CN114725677A - 一种基于可变波前的新型宽波导馈电结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于可变波前的新型宽波导馈电结构，由基于具备平行的两层导体平面构成的传输结构，电磁波在两层导体之间传播，整个馈电网络结构由波导阵列端口、椭圆形反射面和漏波缝隙阵列辐射区域构成。整个馈电网络通过波导阵列端口与整个***电路部分相连，波导端口的相位中心位于椭圆形反射面的一个焦点上，辐射区域的相位中心位于椭圆形反射面的另一个焦点上。本发明能够改变馈电电磁波的传播方向与波前，同时维持相位中心的相对稳定。从而在结合缝隙阵列使用时，使天线具备连续扫描能力的高集成度、高可靠性的毫米波高频段二维扫描能力。

Description

一种基于可变波前的新型宽波导馈电结构
技术领域
本发明涉及天线与微波技术，特别是一种基于可变波前的新型宽波导馈电结构。
背景技术
近年来，随着传统低频带资源的逐渐紧张，对更高频段的开发应用已经成为迫切的需要。其中毫米波高频段，如E波段、W波段等，由于其具有较宽的可利用频谱范围、更易实现窄波束、具备全天候工作能力和良好的设备小型化潜力优势，不论在通信还是探测领域都具备及其广阔的应用前景。
作为毫米波高频段应用中的重要组成部分，很多应用场景都对天线***的性能，如增益、小型化、指向性和扫描能力等，提出了较高的要求。然而当面向毫米波高频段应用时，天线***面临在器件、加工工艺及成本上的诸多限制和挑战。特别是对于高指向性的二维扫描应用需求，如点对点通信、分辨率雷达等领域，传统方案多采用没有扫描能力的宽波束天线作为单元组阵，如微带天线、Vivaldi天线等，并通过二维多通道馈电，实现相控扫描。然而当面向毫米波高频段的应用时，出于避免栅瓣出现的需求，天线单元间隔很小，且毫米波高频段存在加工精度要求高和损耗大的挑战，因此两维馈电面临结构复杂、散热困难、可靠性和可维修性差、技术不成熟、成本较高等劣势，直接影响天线***的性能、可靠性和使用寿命。
以波导缝隙天线为代表的漏波天线，可以通过调整工作频率获得一维频扫能力。按照理论可知，如果改变馈电电磁波的传播方向，使其与缝隙存在一定的夹角，可以提供另一个维度的扫描能力。因此，对于一组缝隙阵列，如何设计馈电结构，针对漏波天线的特性，能够改变馈电电磁波的波前和传播方向，同时维持相位中心的相对稳定，成为需要解决的技术难题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种能够改变馈电电磁波的传播方向与波前，同时维持相位中心的相对稳定。从而在结合缝隙阵列使用时，使天线具备连续扫描能力的高集成度、高可靠性的毫米波高频段二维扫描能力的基于可变波前的新型宽波导馈电结构。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种基于可变波前的新型宽波导馈电结构，包括基于平行平板波导结构、一个椭圆形的反射面以及位于椭圆形一个焦点的波导端口阵列和漏波辐射阵列，所述基于平行平板波导结构由上下两面金属及中间的介质层构成，电磁波在两层金属之间的介质层传播，所述漏波辐射阵列的相位中心位于椭圆形的另一个焦点处。
所述电磁波由波导端口阵列馈入，经椭圆形的反射面反射，传播至椭圆形的另一焦点处，并经过漏波辐射阵列辐射至自用空间。
通过改变自波导口馈入的电磁波的传播方向，在经过椭圆形的反射面反射后，实现改变传播至漏波辐射阵列的波前与传播方向的功能。
通过改变传播至漏波辐射阵列的电磁波传播方向，实现波束扫描功能；并通过与漏波天线的频扫功能相结合，实现通过较少端口实现低成本二维波束扫描功能。
所述基于平行平板波导结构采用的基材为0.508mm厚的罗杰斯3003基板，馈电阵列为四端口的波导端口阵列，相邻端口间距为1.5mm，所述漏波辐射阵列采用的是13条平行的横向长缝阵列。
相比于现有技术，本发明的优点在于：本发明通过一维波导阵列，可实现在较宽的平行平板波导内实现电磁波平面波前可变的目标。该结构与长缝阵列天线组合，可实现通常需要二维馈电实现的波束二维扫描功能，简化二维扫描天线阵的结构并降低成本。特别是当面对毫米波高频段等应用场景时，由于允许的天线单元间隔很小，且毫米波存在加工精度要求高和损耗大的挑战，因此两维馈电的全有源阵面方案面临结构复杂、散热困难、可靠性和可维修性差、技术不成熟、成本较高等诸多劣势，直接影响天线***在实际工程应用中的使用性能。本专利通过提供一种具备可变波前的馈电结构，配合漏波天线的频扫特性，使用较少的通道，在保持相位中心相对稳定的前提下，实现天线的二维扫描功能，有利于天线***的轻薄化、高可靠性和低成本。
附图说明
图1为本发明所提出的馈电结构包含漏波天线的示意图。
图2为本发明所提出的馈电结构在端口阵列相位变化的情况下电磁波传播路径的示意图。
图3为本发明实施例中提供的一种馈电结构，当馈电方向θf＝-20°时的场分布仿真结果示意图。
图4为本发明实施例中提供的一种馈电结构，当馈电方向θf＝0°时的场分布仿真结果示意图。
图5为本发明实施例中提供的一种馈电结构，当馈电方向θf＝20°时的场分布仿真结果示意图。
图6为本发明实施例中提供的一种包含新型馈电结构的漏波阵列天线。
图7为本发明实施例中提供的漏波阵列天线的扫描角仿真结果。
图中：1-馈电结构基板 2-波导端口阵列 3-椭圆形反射面 4-漏波辐射阵列。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。
本发明达到在两层平行金属板内部改变电磁波的波前和传播方向，从而实现漏波缝隙阵列的二维扫描特性，其基本原理如下所示。
该方法由基于具备平行的两层导体平面构成的传输结构，电磁波在两层导体之间传播，如宽波导、基片集成波导(SIW)等。整个馈电网络结构由波导阵列端口、椭圆形反射面和漏波缝隙阵列辐射区域构成。整个馈电网络通过波导阵列端口与整个***电路部分相连，波导端口的相位中心位于椭圆形反射面的一个焦点上，辐射区域的相位中心位于椭圆形反射面的另一个焦点上。通过改变不同端口的馈电幅度与相位，改变电磁波在两层导体之前的传播方向，从而改变电磁波在椭圆形反射面上的位置。根据椭圆的反射规律，经椭圆面反射后的电磁波将通过椭圆面的另一个焦点，即辐射区域的相位中心，但传播方向将随着椭圆面上反射位置的差别而改变。馈电结构配合已经具备一维频扫能力的缝隙阵列天线，改变馈入的电磁波方向引入了另一维的扫描能力，从而使缝隙阵列天线实现二维扫描功能。
实施例1
参照图1，图1是本发明所提出的馈电结构示意图，该结构基于平行平板波导结构1，由上下两面金属及中间的介质层构成，电磁波在两层金属之间的介质层传播。该结构包含一组波导端口阵列2，一组椭圆形反射面3，以及漏波辐射阵列4构成。波导端口阵列2与馈电电路相连。波导端口阵列2位于椭圆形反射面3的一个焦点附近，以工作在辐射状态为例，电磁波自波导端口阵列2馈入馈电结构，当阵列各波导口馈电的幅度和相位发生改变时，电磁波在介质层1内的传播方向会发生改变，同时改变在反射面3上的反射位置。反射面3可通过金属结构、金属化介质表面或者金属通孔阵列等工艺方法实现。当电磁波经反射面3反射后，以不同的传播方向和波前通过位于椭圆形反射面另一个焦点位置的漏波辐射阵列4，通过该辐射阵列将电磁能量向空间辐射。通过这组这由于漏波阵列本身的辐射特性，当电磁波馈入方向发生改变时，其辐射方向也会发生变化。再结合漏波阵列本身具备的一维频扫特性，从而使整个天线***具备二维扫描能力，实现仅通过较少数量的馈电口，低成本地实现二维扫描功能。图2为该馈电结构在端口阵列相位变化的情况下电磁波传播路径的示意图(俯视图)。
参照图3-图5，图3-图5是本发明结合上述分析所设计的实施例，及其相应的全波仿真结果，用于验证电磁波在介质层的传播特性。本实施例采用的介质基板为厚度0.254mm的罗杰斯3003基板，馈电阵列为四端口的波导端口阵列，由于本实施例目的在于验证介质层中电磁波的转播特性可调，因此漏波辐射阵列部分在全波模型仿真中省略。当四个波导端口馈电幅度与相位均相等时，馈入馈电结构的电磁波传播方向为波端口平面的法向，经反射面反射成一定角度传播至椭圆的另一焦点处的辐射阵列，如图4所示。当馈电相位发生改变时，电磁波在介质层中的传播方向即发生改变，如图3、图5所示，从而改变传播至辐射阵列的电磁波方向。
图6为包含漏波辐射阵列和馈电结构的完整天线实施例，对该结构进行仿真，可以验证天线的二维扫描能力。该实施例中天线采用的基材为0.508mm厚的罗杰斯3003基板，馈电阵列为四端口的波导端口阵列，相邻端口间距为1.5mm，漏波辐射阵列部分采用的是13条平行的横向长缝阵列。当馈电口各个单元幅度和相位相同时，电磁波传播方向为波导口平面的法向，经反射面反射后，通过设计长缝的方向，使反射波传播方向与长缝垂直。在该模型中，设定坐标系为原点在辐射阵列所处的椭圆焦点位置，xOy平面与基板平面平行，x方向垂直于长缝阵列且沿电磁波传播方向的右手坐标系。当各端口馈电幅度相同，且相邻端口馈电相位差为±41°时，进入馈电结构的电磁波与端口法向成±10°的夹角。在这三种情况下，对天线的波束指向角进行仿真，图7为仿真所得不同端口相位及不同频点的波束指向角。由此结果可见，该天线结构可以在一定的范围内实现波束的二维扫描功能。作为天线整体，达到了仅采用较少数量的馈电端口实现低成本二维扫描的目标。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于可变波前的新型宽波导馈电结构，其特征在于包括基于平行平板波导结构、一个椭圆形的反射面以及位于椭圆形一个焦点的波导端口阵列和漏波辐射阵列，所述基于平行平板波导结构由上下两面金属及中间的介质层构成，电磁波在两层金属之间的介质层传播，所述漏波辐射阵列的相位中心位于椭圆形的另一个焦点处。
2.根据权利要求1所述的一种基于可变波前的漏波阵列天线馈电结构，其特征在于：所述电磁波由波导端口阵列馈入，经椭圆形的反射面反射，传播至椭圆形的另一焦点处，并经过漏波辐射阵列辐射至自用空间。
3.根据权利要求1所述的一种基于可变波前的漏波阵列天线馈电结构，其特征在于：通过改变自波导口馈入的电磁波的传播方向，在经过椭圆形的反射面反射后，实现改变传播至漏波辐射阵列的波前与传播方向的功能。
4.根据权利要求1所述的一种基于可变波前的漏波阵列天线馈电结构，其特征在于：通过改变传播至漏波辐射阵列的电磁波传播方向，实现波束扫描功能；并通过与漏波天线的频扫功能相结合，实现通过较少端口实现低成本二维波束扫描功能。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种基于可变波前的漏波阵列天线馈电结构，其特征在于所述基于平行平板波导结构采用的基材为0.508mm厚的罗杰斯3003基板，馈电阵列为四端口的波导端口阵列，相邻端口间距为1.5mm，所述漏波辐射阵列采用的是13条平行的横向长缝阵列。
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