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CN109103605A - 一种采用倒置微带缝隙波导馈电的阵列天线 - Google Patents

一种采用倒置微带缝隙波导馈电的阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种采用倒置微带缝隙波导馈电的阵列天线，主要由第一馈电网络层、包含第二馈电网络的辐射层以及设置在第一馈电网络层和辐射层之间的缝隙耦合层组成，所述第一馈电网络层设置在倒置微带缝隙波导中，倒置微带缝隙波导主要由两个平行板组成，上层的平行板为理想金属板，下层的平行板为理想导磁板，其由下层金属板以及周期性放置在该金属板上的金属圆柱体等效而成，多个金属圆柱体的表面放置介质板材，介质板材的表面设有金属导带，理想金属板设置在介质板材的上方；介质板材和金属导带构成所述第一馈电网络层，理想金属板构成所述缝隙耦合层。采用该阵列天线技术，可以减少馈电损耗，提高天线增益，增大天线工作带宽。

Description

一种采用倒置微带缝隙波导馈电的阵列天线
技术领域
本发明涉及毫米波天线技术领域，尤其是一种采用倒置微带缝隙波导馈电的阵列天线。
背景技术
近年来,无线通信和雷达技术飞速发展,涌现出许多新技术并得到快速应用，同时导致频谱资源越来越拥挤，必须开发高频段资源，以满足各种应用的需要，因此毫米波及太赫兹频段得到了快速发展，作为各通信系统关键部件的天线，面临着新的挑战和技术难度，主要集中体现以下几个方面:1、效率的问题，在毫米波频段，各种损耗如导体损耗和介质损耗比低频要大得多，导致天线效率降低。2、尺寸的问题，现在很多应用领域，无论是雷达还是通信都对天线提出低轮廓的要求，都希望天线尺寸小而且高度低,原来高效的反射面天线无法满足要求。3、带宽的问题，在毫米波频段，各种应用都是宽带系统，需要天线也具有较高的相对带宽，而传统的波导缝隙天线带宽较窄难以满足要求，4、成本的问题，各应用商都希望在满足指标要求的情况下，天线加工要简单，成本要低。针对上述毫米波天线的设计难点和要求，我们提出了一种采用倒置微带缝隙波导馈电的阵列天线，可以克服以往馈电网络损耗大的弊端,设计出高效、低轮廓、宽带的毫米波天线。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术存在的缺陷，提供一种采用倒置微带缝隙波导馈电的阵列天线。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种采用倒置微带缝隙波导馈电的阵列天线，主要由第一馈电网络层、包含第二馈电网络的辐射层以及设置在第一馈电网络层和辐射层之间的缝隙耦合层组成，所述第一馈电网络层设置在倒置微带缝隙波导中，倒置微带缝隙波导主要由两个平行板组成，上层的平行板为理想金属板，下层的平行板为理想导磁板，其由下层金属板以及放置在该金属板上的金属圆柱体等效而成，多个金属圆柱体的表面放置介质板材，介质板材的表面设有金属导带，所述理想金属板设置在介质板材的上方；
介质板材和金属导带构成所述第一馈电网络层，理想金属板构成所述缝隙耦合层。
上述的一种采用倒置微带缝隙波导馈电的阵列天线，所述金属导带在介质板材上构成多个T型功分器，多个T型功分器在馈电网络层的表面形成第一馈电网络，该馈电网络带有多个自由末端，所述理想金属板上设有多个与馈电网络上自由末端对应的矩形缝隙。
上述的一种采用倒置微带缝隙波导馈电的阵列天线，所述包含第二馈电网络的辐射层包括介质板，介质板上设有四个工字型馈电网络，工字型馈电网络位于所述矩形缝隙的上方与矩形缝隙对应，工字型馈电网络带有四个接线端，各个接线端连接辐射单元。
上述的一种采用倒置微带缝隙波导馈电的阵列天线，介质板材上的T型功分器数量为三个，三个T型功分器形成一分四的馈电网络，馈电网络带有四个自由末端，四个自由末端分别激励理想金属板上的四个矩形缝隙，矩形缝隙激励其上方相应的工字型馈电网络。
上述的一种采用倒置微带缝隙波导馈电的阵列天线，所述辐射单元为矩形金属片，相邻辐射单元间距为0.7个自由空间波长。
上述的一种采用倒置微带缝隙波导馈电的阵列天线，四个工字型馈电网络以及连接辐射单元在介质板的表面形成4X4的阵列天线。
上述的一种采用倒置微带缝隙波导馈电的阵列天线，所述介质板材与理想金属板之间的距离小于0.25空间波长。
本发明的有益效果为：采用该阵列天线技术，可以减少馈电损耗，提高天线增益，增大天线工作带宽，该天线技术在毫米波领域有较大的优势，可以应用到毫米波雷达、通信领域。
附图说明
图1本发明天线的结构示意图；
图2本发明中倒置微带缝隙波导的结构示意图；
图3为本发明中馈电网络层的结构示意图；
图4为本发明中缝隙耦合层的示意图；
图5为本发明中馈电网络辐射层的示意图；
图6为本发明中的天线方向图；
图7为本发明使用时的回波损耗图；
图8为本发明使用时的辐射效率图。
具体实施方式
如图1至图5所示，一种采用倒置微带缝隙波导馈电的阵列天线，主要由第一馈电网络层1、包含第二馈电网络的辐射层3以及设置在第一馈电网络层1和辐射层3之间的缝隙耦合层2组成，第一馈电网络层1设置在倒置微带缝隙波导中，倒置微带缝隙波导主要由两个平行板组成，上层的平行板为理想金属板2，下层的平行板为理想导磁板，其由下层的金属板13以及周期性放置在该金属板13上的金属圆柱体15等效而成，多个金属圆柱体15的表面放置介质板材12，介质板材12的表面设有金属导带14，理想金属板2设置在介质板材12的上方。
其中，介质板材12和金属导带14构成馈电网络层1，理想金属板2构成缝隙耦合层。
金属导带14在介质板材12上构成多个T型功分器，多个T型功分器在馈电网络层的表面形成第一馈电网络，该馈电网络带有多个自由末端，具体为介质板材12上的T型功分器数量为三个，分别为T型功分器141，T型功分器142以及T型功分器143；三个T型功分器形成一分四的馈电网络，馈电网络带有四个自由末端，分别为自由末端144，自由末端145，自由末端146，自由末端147。
进一步，理想金属板(缝隙耦合层)2上设有四个与馈电网络上自由末端对应的矩形缝隙，分别为矩形缝隙21，矩形缝隙22，矩形缝隙23，矩形缝隙24；
馈电网络辐射层3包括介质板35，介质板35上设有四个工字型馈电网络，分别为工字型馈电网络31，工字型馈电网络32，工字型馈电网络33以及工字型馈电网络34；
工字型馈电网络位于矩形缝隙的上方与矩形缝隙对应，四个自由末端
(自由末端144，自由末端145，自由末端146，自由末端147)分别激励理想金属板上的四个矩形缝隙(矩形缝隙21，矩形缝隙22，矩形缝隙23，矩形缝隙24)工字型馈电网络带有四个接线端，各个接线端连接辐射单元36，矩形缝隙(矩形缝隙21，矩形缝隙22，矩形缝隙23，矩形缝隙24)激励其上方相应的工字型馈电网络(工字型馈电网络31，工字型馈电网络32，工字型馈电网络33以及工字型馈电网络34)。
其中，辐射单元36为矩形金属片，相邻辐射单元36间距为0.7个自由空间波长，四个工字型馈电网络以及连接辐射单元在介质板的表面形成4X4的阵列天线，介质板材12与理想金属板2之间的距离小于0.25空间波长。这个区域由空气介质填充，由于电磁波完全在空气中传输，所以在毫米波频段，传输损耗很小。由于下层金属板13以及周期性放置在其上的金属圆柱体15可以等效为理想导磁板，由该理想导磁板和理想金属板2构成的平板波导，具有带隙特性，只能传输准TEM模式，抑制各方向的其他模式，所以进一步提高了馈电网络的效率。四个自由末端(自由末端144，自由末端145，自由末端146，自由末端147)分别激励理想金属板上的四个矩形缝隙(矩形缝隙21，矩形缝隙22，矩形缝隙23，矩形缝隙24)工字型馈电网络带有四个接线端，各个接线端连接辐射单元36，矩形缝隙(矩形缝隙21，矩形缝隙22，矩形缝隙23，矩形缝隙24)激励其上方相应的工字型馈电网络(工字型馈电网络31，工字型馈电网络32，工字型馈电网络33以及工字型馈电网络34)，采用阵列天线技术，可以减少馈电损耗，提高天线增益，增大天线工作带宽，该天线技术在毫米波领域有较大的优势，可以应用到毫米波雷达、通信领域。
另外，作为本发明的一个实施案例，我们设计了ka波段的阵列天线。图6为中心频率的归一后的方向图。图7回波损耗图，以-15dB的回波损耗为参考点，覆盖22.7GHz-25GHz，带宽2.3GHz。图8为辐射效率图，整个带宽内辐射效率都大于60％，最高可达73％。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (8)

1.一种采用倒置微带缝隙波导馈电的阵列天线，主要由第一馈电网络层、包含第二馈电网络的辐射层以及设置在第一馈电网络层和辐射层之间的缝隙耦合层组成，其特征在于，所述第一馈电网络层设置在倒置微带缝隙波导中，倒置微带缝隙波导主要由两个平行板组成，上层的平行板为理想金属板，下层的平行板为理想导磁板，其由下层金属板以及放置在该金属板上的金属圆柱体等效而成，多个金属圆柱体的表面放置介质板材，介质板材的表面设有金属导带，所述理想金属板设置在介质板材的上方；
介质板材和金属导带构成所述第一馈电网络层，理想金属板构成所述缝隙耦合层。
2.根据权利要求1所述的一种采用倒置微带缝隙波导馈电的阵列天线，其特征在于，所述金属导带在介质板材上构成多个T型功分器，多个T型功分器在馈电网络层的表面形成第一馈电网络，该馈电网络带有多个自由末端，所述理想金属板上设有多个与馈电网络上自由末端对应的矩形缝隙。
3.根据权利要求2所述的一种采用倒置微带缝隙波导馈电的阵列天线，其特征在于，所述包含第二馈电网络的辐射层包括介质板，介质板上设有四个工字型馈电网络，工字型馈电网络位于所述矩形缝隙的上方与矩形缝隙对应，工字型馈电网络带有四个接线端，各个接线端连接辐射单元。
4.根据权利要求3所述的一种采用倒置微带缝隙波导馈电的阵列天线，其特征在于，介质板材上的T型功分器数量为三个，三个T型功分器形成一分四的馈电网络，馈电网络带有四个自由末端，四个自由末端分别激励理想金属板上的四个矩形缝隙，矩形缝隙激励其上方相应的工字型馈电网络。
5.根据权利要求4所述的一种采用倒置微带缝隙波导馈电的阵列天线，其特征在于，所述辐射单元为矩形金属片，相邻辐射单元间距为0.7个自由空间波长。
6.根据权利要求4所述的一种采用倒置微带缝隙波导馈电的阵列天线，其特征在于，四个工字型馈电网络以及连接辐射单元在介质板的表面形成4X4的阵列天线。
7.根据权利要求1所述的一种采用倒置微带缝隙波导馈电的阵列天线，其特征在于，所述介质板材与理想金属板之间的距离小于0.25空间波长。
8.根据权利要求1所述的一种采用倒置微带缝隙波导馈电的阵列天线，其特征在于，多个金属圆柱体在下层金属板上等周期性放置。
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