CN114188711A - 一种基于间隙波导技术的相控阵天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于间隙波导技术的相控阵天线，包括天线盖板、中间介质板和天线底板。天线盖板设置有电磁带隙结构，用于实现间隙波导封装和喇叭天线辐射功能。扁平的间隙波导喇叭天线结构，可以有效减小天线单元间距，实现相控阵波束无栅瓣宽角度扫描。天线盖板和天线底板上分布有槽形慢波结构，用于减小天线长度和改善增益指标。天线盖板和天线底板的上下表面之间设置有耦合槽，以提高天线单元间隔离度。利用脊阶梯阻抗匹配结构设计共面波导到间隙波导过渡，结合间隙波导的非接触特性，实现了金属腔体与平面电路集成。天线盖板和中间介质板为重复利用结构，可根据相控阵通道数需求，灵活配置天线单元数目，且理论上天线单元数目不受限制。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种基于间隙波导技术的相控阵天线。
背景技术
相控阵天线是指利用阵列天线中辐射单元的馈电相位的改变来实现阵列方向图波束扫描的天线，常应用于雷达、通信***、制导和电子对抗等领域中。在微波、毫米波以及太赫兹频段，广泛采用金属腔体结构制作高性能的天线组件，具有损耗低、功率容量高、散热好等优点。但现有金属腔体结构组件需要良好的电接触性能，对加工和装配精度及可靠性提出了很高的要求，且成本很高。间隙波导技术作为一种新的电磁波传输和屏蔽结构形式，其非接触特性可以有效弥补这些缺点，为微波、毫米波和太赫兹天线设计提供了便利。
在相控阵天线设计中，单元间的互耦会改变单元的电流幅度和相位分布，不仅影响天线单元的输入阻抗，也会影响单元的辐射方向图。为了抑制单元间的互耦，可以采用隔墙、电磁带隙、哑元、人工电磁材料等技术，但这些方法一般需要引入额外的电路或者寄生结构，增加尺寸或者加工成本，且不能同时改善输入阻抗匹配和方向图特性。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于间隙波导技术的相控阵天线,以解决现有方法需要引入额外的电路或者寄生结构，增加尺寸或者加工成本，且不能同时改善输入阻抗匹配和方向图特性的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：
一种基于间隙波导技术的相控阵天线，采用堆叠形式的H面喇叭天线，包括天线盖板，中间介质板，天线底板；所述天线盖板依次与中间介质板和天线底板堆叠在一起；
所述的天线盖板包括天线盖板下表面和天线盖板上表面；所述天线盖板下表面包括前后两侧和左右两侧；所述天线盖板下表面的前后两侧加载长方形金属柱阵列为间隙波导电磁带隙结构的PMC表面；所述天线盖板下表面的左侧上设置慢波结构；在天线盖板下表面左侧到右侧之间设置共面波导到间隙波导过渡结构的脊阶梯阻抗匹配结构；所述共面波导到间隙波导过渡结构的脊阶梯阻抗匹配结构为阶梯结构；所述的天线盖板下表面右侧设置压紧结构，压紧结构的高度用于压在中间介质板的上表面，防止中间介质板松动和信号泄露；
所述天线盖板(1)上表面包括前后两侧和左右两侧；所述天线盖板上表面的左侧上设置慢波结构，所述天线盖板上表面的慢波结构与天线盖板下表面慢波结构上下对称；所述天线盖板上表面的前后两侧平面区域为第一间隙波导电磁带隙结构的PEC表面；
所述天线盖板上表面和天线盖板下表面之间有贯穿的第一耦合槽；
所述中间介质板包括中间介质板上表面和中间介质板下表面，中间介质板上表面为共面波导到间隙波导过渡结构的共面波导阻抗匹配结构，中间介质板下表面为金属地板，中间介质板上表面和中间介质板下表面之间的介质材料内部嵌入金属化通孔；
所述天线底板包括天线底板上表面和天线底板下表面，所述天线底板上表面的左侧上设置慢波结构；所述上表面的前后两侧平面区域为第二间隙波导电磁带隙结构的PEC表面；所述天线底板上表面和天线底板下表面之间有贯穿的第二耦合槽；所述天线底板下表面与上表面结构相同；
所述共面波导到间隙波导过渡结构的脊阶梯阻抗匹配结构和共面波导到间隙波导过渡结构的共面波导阻抗匹配结构构成共面波导到间隙波导过渡结构；
所述间隙波导电磁带隙结构的PMC表面、第一间隙波导电磁带隙结构的PEC表面和第二间隙波导电磁带隙结构的PEC表面构成间隙波导的电磁带隙结构。
进一步的，所述的共面波导到间隙波导过渡结构采用脊阶梯结构。
进一步的，所述的电磁带隙结构采用金属柱或金属条结构。
进一步的，所述的慢波结构采用金属槽结构。
进一步的，所述天线盖板和中间介质板为重复利用结构。
进一步的，所述压紧结构为长方形金属柱，压紧结构的高度低于间隙波导电磁带隙结构的PMC表面的高度。
进一步的，天线盖板、中间介质板和天线底板通过螺丝固定在一起。
本发明的一种基于间隙波导技术的相控阵天线，具有以下优点：
1、本发明利用间隙波导技术的非接触特性解决了金属腔体器件与平面电路集成困难和组成结构件的电接触性能要求高的问题；
2、本发明利用间隙波导技术，减小了大规模相控阵的组装难度，加工和装配精度要求比现有波导技术更低，利于***集成和大规模生产；
3、本发明相控阵单元数目可以通过重复堆叠相同结构实现无限扩展；
4、本发明利用慢波结构有效减小了喇叭天线的长度，提高了天线增益；
5、本发明在单元间引入贯穿槽，有效提高了单元间隔离度；
6、本发明扁平的H面喇叭天线设计，减小了天线单元间距，实现了相控阵波束无栅瓣宽角度扫描性能。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于间隙波导技术的相控阵天线的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的基于间隙波导技术的相控阵天线的天线盖板下表面视图；
图3为本发明实施例提供的基于间隙波导技术的相控阵天线的天线盖板上表面视图；
图4是本发明实施例提供的基于间隙波导技术的相控阵天线的中间介质层的结构图；
图5是本发明实施例提供的基于间隙波导技术的相控阵天线的天线底板的结构图；
图6是本发明实施例基于间隙波导技术的相控阵天线的各端口反射系数仿真曲线。
图7是本发明实施例基于间隙波导技术的相控阵天线的各相邻端口隔离度仿真曲线。
图8是本发明实施例基于间隙波导技术的相控阵天线的各端口有源反射系数仿真曲线。
图9是本发明实施例基于间隙波导技术的相控阵天线的E面方向图仿真曲线。
图10是本发明实施例基于间隙波导技术的相控阵天线的H面方向图仿真曲线。
图11是本发明实施例基于间隙波导技术的相控阵天线的E面方向图扫描仿真曲线。
图中标记说明：1、天线盖板；2、中间介质板；3、天线底板；4、间隙波导电磁带隙结构的PMC表面；5、第一金属槽慢波结构；6、共面波导到间隙波导过渡结构的脊阶梯阻抗匹配结构；7、压紧结构；8、第二金属槽慢波结构；9、第一耦合槽；10、第一间隙波导电磁带隙结构的PEC表面；11、共面波导到间隙波导过渡结构的共面波导阻抗匹配结构；12、金属地板；13、金属化通孔；14、第三金属槽慢波结构；15、第二耦合槽；16、第二间隙波导电磁带隙结构的PEC表面。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种基于间隙波导技术的相控阵天线做进一步详细的描述。
如图1所示，基于间隙波导技术的相控阵天线采用堆叠形式的H面喇叭天线，设置有：天线盖板1，中间介质板2，天线底板3；图1中的阵列单元数目为8个，阵列单元数目可以通过在天线底板3上重复堆叠中间介质板2和天线盖板1不断扩展。将天线盖板1、中间介质板2和天线底板3堆叠在一起，通过螺丝固定在一起。
所述的天线盖板1包括天线盖板1下表面和天线盖板1上表面。
天线盖板1的下表面如图2所示，前后两侧加载的长方形金属柱阵列为间隙波导电磁带隙结构的PMC表面4，左侧中间为第一金属槽慢波结构5，中间阶梯结构为共面波导到间隙波导过渡结构的脊阶梯阻抗匹配结构6，右侧长方形金属柱为用于固定中间介质板2的压紧结构7，压紧结构7的高度低于间隙波导电磁带隙结构的PMC表面4的高度；所述第一金属槽慢波结构5起到了相位调整作用，使到达喇叭天线辐射口径面时的电磁波相位趋于一致，可以起到减小天线长度和提高增益的作用。
天线盖板1的上表面如图3所示，左侧中间为第二金属槽慢波结构8，与如上所述的第一金属槽慢波结构5上下对称，上下表面间有贯穿的第一耦合槽9，上表面前后两侧平面区域为第一间隙波导电磁带隙结构的PEC表面10。
所述上下表面间的贯穿的第一耦合槽9通过引入了天线口径以外的辅助辐射口径，通过第一耦合槽9辐射的能量和通过天线口径耦合的能量在天线内部实现了抵消，提高了天线单元间隔离度。
中间介质板2如图4所示，上表面为共面波导到间隙波导过渡结构的共面波导阻抗匹配结构11，下表面为金属地板12，上下表面之间的介质材料内部嵌入金属化通孔13。
天线底板3如图5所示，所述天线底板包括天线底板3上表面和天线底板3下表面，所述天线底板3上表面的左侧上设置槽慢波结构；所述上表面的前后两侧平面区域为第二间隙波导电磁带隙结构的PEC表面16；所述天线底板3上表面和天线底板1下表面之间有贯穿的第二耦合槽15；如上所述的共面波导到间隙波导过渡结构的脊阶梯阻抗匹配结构6和共面波导到间隙波导过渡结构的共面波导阻抗匹配结构11构成了完整的共面波导到间隙波导过渡结构。
如上所述的间隙波导电磁带隙结构的PMC表面4、第一间隙波导电磁带隙结构的PEC表面10和第二间隙波导电磁带隙结构的PEC表面16构成间隙波导的电磁带隙结构，将电磁波束缚在内部，形成间隙波导，有效减少了电磁波传输过程中的辐射损耗。间隙波导呈喇叭状张开，构成了H面喇叭天线结构，该间隙波导高度小于标准矩形波导高度。这种扁平的结构可以减小天线单元间距至最高工作频率四分之一波长以内，实现相控阵波束无栅瓣宽角度扫描性能。
天线盖板1和中间介质板2为重复利用结构，可根据相控阵通道数需求，灵活配置天线单元数目，且理论上天线单元数目不受限制。
采用间隙波导技术设计的天线盖板1和天线底板2可以有效减小加工复杂度，提高装配可靠性，间隙波导电磁带隙结构的PMC表面4和第一间隙波导电磁带隙结构的PEC表面10的非接触特性可以保证中间介质板2被紧紧的固定在指定位置，实现金属腔体与平面电路集成。
本发明的具体实施例仿真结果如图6到图11所示。图6为各馈电端口的回波损耗曲线，在24～30GHz范围内，各端口S参数|S11|、|S22|、|S33|、|S44|均优于-15dB；图7为各相邻馈电端口的隔离度曲线，在大部分频点的相邻天线单元隔离度|S21|、|S32|、|S43|均优于-20dB；图8为扫描角度为0deg时各馈电端口的有源回波损耗曲线，在24～30GHz范围内，有源S参数|S1|、|S2|、|S3|、|S4|均优于-15dB；图9为扫描角度为0deg时典型工作频率的E面方向图曲线，增益最大值大于21dBi；图10为扫描角度为0deg时典型工作频率的H面方向图曲线；图11为扫描角度为到40deg～0deg时，工作频率为28GHz时，E面波束扫描方向图曲线。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。
Claims (7)
1.一种基于间隙波导技术的相控阵天线，其特征在于，采用堆叠形式的H面喇叭天线，包括天线盖板(1)，中间介质板(2)，天线底板(3)；所述天线盖板(1)依次与中间介质板(2)和天线底板(3)堆叠在一起；
所述的天线盖板(1)包括天线盖板(1)下表面和天线盖板(1)上表面；所述天线盖板(1)下表面包括前后两侧和左右两侧；所述天线盖板(1)下表面的前后两侧加载长方形金属柱阵列为间隙波导电磁带隙结构的PMC表面(4)；所述天线盖板(1)下表面的左侧上设置慢波结构；在天线盖板(1)下表面左侧到右侧之间设置共面波导到间隙波导过渡结构的脊阶梯阻抗匹配结构(6)；所述共面波导到间隙波导过渡结构的脊阶梯阻抗匹配结构(6)为阶梯结构；所述的天线盖板(1)下表面右侧设置压紧结构(7)，压紧结构(7)的高度用于压在中间介质板(2)的上表面，防止中间介质板(2)松动和信号泄露；
所述天线盖板(1)上表面包括前后两侧和左右两侧；所述天线盖板(1)上表面的左侧上设置慢波结构，所述天线盖板(1)上表面的慢波结构与天线盖板(1)下表面慢波结构上下对称；所述天线盖板(1)上表面的前后两侧平面区域为第一间隙波导电磁带隙结构的PEC表面(10)；
所述天线盖板(1)上表面和天线盖板(1)下表面之间有贯穿的第一耦合槽(9)；
所述中间介质板(2)包括中间介质板(2)上表面和中间介质板(2)下表面，中间介质板(2)上表面为共面波导到间隙波导过渡结构的共面波导阻抗匹配结构(11)，中间介质板(2)下表面为金属地板(12)，中间介质板(2)上表面和中间介质板(2)下表面之间的介质材料内部嵌入金属化通孔(13)；
所述天线底板(3)包括天线底板(3)上表面和天线底板(3)下表面，所述天线底板(3)上表面的左侧上设置慢波结构；所述上表面的前后两侧平面区域为第二间隙波导电磁带隙结构的PEC表面(16)；所述天线底板(3)上表面和天线底板(1)下表面之间有贯穿的第二耦合槽(15)；所述天线底板(3)下表面与上表面结构相同；
所述共面波导到间隙波导过渡结构的脊阶梯阻抗匹配结构(6)和共面波导到间隙波导过渡结构的共面波导阻抗匹配结构(11)构成共面波导到间隙波导过渡结构；
所述间隙波导电磁带隙结构的PMC表面(4)、第一间隙波导电磁带隙结构的PEC表面(10)和第二间隙波导电磁带隙结构的PEC表面(16)构成间隙波导的电磁带隙结构。
2.根据权利要求1所述的基于间隙波导技术的相控阵天线，其特征在于，所述的共面波导到间隙波导过渡结构采用脊阶梯结构。
3.根据权利要求1所述的基于间隙波导技术的相控阵天线，其特征在于，所述的电磁带隙结构采用金属柱或金属条结构。
4.根据权利要求1所述的基于间隙波导技术的相控阵天线，其特征在于，所述的慢波结构采用金属槽结构。
5.根据权利要求1所述的基于间隙波导技术的相控阵天线，其特征在于，所述天线盖板(1)和中间介质板(2)为重复利用结构。
6.根据权利要求1所述的基于间隙波导技术的相控阵天线，其特征在于，所述压紧结构(7)为长方形金属柱，压紧结构(7)的高度低于间隙波导电磁带隙结构的PMC表面(4)的高度。
7.根据权利要求1到6任一项所述的基于间隙波导技术的相控阵天线，其特征在于，天线盖板(1)、中间介质板(2)和天线底板(3)通过螺丝固定在一起。
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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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