CN217881911U - 曲面栅波导缝隙阵列天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种曲面栅波导缝隙阵列天线，包括波导天线及波导法兰盘，波导天线包括金属壳体，金属壳体具有终端短路的矩形波导，矩形波导与波导法兰盘连通；金属壳体的一侧宽边壁上沿矩形波导的传播方向开设有多个贯穿金属壳体的辐射槽，金属壳体的另一侧宽边内壁上设有多个沿矩形波导的传播方向上依次平滑连接的曲面栅。本实用新型通过在矩形波导内设置平滑连接的曲面栅，在天线工作频带外提供一个禁带，显著提升了波导缝隙阵列天线的带外抑制度，增强了波导缝隙阵列天线的抗干扰能力；曲面栅高度兼容3‑D打印工艺，避免了波导缝隙阵列天线的关键结构在3‑D打印过程中的形变和坍塌等问题，便于波导缝隙阵列天线一体化增材制造成型。

Description

曲面栅波导缝隙阵列天线

技术领域

本实用新型属于微波天线技术领域，具体而言，是涉及一种曲面栅波导缝隙阵列天线。

背景技术

复杂电磁环境往往要求微波通信系统中的天线和前端组件具备高性能滤波和抗干扰能力。在传统技术中，可以采用三种前端系统架构方案来实现通信信道带内滤波和带外抑制的性能。第一种方案是将天线和滤波器(包括带通和带阻滤波器)级联，这种方案虽然从技术层面可行，但级联会增加电路系统的体积和重量，尤其是对于雷达、机载和卫星等广泛采用波导传输线的通信系统而言，不利于通信系统的小型化和轻量化，且系统级联导致装配任务繁重、装配误差和传输损耗大；第二种方案是根据滤波天线理论直接设计和实现全谐振器滤波天线，该方案多用于实现滤波天线带内的带通响应；第三种方案是采用具有频率选择性特点的周期性结构来增强天线的选频性能，例如，可以在波导天线中添加周期性的容性膜片，形成具有禁带特点的波导栅结构，改善波导天线的带外抑制度。

现有的波导缝隙阵列天线多采用高精度的计算机数控铣(CNC)工艺制造，往往需要将天线结构拆分为多块分别加工，再进行拼接装配，加工复杂结构的成本高、工期长、冗余结构材料多。近年来高速发展的增材制造(又称为3-D打印)技术为这类天线的低成本快速一体化制造成型提供了新的解决方案。传统波导缝隙阵列天线的结构遵从CNC的工艺原理设计，一些关键的功能性结构如波导栅、缝隙、腔体等仅兼容CNC工艺，不兼容3-D打印工艺，直接3-D打印这些传统结构将带来较大形变，且存在结构坍塌和破损的风险，给天线的性能带来大量不确定因素，严重影响天线成型的质量。例如，传统的波导栅在高频天线应用时厚度很小，3-D打印成型后的形变大，表面粗糙度大；波导栅所在平面垂直于波导侧壁，在3-D打印的成型方向上难以兼顾，导致腔体内部和波导栅周围的支撑结构难以避免，波导栅在3-D打印及其后处理过程中容易坍塌或破损。

因此，必须遵循3-D打印的工艺原理对传统波导缝隙阵列天线的栅结构进行塑形设计，在不牺牲天线射频性能的前提下得到完全兼容3-D打印工艺的天线结构，这样才能保证一体化3-D打印天线的成品率。

实用新型内容

本实用新型实施例的目的在于提供一种曲面栅波导缝隙阵列天线，以解决现有技术中存在的波导缝隙阵列天线的波导栅在采用3-D打印工艺制造时需要支撑及容易变形等技术问题。

为实现上述目的，本实用新型实施例采用的技术方案是：提供一种曲面栅波导缝隙阵列天线，包括波导天线及波导法兰盘，所述波导天线包括金属壳体，所述金属壳体具有终端短路的矩形波导，所述矩形波导与所述波导法兰盘连通；所述金属壳体的一侧宽边壁上沿所述矩形波导的传播方向开设有多个贯穿所述金属壳体的辐射槽，所述金属壳体的另一侧宽边内壁上凸设有多个沿所述矩形波导的传播方向上依次平滑连接的曲面栅。

在一种可能的设计中，各所述曲面栅沿所述矩形波导的传播方向等间隔分布；

和/或，各所述曲面栅朝向所述辐射槽的顶端沿所述矩形波导的传播方向上的尺寸均相等。

在一种可能的设计中，靠近所述波导法兰盘的所述曲面栅的高度小于其余所述曲面栅的高度，其余所述曲面栅的高度相等。

在一种可能的设计中，所述曲面栅沿所述矩形波导的传播方向上的厚度从顶端到底端逐渐增大，所述曲面栅的顶面及侧面均为曲面。

在一种可能的设计中，相邻两个所述曲面栅的底端通过连接面平滑连接，所述连接面为相对所述辐射槽内凹设置的曲面，所述连接面对称连接于相邻两个所述曲面栅之间。

在一种可能的设计中，所述曲面栅为沿所述矩形波导的传播方向上的对称结构；靠近所述矩形波导终端的所述曲面栅的对称面到所述矩形波导终端的距离小于相邻两个所述曲面栅之间的距离。

在一种可能的设计中，各所述辐射槽分别设于所述金属壳体的宽度方向上的第一中心面相对两侧，位于所述第一中心面两侧的所述辐射槽到所述第一中心面的距离相等；各所述辐射槽沿所述矩形波导的传播方向等间隔分布，且各所述辐射槽沿所述金属壳体的宽度方向间隔错开设置。

在一种可能的设计中，相邻两个所述辐射槽之间具有第一距离，靠近所述矩形波导终端的所述辐射槽的中心到所述矩形波导终端之间具有第二距离，所述第一距离是所述第二距离的两倍。

在一种可能的设计中，所述金属壳体沿金属壳体的宽度方向的相对两侧对称分布有多个条形通孔。

在一种可能的设计中，所述金属壳体每一侧的所述条形通孔的数量与所述曲面栅的数量相同，所述条形通孔沿所述矩形波导的传播方向上的第二中心面与对应的所述曲面栅沿所述矩形波导的传播方向上的第三中心面重合。

本实用新型提供的曲面栅波导缝隙阵列天线的有益效果在于：与现有技术相比，本实用新型的曲面栅波导缝隙阵列天线通过在金属壳体一侧宽边内壁上凸设有多个沿矩形波导的传播方向依次平滑连接的曲面栅，作为传统矩形波导栅的等效替代方案，在不牺牲波导缝隙阵列天线带内辐射性能的前提下显著增强了带外抑制度，提高了波导缝隙阵列天线的抗干扰能力；特别地，和传统矩形栅(兼容CNC工艺，不兼容3-D打印工艺)相比，曲面栅高度兼容3-D打印工艺，可以有效避免波导缝隙阵列天线的关键结构在3-D打印过程中的形变和坍塌等问题，便于波导缝隙阵列天线高质量一体化增材制造成型，提升一体化3-D打印天线的成品率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种曲面栅波导缝隙阵列天线的立体示意图；

图2为图1中的曲面栅波导缝隙阵列天线沿第一中心面剖开的立体半剖视图。

图3为本实用新型实施例提供的一种曲面栅波导缝隙阵列天线的仿真和测量的端口反射系数(S₁₁)曲线，其中包含了与同频段的无栅波导缝隙阵列天线的仿真的S₁₁曲线的对比；

图4为本实用新型实施例提供的一种曲面栅波导缝隙阵列天线的仿真和测量的增益曲线，其中包含了与同频段的无栅波导缝隙阵列天线的仿真的增益曲线的对比；

图5为本实用新型实施例提供的一种曲面栅波导缝隙阵列天线与同频段的无栅波导缝隙阵列天线的仿真的总效率曲线对比图；

图6为本实用新型实施例提供的一种曲面栅波导缝隙阵列天线的仿真和测量的归一化辐射方向图，其中图6(a)为33GHz处的E面方向图，图6(b)为33GHz处的H面方向图，图6(c)为34GHz处的E面方向图，图6(d)为34GHz处的H面方向图。

其中，各附图标记：

10、金属壳体；11、矩形波导；12、第一侧壁；13、第二侧壁；14、矩形波导终端；15、曲面栅；16、连接面；17、辐射槽；18、条形通孔；20、波导法兰盘；21、矩形波导端口；22、安装孔；X、矩形波导的传播方向；Y、金属壳体的宽度方向；Z、金属壳体的高度方向。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体地限定。

在本实用新型实施例的描述中，所给出的结构尺寸为优选参数，参照本实用新型实施例，可以修改各个部件的尺寸参数进一步得到实际所需的性能。

现对本实用新型实施例提供的曲面栅波导缝隙阵列天线进行说明。请参阅图1和图2，图1为本实用新型实施例提供的一种曲面栅波导缝隙阵列天线的立体示意图，图2为图1中的曲面栅波导缝隙阵列天线沿第一中心面剖开的立体半剖视图。曲面栅波导缝隙阵列天线包括波导天线及波导法兰盘20，波导天线包括金属壳体10，金属壳体10与波导法兰盘20连接。波导法兰盘20上开设有矩形波导端口21和用于与外电路装配连接的多个安装孔22。

金属壳体10呈长方体状，金属壳体10具有终端短路的矩形波导11。矩形波导11的传播方向X为金属壳体10的长度延伸方向，矩形波导11的传播方向X、金属壳体10的高度方向Z及金属壳体的宽度方向Y两两相互垂直，三个方向可分别参照图1及图2中的三个箭头所指的方向。矩形波导11短路的一端为矩形波导终端14。

矩形波导11背离矩形波导终端14的一端与波导法兰盘20连通。金属壳体10的一侧宽边壁上沿矩形波导的传播方向X开设有多个贯穿金属壳体10的辐射槽17，金属壳体10的另一宽边内壁上凸设有多个沿矩形波导的传播方向X依次平滑连接的曲面栅15。曲面栅15能在天线带外提供一个禁带，用以改善波导缝隙阵列天线的带外抑制度，辐射槽17用于辐射电磁波。

为了便于描述，设矩形波导11的宽边和窄边所在的金属壳体10的侧壁分别为第一侧壁12及第二侧壁13，则各辐射槽17分布于其中一个第一侧壁12上，曲面栅15凸设于与辐射槽17相对的另一个第一侧壁12内侧上。曲面栅15的表面呈曲面，曲面栅15之间通过平滑曲面连接面16连接。

本实用新型实施例提供的曲面栅波导缝隙阵列天线，通过设置上述曲面栅15作为传统矩形栅的等效替代方案，在不牺牲波导缝隙阵列天线带内辐射性能的前提下显著增强了带外抑制度，提高了波导缝隙阵列天线的抗干扰能力；特别地，和传统矩形栅(兼容CNC工艺，不兼容3-D打印工艺)相比，曲面栅15高度兼容3-D打印工艺，可以有效避免波导缝隙阵列天线的关键结构在3-D打印过程中的形变和坍塌等问题，便于波导缝隙阵列天线高质量一体化增材制造成型，提升一体化3-D打印天线的成品率。

在一个实施例中，请参阅图2，矩形波导11内沿矩形波导的传播方向X均匀设置有12个曲面栅15。曲面栅15为沿矩形波导的传播方向X上的对称结构，曲面栅15的对称面垂直于矩形波导的传播方向X设置。曲面栅15沿矩形波导的传播方向X等间距排列，相邻两个曲面栅15的间距为3.7毫米。靠近矩形波导终端14的曲面栅15的对称面到矩形波导终端14的距离为2毫米，小于相邻两个曲面栅15的间距。在沿金属壳体的宽度方向Y上，曲面栅15从矩形波导11的一个第二侧壁13内侧延伸至另一个第二侧壁13内侧。可以理解到，在本实用新型的其它实施例中，根据实际情况，矩形波导11内也可以设置其它数量的曲面栅15，相邻两个曲面栅15的间距也可以根据天线指标的需求适当做出调整，此处不做唯一限定。

在一个实施例中，请参阅图2，靠近波导法兰盘20的曲面栅15的高度小于其余曲面栅15的高度，其余曲面栅15的高度相等。具体地，靠近波导法兰盘20的曲面栅15的高度为1毫米，其余曲面栅15的高度均为1.4毫米。本实用新型通过略微减小靠近波导法兰盘20的曲面栅15的高度，实现天线带内更好的阻抗匹配。

在一个实施例中，请参阅图2，曲面栅15的厚度从顶端到底端逐渐增大，曲面栅15的顶面、侧面和底面均为曲面，如此设置使曲面栅15从顶端到底端能够通过曲面平滑连接，且使相邻曲面栅15的底端能够更加自然地平滑连接，有利于曲面栅的3-D打印成型。具体地，相邻两个曲面栅15的底端通过连接面16平滑连接，连接面16为相对于辐射槽17内凹设置的曲面，连接面16对称地连接于相邻两个曲面栅15之间。优选地，曲面栅15的顶面为圆柱面，曲面栅15的侧面和底面为椭圆柱面。各曲面栅15朝向辐射槽17的顶端沿矩形波导的传播方向X上的尺寸均相等，其厚度均为0.5毫米，即顶面圆柱半径为0.25毫米。

本实用新型通过合理设置曲面栅15的高度和间距，优化曲面栅15的曲面曲率半径，可以调节对应的禁带频率范围，在天线带外实现高抑制度，同时获得一个兼容3-D打印的栅轮廓。

在一个实施例中，请参阅图1，各辐射槽17分别设于金属壳体10沿金属壳体的宽度方向Y上的第一中心面的相对两侧，且辐射槽17沿第一中心面依次交错设置，各辐射槽17的中心到第一中心面的距离均相等，为1.1毫米；各辐射槽17沿矩形波导的传播方向X等间隔分布。优选地，金属壳体10上设有8个辐射槽17，即第一中心面的两侧分别交错设有4个辐射槽。可以理解到，在本实用新型的其它实施例中，根据实际设计需求，辐射槽17的数量可以适当调整。

在一个实施例中，相邻两个辐射槽17之间具有第一距离，靠近矩形波导终端14的辐射槽17的中心到矩形波导终端14之间具有第二距离，第一距离是第二距离的两倍。

具体地，辐射槽17呈矩形，所有辐射槽17的尺寸相同，辐射槽17沿矩形波导的传播方向X上的长度和沿金属壳体的宽度方向Y上的宽度分别为4.5毫米和1毫米，辐射槽17的长度两端进行了圆角化处理，圆角半径为0.5毫米。沿矩形波导的传播方向X，相邻两个辐射槽17的中心间距为半个波导波长，实现各辐射槽17同相激励，矩形波导终端14与距离矩形波导终端14最近的一个辐射槽17的中心相距四分之一波导波长，其中，波导波长通常由天线工作频段的中心频率计算而来，如本实施例中，天线工作频带的中心频率设计为33GHz，在该频率处，空气填充的矩形波导11中的半个波导波长约为5毫米。

在一个实施例中，请参阅图1，金属壳体10沿金属壳体的宽度方向Y的相对两侧对称分布有多个条形通孔18，可以方便3-D打印天线的后处理，同时还能进一步减小天线的重量。开设这些条形通孔18不会影响天线的射频性能。

优选地，金属壳体10每一侧的条形通孔18的数量与曲面栅15的数量相同，条形通孔18沿矩形波导的传播方向X上的第二中心面与对应的曲面栅15沿矩形波导的传播方向X上的第三中心面重合。具体地，金属壳体10的两个第二侧壁13上分别对称开设有12个等间隔分布的条形通孔18。所有的条形通孔18的尺寸相同，条形通孔18的长度和宽度分别为2毫米和1毫米。所有的条形通孔18的顶端平齐，所有的条形通孔18的底端平齐，条形通孔18的底端与曲面栅15的顶端平齐，条形通孔18的顶端与第二侧壁13的内壁顶端平齐。

在一个实施例中，波导法兰盘20的尺寸为国标代码BJ320中的标准法兰盘尺寸，矩形波导端口21的宽边和窄边长度分别为7.112毫米和3.556毫米。为保证金属壳体10的机械强度，金属壳体10的厚度设置在1毫米至2毫米之间。

请参阅图3至图6，图3为本实用新型实施例提供的一种曲面栅波导缝隙阵列天线的仿真和测量的端口反射系数(S₁₁)曲线，其中包含了与同频段的无栅波导缝隙阵列天线的仿真的S₁₁曲线的对比，图4为本实用新型实施例提供的一种曲面栅波导缝隙阵列天线的仿真和测量的增益曲线，其中包含了与同频段的无栅波导缝隙阵列天线的仿真的增益曲线的对比，图5为本实用新型实施例提供的一种曲面栅波导缝隙阵列天线与同频段的无栅波导缝隙阵列天线的仿真的总效率曲线对比图，图6为本实用新型实施例提供的一种曲面栅波导缝隙阵列天线的仿真和测量的归一化辐射方向图。由图3至图5可见，本实用新型实施例提供的一种曲面栅波导缝隙阵列天线仿真的工作频段为32.21–34.71GHz，相对带宽为7.4％，带内反射系数小于-10dB，在天线带外的38–40GHz范围内增益显著降低，天线总效率趋近于零，表明曲面栅15可以在其禁带范围内对信号提供较高的抑制度。

为了实验验证本实用新型实施例提供的一种曲面栅波导缝隙阵列天线的射频性能，采用高精度的多喷头喷墨3-D打印工艺将天线用光敏树脂一体化增材制造成型，并在3-D打印的树脂结构表面电镀铜完成整个壳体表面的金属化。由图3至图6可见，本实用新型实施例提供的一种曲面栅波导缝隙阵列天线的仿真和测量结果吻合良好。天线在32.21–34.69GHz内测量的反射系数小于-10dB，测量的相对带宽为7.4％，天线在带内能够保持良好且稳定的定向辐射，其测量的旁瓣电平和交叉极化电平分别小于-14dB和-20dB，测量的带内增益为12.98–14.66dBi，带外增益在38–40GHz下降到-9.76dBi至-4.26dBi，和无栅波导缝隙阵列天线相比，带外抑制度能够提升9.13–13.1dB。

在本实用新型所提供的实施例中，应该理解到，第一，如何遵循几何塑形的设计思想对传统波导栅进行塑形，得到高度兼容3-D打印工艺的曲面栅15，在不牺牲射频性能的前提下提升波导缝隙阵列天线免支撑一体化3-D打印成型的品质，是本实用新型解决的核心技术问题；第二，曲面栅15的结构和尺寸仅仅是示意性的，并不唯一，仅仅为一种较优的可实现的结构，基于几何塑形的设计思想可以实现其它等效的波导栅；第三，曲面栅15可以灵活应用到其它类型和其它频段的3-D打印波导缝隙阵列天线中，如更多天线阵元的线阵或面阵，可以根据实际射频指标需求灵活设计；第四，天线结构适用于多种非金属/金属3-D打印工艺和打印材料，结构设计方法的普适性强。

以上为对本实用新型所提供的一种曲面栅波导缝隙阵列天线的描述，对于本领域的技术人员，依据本实用新型实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (10)

1.曲面栅波导缝隙阵列天线，其特征在于，包括波导天线及波导法兰盘，所述波导天线包括金属壳体，所述金属壳体具有终端短路的矩形波导，所述矩形波导与所述波导法兰盘连通；所述金属壳体的一侧宽边壁上沿所述矩形波导的传播方向开设有多个贯穿所述金属壳体的辐射槽，所述金属壳体的另一侧宽边内壁上凸设有多个沿所述矩形波导的传播方向上依次平滑连接的曲面栅。

2.如权利要求1所述的曲面栅波导缝隙阵列天线，其特征在于，各所述曲面栅沿所述矩形波导的传播方向等间隔分布；

和/或，各所述曲面栅朝向所述辐射槽的顶端沿所述矩形波导的传播方向上的尺寸均相等。

3.如权利要求1所述的曲面栅波导缝隙阵列天线，其特征在于，靠近所述波导法兰盘的所述曲面栅的高度小于其余所述曲面栅的高度，其余所述曲面栅的高度相等。

4.如权利要求1所述的曲面栅波导缝隙阵列天线，其特征在于，所述曲面栅沿所述矩形波导的传播方向上的厚度从顶端到底端逐渐增大，所述曲面栅的顶面及侧面均为曲面。

5.如权利要求4所述的曲面栅波导缝隙阵列天线，其特征在于，相邻两个所述曲面栅的底端通过连接面平滑连接，所述连接面为相对所述辐射槽内凹设置的曲面，所述连接面对称连接于相邻两个所述曲面栅之间。

6.如权利要求1所述的曲面栅波导缝隙阵列天线，其特征在于，所述曲面栅为沿所述矩形波导的传播方向上的对称结构；靠近所述矩形波导终端的所述曲面栅的对称面到所述矩形波导终端的距离小于相邻两个所述曲面栅之间的距离。

7.如权利要求1至6任一项所述的曲面栅波导缝隙阵列天线，其特征在于，各所述辐射槽分别设于所述金属壳体沿金属壳体的宽度方向的第一中心面相对两侧，位于所述第一中心面两侧的所述辐射槽到所述第一中心面的距离相等；各所述辐射槽沿所述矩形波导的传播方向等间隔分布，且各所述辐射槽沿所述金属壳体的宽度方向间隔错开设置。

8.如权利要求7所述的曲面栅波导缝隙阵列天线，其特征在于，相邻两个所述辐射槽之间具有第一距离，靠近所述波导天线终端的所述辐射槽的中心到所述波导天线终端之间具有第二距离，所述第一距离是所述第二距离的两倍。

9.如权利要求1至6任一项所述的曲面栅波导缝隙阵列天线，其特征在于，所述金属壳体沿金属壳体的宽度方向的相对两侧对称分布有多个条形通孔。

10.如权利要求9所述的曲面栅波导缝隙阵列天线，其特征在于，所述金属壳体每一侧的所述条形通孔的数量与所述曲面栅的数量相同，所述条形通孔沿所述矩形波导的传播方向上的第二中心面与对应的所述曲面栅沿所述矩形波导的传播方向上的第三中心面重合。

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