CN111668593A - 一种e面波导全并联馈电宽带高增益缝隙天线及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种E面波导全并联馈电的宽带高增益缝隙天线及设计方法，包括天线，所述天线的馈电网络由E面波导T型功分器级联构成，馈电网络的末端输出端口与辐射单元相连接，实现了幅度相位可加权的1×1单元的天线子阵，且阵元间距小于一个自由空间波长。所述天线具有实现宽频带匹配和输出特性，所述E面波导T型功分器的输入波导和输出波导至少由两节不同窄边尺寸的波导构成，且各节波导窄边的中心在一条直线上，在输入输出波导的结合部，进行圆角或者切角变化。天线具有宽频带、高增益、易加工和低成本的特点，易于实现低副瓣和特殊波束赋形，可广泛应用于点对点通信、电子对抗、航空航天，卫星通信等领域。
Description
技术领域
本发明涉及波导缝隙阵列天线技术领域，具体为一种E面波导全并联馈电宽带高增益缝隙天线。
背景技术
通常，阵列天线的带宽取决于阵元的带宽和馈电网络的带宽。而馈电网络的带宽与馈电形式和馈电元件(如：功分器等)的带宽密切相关。波导缝隙阵列天线具有高效率、低损耗、低剖面、高功率容量的特点。它的馈电网络可分为串联馈电，并联馈电以及串并联(或部分并联)馈电三种。当采用串联馈电时，可以通过频率改变实现波束扫描。但是由于长线效应(M.Ando,Y.Tsunemitsu,M.Zhang,J.Hirokawa and S.Fujii,“Reduction of LongLine Effects in Single-Layer Slotted Waveguide Arrays With an EmbeddedPartially Corporate Feed,”IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.58,no.7,pp.2275-2280,July 2010.)，随着阵列规模、串馈阵元数量的增大，其匹配和增益带宽减小。当采用并联馈电时，从馈源到各个阵元的馈线长度相等，馈电幅度和相位不随频率变化，因此不存在长线效应，其匹配和增益带宽较大，但是馈电网络较为复杂，加工成本较高，不易于实现波束扫描。串并联馈电是串联馈电和并联馈电的结合，优缺点介于上述两种馈电形式之间。
传统并联馈电的空气波导缝隙天线，(Y.Miura,J.Hirokawa,M.Ando,Y.Shibuya,and G.Yoshida,“Double-layer full-corporate-feed hollow-waveguide slot arrayantenna in the 60-GHz band,”IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.59,no.8,pp.2844–2854,Aug.2011.)，馈电网络采用H面波导，激励2×2单元天线子阵，正是由于H面波导较大的宽边尺寸，不能实现完美的全并联馈电去激励每一个辐射单元。入射电磁波通过天线下层由H面波导组成的功分网络，经由激励缝隙激励上层的谐振腔结构，再经由谐振腔表面的辐射缝隙辐射到外部空间。由于空气波导宽边尺寸大于半个自由空间波长，H面波导功分网络各个输出端口之间的距离大于一个自由空间波长，因此不能直接在输出波导的末端开辐射缝隙，否则辐射方向图会出现栅瓣，严重降低天线增益和辐射性能。所以采用2×2单元辐射子阵代替单一辐射缝隙，在馈电波导的上层经由激励缝隙加载谐振腔，并在谐振腔上表面的四角开槽形成2×2个等幅同相的辐射缝隙，使得阵元间距小于一个空气波长，消除栅瓣。但是，在2×2单元辐射子阵中，不能够独立控制由谐振腔激励的每个阵元的相对幅值和相位，在实现低副瓣或者特殊波束赋形时出现栅瓣，存在一定设计局限性。例如在实现泰勒分布时，由于2×2单元子阵中4个阵元是等幅同相激励，因此不能实现理想的泰勒分布，其辐射方向图会出现栅瓣。除此之外，传统并联馈电的空气波导缝隙天线的加工，通常采用数控机床对金属板进行铣削或者线切割，在金属板上蚀刻出想要的图案，之后通过扩散焊或者真空钎焊等焊接工艺将一层层金属板焊接起来构成完整天线，但是扩散焊或者真空钎焊等焊接工艺往往需要高温高压以及真空环境进行，其难度大、时间长、成本高、无法进行连续式批量生产。为了解决2×2单元天线子阵带来的的栅瓣问题，一些学者提出了天线子阵为1×1的全并联馈电波导缝隙阵列天线结构，其关键技术是，如何降低传输线的尺寸，实现在小于一个空气波长的间距内放置功分网络的输出端口。
基片集成波导(SIW)作为一种新型波导形式，它基于H面介质填充矩形波导，利用打在介质中连续排列的金属化通孔代替传统波导的金属测壁，可以把电磁波限制在基片集成波导中定向传输，不产生泄露。与空气波导相比，虽然介质填充带来了额外损耗，但是同时介质填充波导的宽边尺寸可小于半个自由空间波长，只要选择合适介电常数的介质，基于基片集成波导(SIW)功分网络的输出端口间距可以小于一个自由空间波长。基片集成波导(SIW)通常采用PCB工艺或者LTCC工艺进行加工，具有工艺简单、加工成本低、易于大规模生产的特点。但是，由于金属柱子和介质的引入，波导高度普遍较小，增加了金属损耗和介质损耗。特别在高频时，基片集成波导缝隙天线的增益相比于空气波导天线要低很多。(中国专利201810534714.9)
间隙脊波导通过在脊波导两侧添加周期性金属柱，形成了电磁带隙结构，使得在特定频率内只有准TEM模在波导中传播，上层金属板和下层金属之间存在间隙，无需焊接。为了防止漏波，脊两侧一般需要两排以上金属柱，造成脊与脊之间的距离过大，因此无法实现小于一个空气波长的距离放置功分器。有学者通过优化脊与上层金属板之间的高度、脊的高度和宽度，使得在只使用一排金属柱的情况下，两根间隙脊波导的隔离度也很高，因此可将功分器进行简单级联，形成全并连馈电网络(J.Liu,A.Vosoogh,A.U.Zaman,andJ.Yang,“A slot array antenna with single-layered corporate-feed based onridge gap waveguide in the 60GHz band,”IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.67,no.3,pp.1650–1658,Mar.2019.)。间隙脊波导基模传输的频率范围很大，由其构成馈电网络的带宽很大，但是相对于矩形空气波导，其损耗略高，不利于大规模组阵，虽然间隙脊波导不需要焊接，但是大规模间隙脊波导缝隙阵列需要的金属柱的数量巨大。特别在高频频段，脊和金属柱的尺寸减小，对加工精度要求很高，同时相比与运用数控机床等相同工艺加工的矩形空气波导，其加工难度和成本有较大提高。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种E面波导全并联馈电宽带高增益缝隙天线，解决了背景技术提出的部分技术问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种E面波导全并联馈电宽带高增益缝隙天线，包括天线，所述天线的馈电网络由E面波导T型功分器级联构成，所述馈电网络最末级功分器的输出端口与辐射单元相连接，实现了幅度相位可加权的1×1单元的天线子阵，且阵元间距小于一个自由空间波长。
优选的，所述天线可分为上面部分、下面部分，将上面部分、下面部分利用数控机床或者模具铸造的方法进行加工，加工后可使用螺丝将上面部分、下面部分固定组装成型，无需进行焊接。
优选的，所述天线具有实现宽频带匹配和输出特性，具体结合并联电路阻抗匹配和四分之一波长阻抗变换器理论，所述E面波导T型功分器的输入波导和输出波导至少由两节不同窄边尺寸的波导构成，且各节波导窄边的中心在一条直线上，在输入输出波导的结合部，进行圆角或者切角变化，进一步改善E面波导T型功分器的频带特性。
优选的，所述E面波导T型功分器具备宽频带的等功率分配和不等功率分配，所述E面波导T型功分器为左右对称结构时，实现等功率分配，调节中心***金属膜片位置，左右输出波导的局部窄边尺寸和圆角或者切角大小实现不等功率分配和相位补偿。
优选的，所述馈电网络的每个输出端口都连接单独的辐射单元，即1×1单元辐射子阵。
优选的，在输出波导的末端开设激励缝隙，激励缝隙的下方设置有金属膜片，上方设置有空气腔，改变金属膜片和空气腔的三维尺寸，可进一步增加匹配带宽，改变空气腔的形状，可实现多种极化方式，如矩形和六边形，分布对应线极化和圆极化。
一种E面波导全并联馈电宽带高增益缝隙天线的设计方法，包括以下步骤：
步骤s1：根据阵元间距和加工时相邻波导之间壁厚的限制，确定E面波导窄边的初始值；
步骤s2：设计宽频带馈电网络的入口；
步骤s3：设计宽频带E面波导T型功分器；
步骤s4：设计宽频带1×1天线子阵；
步骤s5：将E面波导T型功分器，以及将馈电网络的入口、E面波导T型功分器、1×1天线子阵级联，构成完整天线。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种E面波导全并联馈电宽带高增益缝隙天线，具备以下有益效果：利用E面波导窄边尺寸远小于宽边尺寸，而且减小窄边不影响主模截止频率的特点，可以在小于一个自由空间波长的距离放置两个输出端口，实现了幅度相位可加权的1×1单元的天线子阵，且阵元间距小于一个空气波长。该天线具有宽频带、高增益、易加工和低成本的特点，易于实现低副瓣和特殊波束赋形，可广泛应用于点对点通信、电子对抗、航空航天，卫星通信等领域。
附图说明
图1是本发明实施例馈电网络可供选择的两种形式中的一种形式的俯视图；
图2是本发明馈电网络可供选择的两种形式中的另一种形式的俯视图；
图3是本发明实施例的辐射单元的俯视图；
图4是本发明实施例的侧视图；
图5是本发明实施例的剖视图；
图6是本发明实施例的馈电网络入口的俯视图；
图7是本发明实施例的馈电网络入口的三维图；
图8是本发明实施例的E面波导T型等功率功分器的俯视图；
图9是本发明E面波导T型不等功率功分器的俯视图；
图10是本发明实施例的1×1天线子阵的俯视图；
图11是本发明实施例的1×1天线子阵的三维图。
图中：E面波导T型功分器(1)、辐射单元(2)、上面部分(3)、下面部分(4)、周期边界(5)。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-3，一种全并联馈电E面波导缝隙阵列天线。选用16×16阵列规模，该阵列天线无幅度相位加权，工作在W波段，中心频率为94GHz，阵元间距为2.75mm(0.86λ)，采用背馈式H面T型功分器进行左右同相馈电。
参见图1-5，该天线的馈电网络由E面波导T型功分器1级联构成，馈电网络最末级功分器的输出端口与辐射单元2相连接，可分为上面部分3，和下面部分4进行加工。
在本实施例中，使用HFSS仿真软件对该阵列天线进行设计和仿真分析。具体设计步骤如下：
1.根据阵元间距和加工时相邻波导之间壁厚的限制，确定E面波导T型功分器1窄边的初始值为0.4mm，并且设置E面波导T型功分器1宽边大小为2mm。
2.设计馈电网络的入口，参见图6-7。天线入口处采用W波段标准波导馈电，在匹配波导上开激励缝隙，使得电磁波同相进入馈电网络。激励缝隙下方的匹配波导以及上方***的金属膜片，提高了馈电网络的入口的带宽。调节图6-7中参数，使得馈电网络的入口的反射具有双谐振的特性。最后确定馈电网络的入口的基本参数：
ir_l＝0.91mm，ir_w＝0.6mm，il1＝1.75mm，
iw1＝0.95mm，it1＝0.22mm，il2＝2.43mm，
iw2＝0.69mm，it2＝0.62mm。
3.设计宽带E面波导T型功分器1，参见图8；以0.4mm，2mm作为初始E面波导T型功分器1各端口窄边和宽边的初始值，调节图6中参数，使得E面波导T型功分器1的反射具有双谐振的特性。最后确定E面波导T型功分器1基本参数：w1＝w5＝0.4mm，w2＝0.49mm，l2＝1.59mm，w3＝0.3mm，l3＝0.2mm，w4＝0.32mm，l4＝1.38mm，r3＝0.2mm，r4＝0.15mm。
4.设计宽带1×1天线子阵，参见图10-11；以0.4mm，2mm作为作为1×1天线子阵输入端口窄边和宽边的初始值，在缝隙的下方***金属膜片，上方设置空气腔体，提高1×1天线子阵的带宽。空气腔体上方为空气盒子，空气盒子四周设置为周期边界5条件，上方设置为辐射边界条件；调节图10和11中参数，使得1×1天线子阵的反射具有双谐振的特性，其中设置缝隙的宽度w4与E面波导T型功分器1窄边的大小相同，以便于加工，最后确定1×1天线子阵的基本参数：ml1＝1.27mm，mw1＝0.4mm，mt1＝0.62mm，ml2＝1.8mm，mw2＝0.4mm，mt2＝0.12mm，ml3＝2.54mm，mw3＝1.54mm，mt3＝0.65mm；
5.将馈电网络的入口、E面波导T型功分器1、1×1天线子阵级联，构成完整天线。
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。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种E面波导全并联馈电宽带高增益缝隙天线，其特征在于，包括天线，所述天线的馈电网络由E面波导T型功分器(1)级联构成，所述馈电网络最末级功分器的输出端口与辐射单元(2)相连接，实现了幅度相位可加权的1×1单元的天线子阵，且阵元间距小于一个自由空间波长。
2.根据权利要求1所述的一种E面波导全并联馈电宽带高增益缝隙天线，其特征在于：所述天线可分为上面部分(3)、下面部分(4)，将上面部分(3)、下面部分(4)利用数控机床或者模具铸造的方法进行加工，加工后可使用螺丝将上面部分(3)、下面部分(4)固定组装成型，无需进行焊接。
3.根据权利要求1所述的一种E面波导全并联馈电宽带高增益缝隙天线，其特征在于：所述天线具有实现宽频带匹配和输出特性，具体结合并联电路阻抗匹配和四分之一波长阻抗变换器理论，所述E面波导T型功分器(1)的输入波导和输出波导至少由两节不同窄边尺寸的波导构成，且各节波导窄边的中心在一条直线上，在输入输出波导的结合部，进行圆角或者切角变化，进一步改善E面波导T型功分器(1)的频带特性。
4.根据权利要求1所述的一种E面波导全并联馈电宽带高增益缝隙天线，其特征在于：所述E面波导T型功分器(1)具备宽频带的等功率分配和不等功率分配，所述E面波导T型功分器(1)为左右对称结构时，实现等功率分配，调节中心***金属膜片位置，左右输出波导的局部窄边尺寸和圆角或者切角大小实现不等功率分配和相位补偿。
5.根据权利要求1所述的一种E面波导全并联馈电宽带高增益缝隙天线，其特征在于：所述馈电网络的每个输出端口都连接单独的辐射单元(2)，即1×1单元辐射子阵。
6.根据权利要3所述的一种E面波导全并联馈电宽带高增益缝隙天线，其特征在于：在输出波导的末端开设激励缝隙，激励缝隙的下方设置有金属膜片，上方设置有空气腔，改变金属膜片和空气腔的三维尺寸，可进一步增加匹配带宽，改变空气腔的形状，可实现多种极化方式。
7.根据权利要求1-6所述的一种E面波导全并联馈电宽带高增益缝隙天线的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤s1：根据阵元间距和加工时相邻波导之间壁厚的限制，确定E面波导窄边的初始值；
步骤s2：设计宽频带馈电网络的入口；
步骤s3：设计宽频带E面波导T型功分器(1)；
步骤s4：设计宽频带1×1天线子阵；
步骤s5：将E面波导T型功分器(1)，以及将馈电网络的入口、E面波导T型功分器(1)、1×1天线子阵级联，构成完整天线。
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