辐射组件、波导天线子阵列及波导阵列天线的制作方法

本实用新型涉及微波天线相关的技术，具体地，本公开内容涉及用于波导阵列天线的辐射组件、波导天线子阵列及波导阵列天线。

背景技术：

首先，传统的贴片阵列天线，多采用单层或多层pcb的结构方式实现。虽然具备轻量化的特点，易于与设备的集成，并且在制造的一致性和成本方面有一定优势。但是由于微带线在毫米波频率的传输损耗太大，同时辐射窗口面阵元互耦问题也客观存在，使得微带贴片阵列天线很难获得更高的口面辐射效率、获得更好的xpd(crosspolarizationdiscrimination：天线交叉极化)和更高增益的电气指标。

其次，传统型的波导缝隙阵列，传输网络采用空气波导传输，具备较低的传输损耗值，口面多采用腔体或者缝隙阵列，所以在口面效率及阵元互耦相关指标，如xpd、双极化的ipi(inter-portisolation：端口间隔离)等指标上，有独特的优势。但是波导的阵列数仍取决于阵元的间距选取，0.5波长左右的阵元间距，使得有限面积的阵元数是受限的，而场的分布的连续性、均匀性，仍是有一定缺陷。另外，在方向图包络方面，因为口面场的分布规则，很难进行幅度分布赋形，实现更低的旁瓣的方向图指标。

究其原因，传统的用于波导阵列天线的辐射单元多通过开具模具将辐射单元的两侧分别加工的方式进行，但是这样的一体化构造的辐射单元的制造精度较差，引起天线交叉极化较差，并且无法满足欧洲标准化协会etsi的class3要求。

技术实现要素：

针对上述的技术问题，即含有一体化构造的辐射单元的天线的制造精度较差、交叉极化较差、并且无法满足etsi的class3要求的缺点。为了解决现有技术中的上述技术问题，本公开内容的第一方面提出了一种用于波导阵列天线的辐射组件，所述辐射组件包括：

第一辐射层，所述第一辐射层具有多个第一辐射窗口，所述多个第一辐射窗口中的每个第一辐射窗口中具有金属栅条，以将所述第一辐射窗口分为两个辐射孔；以及

第二辐射层，所述第二辐射层具有多个第二辐射窗口，所述多个第二辐射窗口与所述多个第一辐射窗口一一对应并且所述第二辐射层的多个第二辐射窗口中不具有金属栅条，

其中，所述第二辐射层的厚度大于所述第一辐射层的厚度，并且其中，所述第一辐射层与所述第二辐射层彼此独立制造。

辐射组件通过在辐射组件的辐射窗口的窄边之间增加金属栅条，在不降低增益的条件下，提高口面辐射极化纯度，以达到更高的天线交叉极化(xpd)指标。而且依据本公开内容的辐射组件降低了旁瓣电平，从而满足etsi的3级要求。

在依据本公开内容的一个实施例中，所述第一辐射层和所述第二辐射层通过真空扩散焊的方式进行连接。

依据本公开内容的辐射组件依据本公开内容的辐射组件通过真空扩散焊工艺进行组装，而其辐射层独立地通过蚀刻或者激光雕刻的方式进行制造，从而使得加工精度更高，而且节省了相应的开模费用，降低成本。

在依据本公开内容的一个实施例中，所述第二辐射层具有至少两个辐射子层，所述至少两个辐射子层具有相同的结构。优选地，在依据本公开内容的一个实施例中，所述第一辐射窗口包括相对设置的两条较窄的边，所述金属栅条在所述第一辐射窗口的两条较窄的边之间并且将所述第一辐射窗口均分为所述两个辐射孔。优选地，所述第一辐射窗口还包括连接所述两条较窄的边的相对较长的边，所述金属栅条与所述第一辐射窗口的相对较长的边平行设置。

在依据本公开内容的一个实施例中，所述第一辐射层的厚度和所述第二辐射层的厚度与所述辐射组件所发送的信号的工作频率相关联。优选地，所述第一辐射层的厚度为与所述工作频率相对应的波长的二十分之一。进一步优选地，所述第二辐射层的厚度为与所述工作频率相对应的波长的五分之一。通过以上对于辐射层厚度的优化能够实现对于不同的波长的优化，进一步优化辐射组件的性能。

在依据本公开内容的一个实施例中，所述第一辐射窗口、所述第二辐射窗口以及所述两个辐射孔通过蚀刻或者激光雕刻的方式进行构造。相较于传统的通过模具来制造的工艺，通过蚀刻或者激光雕刻的方式来制造，能够进一步提高制造精度，进而提高辐射组件的性能。

此外，本公开内容的第二方面还提供了一种波导天线子阵列，所述波导天线子阵列包括根据本公开内容的第一方面所提出的用于波导阵列天线的辐射组件。

在依据本公开内容的一个实施例中，所述波导天线子阵列还包括：

第一耦合层，所述第一耦合层中的多个第一耦合缝隙与所述第二辐射层中的多个第二辐射窗口一一对应，并且所述第一耦合缝隙和与之相对应的第二辐射窗口之间错开第一角度。优选地，所述第一角度为45度。通过层间馈电网络技术的优化，实现0度到45度的一级极化旋转。

在依据本公开内容的一个实施例中，所述波导天线子阵列还包括：

功率分配层，所述功率分配层中具有多个呈h形状的功率分配腔，每个功率分配腔的末端与所述第一耦合层中的一个第一耦合缝隙相对应。

在依据本公开内容的一个实施例中，所述波导天线子阵列还包括：

第二耦合层，所述第二耦合层中具有多个第二耦合缝隙，所述多个第二耦合缝隙中的每个第二耦合缝隙与一个功率分配腔相对应。

在依据本公开内容的一个实施例中，所述波导天线子阵列还包括：

馈电网络层，所述馈电网络层中的多个馈电网络层末端与所述多个第二耦合缝隙相对应并且被构造用于经由所述馈电网络层为所述用于波导阵列天线的组件提供输入信号。

在依据本公开内容的一个实施例中，所述波导天线子阵列还包括：

基板，所述基板中具有信号输入端，以经由所述信号输入端将输入信号输入所述波导天线子阵列。

最后，本公开内容的第三方面提出了一种波导阵列天线，所述波导阵列天线至少包括根据本公开内容的第一方面所提出的用于波导阵列天线的辐射组件或者包括根据本公开内容的第二方面所提出的波导天线子阵列。

综上所述，依据本公开内容的辐射组件通过真空扩散焊工艺进行组装，而其辐射层独立地通过蚀刻或者激光雕刻的方式进行制造，从而使得加工精度更高，而且节省了相应的开模费用，降低成本。而且辐射组件通过在辐射组件的辐射窗口的窄边之间增加金属栅条，在不降低增益的条件下，提高口面辐射极化纯度，以达到更高的天线交叉极化(xpd)指标。此外，通过旋转阵元的分布方案(菱形分布)，实现了口面场的极化分量的锥削赋形，在一定的辐射效率衰减条件下，实现方向图的赋形优化。降低了旁瓣电平，从而满足etsi的3级要求。

附图说明

参考附图示出并阐明实施例。这些附图用于阐明基本原理，从而仅仅示出了对于理解基本原理必要的方面。这些附图不是按比例的。在附图中，相同的附图标记表示相似的特征。

图1a示出了依据本公开内容所提出的第一辐射层110的整体示意图；

图1b示出了图1a中的第一辐射层110的局部112的局部放大示意图；

图2a示出了依据本公开内容所提出的第二辐射层120的整体示意图；

图2b示出了图2a中的第二辐射层120的局部122的局部放大示意图；

图3a示出了依据本公开内容所提出的第一耦合层130的整体示意图；

图3b示出了图3a中的第一耦合层130的局部132的局部放大示意图；

图4a示出了依据本公开内容所提出的功率分配层140的整体示意图；

图4b示出了图4a中的功率分配层140的局部142的局部放大示意图；

图5a示出了依据本公开内容所提出的第二耦合层150的整体示意图；

图5b示出了图5a中的第二耦合层150的局部152的局部放大示意图；

图6a示出了依据本公开内容所提出的馈电网络层160的整体示意图；

图6b示出了图6a中的馈电网络层160的局部162的局部放大示意图；

图7示出了依据本公开内容所提出的基板的整体示意图；

图8示出了依据本公开内容的第一实施例所提出的波导天线子阵列200的示意图；

图9示出了依据本公开内容的第二实施例所提出的波导天线子阵列300的示意图；以及

图10示出了依据本公开内容中所使用的真空扩散焊工艺的方法400的流程图。

本公开内容的其它特征、特点、优点和益处通过以下结合附图的详细描述将变得更加显而易见。

具体实施方式

在以下优选的实施例的具体描述中，将参考构成本公开内容一部分的所附的附图。所附的附图通过示例的方式示出了能够实现本公开内容的特定的实施例。示例的实施例并不旨在穷尽根据本公开内容的所有实施例。可以理解，在不偏离本公开内容的范围的前提下，可以利用其他实施例，也可以进行结构性或者逻辑性的修改。因此，以下的具体描述并非限制性的，且本公开内容的范围由所附的权利要求所限定。

图1a示出了依据本公开内容所提出的第一辐射层110的整体示意图，而图1b示出了图1a中的第一辐射层110的局部112的局部放大示意图。从图1a和图1b中可以看出，第一辐射层110的辐射窗口1122中具有金属栅条，从而使得每个辐射窗口被分为两个辐射孔，从而使得最终信号通过该辐射层的表面的辐射孔辐射出去，以便优化辐射组件的xpd性能。在依据本公开内容的一个优选的实施形式之中，所述金属栅条在所述第一辐射窗口的相对较窄的边之间并且将所述第一辐射窗口均分为所述两个辐射孔。优选地，所述金属栅条与所述辐射窗口的相对较长的边平行设置。所述第一辐射窗口包括相对设置的两条较窄的边及连接两条较窄的边的两条较长的边，所述金属栅条设置在所述两条较窄的边之间，所述金属栅条与所述较长的边平行设置。由此能够进一步优化辐射组件的xpd性能。

图2a示出了依据本公开内容所提出的第二辐射层120的整体示意图，而图2b示出了图2a中的第二辐射层120的局部122的局部放大示意图。从图2a和图2b可以看出，第二辐射层120具有与第一辐射层基本上相同的结构，其不同点在于在第二辐射层120之上的第二辐射窗口之中不具有金属栅条，以此与第一辐射层110进行配合能够实现更好的xpd性能。此外，该第二辐射层120的厚度既可以与第一辐射层110的厚度相同，从而有利于加工；也可以设置成，该第二辐射层120的厚度与第一辐射层110的厚度不相同，而且该第二辐射层120的厚度大于第一辐射层110的厚度，以此来进一步简化由第一辐射层110和第二辐射层120所组成的辐射组件的结构。优选地，在第二辐射层120的厚度既可以与第一辐射层110的厚度相同的情况下，第二辐射层120具有至少两个辐射子层(图中未示出)，该至少两个辐射子层具有相同的结构。在依据本公开内容的一个实施例中，所述第一辐射层110的厚度和所述第二辐射层120的厚度与所述辐射组件所发送的信号的工作频率相关联。优选地，所述第一辐射层110的厚度为与所述工作频率相对应的波长的二十分之一。进一步优选地，所述第二辐射层120的厚度为与所述工作频率相对应的波长的五分之一。通过以上对于辐射层厚度的优化能够实现对于不同的波长的优化，进一步优化辐射组件的性能。

由图1a、图1b之中的第一辐射层110和图2a、图2b之中的第二辐射层120能够组成用于波导阵列天线的辐射组件，该辐射组件包括：第一辐射层110，所述第一辐射层110具有多个第一辐射窗口1122，所述多个第一辐射窗口1122中的每个第一辐射窗口1122中具有金属栅条，以将所述第一辐射窗口1122分为两个辐射孔；并且该辐射组件还包括第二辐射层120，所述第二辐射层120具有多个第二辐射窗口1222，所述多个第二辐射窗口1222与所述多个第一辐射窗口1122一一对应并且所述第二辐射层120的多个第二辐射窗口1222中不具有金属栅条，其中，所述第二辐射层120的厚度大于所述第一辐射层110的厚度，并且其中，所述第一辐射层110与所述第二辐射层120彼此独立制造。优选地，所述第一辐射层110和所述第二辐射层120通过真空扩散焊的方式进行连接。依据本公开内容的辐射组件依据本公开内容的辐射组件通过真空扩散焊工艺进行组装，而其辐射层独立地通过蚀刻或者激光雕刻的方式进行制造，从而使得加工精度更高，而且节省了相应的开模费用，降低成本。而且辐射组件通过在辐射组件的辐射窗口的窄边之间增加金属栅条，在不降低增益的条件下，提高口面辐射极化纯度，以达到更高的天线交叉极化(xpd)指标。而且依据本公开内容的辐射组件降低了旁瓣电平，从而满足etsi的3级要求。

在图1a、图1b、图2a和图2b所示出的实施形式之中，所述第一辐射窗口112、所述第二辐射窗口122以及所述两个辐射孔通过蚀刻或者激光雕刻的方式进行构造。相较于传统的通过模具来制造的工艺，通过蚀刻或者激光雕刻的方式来制造，能够进一步提高制造精度，进而提高辐射组件的性能。

图3a示出了依据本公开内容所提出的第一耦合层130的整体示意图，而图3b示出了图3a中的第一耦合层130的局部132的局部放大示意图。从图中可以看出，所述第一耦合层130中的多个第一耦合缝隙1322与所述第二辐射层中120的多个第二辐射窗口1222一一对应，并且所述第一耦合缝隙1322和与之相对应的第二辐射窗口1222之间错开第一角度。优选地，所述第一角度为45度。通过层间馈电网络技术的优化，实现0度到45度的一级极化旋转。

图4a示出了依据本公开内容所提出的功率分配层140的整体示意图，而图4b示出了图4a中的功率分配层140的局部142的局部放大示意图。从图中可以看出，功率分配层140中具有多个呈h形状的功率分配腔1422，每个功率分配腔1422的末端14222与所述第一耦合层130中的一个第一耦合缝隙1322相对应。

图5a示出了依据本公开内容所提出的第二耦合层150的整体示意图，而图5b示出了图5a中的第二耦合层150的局部152的局部放大示意图。从图中可以看出，第二耦合层150中具有多个第二耦合缝隙1522，所述多个第二耦合缝隙1522中的每个第二耦合缝隙1522与一个功率分配腔1422相对应。

图6a示出了依据本公开内容所提出的馈电网络层160的整体示意图，而图6b示出了图6a中的馈电网络层160的局部162的局部放大示意图。从图中可以看出，馈电网络层160中的多个馈电网络层末端1622与所述多个第二耦合缝隙1522相对应并且被构造用于经由所述馈电网络层160为所述用于波导阵列天线的组件提供输入信号。

图7示出了依据本公开内容所提出的基板的整体示意图。从图7中可以看出，在基板的中间具有用于输入信号的信号输入端。

由图1至图6中的各个板材能够组成依据本公开内容的第二方面所提供的波导天线子阵列，所述波导天线子阵列当然包括根据本公开内容的第一方面所提出的用于波导阵列天线的辐射组件。优选地，该波导天线子阵列还能够包括依据图7所示出的基板，以增加结构稳定性。也就是说，该波导天线子阵列还能够包括基板170，所述基板170中具有信号输入端，以经由所述信号输入端将输入信号输入所述波导天线子阵列。

图8示出了依据本公开内容的第一实施例所提出的波导天线子阵列200的示意图。从图中可以看出，该波导天线子阵列200从上至下依次包括第一辐射层210、第二辐射层220、第一耦合层230、功率分配层240、第二耦合层250以及馈电网络层260。在该实施例之中，第一辐射层210和第二辐射层220均仅仅由一层金属板构成，而且第二辐射层220的金属板的厚度明显大于第一辐射层210的金属板的厚度。该产品可以由不同厚度的薄片焊接而成，各层厚度不同，厚度范围为0.1～1mm。各层腔体因性能要求的不同而设计镂空的形状各异、大小不统一。在中间夹层中设置有小腔体，也有大腔体，最小层只有0.1mm厚度，不能用机加工或注塑的加工工艺完成，而如果采用3d打印工艺加工内腔体，精度远不到设计要求，在本公开内容中是通过蚀刻或者激光雕刻的工艺进行加工而成的，即选用激光雕刻的加工工艺完成不同厚度各薄片的加工，与此同时，底板通过cnc(computernumericalcontrol：计算机数字控制机床)加工完成，最终，成品是各层精准定位后真空扩散焊接而成。

图9示出了依据本公开内容的第二实施例所提出的波导天线子阵列300的示意图。从图中可以看出，该波导天线子阵列300从上至下依次包括第一辐射层310、第二辐射层320、第一耦合层330、功率分配层340、第二耦合才能350以及馈电网络层360。在该实施例之中，第一辐射层310仅由一层金属板构成，而第二辐射层320由多层金属板构成，而且第二辐射层220的金属板的厚度明显大于第一辐射层210的金属板的厚度。该产品可以由相同厚度的薄片焊接而成，各层厚度相同，厚度范围为0.1～0.3mm。各层腔体因性能要求的不同而设计镂空的形状各异、大小不统一。在中间夹层中设置有小腔体，也有大腔体，最小层只有0.1mm厚度，不能用机加工或注塑的加工工艺完成，而如果采用3d打印工艺加工内腔体，精度远不到设计要求，在本公开内容中是通过蚀刻或者激光雕刻的工艺进行加工而成的，即选用激光雕刻的加工工艺完成不同厚度各薄片的加工，与此同时，底板通过cnc加工完成，最终，成品是各层精准定位后真空扩散焊接而成。

最后，本公开内容的第三方面提出了一种波导阵列天线，所述波导阵列天线至少包括根据本公开内容的第一方面所提出的用于波导阵列天线的辐射组件或者包括根据本公开内容的第二方面所提出的波导天线子阵列。

综上所述，依据本公开内容的辐射组件通过真空扩散焊工艺进行组装，而其辐射层独立地通过蚀刻或者激光雕刻的方式进行制造，从而使得加工精度更高，而且节省了相应的开模费用，降低成本。而且辐射组件通过在辐射组件的辐射窗口的窄边之间增加金属栅条，在不降低增益的条件下，提高口面辐射极化纯度，以达到更高的天线交叉极化(xpd)指标。此外，通过旋转阵元的分布方案(菱形分布)，实现了口面场的极化分量的锥削赋形，在一定的辐射效率衰减条件下，实现方向图的赋形优化。降低了旁瓣电平，从而满足etsi的3级要求。

图10示出了依据本公开内容中所使用的真空扩散焊工艺的方法400的流程图。扩散焊是两紧密贴合的焊件在真空或保护气氛中，经过一定温度和压力的保持，使接触面的原子相互扩散完成焊接的一种压焊方法。

真空扩散焊工艺具有以下四个特点，即：

首先，因为没有助焊剂，内部腔体不会滞留助焊剂；

其次，加热温度没有达到熔点，腔体不会变形而影响尺寸精度；

再者，同种物质融合在一起，不会产生电蚀、腐蚀等可靠性问题；

最后，焊接后保持原有基金属的物理、化学、力学以及电气性能。

常规扩散焊接工艺流程如下所示，即：

物件组装—>清洗—>放置于焊接炉—>在规定时间内加温到指定温度—>加压保温一定时间—>减压冷却—>取出物件。

根据材质的不同，材料厚度的不同，压力的大小，温度及保温时间都会不同。例如：铜材焊接温度约为1140℃,加压约为6mpa，焊接时间约为10小时。

从图10中可以看出，该方法400概括地讲包括以下四个步骤，首先，在方法步骤410之中，将基材板件裁剪成适当厚度的薄片状板材；然后，在方法步骤420之中将薄片状板材通过蚀刻/激光雕刻的方式或者借助于数控机床分别加工成第一辐射层110、210、310、第二辐射层120、220、320、第一耦合层130、230、330、功率分配层140、240、340、第二耦合层150、250、350、馈电网络层160、260、360以及基板170。接下来，在方法步骤430之中，将第一辐射层110、210、310、第二辐射层120、220、320、第一耦合层130、230、330、功率分配层140、240、340、第二耦合层150、250、350、馈电网络层160、260、360以及基板170进行对准并组装；最后，在方法步骤440之中，将采用真空扩散焊工艺将第一辐射层110、210、310、第二辐射层120、220、320、第一耦合层130、230、330、功率分配层140、240、340、第二耦合层150、250、350、馈电网络层160、260、360以及基板170焊接在一起。

更为具体而言，本公开内容提供了一种宽带高增益低副瓣低剖面波导阵列天线，包括若干个宽带天线子阵列及波导宽带功分馈电网络，所述的宽带天线子阵列包括辐射单元、辐射单元耦合缝、子阵功分层、功分层耦合缝、馈电波导，其中辐射单元位于第一层(最上层)，辐射单元耦合缝位于辐射单元与子阵功分层之间，处于第二层；子阵功分层位于第三层，功分层耦合缝位于第四层，馈电波导位于第五层。其中，波导宽带功分馈电网络输入端是一个e面波导魔t，e面波导的输入端作为天线输入端，两个输出端分别级联了若干个h面波导魔t。波导宽带功分馈电网络末端与宽带天线子阵列输入波导连接。进一步，若干个宽带天线子阵列成菱形排布。进一步，每一个宽带子阵列包含4个辐射单元，4个辐射单元耦合缝，1个子阵功分层，1个功分层耦合缝，1个馈电波导。进一步，所述辐射单元上表面，位于窄边的中心线上有一条金属条将辐射单元上表面窗口分为两半。进一步，所述子阵功分层，外形类似于躺着的字母“h”。辐射单元耦合缝，位于“h”的四端。进一步，所述辐射单元与辐射单元耦合缝几何中心重合，且辐射单元与辐射单元耦合缝成45度夹角。进一步，所述功分层耦合缝上表面与子阵功分层下表面几何中心重合。进一步，所述功分层耦合缝位于馈电波导宽边表面上，且与波导平行，并偏离波导几何中心线。进一步，所述的e面魔t的输入端口为标准波导，两个输出端口波导采用单脊波导结构。进一步，所述的h面魔t有两种形式：末端的h面魔t输入端口为单脊波导结构，两个输出端口为标准波导。中间级联的h面魔t，三个端口均采用单脊波导结构。本发明中辐射单元的采用菱形阵列布局，实现口面场的极化分量的锥削赋形，在一定的辐射效率衰减条件下，实现方向图的赋形优化。降低了旁瓣电平，从而满足etsiclass3要求。通过在辐射单元辐射窗口窄边中心，平行于宽边方向上增加栅条，在不降低增益的条件下，有效的提高了天线的交叉极化(xpd)。本发明中，通过层间馈电网络优化，实现0度到45度极化一级旋转，让整个结构方案更紧凑和更有工艺成本。本发明中的馈电网络采用e面魔t与h面魔t组合形式，使天线输入端口位于天线几何中心，有利于与发射室外单元集成与安装。本发明中的波导宽带馈电网络主要采用单脊波导结构有效的提高了工作带宽且缩小了体积。

综上所述，依据本公开内容的辐射组件通过真空扩散焊工艺进行组装，而其辐射层独立地通过蚀刻或者激光雕刻的方式进行制造，从而使得加工精度更高，而且节省了相应的开模费用，降低成本。而且辐射组件通过在辐射组件的辐射窗口的窄边之间增加金属栅条，在不降低增益的条件下，提高口面辐射极化纯度，以达到更高的天线交叉极化(xpd)指标。此外，通过旋转阵元的分布方案(菱形分布)，实现了口面场的极化分量的锥削赋形，在一定的辐射效率衰减条件下，实现方向图的赋形优化。降低了旁瓣电平，从而满足etsi的3级要求。最后，通过工艺激光雕刻基片的可以满足关键小尺寸精度要求，多层基片通过真空扩散焊的方式叠层组合，最终实现整体电气指标。

本领域技术人员应当理解，上面公开的各个实施例可以在不偏离发明实质的情况下做出各种变形和修改。因此，本公开内容的保护范围应当由所附的权利要求书来限定。

尽管已经描述了本公开内容的不同示例性的实施例，但对于本领域技术人员而言显而易见的是，能够进行不同的改变和修改，其能够实现本公开内容的优点中的一些而不背离本公开内容的精神和范畴。对于那些在本领域技术中相当熟练的人员来说，执行相同功能的其他部件可以适当地被替换。应提到，在此参考特定的附图解释的特征可以与其他附图的特征组合，即使是在那些没有明确提及此的情况中。此外，可以或者在所有使用恰当的处理器指令的软件实现方式中或者在利用硬件逻辑和软件逻辑组合来获得同样结果的混合实现方式中实现本公开内容的方法。这样的对根据本公开内容的方案的修改旨在被所附权利要求所覆盖。