CN113839212A - 一种基于脊间隙波导的Ku波段漏波天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于脊间隙波导的Ku波段漏波天线，属于无线移动通信技术领域，包括设置有方形引脚阵列、金属脊和两个矩形波导‑脊波导转接器的下平板金属层，及开有多个横向槽和纵向槽的上平板金属层，横向槽在金属脊正上方周期排布，纵向槽在金属脊与方形引脚阵列之间区域上方、横向槽两侧错位半个周期排布，横向槽与一侧纵向槽的个数和周期均相同，并且横向槽位于两侧相邻错位纵向槽中心线的中间；矩形波导‑脊波导转接器包括依次的脊波导过渡段、锥状阶梯过渡段和矩形波导过渡段，锥状阶梯过渡段的阶梯等高或等宽交替设置，以减少回波损耗。本发明提出的漏波天线具有较宽的波束扫描范围，在实现低损耗匹配的同时减少副瓣电平。

Description

一种基于脊间隙波导的Ku波段漏波天线
技术领域
本发明属于无线移动通信技术领域，具体涉及一种基于脊间隙波导的Ku波段漏波天线。
背景技术
漏波天线是一种典型的行波天线，因其结构简单且可以提供随频率扫描的波束而被广泛应用于通讯、雷达和导航***中。波导漏波天线是漏波天线的一种常见实现形式，有着损耗低、结构紧凑、辐射效率高和功率容量大等优点，应用前景十分广阔。然而在毫米波波段，封闭式波导的上下金属层需要良好的电接触，导致加工精度较高，天线的成本相应提高。
Per-Simon Kildal在2009年提出了间隙波导的概念，间隙波导具备着矩形波导的优点，而且因其不接触的上下金属平板可以减少加工难度。间隙波导由上下两个金属平板和下金属平板上的方形引脚组成，电磁波可以通过两侧方形引脚之间的槽或者脊进行传播，因为两侧的方形引脚构成了软硬表面，所以电磁波无法向两侧进行传播。因此在毫米波频段，间隙波导可以取代矩形波导作为波导漏波天线的传输线结构。但是，目前使用脊间隙波导作为传输线结构的天线很少，要实现较宽的波束扫描范围也只能通过加载介质片来实现。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出了一种基于脊间隙波导的Ku波段漏波天线，具有较宽的波束扫描范围，并基于等高或等宽交替设置的锥状阶梯过渡段获得矩形波导-脊波导转接器，实现低损耗匹配。
本发明所采用的技术方案如下：
一种基于脊间隙波导的Ku波段漏波天线，包括上平板金属层、下平板金属层、方形引脚阵列、金属脊和两个矩形波导-脊波导转接器，上平板金属层与下平板金属层之间存在间隙，金属脊位于下平板金属层上表面的中轴线上，两个矩形波导-脊波导转接器分别位于金属脊两端，与对应矩形波导端口连接，方形引脚阵列位于下平板金属层上表面的四周，上平板金属层上开有多个横向槽和纵向槽；其特征在于，所述横向槽在金属脊正上方周期排布，纵向槽在金属脊与方形引脚阵列之间区域上方、横向槽两侧错位半个周期排布，横向槽与一侧纵向槽的个数和周期均相同，并且横向槽位于两侧相邻错位纵向槽中心线的中间；所述矩形波导-脊波导转接器包括依次设置的脊波导过渡段、锥状阶梯过渡段和矩形波导过渡段，从金属脊至矩形波导端口，锥状阶梯过渡段的后一阶与前一阶等高或等宽交替设置，实现矩形波导TE波与脊波导表面波的低损耗转换。
进一步地，所述脊波导过渡段的截面尺寸大于金属脊的截面尺寸。
进一步地，所述矩形波导过渡段伸入矩形波导端口中，伸入部分长度不小于整个矩形波导过渡段长度的50％。
进一步地，所述锥状阶梯过渡段共包括四阶阶梯，从脊波导过渡段至矩形波导过渡段依次为第一阶、第二阶、第三阶和第四阶；其中，第一阶较脊波导过渡段宽度更宽，高度更低；第二阶与第一阶等高，宽度更窄；第三阶与第二阶等宽，高度更低；第四阶与第三阶等高，宽度更窄；矩形波导过渡段较第四阶宽度更窄，高度更低。
进一步地，所述上平板金属层与方形引脚阵列上表面之间的间隙宽度小于四分之一中心波长。
进一步地，所述纵向槽的槽长大于横向槽的槽长，并对纵向槽进行抛角设计，横向槽进行感性加载以获得更大的带宽，电磁波主要是通过纵向槽进行辐射，横向槽对电磁辐射的贡献较小。
进一步地，两个矩形波导端口中，一个用于馈电，另一个用于匹配负载。
进一步地，所述横向槽和纵向槽的排布周期长度为方形引脚阵列的两个周期长度。
进一步地，所述矩形波导-脊波导转接器的材质与金属脊的材质相同。
本发明的有益效果为：
1、本发明提出了一种基于脊间隙波导的Ku波段漏波天线，可以将一定频率范围内的电磁波束缚在金属脊附近，并在上平板金属层上开槽实现漏波，实现较宽的波束扫描范围；
2、由于回波损耗主要发生在矩形波导-脊波导转接器的阶梯尺寸递变处，本发明设计一种新型的矩形波导-脊波导转接器，其中锥状阶梯过渡段采用后一阶与前一阶等高或等宽交替设置的结构，以减少阶梯递变，从而减少回波损耗，从实施例可以看出，15.8GHz～17.8GHz带宽的S11参数在-10dB以下，实现了良好的匹配；
3、对位于金属脊上方的横向槽进行感性加载使得天线拥有良好的匹配，具有更宽的带宽，并通过以两个上下错位的纵向槽和一个中间的横向槽作为一个辐射单元，尽量减少横向槽的数量限制电磁波外泄，以减少副瓣电平。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的基于脊间隙波导的Ku波段漏波天线的三维立体图；
图2为本发明实施例1提供的下平板金属层的俯视图；
图3为本发明实施例1提供的下平板金属层中矩形波导-脊波导转接器的侧视图；
图4为本发明实施例1提供的上平板金属层的俯视图；
图5为本发明实施例1提供的基于脊间隙波导的Ku波段漏波天线的俯视透视图；
图6为本发明实施例1提供的方形引脚阵列的二维色散曲线；
图7为本发明实施例1提供的方形引脚阵列的一维色散曲线；
图8为本发明实施例1提供的基于脊间隙波导的Ku波段漏波天线的S11参数仿真结果曲线；
图9为本发明实施例1提供的基于脊间隙波导的Ku波段漏波天线分别在15.8GHz、16.8GHz与17.8GHz的增益图。
附图标记说明如下：
(1)：下平板金属层；(2)：上平板金属层；(3)：纵向槽；(4)：横向槽；(5)：方形引脚阵列；(6)：矩形波导端口；(7)：矩形波导-脊波导转接器；(8)：金属脊。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，结合以下具体实施例，并参照附图，对本发明做进一步的说明。本实施例仅为说明方案，其权利要求并不只局限于此实施例。
实施例1：
本实施例提供了一种基于脊间隙波导的Ku波段漏波天线，三维立体图如图1所示，包括上平板金属层(1)、下平板金属层(2)、方形引脚阵列(5)、金属脊(8)和两个矩形波导-脊波导转接器(7)，上平板金属层与下平板金属层之间存在间隙；本实施例提出的漏波天线利用WR-62标准波导进行馈电，中心频率为16.8GHz，总长度为336mm。
所述下平板金属层(2)的俯视图如图2所示，其中，金属脊(8)位于下平板金属层(2)上表面的中轴线上，宽度为4mm，高度为4mm；两个矩形波导-脊波导转接器(7)分别位于金属脊(8)两端，与对应矩形波导端口(6)连接，其中一个矩形波导端口(6)用于激励，另一个用于匹配，以保证电磁波在脊隙波导中以行波的形态传播；方形引脚阵列(5)位于下平板金属层(2)上表面的四周，周期长度p＝6mm，引脚的边长为3mm，高度为4mm，方形引脚之间的距离为3m，上平板金属层(1)与方形引脚阵列(5)上表面之间的间隙宽度为1mm；矩形波导-脊波导转接器(7)的材质与金属脊(8)的材质相同。
所述矩形波导-脊波导转接器(7)的侧视图如图3所示，包括依次设置的脊波导过渡段、锥状阶梯过渡段和矩形波导过渡段，从金属脊(8)至矩形波导端口(6)，锥状阶梯过渡段的后一阶与前一阶等高或等宽交替设置，实现矩形波导TE波与脊波导表面波的低损耗转换，具体共包括四阶阶梯，从脊波导过渡段至矩形波导过渡段依次为第一阶、第二阶、第三阶和第四阶；其中，第一阶较脊波导过渡段宽度更宽，高度更低；第二阶与第一阶等高，宽度更窄；第三阶与第二阶等宽，高度更低；第四阶与第三阶等高，宽度更窄；矩形波导过渡段较第四阶宽度更窄，高度更低。其中，脊波导过渡段的长度为4mm，宽度为6mm，高度为3.6mm；第一阶的长度为3.25mm，宽度为8mm，高度为3mm；第二阶的长度为2mm，宽度为6.4mm，高度为3mm；第三阶的长度为1.75mm，宽度为6.4mm，高度为2.4mm；第四阶的长度为1.6mm，宽度为4mm，高度为2.4mm；矩形波导过渡段的长度为3.3mm，宽度为2.1mm，高度为1.6mm。
所述上平板金属层(1)的俯视图如图4所示，上平板金属层(1)上开有21个横向槽(4)和42个纵向槽(3)，其中，横向槽(4)和纵向槽(3)的宽度均为1mm，横向槽(4)的长度为2.4mm，并对其进行感性加载，纵向槽(3)的长度为7mm，并对其进行抛角处理，电磁波主要通过纵向槽(3)进行辐射；如图5所示，所述横向槽(4)在金属脊(8)正上方周期排布，纵向槽(3)在金属脊(8)与方形引脚阵列(5)之间区域上方、横向槽(4)两侧错位半个周期排布，纵向槽(3)距上平板金属层(1)的中轴线距离为4mm；横向槽(4)与一侧纵向槽(3)的周期均为方形引脚阵列(5)的两个周期长度12mm，并且横向槽(4)位于两侧相邻错位纵向槽(3)中心线的中间，相距中心线二分之一个方形引脚阵列(5)的周期长度(P/2)。
根据本实施例采用的方形引脚阵列(5)的尺寸，获得如图6所示的二维色散特性曲线，可知在11.2GHz～25.1GHz频率范围内，电磁波无法进行传输，呈现阻带状态。
根据本实施例采用的方形引脚阵列(5)的尺寸，获得如图7所示的一维色散特性曲线，可知在13.4GHz～21.2GHz频率范围内，为波导单模传输。
其中，模式1、模式2、模式3、模式4、模式7和模式8为可以在方形引脚阵列(5)内进行传播的模式，方形引脚阵列(5)无法限制其外泄，模式1～4为TE20模，模式7和模式8为TM20模；模式5和模式6为可以被限制在脊隙波导内的工作模式，模式5为TE10模，模式6为TE20模。
由图8所示漏波天线的S11参数仿真结果曲线，可知S11参数值小于-10dB，即矩形波导端口(6)反射回来的能量不超过10％，有90％以上的能量由一个矩形波导端口(6)进入了漏波天线，表明本实施例提出的矩形波导-脊波导转接器(7)可实现低损耗匹配。
由图9所示漏波天线分别在15.8GHz、16.8GHz与17.8GHz的增益图，可知当频率从15.8GHz增加到17.8GHz时，本实施例提出的漏波天线实现了θ从-38°～-26°的波束扫描。

Claims (7)

1.一种基于脊间隙波导的Ku波段漏波天线，包括上平板金属层、下平板金属层、方形引脚阵列、金属脊和两个矩形波导-脊波导转接器，上平板金属层与下平板金属层之间存在间隙，金属脊位于下平板金属层上表面的中轴线上，两个矩形波导-脊波导转接器分别位于金属脊两端，与对应矩形波导端口连接，方形引脚阵列位于下平板金属层上表面的四周，上平板金属层上开有多个横向槽和纵向槽；其特征在于，所述横向槽在金属脊正上方周期排布，纵向槽在金属脊与方形引脚阵列之间区域上方、横向槽两侧错位半个周期排布，横向槽与一侧纵向槽的个数和周期均相同，并且横向槽位于两侧相邻错位纵向槽中心线的中间；所述矩形波导-脊波导转接器包括依次设置的脊波导过渡段、锥状阶梯过渡段和矩形波导过渡段，锥状阶梯过渡段的后一阶与前一阶等高或等宽交替设置。
2.根据权利要求1所述基于脊间隙波导的Ku波段漏波天线，其特征在于，所述锥状阶梯过渡段共包括四阶阶梯，从脊波导过渡段至矩形波导过渡段依次为第一阶、第二阶、第三阶和第四阶；其中，第一阶较脊波导过渡段宽度更宽，高度更低；第二阶与第一阶等高，宽度更窄；第三阶与第二阶等宽，高度更低；第四阶与第三阶等高，宽度更窄；矩形波导过渡段较第四阶宽度更窄，高度更低。
3.根据权利要求1所述基于脊间隙波导的Ku波段漏波天线，其特征在于，所述上平板金属层与方形引脚阵列上表面之间的间隙宽度小于四分之一中心波长。
4.根据权利要求1所述基于脊间隙波导的Ku波段漏波天线，其特征在于，所述横向槽和纵向槽的排布周期长度为方形引脚阵列的两个周期长度。
5.根据权利要求1所述基于脊间隙波导的Ku波段漏波天线，其特征在于，所述纵向槽的槽长大于横向槽的槽长，并对纵向槽进行抛角设计，横向槽进行感性加载，电磁波通过纵向槽进行辐射。
6.根据权利要求1所述基于脊间隙波导的Ku波段漏波天线，其特征在于，所述矩形波导过渡段伸入矩形波导端口中，伸入部分长度不小于总长度的50％。
7.根据权利要求1所述基于脊间隙波导的Ku波段漏波天线，其特征在于，所述脊波导过渡段的截面尺寸大于金属脊的截面尺寸。
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