本發(fā)明涉及一種毫米波天線技術(shù)，特別是一種基于槽型間隙波導(dǎo)串聯(lián)饋電的毫米波陣列天線。

背景技術(shù)：

對(duì)于毫米波段，特別是60ghz以上的頻段，傳統(tǒng)微帶線及共面波導(dǎo)線等平面?zhèn)鬏斁€由于色散和介電材料的損耗，將產(chǎn)生較高的傳輸損耗，并且由于尺寸的限制，對(duì)其加工精度的要求極高；另一方面，矩形波導(dǎo)和同軸傳輸線由于高頻下的低損耗而被使用，但在毫米波段仍存在加工技術(shù)復(fù)雜、成本高昂、與有源微波電子電路集成困難的問題。

文獻(xiàn)1(p.s.kildal,e.alfonso,a.valero-nogueiraande.rajo-iglesias,"localmetamaterial-basedwaveguidesingapsbetweenparallelmetalplates,"inieeeantennasandwirelesspropagationletters,vol.8,no.,pp.84-87,2009.)提出間隙波導(dǎo)gwg(gapwaveguide)傳輸線技術(shù)，作為傳統(tǒng)金屬波導(dǎo)的演進(jìn)。鑒于其具有低傳輸損耗、低加工成本以及高集成度等特性，被廣泛適用于毫米波系統(tǒng)。其中，槽型間隙波導(dǎo)具有與傳統(tǒng)金屬波導(dǎo)相同的場(chǎng)分布，并且最易加工。

文獻(xiàn)2(cao,baolin,etal."w-bandhigh-gainte220-modeslotantennaarraywithgapwaveguidefeedingnetwork."antennas&wirelesspropagationlettersieee,2015:988-991.)公開了高次模激勵(lì)的2*2線極化縫隙子陣用于高增益的w波段的陣列天線的應(yīng)用。為了提高整體性能，天線子陣用微帶型間隙波導(dǎo)傳輸線構(gòu)成的并饋網(wǎng)絡(luò)饋電，天線口徑效率可達(dá)66％。

串聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)比并聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)的損耗更低，傳輸效率更高，這種優(yōu)勢(shì)在設(shè)計(jì)大型陣列時(shí)更加顯著?，F(xiàn)有技術(shù)一般采用間隙波導(dǎo)并聯(lián)饋電的方式實(shí)現(xiàn)二維高增益二維陣列，存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、陣面效率較低的缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種能夠工作在毫米波段，基于間隙波導(dǎo)串饋網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)高增益的縫隙天線陣列。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種間隙波導(dǎo)串聯(lián)饋電的高增益毫米波天線，包括高效率輻射單元子陣層、間隙波導(dǎo)縫隙耦合串聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)以及波導(dǎo)縫隙耦合饋電結(jié)構(gòu)；所述間隙波導(dǎo)縫隙耦合串聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)位于高效率輻射單元子陣層和波導(dǎo)縫隙耦合饋電結(jié)構(gòu)之間，所述高效率輻射單元子陣層包括若干呈矩陣排列的高效率輻射單元子陣；

所述間隙波導(dǎo)縫隙耦合串聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)包括上層金屬面、空氣層、周期性排列的金屬柱和接地板，接地板上設(shè)置周期性排列的金屬柱，周期性排列的金屬柱上方設(shè)置上層金屬面，周期性排列的金屬柱和上層金屬面之間設(shè)置空氣層，上層金屬面上開有若干呈周期性排列的耦合縫隙；

波導(dǎo)縫隙耦合饋電結(jié)構(gòu)為矩形波導(dǎo)，位于間隙波導(dǎo)縫隙耦合串聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)底部，用于對(duì)間隙波導(dǎo)縫隙耦合串聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行中心饋電，矩形波導(dǎo)上層寬邊開呈周期性排列的耦合縫隙。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)在于：1)本發(fā)明公開的間隙波導(dǎo)串聯(lián)饋電的毫米波陣列天線明顯提高了陣列口徑效率，有利于滿足毫米波天線高增益的要求；2)本發(fā)明公開的間隙波導(dǎo)串聯(lián)饋電的毫米波陣列天線有利于降低饋網(wǎng)的整體尺寸，實(shí)現(xiàn)小型化的要求；3)本發(fā)明公開的間隙波導(dǎo)串聯(lián)饋電的毫米波陣列天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定度高，便于加工，成本低，有利于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的描述。

附圖說明

圖1為本發(fā)明槽型間隙波導(dǎo)串聯(lián)饋電的毫米波陣列天線結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明槽型間隙波導(dǎo)串聯(lián)饋電的毫米波陣列天線中矩形波導(dǎo)中饋間隙波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明槽型間隙波導(dǎo)串聯(lián)饋電的毫米波陣列天線中單元子陣結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明槽型間隙波導(dǎo)串聯(lián)饋電的毫米波陣列天線中單元子陣反射系數(shù)|s11|及增益隨頻率變化曲線圖。

圖5為本發(fā)明一種槽型間隙波導(dǎo)串聯(lián)饋電的毫米波陣列天線反射系數(shù)|s11|及增益隨頻率變化曲線圖。

圖6為本發(fā)明槽型間隙波導(dǎo)串聯(lián)饋電的毫米波陣列天線e面、h面輻射方向圖。

圖7為本發(fā)明金屬柱在周期性邊界條件下形成電磁帶隙結(jié)構(gòu)的仿真色散曲線圖。

具體實(shí)施方式

結(jié)合附圖，本發(fā)明的一種間隙波導(dǎo)串聯(lián)饋電的高增益毫米波天線，包括高效率輻射單元子陣層3、間隙波導(dǎo)縫隙耦合串聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)8以及波導(dǎo)縫隙耦合饋電結(jié)構(gòu)12；所述間隙波導(dǎo)縫隙耦合串聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)8位于高效率輻射單元子陣層3和波導(dǎo)縫隙耦合饋電結(jié)構(gòu)12之間，所述高效率輻射單元子陣層3包括若干呈矩陣排列的高效率輻射單元子陣14；

所述間隙波導(dǎo)縫隙耦合串聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)8包括上層金屬面6、空氣層9、周期性排列的金屬柱10和接地板11，接地板11上設(shè)置周期性排列的金屬柱10，周期性排列的金屬柱10上方設(shè)置上層金屬面6，周期性排列的金屬柱10和上層金屬面6之間設(shè)置空氣層9，上層金屬面6上開有若干呈周期性排列的耦合縫隙7；

波導(dǎo)縫隙耦合饋電結(jié)構(gòu)12為矩形波導(dǎo)，位于間隙波導(dǎo)縫隙耦合串聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)8底部，用于對(duì)間隙波導(dǎo)縫隙耦合串聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行中心饋電，矩形波導(dǎo)12上層寬邊開呈周期性排列的耦合縫隙13。

所述高效率輻射單元子陣14包括矩形金屬介質(zhì)諧振腔5和涂覆在其上表面開有四個(gè)矩形縫隙1的金屬層2，所述四個(gè)矩形縫隙1呈2*2陣列分布，所述介質(zhì)金屬腔5四壁由等高的圓柱形金屬柱4圍成，介質(zhì)金屬腔5的底部為間隙波導(dǎo)縫隙耦合串聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)8的上層金屬面6，上層金屬面6的每個(gè)耦合縫隙7均位于對(duì)應(yīng)介質(zhì)金屬腔5的底部中心，所述耦合縫隙7為寬邊橫縫。

所述空氣層9的高度小于0.25空氣波長(zhǎng)。

所述周期性排列的金屬柱10形成電磁帶隙結(jié)構(gòu)。

所述矩形波導(dǎo)為標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)。

所述單元子陣14中矩形金屬介質(zhì)諧振腔5采用rogersro4350(εr＝3.66,tanσ＝0.004)介質(zhì)材料，腔體材料厚度h為0.508mm，金屬層2上的四個(gè)矩形縫隙1的寬ws為1.6mm、長(zhǎng)ls為1.4mm,同時(shí)相鄰矩形縫隙的相鄰寬邊間距l(xiāng)1為0.8mm,相鄰長(zhǎng)邊間距w1為0.8mm,介質(zhì)金屬腔5四壁圓柱形金屬柱4高度h為0.508mm、直徑dd為0.25mm、排列周期pp為0.45mm，圓柱形金屬柱4圍成長(zhǎng)wx為4.5mm、寬wy為4.5mm的矩形，耦合縫隙7的寬sw為0.8mm、長(zhǎng)sl為2.2mm，耦合縫隙7的縱向排列周期d1是一個(gè)間隙波導(dǎo)波長(zhǎng)為4.5mm、橫向排列周期d2是矩形波導(dǎo)12的一個(gè)波導(dǎo)波長(zhǎng)為5mm，空氣層9的高度h為0.2mm,周期性排列的金屬柱10高d為1mm、底面邊長(zhǎng)a為0.4mm、排列周期p為0.8mm,每個(gè)間隙波導(dǎo)中靠近波導(dǎo)中心的金屬柱10與間隙波導(dǎo)中軸線距離(deta+a/2)為2.1mm,矩形波導(dǎo)12上的耦合縫隙13偏離矩形波導(dǎo)12中軸線距離off為0.6mm,耦合縫隙13長(zhǎng)sll為1.98mm、寬sww為0.8mm，金屬面6上的對(duì)應(yīng)耦合縫隙13為相同尺寸，矩形波導(dǎo)12型號(hào)為wr-12，外截面長(zhǎng)a為5.1mm、寬b為3.55mm，壁厚t為1mm。

本發(fā)明公開的間隙波導(dǎo)串聯(lián)饋電的毫米波陣列天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定度高，便于加工，成本低，有利于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。

下面進(jìn)行更詳細(xì)的描述。

結(jié)合圖1，本發(fā)明的一種槽型間隙波導(dǎo)串聯(lián)饋電的毫米波天線陣列，包括：高效率輻射單元子陣層3、間隙波導(dǎo)縫隙耦合串聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)8以及波導(dǎo)縫隙耦合饋電結(jié)構(gòu)12。所述間隙波導(dǎo)縫隙耦合串聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)8位于高效率輻射單元子陣層3和波導(dǎo)縫隙耦合饋電結(jié)構(gòu)12之間，所述高效率輻射單元子陣層3包括若干呈矩陣排列的高效率輻射單元子陣14，縫隙耦合饋電結(jié)構(gòu)12的波導(dǎo)型號(hào)為wr-12。

結(jié)合圖2，底部金屬中心饋電波導(dǎo)12寬邊蝕刻四個(gè)縱向縫隙13，間隙波導(dǎo)波長(zhǎng)為d2。最邊緣的縫隙距離波導(dǎo)兩端距離為0.25*d2，相鄰縫隙間距為一個(gè)波導(dǎo)波長(zhǎng)d2，以便在波導(dǎo)12中形成駐波，并且同相激勵(lì)每根間隙波導(dǎo)。為了切割電流，縫隙13偏離矩形金屬波導(dǎo)12的中線一定距離off。金屬矩形波導(dǎo)12到間隙波導(dǎo)8的耦合縫隙13長(zhǎng)sll,寬sww,調(diào)節(jié)這兩個(gè)尺寸以及偏離量off，可以調(diào)節(jié)波導(dǎo)間的阻抗匹配情況。

間隙波導(dǎo)饋電網(wǎng)絡(luò)8由四根間隙波導(dǎo)橫向?qū)R組成。相鄰間隙波導(dǎo)的間距為一個(gè)金屬矩形波導(dǎo)波長(zhǎng)d2。每根間隙波導(dǎo)寬邊刻蝕8個(gè)橫向縫隙7，對(duì)上層輻射單元子陣層3進(jìn)行耦合饋電。相鄰縫隙的間距為一個(gè)間隙波導(dǎo)波長(zhǎng)d1，以便同相激勵(lì)每個(gè)子陣14。距離間隙波導(dǎo)中心最遠(yuǎn)的兩個(gè)縫隙距離波導(dǎo)終端距離為0.5d1，最近的兩個(gè)縫隙與中心間距為0.5d1，以便在間隙波導(dǎo)中形成駐波。耦合縫隙7的尺寸影響波導(dǎo)和子陣間阻抗匹配情況。

結(jié)合圖3，間隙波導(dǎo)8由上層金屬6、空氣層9、周期性金屬柱10以及接地板11組成。金屬層6輻射單元子陣層3位于間隙波導(dǎo)縫隙耦合串聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)8之間，其中刻蝕的耦合縫隙7的尺寸可影響二者阻抗匹配情況。根據(jù)間隙波導(dǎo)工作原理，空氣層9的高度需要小于0.25空氣波長(zhǎng)。周期性排列的金屬柱10形成電磁帶隙結(jié)構(gòu)，阻止一定頻帶內(nèi)的波傳播。在此阻帶內(nèi)，電磁波只能在帶隙結(jié)構(gòu)之間的槽中傳播。槽的寬度2*deta決定間隙波導(dǎo)中激勵(lì)的場(chǎng)型以及波導(dǎo)波長(zhǎng)。結(jié)合圖7，所示為周期性邊界條件下金屬柱10形成電磁帶隙結(jié)構(gòu)的色散曲線圖。調(diào)節(jié)金屬柱10的尺寸及排列周期可以調(diào)整阻帶位置和帶寬。

結(jié)合圖3，子陣10的介質(zhì)腔5采用rogersro4350(εr＝3.66,tanσ＝0.004)材料，腔體四壁以等高圓柱形金屬柱4圍成。腔體上方涂覆一層金屬2，其中刻蝕出2*2陣列分布的矩形縫隙1。調(diào)節(jié)腔體尺寸和輻射縫尺寸及位置，可以調(diào)節(jié)子陣3與饋電間隙波導(dǎo)耦合縫隙7的阻抗匹配，優(yōu)化輻射性能。子陣10位于每個(gè)間隙波導(dǎo)耦合縫7上方并平鋪在饋電網(wǎng)絡(luò)8上層，最終形成16*8單元的二維陣列，如圖1。

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的具體裝置的細(xì)節(jié)及工作情況進(jìn)行細(xì)化說明。

實(shí)施例1

整體天線尺寸為38.4mm*22mm*7.108mm。

結(jié)合圖1、2、3、7，根據(jù)具體實(shí)施方式中論述的結(jié)構(gòu)，經(jīng)過電磁仿真軟件hfss建模仿真，天線相關(guān)的尺寸如下設(shè)置(單位：毫米)：

ws＝1.6mm，ls＝1.4mm，w1＝0.8mm，l1＝0.8mm，wx＝4.5mm，wy＝4.5mm，sw＝0.8mm，sl＝2.2mm，deta＝1.9mm，off＝0.6mm，a＝0.4mm，sll＝1.98mm，sww＝0.8mm，p＝0.8mm，d＝1.0mm，h＝0.2mm，d1＝4.5mm，d2＝5.0mm，h＝0.508mm，dd＝0.25mm，pp＝0.45mm，a＝5.1mm，b＝3.55mm，t＝1mm。

結(jié)合圖4，本發(fā)明槽型間隙波導(dǎo)串聯(lián)饋電的毫米波天線陣列子陣的反射系數(shù)|s11|在74.6ghz至85ghz小于-10db,增益在此頻帶內(nèi)變化小于1db,子陣增益達(dá)90％以上。

結(jié)合圖5，本發(fā)明槽型間隙波導(dǎo)串聯(lián)饋電的毫米波天線陣列反射系數(shù)|s11|低于-10db的工作頻帶為76.5ghz～77.6ghz,增益在此頻帶內(nèi)大于27dbi,口徑效率達(dá)71.4％以上。陣列法向增益最大在77ghz處，可達(dá)27.6dbi，此時(shí)口徑效率最高，為83.3％。

綜上所述，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了一種槽型間隙波導(dǎo)串聯(lián)饋電的高增益毫米波陣列天線，具有效率高、體積小、成本低、易加工、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，適用于毫米波波段的應(yīng)用，如77ghz汽車防撞雷達(dá)。