無寬壁的寬帶基片集成波導喇叭天線的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種喇叭天線，尤其是一種具有結構緊湊特性的無寬壁的寬帶基片集成波導喇叭天線。
【背景技術】
[0002]近年來，由于基片集成波導具有尺寸小、重量輕、易于平面集成的特點，在毫米波天線設計中得到廣泛的研究和應用。采用基片集成波導設計喇叭天線，能夠將傳統的三維結構的金屬喇叭天線在二維的覆銅介質板上實現，能夠有效地滿足毫米波系統對于尺寸結構的特殊要求。但傳統的基片集成波導喇叭天線性能受限，如帶寬窄、增益低等，其原因在于自由空間與介質的特性阻抗不匹配，導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，另一方面從提高遠場輻射的角度，采用內嵌金屬過孔等，能夠調節等相位面分布從而提高增益。但是上述技術均依賴于加載額外的結構，增加了設計復雜度，同時不利于小型化的實現。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是提出一種無寬壁的寬帶基片集成波導喇叭天線，在傳統的喇叭天線基礎上，將構成寬壁的金屬層完全剝離，保留金屬化通孔構成的窄壁，使介質與空氣充分接觸，從而提高基片集成波導喇叭天線的阻抗匹配特性，實現寬帶高增益的天線性能。
本發明采用如下技術方案:一種無寬壁的寬帶基片集成波導喇叭天線，包括:含有輸入端口的饋電矩形金屬波導和介質基片，在介質基片設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成基片集成波導，在所述饋電矩形金屬波導與基片集成波導一端之間設有對稱尖劈過渡結構；所述喇叭形窄壁由2排呈梯形排列的金屬化通孔構成，矩形窄壁的另一端與喇叭形窄壁的輸入端連接。
與現有技術相比，本發明具有如下有益效果:
本發明無寬壁的基片集成波導喇叭天線的有益效果是，可以在不加載任何結構的基礎上，僅通過切除喇叭天線的寬邊金屬壁實現平面喇叭天線性能的極大提升，具有很強的設計交易性，同時便于實現天線的小型化。
從基片集成波導與由呈喇叭形狀排列的金屬化通孔構成的喇叭形窄壁的交界處開始，入射的電場發生模式轉換，由基片集成波導中的TElO模式轉化為無寬壁喇叭天線中的表面波模式和介質波模式，兩種模式同時存在，沿著能量入射方向繼續傳播，最終產生有效的端射輻射。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喇叭天線的三維整體結構圖。
圖2為無寬壁的基片集成波導喇叭天線的局部結構正面示意圖。
圖3為無寬壁的基片集成波導喇叭天線的局部結構側視圖。
圖4為發明的喇叭天線中電場模式的轉換圖。
圖5為發明的喇叭天線的駐波比曲線圖。
圖6為發明的喇叭天線的增益曲線圖。
圖7為發明的喇叭天線在工作頻段內的E面輻射方向圖。
圖8為發明的喇叭天線在工作頻段內的H面輻射方向圖。
圖中有:輸入端口 1、饋電矩形金屬波導2、對稱尖劈過渡結構3、矩形窄壁4、金屬寬壁5，喇叭形窄壁6、介質基片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喇叭天線，包括:含有輸入端口 I的饋電矩形金屬波導2和介質基片7，在介質基片7設有矩形窄壁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構成基片集成波導，在所述饋電矩形金屬波導2與基片集成波導一端之間設有對稱尖劈過渡結構3 ;所述喇叭形窄壁6由2排呈梯形排列的金屬化通孔構成，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相一致。所述的對稱尖劈過渡結構是所述基片集成波導的介質延伸部分，通過對稱地放置尖劈狀介質結構形成對稱尖劈過渡結構，通過調節尖劈的長度，能夠實現最小傳輸損耗和最佳阻抗匹配。所述的基片集成波導作為本發明的直接饋電結構，需要調節窄壁的間距保證其工作在主模模式。基片集成波導4的金屬寬壁5不完全覆蓋整個天線結構，從金屬化通孔構成的窄壁6開始形成張角的部分完全切除，使介質基片7沒有任何金屬覆蓋，從而為電場的模式轉換創造條件，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構的有效輻射部分，可以看成由基片集成波導的窄壁張開到一定角度并且完全切除寬壁金屬構成，通過調節窄壁張角以及窄壁長度，能夠有效地提升天線的輻射性能。基片集成波導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。
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
本發明所采用的實施方案是:無寬壁的基片集成波導喇叭天線包括波導輸入端口 1、饋電WR-42金屬波導2、金屬波導2到基片集成波導4的對稱尖劈過渡結構3、基片集成波導4以及無寬壁的介質基片7，金屬化通孔構成的窄壁6在無寬壁的介質基片7上形成一定的張角構成有效輻射結構；本發明的獨特之處在于，相較于傳統的基片集成波導喇叭天線，基片集成波導金屬寬壁5不再構成無寬壁的介質基片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2中經過對稱尖劈過渡結構3的過渡，實現金屬波導2到基片集成波導4的寬帶、低損耗傳輸；電場在基片集成波導4的基片集成波導金屬寬壁5與無寬壁的介質基片7的分界面處發生模式轉換，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4中，電場完全呈現出主模TElO模的分布模式，電場垂直于基片集成波導金屬寬壁5 ;當離開基片集成波導4，開始進入無寬壁的介質基片7，如圖3所示，電場不再具有單一的垂直方向，介質表面新產生的表面波模式使電場方向有了一定的傾斜，但介質基片7內部的電場仍占據主要地位；隨著電場在無寬壁的介質基片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內部與介質表面；當入射的能量完成模式轉換后，由于表面波的存在，使得無寬壁的基片集成波導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、不增加設計復雜度的基礎上實現帶寬的有效展寬。
結合圖4、圖5、圖6以及圖7，本發明的基片集成波導喇叭天線工作在17.3GHz-27GHz的頻段范圍內，最低增益在7.9dBi以上，在工作頻段內的遠場輻射方向圖滿足端射輻射要求。
根據以上所述，便可實現本發明。
【主權項】
1.一種無寬壁的寬帶基片集成波導喇叭天線，其特征在于，包括:含有輸入端口(I)的饋電矩形金屬波導(2)和介質基片(7)，在介質基片(7)設有矩形窄壁(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)構成基片集成波導，在所述饋電矩形金屬波導(2)與基片集成波導一端之間設有對稱尖劈過渡結構(3);所述喇叭形窄壁(6)由2排呈梯形排列的金屬化通孔構成，矩形窄壁(4)的另一端與喇叭形窄壁(6)的輸入端連接。2.根據權利要求1所述的無寬壁的寬帶基片集成波導喇叭天線，其特征在于，所述的金屬化通孔構成的矩形窄壁(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喇叭天線，包括含有輸入端口的饋電矩形金屬波導和介質基片，在介質基片設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成基片集成波導，在饋電矩形金屬波導與基片集成波導一端之間設有對稱尖劈過渡結構；喇叭形窄壁由2排呈梯形排列的金屬化通孔構成，矩形窄壁的另一端與喇叭形窄壁的輸入端連接。本發明將構成寬壁的金屬層完全剝離，保留金屬化通孔構成的窄壁，使介質與空氣充分接觸，提高基片集成波導喇叭天線的阻抗匹配特性，實現寬帶高增益的天線性能。
【IPC分類】H01Q1/38, H01Q1/50, H01Q13/02
【公開號】CN105226395
【申請號】CN201510619306
【發明人】蔡洋, 錢祖平, 張穎松, 楊柳, 曹文權, 邵尉
【申請人】中國人民解放軍理工大學
【公開日】2016年1月6日
【申請日】2015年9月25日