CN114914676B - 一种共口径间隙波导天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种共口径间隙波导天线，它包括天线底层金属板和腔体顶层金属板，在天线底层金属板上以方形环排列的方式设置有间隙波导金属柱进而构成高频谐振腔体；在高频谐振腔体内设置有高频同轴探针和周期性慢波结构，周期性慢波结构在方形环内以阵列的方式排列；在高频谐振腔体上设置有缝隙阵列。本发明的优点在于：两个频段可以根据需要灵活调整，高频段实现高增益定向辐射，低频段实现全向辐射；通过周期性慢波结构使得高频谐振腔体谐振频率降低，减小谐振缝隙的距离，提升了天线的增益带宽；通过间隙波导技术，降低了金属加工难度和精度要求，极大降低了成本，很容易拓展到毫米波频段；两个频段馈电都只需要同轴探针，没有复杂的馈电网络。

Description

一种共口径间隙波导天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种共口径间隙波导天线。
背景技术
随着通信技术的发展，5G商用化进程的推进，物联网将广泛应用于多个领域，物联网微基站需要覆盖更多的频段以满足更高的数据率；随着技术的发展进步，更高频段也被用于物联网等应用。如何设计同时覆盖常用的低频段(如2.4GHz)和未来即将用到的更高频段(如13GHz以上)的天线成为关键问题。目前主要采用共口径(SharedAperture)技术来实现大频率比的两个或多个频段集成在一个天线上。这种共口径天线一般在高频段是增益较高的定向波束，低频段一般是全向天线，两个频段的天线的辐射口径相同，整体结构被复用，可以实现高度的集成化。如何合理的实现两个频段的天线共享辐射口径并结构复用是共口径天线领域的技术难题，尤其是全金属的共口径天线。
目前常见的共口径天线多为PCB工艺，常见的共口径实现方法是将高频段的天线或阵列整体作为低频天线的辐射结构，实现了辐射口径共享和结构复用。虽然PCB天线工艺成熟且体积较小，但功率容量较低，介质损耗较大，尤其在高频段介质损耗不可忽略。目前很少有全金属的大频率比共口径天线，主要原因是全金属结构的高频天线没有介质填充，天线的结构较大，组成阵列容易产生副瓣。除此之外，全金属的馈电网络很难设计和加工，因此目前常见的全金属高增益天线一般都为波导缝隙阵列，这种天线不需要复杂的馈电网络但需要较高的加工精度使天线结构之间紧密贴合，尤其是在高频段精度要求更加严格，这极大的增加了加工成本。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种共口径间隙波导天线，解决了目前常见共口径天线存在的不足。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种共口径间隙波导天线，它包括天线底层金属板和腔体顶层金属板，在天线底层金属板上以方形环排列的方式设置有间隙波导金属柱进而构成高频谐振腔体；在高频谐振腔体内设置有高频同轴探针和周期性慢波结构，所述周期性慢波结构在方形环内以阵列的方式排列；在高频谐振腔体上设置有缝隙阵列。
所述天线底层金属板、间隙波导金属柱和周期性慢波结构由一块完整金属铣削得到；所述高频同轴探针设置在以阵列方式排列的周期性慢波结构内；腔体顶层金属板与天线底层金属板由定位孔定位并支撑；所述缝隙阵列在腔体顶层金属板上铣削得到，且位于周期性慢波结构的正上方。
所述高频同轴探针位于向右偏离高频谐振腔体正中心wo距离的位置，且与腔体顶层金属板之间有一个高度hg的间隙，等效为一个电容，进而拓宽高频谐振腔体的阻抗带宽；高频同轴探针激励起高频谐振腔体的TE330模式，同时对缝隙阵列进行激励进而产生辐射。
所述缝隙阵列包括铣削在腔体顶层金属板上的9条缝隙，9条缝隙从左到右分为3列，每列的上中下位置均有1条缝隙，且每列的上下位置的缝隙处于同一竖直方向，第1列和第3列中间位置的缝隙位于同列另外两条缝隙的右侧，第2列中间位置的缝隙位于同列另外两条缝隙的左侧；每条缝隙的宽度为ws，长度为ls，同列相邻缝隙的中点之间的距离为l，每列的宽度为w；通过缩小缝隙之间的间距，使天线副瓣降低，提升增益宽度。
所述腔体顶层金属板和天线顶层金属板向四周拓展延伸并在所述高频谐振腔体的四周构成四个半模腔体，延伸部分的天线底层金属板和腔体顶层金属板通过短路支撑柱支撑。
所述腔体顶层金属板向四周拓展延伸的长度小于天线底层金属板向四周拓展延伸的长度，通过调整腔体顶层金属板的拓展延伸长度使半模腔体处于低频段，在其中一个半模腔体内设置有同轴接头，利用同轴接头激励处于低频段的该半模腔体，进而使得其它三个半模腔体同时被激励。
在所述高频谐振腔的上方还设置有天线顶层金属板，在所述高频谐振腔体和天线顶层金属板之间设置有天线顶层腔体，通过天线顶层腔体来减小散射带来的影响；所述天线顶层腔体由天线顶层金属板铣削得到，其大小与高频谐振腔体的大小一样。
本发明具有以下优点：一种共口径间隙波导天线，全金属结构没有介质损耗，有很高的辐射效率，且两个频段可以根据需要灵活调整，高频段实现高增益定向辐射，低频段实现全向辐射；通过周期性慢波结构使得高频谐振腔体谐振频率降低，减小谐振缝隙的距离，提升了天线的增益带宽；通过间隙波导技术，降低了金属加工难度和精度要求，极大降低了成本，很容易拓展到毫米波频段；两个频段馈电都只需要同轴探针，没有复杂的馈电网络。
附图说明
图1为本发明实施例1的立体结构示意图；
图2为本发明实施例1的组成结构示意图；
图3为本发明实施例2的结构示意图；
图4为是否加载周期性慢波结构对腔体谐振频率的影响对比图；
图5为实施例2低频段四个半模腔体电场分布图(b)和辐射方向图(a)；
图中：1-周期性慢波结构，2-缝隙阵列，3-高频同轴探针，4-天线底层金属板，5-间隙波导金属柱，6-腔体顶层金属板，7-短路支撑柱，8-天线顶层腔体，9-半模腔体，10-同轴节点，11-定位孔，12-高频谐振腔体，13-天线顶层金属板。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下结合附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。
实施例1，如图1和图2所示，它包括天线底层金属板4和腔体顶层金属板6，它们之间的距离为hc＝5.508mm，腔体顶层金属板6的厚度t1＝1mm；在天线底层金属板4上以方形环排列的方式设置有间隙波导金属柱5进而构成高频谐振腔体12，间隙波导金属柱5的高度为hp＝5mm，高频谐振腔体12为尺寸wc＝53mm的正方形腔体；在高频谐振腔体12内设置有直径rc＝3.8mm的高频同轴探针3和周期性慢波结构1，所述周期性慢波结构1在方形环内以阵列的方式排列，排列间隔p＝3.92mm，周期性慢波结构1的高度h＝1.824mm，宽度wp＝2mm；在高频谐振腔体12上设置有缝隙阵列2。
在腔体中加载周期性慢波结构1可以等效为腔体中加载介质，可以使腔体的谐振频率降低。常见的慢波结构为周期性金属柱，这可以通过铣削工艺在腔体内部实现。
进一步地，天线底层金属板4、间隙波导金属柱5和周期性慢波结构1由一块完成金属铣削得到；所述高频同轴探针3设置在以阵列方式排列的周期性慢波结构1内；腔体顶层金属板6与天线底层金属板4由定位孔11定位并支撑；所述缝隙阵列2在腔体顶层金属板6上铣削得到，且位于周期性慢波结构1的正上方。
其中，通过间隙波导技术设计间隙波导金属柱5可以使天线底层金属板4和腔体顶层金属板6不完全接触，降低了对金属加工进度的要求，以及降低了加工成本，而传统的腔体需要接触良好，本发明可以避免使用复杂的功分器来激励缝隙阵列2。
进一步地，高频同轴探针3位于向右偏离高频谐振腔体12正中心wo＝1.1mm距离的位置，且与腔体顶层金属板6之间有一个高度hg＝0.37mm的间隙，等效为一个电容，进而拓宽高频谐振腔体12的阻抗带宽；高频同轴探针3激励起高频谐振腔体12的TE330模式，同时对缝隙阵列2进行激励进而产生辐射。
缝隙阵列2包括铣削在腔体顶层金属板6上的9条缝隙，9条缝隙从左到右分为3列，每列的上中下位置均有1条缝隙，且每列的上下位置的缝隙处于同一竖直方向，第1列和第3列中间位置的缝隙位于同列另外两条缝隙的右侧，第2列中间位置的缝隙位于同列另外两条缝隙的左侧；每条缝隙的宽度为ws＝1.73mm，长度为ls＝11.2mm，同列相邻缝隙的中点之间的距离为l＝12.68mm，每列的宽度为w＝11.2；通过缩小缝隙之间的间距，使天线副瓣降低，提升增益宽度。
如图4所示，高频谐振腔体12天线由一个3×3的全金属背腔缝隙阵列实现，利用方形谐振腔体的TE330模，同时激励9个缝隙，实现高增益波束。图4中的电场分布是在HFSS软件中利用本征模仿真得到，图4(a)和图4(b)分别为不加载周期性结构和加载了周期性结构的情况，两种情况下谐振模式都是TE330模式，但加载周期性结构时本征模仿真TE330模式谐振频率为15.07GHz，不加载周期性结构时本征模仿真TE330模式谐振频率为17.137GHz，可以看出周期性结构明显降低了腔体的谐振频率；不需要复杂的馈电网络，通过高频同轴探针3在合适的位置耦合激励就可以激励起相应的模式。
实施例2，如图3所示，本发明的另一实施例是在实施例1的基础上，通过将天线底层金属板4和腔体顶层金属板6向四周拓展延伸并在所述高频谐振腔体12的四周构成四个半模腔体9，延伸部分的天线底层金属板4和腔体顶层金属板6通过短路支撑柱7支撑。
如图5所示，高频谐振腔体12的顶层金属板6向四周拓展与天线底层金属板4之间可以实现四个半模腔体(如图5(b))，调整拓展的长度可以使半模腔体9谐振在需要的低频段，只需要利用同轴接头10激励一个低频半模腔体9，由于强烈的耦合,四个半模腔体9可以同时被激励起来，在低频段实现全向辐射(图5(a))。
所述腔体顶层金属板6向四周拓展延伸的长度小于天线底层金属板4向四周拓展延伸的长度，通过调整腔体顶层金属板6的拓展延伸长度使半模腔体9处于低频段，在其中一个半模腔体9内设置有同轴接头10，利用同轴接头10激励处于低频段的该半模腔体9，进而使得其它三个半模腔体9同时被激励。
进一步地，由于高频谐振腔体12的腔体顶层金属板6被拓展延伸，高频段辐射时散射加大，会使高频段的辐射方向图畸变恶化，因此在所述高频谐振腔12的上方还设置有天线顶层金属板13，在所述高频谐振腔体12和天线顶层金属板13之间设置有天线顶层腔体8，通过天线顶层腔体8来减小散射带来的影响，使高频段的辐射方向图保持稳定；所述天线顶层腔体8由天线顶层金属板13铣削得到，其大小与高频谐振腔体12的大小一样。
图3中短路支撑柱7与天线顶层腔体8边角之间的距离l1＝26mm,腔体顶层金属板6向四周拓展延伸后四角与天线顶层腔体8四角之间的距离l2＝38.5mm,同轴接头10与腔体顶层金属板6向四周拓展延伸后一边的距离lf＝16mm,天线顶层腔体8的边长为wc3＝47.2mm,四个半模腔体9之间的间距wgap＝3mm,腔体顶层金属板6向四周拓展延伸后的边长wl＝106mm,天线底层金属板4向四周拓展延伸后的边长wg＝156mm,短路支撑柱7的柱帽直径rv2＝6mm,短路支撑柱7的直径rv1＝3mm,天线顶层腔体8边的厚度t2＝1mm,天线顶层腔体8的高度hc1＝5mm。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种共口径间隙波导天线，其特征在于：它包括天线底层金属板(4)和腔体顶层金属板(6)，在天线底层金属板(4)上以方形环排列的方式设置有间隙波导金属柱(5)进而构成高频谐振腔体(12)；在高频谐振腔体(12)内设置有高频同轴探针(3)和周期性慢波结构(1)，所述周期性慢波结构(1)在方形环内以阵列的方式排列；在高频谐振腔体(12)上设置有缝隙阵列(2)；
所述天线底层金属板(4)和腔体顶层金属板(6)向四周拓展延伸并在所述高频谐振腔体(12)的四周构成四个半模腔体(9)，延伸部分的天线底层金属板(4)和腔体顶层金属板(6)通过短路支撑柱(7)支撑；
所述腔体顶层金属板(6)向四周拓展延伸的长度小于天线底层金属板(4)向四周拓展延伸的长度，通过调整腔体顶层金属板(6)的拓展延伸长度使半模腔体(9)处于低频段，在其中一个半模腔体(9)内设置有同轴接头(10)，利用同轴接头(10)激励处于低频段的该半模腔体(9)，进而使得其它三个半模腔体(9)同时被激励。
2.根据权利要求1所述的一种共口径间隙波导天线，其特征在于：所述天线底层金属板(4)、间隙波导金属柱(5)和周期性慢波结构(1)由一块完整金属铣削得到；所述高频同轴探针(3)设置在以阵列方式排列的周期性慢波结构(1)内；腔体顶层金属板(6)与天线底层金属板(4)由定位孔(11)定位并支撑；所述缝隙阵列(2)在腔体顶层金属板(6)上铣削得到，且位于周期性慢波结构(1)的正上方。
3.根据权利要求2所述的一种共口径间隙波导天线，其特征在于：所述高频同轴探针(3)位于向右偏离高频谐振腔体(12)正中心wo距离的位置，且与腔体顶层金属板(6)之间有一个高度hg的间隙，等效为一个电容，进而拓宽高频谐振腔体(12)的阻抗带宽；高频同轴探针(3)激励起高频谐振腔体(12)的TE330模式，同时对缝隙阵列(2)进行激励进而产生辐射。
4.根据权利要求2所述的一种共口径间隙波导天线，其特征在于：所述缝隙阵列(2)包括铣削在腔体顶层金属板(6)上的9条缝隙，9条缝隙从左到右分为3列，每列的上中下位置均有1条缝隙，且每列的上下位置的缝隙处于同一竖直方向，第1列和第3列中间位置的缝隙位于同列另外两条缝隙的右侧，第2列中间位置的缝隙位于同列另外两条缝隙的左侧；每条缝隙的宽度为ws，长度为ls，同列相邻缝隙的中点之间的距离为l，每列的宽度为w；通过缩小缝隙之间的间距，使天线副瓣降低，提升增益宽度。
5.根据权利要求1所述的一种共口径间隙波导天线，其特征在于：在所述高频谐振腔(12)的上方还设置有天线顶层金属板(13)，在所述高频谐振腔体(12)和天线顶层金属板(13)之间设置有天线顶层腔体(8)，通过天线顶层腔体(8)来减小散射带来的影响；所述天线顶层腔体(8)由天线顶层金属板(13)铣削得到。
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