CN112688080A - 基于3d打印技术的双脊开口波导结构圆极化天线阵列 - Google Patents
基于3d打印技术的双脊开口波导结构圆极化天线阵列 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供的基于3D打印技术的双脊开口波导结构圆极化天线阵列，通过3D打印介质材料并且电镀金属薄膜制成，包括同轴接头、馈电网络和至少一个天线单元，每个天线单元均包括从上到下依次排布的介质块、加脊波导和过渡段，所述加脊波导内对称开设有两个将线极化转换为圆极化的脊结构；所述馈电网络用于给所述天线单元馈电；所述同轴接头与所述馈电网络固定连接。本发明采用了三棱柱双脊的结构作为波导内置极化器。该设计在不引入复杂的馈电网络和不增加天线单元物理尺寸的情况下，便可将线极化激励转换为圆极化辐射，具有结构简单、便于实现且工作性能良好的特点。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，特别涉及基于3D打印技术的双脊开口波导结构圆极化天线阵列。
背景技术
开口波导天线是一种十分常见且重要的天线类型，因其优秀的电气性能，例如：低损耗、高功率容量、辐射性能稳定等，常被广泛应用于民用、军用的各种通信***当中。随着移动通信技术的不断发展，开口波导天线的研究也变得愈发重要。为了满足更高的数据传输速率，通信***的工作频段在不断升高，逐渐开始向毫米波、太赫兹频段迁移。在这些频段中，电磁波的损耗、隔离度等问题常常十分棘手，而开口波导天线因其独特的闭合式结构、优秀的电气性能，常常是高频段天线设计中优先选择的一种天线类型。传统波导内的脊结构通常为金属制成的矩形柱，可以为单脊或双脊，其功能一般用于改善工作频带，罕有用于圆极化功能的实现。
目前，为实现开口波导天线的圆极化辐射，通常采用的方法包括：X.Cheng等在《Analysis and Design of a Wideband Endfire Circularly Polarized SeptumAntenna,IEEE Trans.Antennas Propag,vol.66,no.11,pp.5783-5793,Nov.2018》中提到，在波导内放置膜片结构，通过膜片对波导内电磁波的扰动，从而达到线极化向圆极化转换的目的；H.Yu等在《Wideband Circularly Polarized Horn Antenna Exploiting OpenSlotted End Structure,IEEE Antennas Wireless Propag.Lett,vol.19,no.2pp.267-271,Feb.2020》中通过在波导开口处改变开口形状来实现圆极化辐射，K.X.Wang等在《AWideband Millimeter-Wave Circularly Polarized Antenna With 3-D PrintedPolarizer,IEEE Trans.Antennas Propag,vol.65,no.3,pp.1038-1046,March 2017》通过添加外部极化器来实现圆极化辐射。这些方法通常应用于天线单元的设计。当开口波导天线组成天线阵列时，由于每个单元的尺寸为半波长，所以单元间距一般为半波长以上。
传统的开口波导天线通常为空气填充的纯金属结构，其加工工艺为计算机数字化控制精密机械加工，即CNC工艺，通过在金属原材料上进行切削来实现结构的加工。由于结构中空，在加工过程中需要将整个天线结构分解成多个组成部分，每个部分分别加工，最后再拼装、焊接成型。
近年来，随着3D打印技术的不断发展，这项新兴的加工工艺已在各个领域崭露头角。其加工原理为采用增材方式将需要加工的结构逐层打印实现，原材料可以为介质、金属等。在天线领域，目前基于3D打印技术的波导天线方案主要可分为两类：如K.K.So等在《3Dprinted high gain complementary dipole/slot antenna array,Applied Sciences,vol.8,no.8,article 1410,pp.1-7,Aug.2018》中，采用介质材料打印波导结构框架，然后通过电镀的方式在介质结构上沉积金属以形成波导壁，波导内部为空气填充的中空结构；二、如B.Zhang等在《Metallic 3-D Printed Rectangular Waveguides for Millimeter-Wave Applications,IEEE Trans.Compon,Packag,Manuf.Technol,vol.6,no.5,pp.796-804,May 2016》中直接使用金属材料进行波导结构的3D打印，其工作原理与传统波导天线相同，区别仅为加工工艺不同。相比于CNC工艺，3D打印技术具有快速成型、方便加工异形结构、避免原材料浪费等的优点。
综上，现有的开口波导天线存在以下问题：(1)传统圆极化开口波导天线阵列存在体积大、重量重、加工困难的问题。传统设计通常采用中空的全金属结构，这导致整个天线阵列体积过大并且重量很重，不利于与通信***中的其它电路集成。加工方面的问题有二：其一，由于传统设计采用CNC工艺，加工过程中天线单元及阵列需要分解为多个部分分别加工，最后再组装、焊接成型，加工过程繁复且耗时耗力；其二，若采用膜片技术实现圆极化功能，膜片需放置于波导内部，这也将导致加工难度的增加。在后期组装过程中，可能出现组装误差，导致天线性能改变；(2)传统圆极化开口波导天线阵列存在单元间距大、组阵困难的问题。传统设计由于为空气填充的波导结构，单元尺寸为半波长，加上波导壁厚度，整个阵列中单元间距通常大于半波长。天线阵列设计中，若单元间距过大则会导致方向图旁瓣升高，这一问题在高频段应用当中尤为明显。所以，对于现有的改变波导开口形状以及添加外部极化器来实现圆极化功能的方案都存在这个问题，因为这两个方案都没有对天线单元尺寸进行优化或可能还会导致天线单元尺寸的增加，进而影响单元间距导致难以组阵；(3)对于采用两个极化正交且相位差为90度的馈源激励的传统圆极化天线设计，通常存在损耗大、馈电电路复杂的问题。因为要在天线外部引入额外的功率分配、移相电路等，这些电路往往会引入额外的损耗，馈线的走线也会变得更加复杂；(4)对于3D打印天线框架然后电镀金属的波导天线方案，由于波导内中空同时天线框架为介质材料，所以这类天线可能存在机械强度不足的缺点，在外力作用下易造成形变。对于使用金属3D打印技术的波导天线方案，由于其本质与传统天线完全相同，所以同样存在体积大、重量重、组阵困难的问题。
发明内容
本发明提供基于3D打印技术的双脊开口波导结构圆极化天线阵列，将3D打印技术与介质加载波导的概念相结合，解决现有技术中存在的波导天线阵列体积大、重量重、加工困难、单元间距大、组阵困难等问题。
本发明通过至少以下技术方案之一实现发明目的。
基于3D打印技术的双脊开口波导结构圆极化天线阵列，包括馈电网络和至少一个天线单元，馈电网络和所有天线单元均通过介质材料制成，且通过3D打印一体成型，所述天线阵列通过同轴接头进行馈电；
每个天线单元均包括从上到下依次排布的介质块、加脊波导以及位于天线单元和馈电网络之间的过渡段，所述加脊波导内对称开设有两个将线极化转换为圆极化的脊结构，加脊波导、过渡段和馈电网络的表面上均设置有金属层。
进一步地改进，所述天线单元有4个。
进一步地改进，所述介质块与所述加脊波导的截面尺寸相同。
进一步地改进，所述介质块为圆柱形。
进一步地改进，所述加脊波导为圆波导。
进一步地改进，所述脊结构呈三棱柱状，并且与所述馈电网络的输出端口呈45度夹角。
进一步地改进，所述馈电网络为两级级联的H面波导功分器。
进一步地改进，所述同轴接头与所述馈电网络之间通过氰基丙烯酸乙酯胶粘贴固定。
与现有技术相比，本发明能够实现的有益效果至少如下：
(1)本发明结合先进的3D打印技术，提出了基于开口波导结构的圆极化天线阵列设计。通过3D打印的介质结构来实现天线主体，然后介质外表面淀积金属层来实现波导壁。该天线阵列本质上为介质完全加载的波导天线结构。由于介质填充，可一定程度上减小天线单元的物理尺寸，从而达到小型化以及方便组成阵列的目的。相比使用介质材料3D打印波导框架然后再进行电镀的中空波导设计，该天线结构具有更好的机械性能。
(2)由于介质材料密度远小于金属，所以相比传统的波导天线阵列，该阵列在重量上远远小于传统设计。
(3)整个天线阵列一体成型，可有效避免传统设计所存在的加工困难以及后期组装误差导致的性能敏感的问题。
(4)为实现天线的圆极化辐射，本发明采用了三角形双脊的结构作为波导内置极化器。该设计在不引入复杂的馈电网络和不增加天线单元物理尺寸的情况下，便可将线极化激励转换为圆极化辐射，具有结构简单、便于实现且工作性能良好的特点。
(5)本发明具有结构简单、加工方便、重量轻、性能稳定的优点，可实现13.6％(9.6-11GHz)的轴比带宽，8.1±0.8dBic的带内增益，同时在工作频带内方向图稳定且后瓣低、旁瓣小。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于3D打印技术的双脊开口波导结构圆极化天线阵列的结构示意图。
图2是本发明实施例提供的基于3D打印技术的双脊开口波导结构圆极化天线阵列的主视图。
图3是本发明实施例提供的基于3D打印技术的双脊开口波导结构圆极化天线阵列的侧视图。
图4是本发明实施例提供的基于3D打印技术的双脊开口波导结构圆极化天线阵列的阻抗带宽的示意图。
图5是本发明实施例提供的基于3D打印技术的双脊开口波导结构圆极化天线阵列的轴比带宽的示意图。
图6是本发明实施例提供的基于3D打印技术的双脊开口波导结构圆极化天线阵列的天线增益的示意图。
图7是本发明实施例提供的基于3D打印技术的双脊开口波导结构圆极化天线阵列的中心频率方向图的示意图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
本发明提供了基于3D打印技术的双脊开口波导结构圆极化天线阵列，包括同轴接头25、馈电网络24和至少一个天线单元。请参阅图1-图3，本实施例中，天线单元有4个，呈1×4天线阵列分布，但可以理解的是，在其他实施例中可以根据需要设置不同的单元数量。
每个天线单元均包括三个部分，从上到下分别是：呈圆柱形的介质块21，呈圆柱形的加脊波导22以及位于天线单元和馈电网络24之间的过渡段23。其中，在加脊波导22的侧面向内对称开设有两个呈三棱柱状的内镀金属层的槽作为脊结构以实现天线的圆极化辐射，两个脊结构关于脊波导22的中心轴对称设置。
每个天线单元均由3D打印介质材料实现，在部分表面采用电镀方式覆盖金属铜的薄层。具体的，如图1所示，本实施例的天线阵列的主体为电介质材料，加脊波导22、过渡段23和馈电网络24的表面上均覆盖有金属层。
天线阵列中的脊结构与馈电网络24的输出端口呈45度夹角，本实施例中，馈电网络24和天线阵列为3D打印一体成型，馈电网络24输出端口的矩形截面与过渡段23的矩形截面完全相同，过渡段的圆形截面与加脊波导输入端口的圆形截面完全相同。同轴接头25与馈电网络24连接，整个天线阵列由同轴接头25进行馈电。天线阵列与同轴接头25之间的连接通过氰基丙烯酸乙酯胶的粘合实现。
本实施例中，馈电网络24为两级级联的H面波导功分器，可实现一分四的等幅同相位功率分配。呈圆柱形状的加脊波导22的工作模式为TE11模，该模式容易产生极化简并现象。当电磁波通过馈电网络24进入加脊波导22后，脊结构会对电磁波产生扰动，进而形成两个极化方式正交且相位相差90度的线极化简并模式，这两个模式叠加后形成圆极化波。脊结构实现了从线极化到圆极化的转换，因此可将其视作波导内极化器。呈圆柱形状的介质块21的作用为改善天线的阻抗匹配，可令加脊波导22内的电磁波平缓辐射至大气环境。
本实施例的本质为介质完全加载的波导结构天线，由于介质的填充(即介质加载，传统波导内部是中空的，本实施例中，外表面的金属层构成波导，波导里面是介质材料，即为介质填充或介质加载)，可使得波导内的电磁波导波波长减小，进而缩小整个天线的物理尺寸，方便高性能阵列的实现。介质材料的相对介电常数越大，则天线的尺寸越小。本发明中所使用的介质材料参数为：相对介电常数2.9，损耗角正切0.01，可以理解的是，在其他实施例可以采用其他参数的介质材料。
该天线阵列的加工采用一体化3D打印。在打印完成后，对无需电镀的表面进行掩膜处理，以防止这些表面被金属层覆盖，然后对需要电镀的介质表面进行电镀处理。
天线性能方面，如图4和图5所示，本发明的阻抗带宽为19％(9.2-11.1GHz)，轴比带宽为13.6％(9.6-11GHz)，圆极化性能良好。
天线增益如图6所示，在工作频带内增益稳定，平均增益8.1dBic，波动范围为±0.8dB。
图7所示为本发明在中心频率的方向图，其后瓣和旁瓣都很低，方向图前后比大于25dB，旁瓣小于-15dB说明了天线辐射性能良好。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或采用现有技术加以实现。
以上所述仅为本发明的优先实施例，而非对本发明作任何形式上的限制。本领域的技术人员可在上述实施例的基础上施以各种等同的更改和改进，凡在权利要求范围内所做的等同变化和修饰，均应落入本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.基于3D打印技术的双脊开口波导结构圆极化天线阵列，其特征在于：包括馈电网络(24)和至少一个天线单元，馈电网络(24)和所有天线单元均通过介质材料制成，且通过3D打印一体成型，所述天线阵列通过同轴接头(25)进行馈电；
每个天线单元均包括从上到下依次排布的介质块(21)、加脊波导(22)以及位于天线单元和馈电网络(24)之间的过渡段(23)，所述加脊波导(22)内对称开设有两个将线极化转换为圆极化的脊结构，加脊波导(22)、过渡段(23)和馈电网络(24)的表面上均设置有金属层。
2.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的双脊开口波导结构圆极化天线阵列，其特征在于：所述天线单元有4个。
3.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的双脊开口波导结构圆极化天线阵列，其特征在于：所述介质块(21)与所述加脊波导(22)的截面尺寸相同。
4.根据权利要求3所述的基于3D打印技术的双脊开口波导结构圆极化天线阵列，其特征在于：所述介质块(21)为圆柱形。
5.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的双脊开口波导结构圆极化天线阵列，其特征在于：每个所述加脊波导(22)为圆波导。
6.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的双脊开口波导结构圆极化天线阵列，其特征在于：每个所述脊结构呈三棱柱状，并且与所述馈电网络(24)的输出端口呈45度夹角。
7.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的双脊开口波导结构圆极化天线阵列，其特征在于：所述馈电网络(24)为两级级联的H面矩形波导功分器。
8.根据权利要求1-7任一所述的基于3D打印技术的双脊开口波导结构圆极化天线阵列，其特征在于：所述同轴接头(25)与所述馈电网络(24)之间为粘接固定。
9.根据权利要求8所述的基于3D打印技术的双脊开口波导结构圆极化天线阵列，其特征在于：所述同轴接头(25)与所述馈电网络(24)之间通过氰基丙烯酸乙酯胶粘贴固定。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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