CN108173007A - 一种基于四角馈电的双层波导缝隙近场聚焦阵列天线 - Google Patents
一种基于四角馈电的双层波导缝隙近场聚焦阵列天线 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于四角馈电的双层波导缝隙近场聚焦阵列天线,涉及一种波导缝隙天线。由下层的馈电波导和上层的辐射波导组成;入射波从馈电端口依次经过馈电波导、耦合缝隙、辐射波导,最终由辐射缝隙辐射到外部空间,所述馈电端口和馈电波导采用标准馈电波导从背面通过中央孔径馈入,采用四角馈电代替传统的中心馈电,通过具有4个臂的馈电波导将信号从中心延伸到4个天线角,由两端向中间等幅同向馈电,在馈电波导中央能形成PMC边界,由此来代替金属边界减小尺寸,降低设计成本,馈电波导的长度为44.8mm,宽度为5mm,高度为2mm。
Description
技术领域
本发明涉及一种波导缝隙天线,尤其是涉及可用于无线电通信、近场通信、医疗检测等领域的一种基于四角馈电的双层波导缝隙近场聚焦阵列天线。
背景技术
天线阵列(或阵列天线)是许多相同的单个天线按一定规律排列组成的天线系统,以发射或接收无线电波。各个天线单元通过馈线连接到单个接收器或发射器,馈线以特定相位关系将能量馈送到各个天线单元。由每个单独天线辐射的无线电波组合并叠加,加在一起(可通过人为控制)以增强在期望方向上辐射的功率,并且减少在其它方向上辐射的功率。其中波导阵列天线是指在波导宽边或窄边上开有缝隙,并切断波导内壁上电流的天线([1]宋铮,张建华,黄治.天线与电波传播.西安电子科技大学出版社.2003.7)。根据缝隙单元间距和馈电方式不同,目前波导缝隙天线阵列主要有两种:
一种谐振式缝隙阵,所有缝隙都得到同相激励,最大辐射方向与天线轴线垂直,波导终端通常加短路活塞。谐振式天线通常带宽较窄,效率高。
一种非谐振式缝隙阵,波导的一端加激励信号,另一端加匹配负载。与谐振式天线相比,非谐振式天线频带较宽,但效率较低。若缝隙单元数足够多,则被负载吸收的能量有限,因此与谐振式天线效率差距不大。
中国专利201410744296.8公开一种宽带单腔波导缝隙谐振天线,该设计提供了一种具有良好的宽频带、低交叉极化特性、特别是天线高度压缩、结构简单的矩形波导宽边纵向直辐射缝隙天线。
中国专利201110146539.4公开一种幅相加权的窄边波导缝隙阵列天线,该设计提供了一种更适于星载天线应用的结构紧凑、加工简单、不规则波束赋形的高增益窄边波导缝隙阵列赋形天线。
然而,这些波导缝隙阵大多馈电端口在中心,当阵列规模大时,难以控制阵元激励实现常见的泰勒分布、高斯分布等。而且,这些天线工作于远场,少有近场聚焦的方式,一般使用金属作为隔离终端,多数情况下采用铜来作为隔离电磁波的材料,这样在一些情况下会增大成本。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有波导缝隙阵列天线的不足与未考虑之处,提供在波导内部等效形成的PMC边界和PEC边界,减小天线尺寸,降低结构成本,工作于近场区域,可用于医疗检测、近场通信等领域,馈电方式提高抗干扰性且更易于控制阵元泰勒激励,实现天线低副瓣的一种基于四角馈电的双层波导缝隙近场聚焦阵列天线。
本发明由下层的馈电波导和上层的辐射波导组成;入射波从馈电端口依次经过馈电波导、耦合缝隙、辐射波导,最终由辐射缝隙辐射到外部空间,所述馈电端口和馈电波导采用标准馈电波导从背面通过中央孔径馈入,采用四角馈电代替传统的中心馈电,通过具有4个臂的馈电波导将信号从中心延伸到4个天线角,由两端向中间等幅同向馈电,在馈电波导中央能形成PMC边界,由此来代替金属边界减小尺寸,降低设计成本,馈电波导的长度为44.8mm,宽度为5mm,高度为2mm;
所述耦合缝隙为同相馈电方式,耦合缝隙开于馈电波导上表面,它具有规则排布和抑制二阶波束的优点,耦合缝隙数目为2×8;耦合缝隙的一维泰勒分布由耦合缝隙的偏转角控制,耦合缝隙的长度为3.75mm,宽度为1mm,厚度为0.4mm;相邻耦合缝隙之间的间距Lc为0.5λgf,终端耦合缝隙距离波导终端端面的距离为0.5λgf,λgf为馈电波导波长。
所述辐射波导置于下层的馈电波导上部,采用馈电波导上表面所开耦合缝隙同相馈电,长度为42.8mm,宽度为5.2mm,高度为2mm;在辐射波导中央水平方向能等效成PEC终端,这种等效终端可以代替金属边界,降低成本。
所述辐射缝隙采用波导缝隙阵列,辐射缝隙开于辐射波导上表面,由聚焦位置计算其相位,幅度为泰勒分布,辐射缝隙数目为8×8,每个辐射缝隙的长度为3.87mm,宽度为1.5mm,厚度为0.4mm;相邻辐射缝横向之间的间距Lr为λg,纵向之间的间距取决于所需聚焦位置,终端四角辐射缝隙中心距离波导上下终端面的距离为0.5λgr,λgr为辐射波导波长。
本发明的工作原理是:馈电端口和馈电波导采用Q波段标准馈电波导从背面通过中央孔径馈入,通过具有4个臂的馈电电路将信号从中心延伸到四个天线角。在馈电波导中,耦合缝隙采用等幅同相的激励方式,馈电波导中,两端耦合缝隙中心距离左右终端为半波导波长,即0.5λgf。在本发明中采用四角馈电,由于从两端到中心的对称性,在中心形成等效PMC边界,可以代替金属边界,从而缩短一半波导波长,降低了结构复杂度,减少了加工成本。此外,等效PMC边界具有天线带宽更大的优点。在辐射波导和辐射缝隙中,因为采用四角馈电的方式,上下两个对称的子阵列同样具有相同的幅度和相位,在上下两个子阵列的中央水平方向等效形成PEC边界,可以代替金属边界。通过辐射缝隙距离每根辐射波导中心轴线的偏差可以控制激励幅度,通过辐射缝隙纵向的偏差可以控制激励相位,从而实现在近场内的聚焦。这些辐射缝隙隔断辐射波导上层导体表面电流,在辐射缝隙口径面获得激励,向外辐射电磁能量,成为在近场内聚焦的阵列天线。对于辐射缝隙,幅度采用泰勒分布,以降低近场横向副瓣电平。本发明由于使用独特的四角馈电方式,由于激励从四周到中心,相比较传统的中心馈电而言,对耦合缝隙和辐射缝隙的控制更为简单精确,也更易于实现幅度的泰勒分布。
附图说明
图1是本发明基于四角馈电的双层波导缝隙近场聚焦阵列天线结构示意图。
图2是本发明基于四角馈电的双层波导缝隙近场聚焦阵列天线馈电波导和馈电波导上表面耦合缝隙。
图3是本发明基于四角馈电的双层波导缝隙近场聚焦阵列天线辐射波导和辐射波导上表面辐射缝隙。
图4是金属边界用于一般的馈电波导。
图5是等效PMC边界应用于本发明中的馈电金属波导。
图6是金属边界用于一般的天线辐射波导。
图7是等效PEC边界应用于本发明中的辐射金属波导。
图8是本发明基于四角馈电的双层波导缝隙近场聚焦阵列天线耦合缝隙耦合因子参数图。
图9是本发明基于四角馈电的双层波导缝隙近场聚焦阵列天线在纵轴传输方向归一化场图。在图9中,聚焦位置为50mm,3dB聚焦深度为38mm。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。
本实施例的宽带单腔波导缝隙谐振天线工作于Q波段,工作中心频率f0为40.25GHz,下边频fL为39.5GHz,上边频fH为41.0GHz。中心频率下馈电波导波长λgf为11.2mm,中心频率辐射波导波长λgr为10.7mm。
如图1所示,本发明实施例设有馈电端口1、馈电波导2、耦合缝隙3、辐射波导4和辐射缝隙5。天线工作在Q波段,采用标准馈电波导从背面通过馈电端口馈入,通过具有四个臂的馈电波导,馈电波导上的耦合缝隙获得激励。耦合缝隙的长度为3.75mm,宽度为1mm,厚度为0.4mm。相邻耦合缝中心之间的间距Lc为0.5λgf,终端耦合缝距离波导终端端面的距离为0.5λgf,λgf为馈电波导波长。耦合缝隙将激励耦合进入辐射波导,辐射波导位于耦合波导上端,在辐射波导上表面开辐射缝隙,辐射缝隙隔断辐射波导上表面电流,在辐射缝隙口获得激励,并向外辐射能量,形成波导缝隙天线阵列。辐射缝隙采用阵元波导缝隙阵列,幅度为泰勒分布,每个辐射缝隙的长度为3.87mm,宽度为1.5mm,厚度为0.4mm。相邻辐射缝隙横向中心之间的间距Lr为λgr,纵向中心的间距取决于聚焦位置,如图9即为实施例的聚焦位置为50mm在纵轴传输方向归一化场强仿真图,其中聚焦位置50mm决定辐射缝隙纵向中心的间距。终端四角辐射缝隙距离波导终端端面的距离为0.5λgr,λgr为辐射波导波长。馈电波导波长和辐射波导波长上面均已给出。
本发明将图4所示金属边界用于一般的馈电波导改进为图5中等效PMC边界应用于本发明中的馈电金属波导。由于四角馈电波导等幅同相馈电的特殊性,磁流线6在图5馈电波导中的分布表现出磁力线与等效PMC(理想磁导体)8垂直,因此可用PMC边界取代金属边界7,降低加工成本,提高辐射效率。
本发明将图6所示金属边界用于一般的天线辐射波导改进为图7中等效PEC边界应用于本发明中的辐射金属波导。由于辐射波导结构对称性,在辐射波导中央形成的等效PEC(理想电导体)边界10可以代替金属边界9,降低加工难度,节约成本。
利用本发明的一种具体实施方式为:设计馈电网络时包括馈电端口,T形馈电波导。在馈电网络中,需要将T形馈电波导45°弯曲,如图2延伸到整个平面,并在馈电波导上表面开图2所示耦合缝隙,形成耦合阵列。设计辐射波导如图3,辐射缝隙需按照所给参数以及聚焦位置设计。馈电波导和辐射波导设计完毕后将两者粘合,整个结构需使用5层蚀刻金属板,所有的蚀刻金属板用针脚固定和对准以粘合在一起。此外,在结构的中心和外围可另加螺钉,以便用来固定在无线终端上。生产时考虑到结构紧凑,若空间有限,位于天线中心的辐射缝隙可以替换成螺钉通孔,但这样会影响到天线整体特性。对此,在生产时可加宽通孔周围的局部缝隙间距,以便分配通孔,这样既不需要用通孔来替代中心缝隙,辐射也能保持相对稳定。
如用基于有限元法的电磁仿真模拟器ANSYS HFSS用于天线的仿真,耦合波导和辐射波导需要分别仿真,注意如下:(1)调节单个谐振式辐射缝隙与单根波导中心轴线的偏移使得其耦合因子与图8相同。(2)单个辐射缝隙设计完成后,通过聚焦点计算相位分布,确定辐射缝隙中心纵向间距,然后将辐射缝隙排布成阵列。(3)耦合缝的设计中耦合因子的大小由耦合缝与波导中轴线的偏转角度来控制。
本发明公开一种基于四角馈电的双层波导缝隙近场聚焦阵列天线的设计及基于对称馈电实现等效的PMC(理想磁导体)与PEC(理想电导体)终端边界条件,涉及一种波导缝隙天线的设计及馈电结构。本发明的波导缝隙阵列天线采用四角馈电,区别于传统的中心馈电或简单的一端馈电,易于实现泰勒分布并保持良好的带宽特性。等幅同相的对称馈电结构在馈电网络中央实现等效PMC终端,在缩短终端位置的基础上改善了传统PEC终端造成的对天线辐射特性的不良影响;另外,等幅同相馈电在辐射波导的中央实现等效PEC终端,进一步降低天线加工难度和成本。该天线聚焦在近场,在工作频率范围内回波损耗小、旁瓣抑制高、隔离度高、加工难度与成本低,具有广泛的应用价值。
Claims (9)
1.一种基于四角馈电的双层波导缝隙近场聚焦阵列天线,其特征在于由下层的馈电波导和上层的辐射波导组成;入射波从馈电端口依次经过馈电波导、耦合缝隙、辐射波导,最终由辐射缝隙辐射到外部空间。
2.如权利要求1所述一种基于四角馈电的双层波导缝隙近场聚焦阵列天线,其特征在于所述馈电端口和馈电波导采用标准馈电波导从背面通过中央孔径馈入,采用四角馈电代替中心馈电,通过具有4个臂的馈电波导将信号从中心延伸到4个天线角,由两端向中间等幅同向馈电,在馈电波导中央能形成PMC边界。
3.如权利要求1所述一种基于四角馈电的双层波导缝隙近场聚焦阵列天线,其特征在于馈电波导的长度为44.8mm,宽度为5mm,高度为2mm。
4.如权利要求1所述一种基于四角馈电的双层波导缝隙近场聚焦阵列天线,其特征在于所述耦合缝隙为同相馈电方式,耦合缝隙开于馈电波导上表面,耦合缝隙数目为2×8。
5.如权利要求1所述一种基于四角馈电的双层波导缝隙近场聚焦阵列天线,其特征在于所述耦合缝隙的一维泰勒分布由耦合缝隙的偏转角控制,耦合缝隙的长度为3.75mm,宽度为1mm,厚度为0.4mm。
6.如权利要求1所述一种基于四角馈电的双层波导缝隙近场聚焦阵列天线,其特征在于所述相邻耦合缝隙之间的间距Lc为0.5λgf,终端耦合缝隙距离波导终端端面的距离为0.5λgf,λgf为馈电波导波长。
7.如权利要求1所述一种基于四角馈电的双层波导缝隙近场聚焦阵列天线,其特征在于所述辐射波导置于下层的馈电波导上部,采用馈电波导上表面所开耦合缝隙同相馈电,长度为42.8mm,宽度为5.2mm,高度为2mm;在辐射波导中央水平方向能等效成PEC终端。
8.如权利要求1所述一种基于四角馈电的双层波导缝隙近场聚焦阵列天线,其特征在于所述辐射缝隙采用波导缝隙阵列,辐射缝隙开于辐射波导上表面,由聚焦位置计算其相位,幅度为泰勒分布,辐射缝隙数目为8×8,每个辐射缝隙的长度为3.87mm,宽度为1.5mm,厚度为0.4mm。
9.如权利要求1所述一种基于四角馈电的双层波导缝隙近场聚焦阵列天线,其特征在于所述相邻辐射缝横向之间的间距Lr为λg,纵向之间的间距取决于所需聚焦位置,终端四角辐射缝隙中心距离波导上下终端面的距离为0.5λgr,λgr为辐射波导波长。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180615 |