無寬壁的寬帶基片集成波導(dǎo)喇叭天線的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種喇叭天線，尤其是一種具有結(jié)構(gòu)緊湊特性的無寬壁的寬帶基片集成波導(dǎo)喇叭天線。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，由于基片集成波導(dǎo)具有尺寸小、重量輕、易于平面集成的特點，在毫米波天線設(shè)計中得到廣泛的研究和應(yīng)用。采用基片集成波導(dǎo)設(shè)計喇叭天線，能夠?qū)鹘y(tǒng)的三維結(jié)構(gòu)的金屬喇叭天線在二維的覆銅介質(zhì)板上實現(xiàn)，能夠有效地滿足毫米波系統(tǒng)對于尺寸結(jié)構(gòu)的特殊要求。但傳統(tǒng)的基片集成波導(dǎo)喇叭天線性能受限，如帶寬窄、增益低等，其原因在于自由空間與介質(zhì)的特性阻抗不匹配，導(dǎo)致能量在口徑處無法有效輻射。為了解決這一限制因素，一方面從提高帶寬的角度，采用介質(zhì)加載、過渡帶加載等方式能夠有效地展寬，另一方面從提高遠(yuǎn)場輻射的角度，采用內(nèi)嵌金屬過孔等，能夠調(diào)節(jié)等相位面分布從而提高增益。但是上述技術(shù)均依賴于加載額外的結(jié)構(gòu)，增加了設(shè)計復(fù)雜度，同時不利于小型化的實現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提出一種無寬壁的寬帶基片集成波導(dǎo)喇叭天線，在傳統(tǒng)的喇叭天線基礎(chǔ)上，將構(gòu)成寬壁的金屬層完全剝離，保留金屬化通孔構(gòu)成的窄壁，使介質(zhì)與空氣充分接觸，從而提高基片集成波導(dǎo)喇叭天線的阻抗匹配特性，實現(xiàn)寬帶高增益的天線性能。
本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種無寬壁的寬帶基片集成波導(dǎo)喇叭天線，包括:含有輸入端口的饋電矩形金屬波導(dǎo)和介質(zhì)基片，在介質(zhì)基片設(shè)有矩形窄壁和喇叭形窄壁，所述矩形窄壁由2排平行排列的金屬化通孔構(gòu)成，在矩形窄壁的上下表面上分別覆蓋有金屬寬壁且金屬寬壁始于矩形窄壁的一端并止于矩形窄壁的另一端，且所述矩形窄壁與所述金屬寬壁構(gòu)成基片集成波導(dǎo)，在所述饋電矩形金屬波導(dǎo)與基片集成波導(dǎo)一端之間設(shè)有對稱尖劈過渡結(jié)構(gòu)；所述喇叭形窄壁由2排呈梯形排列的金屬化通孔構(gòu)成，矩形窄壁的另一端與喇叭形窄壁的輸入端連接。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果:
本發(fā)明無寬壁的基片集成波導(dǎo)喇叭天線的有益效果是，可以在不加載任何結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，僅通過切除喇叭天線的寬邊金屬壁實現(xiàn)平面喇叭天線性能的極大提升，具有很強的設(shè)計交易性，同時便于實現(xiàn)天線的小型化。
從基片集成波導(dǎo)與由呈喇叭形狀排列的金屬化通孔構(gòu)成的喇叭形窄壁的交界處開始，入射的電場發(fā)生模式轉(zhuǎn)換，由基片集成波導(dǎo)中的TElO模式轉(zhuǎn)化為無寬壁喇叭天線中的表面波模式和介質(zhì)波模式，兩種模式同時存在，沿著能量入射方向繼續(xù)傳播，最終產(chǎn)生有效的端射輻射。由于喇叭天線中表面波的存在，極大地改善了平面喇叭天線與自由空間的阻抗匹配，從而顯著地提高了工作帶寬。同時介質(zhì)中的波仍絕大部分為主模TElO模式，因此保證了無寬壁的基片集成波導(dǎo)喇叭天線的主模工作特性。
【附圖說明】
[0004]圖1為無寬壁的基片集成波導(dǎo)喇叭天線的三維整體結(jié)構(gòu)圖。
圖2為無寬壁的基片集成波導(dǎo)喇叭天線的局部結(jié)構(gòu)正面示意圖。
圖3為無寬壁的基片集成波導(dǎo)喇叭天線的局部結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。
圖4為發(fā)明的喇叭天線中電場模式的轉(zhuǎn)換圖。
圖5為發(fā)明的喇叭天線的駐波比曲線圖。
圖6為發(fā)明的喇叭天線的增益曲線圖。
圖7為發(fā)明的喇叭天線在工作頻段內(nèi)的E面輻射方向圖。
圖8為發(fā)明的喇叭天線在工作頻段內(nèi)的H面輻射方向圖。
圖中有:輸入端口 1、饋電矩形金屬波導(dǎo)2、對稱尖劈過渡結(jié)構(gòu)3、矩形窄壁4、金屬寬壁5，喇叭形窄壁6、介質(zhì)基片7、輸出端口 8。
【具體實施方式】
[0005]—種無寬壁的寬帶基片集成波導(dǎo)喇叭天線，包括:含有輸入端口 I的饋電矩形金屬波導(dǎo)2和介質(zhì)基片7，在介質(zhì)基片7設(shè)有矩形窄壁4和喇叭形窄壁6，所述矩形窄壁4由2排平行排列的金屬化通孔構(gòu)成，在矩形窄壁4的上下表面上分別覆蓋有金屬寬壁5且金屬寬壁5始于矩形窄壁4的一端并止于矩形窄壁4的另一端，且所述矩形窄壁4與所述金屬寬壁5構(gòu)成基片集成波導(dǎo)，在所述饋電矩形金屬波導(dǎo)2與基片集成波導(dǎo)一端之間設(shè)有對稱尖劈過渡結(jié)構(gòu)3 ;所述喇叭形窄壁6由2排呈梯形排列的金屬化通孔構(gòu)成，矩形窄壁4的另一端與喇叭形窄壁6的輸入端連接。在本實施例中，所述的金屬化通孔構(gòu)成的矩形窄壁4和喇叭形窄壁6中，相鄰的兩個金屬化通孔的間距小于或等于工作波長的十分之一，使得金屬化通孔構(gòu)成的矩形窄壁4和喇叭形窄壁6能夠等效為電壁。
所述的饋電矩形金屬波導(dǎo)需工作在要求的頻段，且口徑大小與所要求的基片集成波導(dǎo)相一致。所述的對稱尖劈過渡結(jié)構(gòu)是所述基片集成波導(dǎo)的介質(zhì)延伸部分，通過對稱地放置尖劈狀介質(zhì)結(jié)構(gòu)形成對稱尖劈過渡結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)尖劈的長度，能夠?qū)崿F(xiàn)最小傳輸損耗和最佳阻抗匹配。所述的基片集成波導(dǎo)作為本發(fā)明的直接饋電結(jié)構(gòu)，需要調(diào)節(jié)窄壁的間距保證其工作在主模模式。基片集成波導(dǎo)4的金屬寬壁5不完全覆蓋整個天線結(jié)構(gòu)，從金屬化通孔構(gòu)成的窄壁6開始形成張角的部分完全切除，使介質(zhì)基片7沒有任何金屬覆蓋，從而為電場的模式轉(zhuǎn)換創(chuàng)造條件，提高對自由空間的阻抗匹配。所述的無寬壁的喇叭天線部分是整個結(jié)構(gòu)的有效輻射部分，可以看成由基片集成波導(dǎo)的窄壁張開到一定角度并且完全切除寬壁金屬構(gòu)成，通過調(diào)節(jié)窄壁張角以及窄壁長度，能夠有效地提升天線的輻射性能?；刹▽?dǎo)4中的窄壁6的寬度要保證電磁波工作在主模TElO模式而抑制高次模。
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
本發(fā)明所采用的實施方案是:無寬壁的基片集成波導(dǎo)喇叭天線包括波導(dǎo)輸入端口 1、饋電WR-42金屬波導(dǎo)2、金屬波導(dǎo)2到基片集成波導(dǎo)4的對稱尖劈過渡結(jié)構(gòu)3、基片集成波導(dǎo)4以及無寬壁的介質(zhì)基片7，金屬化通孔構(gòu)成的窄壁6在無寬壁的介質(zhì)基片7上形成一定的張角構(gòu)成有效輻射結(jié)構(gòu)；本發(fā)明的獨特之處在于，相較于傳統(tǒng)的基片集成波導(dǎo)喇叭天線，基片集成波導(dǎo)金屬寬壁5不再構(gòu)成無寬壁的介質(zhì)基片7的寬邊金屬，從而有效地展寬工作帶寬。
能量由輸入端口 I饋入，在WR-42金屬波導(dǎo)2中經(jīng)過對稱尖劈過渡結(jié)構(gòu)3的過渡，實現(xiàn)金屬波導(dǎo)2到基片集成波導(dǎo)4的寬帶、低損耗傳輸；電場在基片集成波導(dǎo)4的基片集成波導(dǎo)金屬寬壁5與無寬壁的介質(zhì)基片7的分界面處發(fā)生模式轉(zhuǎn)換，如圖3所示，圖中給出了在能量傳播方向上不同位置處的電場分布情況:如圖3所示，在基片集成波導(dǎo)4中，電場完全呈現(xiàn)出主模TElO模的分布模式，電場垂直于基片集成波導(dǎo)金屬寬壁5 ;當(dāng)離開基片集成波導(dǎo)4，開始進(jìn)入無寬壁的介質(zhì)基片7，如圖3所示，電場不再具有單一的垂直方向，介質(zhì)表面新產(chǎn)生的表面波模式使電場方向有了一定的傾斜，但介質(zhì)基片7內(nèi)部的電場仍占據(jù)主要地位；隨著電場在無寬壁的介質(zhì)基片7中傳播距離的增加，如圖3所示，表面波模式的電場逐漸增強，從電場分布來看，能量基本均勻的分布在介質(zhì)內(nèi)部與介質(zhì)表面；當(dāng)入射的能量完成模式轉(zhuǎn)換后，由于表面波的存在，使得無寬壁的基片集成波導(dǎo)喇叭天線與自由空間的阻抗匹配得到極大地改善，在保持平面化、不增加設(shè)計復(fù)雜度的基礎(chǔ)上實現(xiàn)帶寬的有效展寬。
結(jié)合圖4、圖5、圖6以及圖7，本發(fā)明的基片集成波導(dǎo)喇叭天線工作在17.3GHz-27GHz的頻段范圍內(nèi)，最低增益在7.9dBi以上，在工作頻段內(nèi)的遠(yuǎn)場輻射方向圖滿足端射輻射要求。
根據(jù)以上所述，便可實現(xiàn)本發(fā)明。
【主權(quán)項】
1.一種無寬壁的寬帶基片集成波導(dǎo)喇叭天線，其特征在于，包括:含有輸入端口(I)的饋電矩形金屬波導(dǎo)(2)和介質(zhì)基片(7)，在介質(zhì)基片(7)設(shè)有矩形窄壁(4)和喇叭形窄壁(6)，所述矩形窄壁(4)由2排平行排列的金屬化通孔構(gòu)成，在矩形窄壁(4)的上下表面上分別覆蓋有金屬寬壁(5)且金屬寬壁(5)始于矩形窄壁(4)的一端并止于矩形窄壁(4)的另一端，且所述矩形窄壁(4)與所述金屬寬壁(5)構(gòu)成基片集成波導(dǎo)，在所述饋電矩形金屬波導(dǎo)(2)與基片集成波導(dǎo)一端之間設(shè)有對稱尖劈過渡結(jié)構(gòu)(3);所述喇叭形窄壁(6)由2排呈梯形排列的金屬化通孔構(gòu)成，矩形窄壁(4)的另一端與喇叭形窄壁(6)的輸入端連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無寬壁的寬帶基片集成波導(dǎo)喇叭天線，其特征在于，所述的金屬化通孔構(gòu)成的矩形窄壁(4)和喇叭形窄壁(6)中，相鄰的兩個金屬化通孔的間距小于或等于工作波長的十分之一，使得金屬化通孔構(gòu)成的矩形窄壁(4)和喇叭形窄壁(6)能夠等效為電壁。
【專利摘要】一種無寬壁的寬帶基片集成波導(dǎo)喇叭天線，包括含有輸入端口的饋電矩形金屬波導(dǎo)和介質(zhì)基片，在介質(zhì)基片設(shè)有矩形窄壁和喇叭形窄壁，矩形窄壁由2排平行排列的金屬化通孔構(gòu)成，在矩形窄壁的上下表面上分別覆蓋有金屬寬壁且金屬寬壁始于矩形窄壁的一端并止于矩形窄壁的另一端，且矩形窄壁與所述金屬寬壁構(gòu)成基片集成波導(dǎo)，在饋電矩形金屬波導(dǎo)與基片集成波導(dǎo)一端之間設(shè)有對稱尖劈過渡結(jié)構(gòu)；喇叭形窄壁由2排呈梯形排列的金屬化通孔構(gòu)成，矩形窄壁的另一端與喇叭形窄壁的輸入端連接。本發(fā)明將構(gòu)成寬壁的金屬層完全剝離，保留金屬化通孔構(gòu)成的窄壁，使介質(zhì)與空氣充分接觸，提高基片集成波導(dǎo)喇叭天線的阻抗匹配特性，實現(xiàn)寬帶高增益的天線性能。
【IPC分類】H01Q1/38, H01Q1/50, H01Q13/02
【公開號】CN105226395
【申請?zhí)枴緾N201510619306
【發(fā)明人】蔡洋, 錢祖平, 張穎松, 楊柳, 曹文權(quán), 邵尉
【申請人】中國人民解放軍理工大學(xué)
【公開日】2016年1月6日
【申請日】2015年9月25日