选的，所述毫米波太赫兹高增益缝隙阵列天线在竖直方向上，至上而下依次是所述金属缝隙阵列板、所述第一金属体及所述第二金属体；

所述第一金属体的厚度及所述金属缝隙阵列板的厚度与波长相比拟。

可选的，所述金属缝隙阵列板中包含多个纵向分布的缝隙模块；

每个缝隙模块中设置有左右对称设置的两个缝隙单元，每个缝隙单元包括纵向交错设置的两列缝隙孔；

同一列的缝隙孔等间隔排布，各个缝隙单元中交错相邻的两个缝隙孔的纵向间隔为半个波导波长。

可选的，所述第一金属体靠近金属缝隙阵列板的一端包含矩形空腔，所述矩形空腔与所述金属缝隙阵列板的缝隙孔组合后，形成波导缝隙阵列；

通过贯穿所述第一金属体的一行波导孔，实现所述矩形空腔与所述波导馈电网络连接。

可选的，所述波导馈电网络还包括馈电口；

所述第二金属体包含一个矩形倒角馈电波导孔，正对于所述波导馈电网络的馈电口。

从上述的技术方案可以看出，本申请提供的毫米波太赫兹高增益缝隙阵列天线由金属缝隙阵列板、第一金属体及第二金属体构成，所述金属缝隙阵列板与所述第一金属体形成波导缝隙阵列，第一金属体靠近所述第二金属体的一端包含由多根并列的波导级联组成的波导馈电网络，基于此，釆用多根波导级联的方式来实现多功分输出，能够降低波导馈电网络的复杂性；波导馈电网络还包括多个耦合口，所述耦合口用于进行多根波导之间电磁能量的耦合；波导馈电网络中间的耦合口为倾斜劈尖结构，该倾斜劈尖结构用于实现波导馈电网络中的各个波导功分输出端口幅度相等，且各个波导功分输出端口中任意两个相邻波导功分输出端口的相位差为180°，波导馈电网络左右两端的耦合口为T型波导功分结构。基于此，波导之间利用带有倾斜劈尖结构的耦合口以及T型波导功分结构的耦合口进行宽带电磁耦合，在实现对金属缝隙阵列板的有效激励的同时，能够进一步降低波导馈电网络的复杂性和长度及波导馈电网络的传输损耗。基于此，本申请在实现有效激励及降低传输损耗的情况下，能够提高本申请的毫米波太赫兹高增益缝隙阵列天线的增益。

可见，本申请可以在简化波导馈电网络的复杂性及缩短波导馈电网络长度的同时，进一步实现本申请的毫米波太赫兹高增益缝隙阵列天线的高增益。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请示例的一种毫米波太赫兹高增益缝隙阵列天线的结构示意图；

图2为本申请公开的一种金属缝隙阵列板的结构示意图；

图3为本申请示例的一种缝隙模块的结构示意图；

图4a为本申请公开的一种第一金属体的结构示意图；

图4b为本申请公开的又一种第一金属体的结构示意图；

图5a为本申请公开的一种第二金属体的结构示意图；

图5b为本申请公开的又一种第二金属体的结构示意图；

图6为本申请的回波损耗示意图；

图7为本申请在205GHz时E面与H面的方向图仿真结果；

图8为本申请在206GHz时E面与H面的方向图仿真结果；

图9为本申请在207GHz时E面与H面的方向图仿真结果；

图10为本申请在208GHz时E面与H面的方向图仿真结果；

图11为本申请在209GHz时E面与H面的方向图仿真结果；

其中，图1、图2、图3、图4a、图4b、图5a及图5b中的附图标记与部件名称之间的对应关系为：

缝隙孔1、金属缝隙阵列板2、第一金属体3、矩形空腔4、波导孔5、波导馈电网络6、第二金属体7、矩形倒角馈电波导孔8、耦合口9、缝隙模块10、缝隙单元11。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

在本申请中，在未作相反说明的情况下，包含在术语中的方位词仅代表该术语在常规使用状态下的方位，或为本领域技术人员理解的俗称，而不应视为对该术语的限制。

在本申请中，各个结构示意图所显示的毫米波太赫兹高增益缝隙阵列天线的各个组成结构之间的比例及尺寸并不一定为真实比例及尺寸。

接下来，将结合图1对本申请的毫米波太赫兹高增益缝隙阵列天线进行详细介绍。

参见图1，本申请的毫米波太赫兹高增益缝隙阵列天线由金属缝隙阵列板2、第一金属体3及第二金属体7构成。

金属缝隙阵列板2、第一金属体3及第二金属体7皆是通过对导电性良好的金属电镀加工得到，金属缝隙阵列板2、第一金属体3及第二金属体7为等厚度的平板型结构。

金属缝隙阵列板2及第一金属体3结合后形成波导缝隙阵列。

具体地，包含多列缝隙孔1的金属缝隙阵列板2及第一金属体3结合后形成波导缝隙阵列。

参照图4b，可以发现，第一金属体3靠近第二金属体7的一端配置有波导馈电网络6，其中，波导馈电网络6由多根并列的波导级联组成，使得波导馈电网络6的结构较为简单，制备难度低。

波导馈电网络6还包括多个耦合口9，可以利用该多个耦合口9进行多根波导之间的电磁能量耦合。

波导馈电网络6除左右两端的耦合口9为T型波导功分结构之外，其余位置处的耦合口9为倾斜劈尖结构。

可以根据各个波导功分输出端口的相位及幅度关系，确定倾斜劈尖结构的耦合口9的倾斜角、耦合口9的长度及各个耦合口9的间隔。

基于此，通过调节倾斜劈尖结构的耦合口9的倾斜角、长度及各个耦合口9的间隔，可以比较好地对耦合功率进行宽带调配及，调整功分的幅度，可达到1分N路功分网络输出等幅反相，能够更简易地对波导功率进行调配，以此实现各个波导功分输出端口依次等幅反相，即实现各个波导功分输出端口的幅度皆相等且相邻两个波导功分输出端口的相位差为180°，从而实现对电大尺寸的波导缝隙阵列的激励。

从上述技术方案可以看出，本申请实施例提供的毫米波太赫兹高增益缝隙阵列天线由金属缝隙阵列板2、第一金属体3及第二金属体7构成，所述金属缝隙阵列板2与所述第一金属体3形成波导缝隙阵列，第一金属体3靠近所述第二金属体7的一端包含由多根并列的波导级联组成的波导馈电网络6，基于此，釆用多根波导级联的方式来实现多功分输出，能够降低波导馈电网络6的复杂性；波导馈电网络6还包括多个耦合口9，所述耦合口9用于进行多根波导之间电磁能量的耦合；波导馈电网络6中间的耦合口9为倾斜劈尖结构，该倾斜劈尖结构用于实现各个波导功分输出端口幅度相等且相邻两个波导功分输出端口的相位差为180°，波导馈电网络左右两端的耦合口9为T型波导功分结构。基于此，波导之间利用带有倾斜劈尖结构的耦合口9和T型波导功分结构的耦合口9进行宽带电磁耦合，在实现对金属缝隙阵列板2的有效激励的同时，能够进一步降低波导馈电网络6的复杂性和长度及波导馈电网络6的传输损耗。因而，本申请在存在有效激励及降低传输损耗的情况下，进一步提高输出的毫米波太赫兹辐射波束的增益。

此外，毫米波太赫兹高增益缝隙阵列天线的关键指标是幅度分布和相位分布，在保证毫米波太赫兹高增益缝隙阵列天线增益最大时应满足波导缝隙阵列的各个波导缝隙为等幅同相分布。波导馈电网络6是毫米波太赫兹高增益缝隙阵列天线的重要组成部分，一般而言，可以对波导馈电网络6进行处理，增加波导馈电网络6的组成实现波导功分输出端口为依次等幅反相分布，但本申请中可以直接通过倾斜劈尖结构的耦合口9实现各个波导功分输出端口为依次等幅反相分布，不需要对波导馈电网络6的组成进行增加或处理，且倾斜劈尖结构的耦合口9能够进一步缩短波导馈电网络6的长度，进一步提高毫米波太赫兹高增益缝隙阵列天线的增益，并降低波导馈电网络6的复杂程度以及缩短波导馈电网络6的长度。

在本申请的一些实施例中，金属缝隙阵列板2、第一金属体3及第二金属体7在竖直方向上组合而成。

其中，组合方式为：在竖直方向上，至上而下依次为金属缝隙阵列板2、第一金属体3及第二金属体7。

第一金属体3的厚度与金属缝隙阵列板2的厚度与波长相比拟，即，第一金属体3的厚度与金属缝隙阵列板2的厚度可以根据波长的长度进行设置，在同一单位下，第一金属体3的厚度与金属缝隙阵列板2的厚度与波长处于同样的数量级，例如，第一金属体3的厚度与金属缝隙阵列板2的厚度可以为波长的四分之一。

除了根据波长的长度外，同时，还可以根据毫米波太赫兹高增益缝隙阵列天线的阻抗是否匹配以及毫米波太赫兹高增益缝隙阵列天线的口径效率，调节第一金属体3的厚度与金属缝隙阵列板2的厚度。

从上述技术方案可以看出，本申请中的第一金属体3的厚度与金属缝隙阵列板2的厚度与波长相比拟，以此来实现对波导缝隙的导纳进行调配，从而改善阻抗匹配和提高口径效率，并能够进一步提高毫米波太赫兹高增益缝隙阵列天线的机械强度，有利于毫米波太赫兹高增益缝隙阵列天线稳定性的提高。

在本申请的一些实施例中，金属缝隙阵列板2中包含多个纵向分布的缝隙模块10，如图2所示。

其中，每个缝隙模块10中设置有左右对称设置的两个缝隙单元11，如图3所示。

参见图3，可以发现，每个缝隙单元11包括纵向交错设置的两列缝隙孔1。

具体地，每个缝隙模块10中包含四列纵向分布的缝隙孔1，左侧两列缝隙孔1组成一个缝隙单元11，右侧两列缝隙孔1组成另一个缝隙单元11，两个缝隙单元11左右对称，即，每个缝隙模块10呈轴对称。任意一个缝隙单元11中的两列缝隙孔1皆是纵向交错排布的，且同一列的缝隙孔1是等间隔排布的。

缝隙单元11中纵向交错相邻的两个缝隙孔1的纵向间隔约为波导波长的1/2。

其中，纵向平行于金属缝隙阵列板2的长边。

从上述技术方案可以看出，本实施例中的相邻缝隙孔1的间隔及纵向分布的缝隙模块10，能够使得毫米波太赫兹高增益缝隙阵列天线的辐射口面幅相分布均匀，从而，提高了毫米波太赫兹高增益缝隙阵列天线的口径效率。

在本申请的一些实施例中，所述第一金属体3靠近金属缝隙阵列板2的一端包含矩形空腔4，所述矩形空腔4与所述金属缝隙阵列板2的多个纵向分布的缝隙模块10组合后，形成波导缝隙阵列；在第一金属体3中设置有贯穿第一金属体3的一行波导孔5，实现矩形空腔4与波导馈电网络6的连接，如图4a所示。

该竖直的波导孔5相当于波导传输线，具有一定的高度，能够起到阻抗变换的作用。

波导孔5可以是波导馈电网络6的波导功分输出端口。

从上述技术方案可以看出，第一金属体3的波导孔5的厚度与第一金属体3一致，且缝隙孔1的厚度与金属缝隙阵列板2的厚度一致，第一金属体3的厚度与金属缝隙阵列板2的厚度与波长相比拟，因而，波导孔5的厚度和缝隙孔1的厚度与波长相比拟，设置波导孔5后，相当于插入了一段波导传输线，通过调节波导缝隙的厚度有利于提高有效口径和改善阻抗匹配，从而，有利于提高本申请的口径效率和带宽。

综上，本实施例中的波导孔5能够起到阻抗变换及连接矩形空腔4和波导馈电网络6的作用。

在本申请的一些实施例中，第二金属体7包含一个矩形倒角馈电波导孔8，正对于所述波导馈电网络6的馈电口，如图5a及图5b所示。

本申请的工作原理为：高频电流从第二金属体7上的矩形倒角馈电波导孔8馈入，再经由波导馈电网络6和波导孔5将高频电流馈入矩形空腔4、缝隙孔1激励其高频等效磁流，高频磁流在空间产生辐射电磁波。

从上述技术方案可以看出，本实施例能够更好地将馈入的高频电流传输至波导馈电网络6。

进一步地，所述波导馈电网络6中间的耦合口9为倾斜劈尖结构，所述波导馈电网络6左右两端的耦合口9为T型波导功分结构，如图4b所示。

参见图4b，可以发现，波导馈电网络6存在多个耦合口9，从图4b的左端开始，第一个耦合口9为波导馈电网络6左端的耦合口9，该耦合口9为T型波导功分结构，第二个耦合口9为波导馈电网络6中间的耦合口9，该耦合口9为倾斜劈尖结构。

具体地，波导馈电网络6整体呈现T型，波导馈电网络6的两端的耦合口为T型波导功分结构。

通过对本申请进行仿真，得到的仿真结果如图6-图11所示。

从图6-图11 可以看出，本申请可实现 4.8%（回波损耗小于-10dB）相对阻抗带宽和 1.9%的3dB 方向图带宽。

参见图6， S11表示回波损耗特性，回波损耗越大，表示毫米波太赫兹高增益缝隙阵列天线本身反射回来的能量越大，毫米波太赫兹高增益缝隙阵列天线的发射效率就越差。

参见图6，可发现本申请毫米波太赫兹高增益缝隙阵列天线的回波损耗整体偏低，发射效率较高。

图7至图11为本申请在205GHz -209GHz时E面与H面的方向图仿真结果。

其中，E面是指平行于电场方向的方向平面。

H面是指平行于磁场方向的方向平面。

参见图7-图11，可发现本申请毫米波太赫兹高增益缝隙阵列天线的性能良好，最大增益可达38.6dBi，仿真后，计算发现本申请的口径效率约为53%。

通过上述仿真过程，确定本申请的毫米波太赫兹高增益缝隙阵列天线具备高增益、高效率、低损耗和低副瓣的特性。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

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申请。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申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。本申请的各个实施例之间可以相互结合。因此，本申请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 (5)

1.一种毫米波太赫兹高增益缝隙阵列天线，其特征在于，包括金属缝隙阵列板、第一金属体及第二金属体；

所述金属缝隙阵列板与所述第一金属体形成波导缝隙阵列；

所述第一金属体靠近所述第二金属体的一端包含波导馈电网络；

所述波导馈电网络由多根并列的波导级联组成；

所述波导馈电网络还包括多个耦合口，所述耦合口用于进行多根所述波导之间电磁能量的耦合；

所述波导馈电网络中间的耦合口为倾斜劈尖结构，所述倾斜劈尖结构用于实现所述波导馈电网络的各个波导功分输出端口幅度相等，且相邻两个波导功分输出端口的相位差为180°；

所述波导馈电网络左右两端的耦合口为T型波导功分结构。

2.根据权利要求1所述的毫米波太赫兹高增益缝隙阵列天线，其特征在于，所述毫米波太赫兹高增益缝隙阵列天线在竖直方向上，至上而下依次是所述金属缝隙阵列板、所述第一金属体及所述第二金属体；

所述第一金属体的厚度及所述金属缝隙阵列板的厚度与波长相比拟。

3.根据权利要求1所述的毫米波太赫兹高增益缝隙阵列天线，其特征在于，所述金属缝隙阵列板中包含多个纵向分布的缝隙模块；

每个缝隙模块中设置有左右对称设置的两个缝隙单元，每个缝隙单元包括纵向交错设置的两列缝隙孔；

同一列的缝隙孔等间隔排布，各个缝隙单元中交错相邻的两个缝隙孔的纵向间隔为半个波导波长。

4.根据权利要求3所述的毫米波太赫兹高增益缝隙阵列天线，其特征在于，所述第一金属体靠近金属缝隙阵列板的一端包含矩形空腔，所述矩形空腔与所述金属缝隙阵列板的多个缝隙模块组合后，形成波导缝隙阵列；

通过贯穿所述第一金属体的一行波导孔，实现所述矩形空腔与所述波导馈电网络连接。

5.根据权利要求1所述的毫米波太赫兹高增益缝隙阵列天线，其特征在于，所述波导馈电网络还包括馈电口；

所述第二金属体包含一个矩形倒角馈电波导孔，正对于所述波导馈电网络的馈电口。

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