一種超寬帶毫米波天線及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種天線，特別是涉及一種超寬帶毫米波天線及其制作方法，屬于微波與天線技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]超寬帶天線研究從最早期的雙錐天線和蝴蝶天線這類結(jié)構(gòu)簡單的天線，到后來出現(xiàn)如TEM喇叭天線，對(duì)數(shù)周期天線等等，各種類型的超寬帶天線逐漸出現(xiàn)。早期的研究并沒有把超寬帶作為天線研究的出發(fā)點(diǎn)。在上世紀(jì)80年代以后，超寬帶才成為微波射頻領(lǐng)域的一個(gè)明確的研究方向。
[0003]雙脊喇叭天線是最廣泛應(yīng)用的一種超寬帶天線，其是一種由波導(dǎo)終端漸變張開的矩形截面的微波天線，為了展寬其工作頻段，根據(jù)脊波導(dǎo)具有寬頻帶的特點(diǎn)，在喇叭的波導(dǎo)部分及喇叭張開部分加入脊形狀結(jié)構(gòu)，加入的脊包括脊波導(dǎo)段和脊喇叭段。然而在已有的雙脊喇叭天線中，能做到超寬帶的都是在低頻波段，如1-12GHZ波段和1-18GHZ波段的雙脊喇叭天線。
[0004]而在毫米波波段，還沒有任何文獻(xiàn)表明做到了超寬帶；隨著毫米波技術(shù)的日漸成熟和完善，各種各樣的毫米波電子系統(tǒng)對(duì)于毫米波天線的要求也越來越高，要求其可以做到使用頻帶寬、輻射性能好，但是這樣的天線設(shè)計(jì)難度比較高，傳統(tǒng)的天線很難滿足要求。
[0005]如圖1所示為按照現(xiàn)有技術(shù)和方法設(shè)計(jì)的毫米波雙脊喇叭天線的駐波比仿真結(jié)果，由圖1可見，在毫米波波段，按照現(xiàn)有低頻雙脊喇叭天線的設(shè)計(jì)技術(shù)和方法，仿真設(shè)計(jì)的毫米波雙脊喇叭天線不能滿足寬帶性能要求，毫米波雙脊喇叭天線在設(shè)計(jì)頻帶的低頻段和高頻段均出現(xiàn)了非常高的駐波比，頻帶性能嚴(yán)重惡化。
[0006]因此，毫米波雙脊喇叭天線要想實(shí)現(xiàn)多個(gè)倍頻程寬帶，它是不能采用傳統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，而必須對(duì)傳統(tǒng)的雙脊喇叭天線進(jìn)行改進(jìn)，以求獲得滿足整個(gè)頻段的駐波比、天線方向圖以及天線帶寬要求的超寬帶毫米波天線。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的主要目的在于，克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種超寬帶毫米波天線及其制作方法，制得的超寬帶毫米波天線結(jié)構(gòu)緊湊、制作容易、安全可靠、實(shí)用性強(qiáng)，不僅使用頻帶寬、輻射性能好，而且可滿足整個(gè)頻段的駐波比、天線方向圖以及天線帶寬要求，極具有產(chǎn)業(yè)上的利用價(jià)值。
[0008]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0009]—種超寬帶毫米波天線，包括脊波導(dǎo)段和脊喇叭段，所述脊波導(dǎo)段和脊喇叭段之間增設(shè)有中間波導(dǎo)過渡段，所述脊波導(dǎo)段插接有同軸寬帶匹配段。
[0010]其中，所述中間波導(dǎo)過渡段為喇叭狀，中間波導(dǎo)過渡段的前端與脊喇叭段的末端段面匹配相接，中間波導(dǎo)過渡段的末端與脊波導(dǎo)段的前端段面匹配相接，脊喇叭段的前端和脊波導(dǎo)段的后端均為自由端。
[0011]而且，所述同軸寬帶匹配段為同軸線，同軸寬帶匹配段的底端插接入脊波導(dǎo)段中、頂端與外設(shè)接口相連；所述同軸線包括與脊波導(dǎo)段中的底部脊曲線相連的同軸線內(nèi)導(dǎo)體，以及包覆同軸線內(nèi)導(dǎo)體的同軸線外導(dǎo)體；所述同軸線內(nèi)導(dǎo)體的徑向直徑沿軸長方向保持等徑、同軸線外導(dǎo)體的徑向直徑沿軸長方向保持從小到大的漸變方式，或者，所述同軸線外導(dǎo)體的徑向直徑沿軸長方向保持等徑、同軸線內(nèi)導(dǎo)體的徑向直徑沿軸長方向保持從小到大的漸變方式；所述同軸線的底端特性阻抗等于脊波導(dǎo)段特性阻抗仿真得到的脊波導(dǎo)段特性阻抗，同軸線的頂端特性阻抗等于50歐姆。
[0012]本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為:所述漸變方式包括直線型漸變、曲線漸變、臺(tái)階型漸變和螺旋型漸變。
[0013]本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為:所述同軸線內(nèi)導(dǎo)體和同軸線外導(dǎo)體均為銅，同軸線內(nèi)導(dǎo)體和同軸線外導(dǎo)體之間的腔體為空氣。
[0014]本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為:所述超寬帶毫米波天線的軸長為35mm，所述中間波導(dǎo)過渡段的軸長為3.5_，所述同軸寬帶匹配段的軸長為15_。
[0015]本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為:所述脊波導(dǎo)段的尺寸為7mm*3.5mm、脊間距為0.15mm，脊波導(dǎo)段特性阻抗為20歐姆；所述脊喇叭段的E面尺寸為最低工作頻率對(duì)應(yīng)波長的一半、H面尺寸小于E面尺寸，脊喇叭段的E面尺寸為25mm、H面尺寸為20mm ;所述中間波導(dǎo)過渡段的末端尺寸為;所述同軸線內(nèi)導(dǎo)體的徑向直徑為等徑1.3mm，所述同軸線外導(dǎo)體的徑向直徑自底端到頂端從1.815mm漸變至3mm。
[0016]本發(fā)明還提供一種超寬帶毫米波天線的制作方法，包括以下步驟:
[0017]I)制作脊波導(dǎo)段；
[0018]確定超寬帶毫米波天線的設(shè)計(jì)頻率，根據(jù)脊波導(dǎo)理論和現(xiàn)有技術(shù)參數(shù)制作脊波導(dǎo)段；通過在HFSS中建立加脊波導(dǎo)模型并進(jìn)行脊波導(dǎo)段特性阻抗優(yōu)化仿真，獲得其最佳性能特性阻抗曲線；
[0019]2)制作脊喇叭段；
[0020]確定脊波導(dǎo)段的尺寸后，根據(jù)脊喇叭段的E面尺寸為最低工作頻率對(duì)應(yīng)波長的一半、H面尺寸小于E面尺寸的要求計(jì)算脊喇叭段尺寸；確定脊喇叭段的尺寸后采用現(xiàn)有技術(shù)確定脊曲線方程；
[0021]3)制作中間波導(dǎo)過渡段；
[0022]在脊波導(dǎo)段和脊喇叭段之間增設(shè)喇叭狀的中間波導(dǎo)過渡段，使得中間波導(dǎo)過渡段的前端尺寸與脊喇叭段的末端段面相匹配，中間波導(dǎo)過渡段的末端尺寸與脊波導(dǎo)段的前端段面相匹配；
[0023]4)制作同軸寬帶匹配段；
[0024]同軸寬帶匹配段采用同軸線結(jié)構(gòu)，包括同軸線內(nèi)導(dǎo)體和包覆同軸線內(nèi)導(dǎo)體的同軸線外導(dǎo)體；采用同軸線內(nèi)導(dǎo)體的徑向直徑沿軸長方向保持等徑、同軸線外導(dǎo)體的徑向直徑沿軸長方向保持從小到大的漸變方式制作同軸寬帶匹配段，或者，采用同軸線外導(dǎo)體的徑向直徑沿軸長方向保持等徑、同軸線內(nèi)導(dǎo)體的徑向直徑沿軸長方向保持從小到大的漸變方式制作同軸寬帶匹配段；
[0025]將制得的同軸寬帶匹配段的底端插接入脊波導(dǎo)段中，將其中的同軸線內(nèi)導(dǎo)體與脊波導(dǎo)段中的底部脊曲線相連，并使得同軸線的底端特性阻抗等于脊波導(dǎo)段特性阻抗；
[0026]5)進(jìn)行超寬帶毫米波天線的整體模型仿真；
[0027]在HFSS中建立超寬帶毫米波天線的整體模型，通過整體模型的天線駐波比性能仿真，根據(jù)滿足設(shè)計(jì)頻率和駐波比要求，對(duì)中間波導(dǎo)過渡段和同軸寬帶匹配段的尺寸均進(jìn)行優(yōu)化而實(shí)現(xiàn)尺寸微調(diào)。
[0028]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果是:
[0029]通過在脊波導(dǎo)段和脊喇叭段之間增設(shè)中間波導(dǎo)過渡段，以及在脊波導(dǎo)段插接同軸寬帶匹配段；而同軸寬帶匹配段采用同軸線結(jié)構(gòu)、包括同軸線內(nèi)導(dǎo)體和包覆同軸線內(nèi)導(dǎo)體的同軸線外導(dǎo)體，其中同軸線內(nèi)導(dǎo)體的徑向直徑沿軸長方向保持等徑、同軸線外導(dǎo)體的徑向直徑沿軸長方向保持從小到大的漸變方式，或者，同軸線外導(dǎo)體的徑向直徑沿軸長方向保持等徑、同軸線內(nèi)導(dǎo)體的徑向直徑沿軸長方向保持從小到大的漸變方式；從而制得結(jié)構(gòu)緊湊、制作容易、安全可靠、實(shí)用性強(qiáng)的超寬帶毫米波天線，不僅使用頻帶寬、輻射性能好，而且可滿足整個(gè)頻段的駐波比、天線方向圖以及天線帶寬要求。
[0030]上述內(nèi)容僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了更清楚的了解本發(fā)明的技術(shù)手段，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
【附圖說明】
[0031]圖1為按照現(xiàn)有技術(shù)和方法設(shè)計(jì)的毫米波雙脊喇叭天線的駐波比仿真結(jié)果；
[0032]圖2為本發(fā)明一種超寬帶毫米波天線的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖3為本發(fā)明一種超寬帶毫米波天線的結(jié)構(gòu)剖示圖；
[0034]圖4為本發(fā)明一種超寬帶毫米波天線中同軸寬帶匹配段的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖5為本發(fā)明實(shí)施例1的脊波導(dǎo)段特性阻抗曲線；
[0036]圖6為本發(fā)明實(shí)施例1的天線駐波比性能仿真結(jié)果；
[0037]圖7為本發(fā)明實(shí)施例1中6GHz的E面輻射方向圖和H面輻射方向圖的性能仿真結(jié)果；
[0038]圖8為本發(fā)明實(shí)施例1中15GHz的E面輻射方向圖和H面輻射方向圖的性能仿真結(jié)果；
[0039]圖9為本發(fā)明實(shí)施例1中25GHz的E面輻射方向圖和H面輻射方向圖的性能仿真結(jié)果；
[0040]圖10為本發(fā)明實(shí)施例1中35GHz的E面輻射方向圖和H面輻射方向圖的性能仿真結(jié)果；
[0041]圖11為本發(fā)明實(shí)施例1中45GHz的E面輻射方向圖和H面輻射方向圖的性能仿真結(jié)果；
[0042]圖12為本發(fā)明實(shí)施例1中55GHz的E面輻射方向圖和H面輻射方向圖的性能仿真結(jié)果；
[0043]圖13為本發(fā)明實(shí)施例1中60GHz的E面輻射方向圖和H面輻射方向圖的性能仿真結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0044]下面結(jié)合說明書附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0045]如圖2和圖3所示的一種超寬帶毫米波天線，包括脊波導(dǎo)段I和脊喇叭段2，所述脊波導(dǎo)段I和脊喇叭段2之間增設(shè)有中間波導(dǎo)過渡段3，所述脊波導(dǎo)段I插接有同軸寬帶匹配段4。
[0046]所述中間波導(dǎo)過渡段3為喇叭狀，中間波導(dǎo)過渡段3的前端與脊喇叭段2的末端段面匹配相接，中間波導(dǎo)過渡段3的末端與脊波導(dǎo)段I的前端段面匹配相接，脊喇叭段2的前端和脊波導(dǎo)段I的后端均為自由端。所述同軸寬帶匹配段4為同軸線，同軸寬帶匹配段4的底端插接入脊波導(dǎo)段I中、頂端與外設(shè)接口(圖中未示出)相連，并要求所述同軸線的底端特性阻抗等于脊波導(dǎo)段特性阻抗仿真得到的脊波導(dǎo)段特性阻抗，同軸線的頂端特性阻抗等于50歐姆。
[0047]如圖3和圖4所示，所述同軸線包括與脊波導(dǎo)段I中的底部脊曲線相連的同軸線內(nèi)導(dǎo)體41，以及包覆同軸線內(nèi)導(dǎo)體41的同軸線外導(dǎo)體42 ;所述同軸線內(nèi)導(dǎo)體41的徑向直徑沿軸長方向保持等徑、同軸線外導(dǎo)體42的徑向直徑沿軸長方向保持從小到大的漸變方式。
[0048]S卩，同軸線內(nèi)導(dǎo)體41直徑不變，底部(脊波導(dǎo)端)的同軸線內(nèi)導(dǎo)體直徑為dl、頂部(饋線輸出端)的同軸線內(nèi)導(dǎo)體直徑也為dl、且同軸線內(nèi)導(dǎo)體的中間段均沒有發(fā)生變徑；而同軸線外導(dǎo)體42的直徑漸變，底部(脊波導(dǎo)端)的同軸線外導(dǎo)體直徑為D1、頂部(饋線輸出端)的同軸線外導(dǎo)體直徑為D2、且按照漸變方式實(shí)現(xiàn)D2大于Dl，漸變方式包括直