间隙波导串联馈电的高增益毫米波天线的制作方法

本发明涉及一种毫米波天线技术，特别是一种基于槽型间隙波导串联馈电的毫米波阵列天线。

背景技术：

对于毫米波段，特别是60ghz以上的频段，传统微带线及共面波导线等平面传输线由于色散和介电材料的损耗，将产生较高的传输损耗，并且由于尺寸的限制，对其加工精度的要求极高；另一方面，矩形波导和同轴传输线由于高频下的低损耗而被使用，但在毫米波段仍存在加工技术复杂、成本高昂、与有源微波电子电路集成困难的问题。

文献1(p.s.kildal,e.alfonso,a.valero-nogueiraande.rajo-iglesias,"localmetamaterial-basedwaveguidesingapsbetweenparallelmetalplates,"inieeeantennasandwirelesspropagationletters,vol.8,no.,pp.84-87,2009.)提出间隙波导gwg(gapwaveguide)传输线技术，作为传统金属波导的演进。鉴于其具有低传输损耗、低加工成本以及高集成度等特性，被广泛适用于毫米波系统。其中，槽型间隙波导具有与传统金属波导相同的场分布，并且最易加工。

文献2(cao,baolin,etal."w-bandhigh-gainte220-modeslotantennaarraywithgapwaveguidefeedingnetwork."antennas&wirelesspropagationlettersieee,2015:988-991.)公开了高次模激励的2*2线极化缝隙子阵用于高增益的w波段的阵列天线的应用。为了提高整体性能，天线子阵用微带型间隙波导传输线构成的并馈网络馈电，天线口径效率可达66％。

串联馈电网络比并联馈电网络的损耗更低，传输效率更高，这种优势在设计大型阵列时更加显著。现有技术一般采用间隙波导并联馈电的方式实现二维高增益二维阵列，存在着结构复杂、阵面效率较低的缺点。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够工作在毫米波段，基于间隙波导串馈网络实现高增益的缝隙天线阵列。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种间隙波导串联馈电的高增益毫米波天线，包括高效率辐射单元子阵层、间隙波导缝隙耦合串联馈电网络以及波导缝隙耦合馈电结构；所述间隙波导缝隙耦合串联馈电网络位于高效率辐射单元子阵层和波导缝隙耦合馈电结构之间，所述高效率辐射单元子阵层包括若干呈矩阵排列的高效率辐射单元子阵；

所述间隙波导缝隙耦合串联馈电网络包括上层金属面、空气层、周期性排列的金属柱和接地板，接地板上设置周期性排列的金属柱，周期性排列的金属柱上方设置上层金属面，周期性排列的金属柱和上层金属面之间设置空气层，上层金属面上开有若干呈周期性排列的耦合缝隙；

波导缝隙耦合馈电结构为矩形波导，位于间隙波导缝隙耦合串联馈电网络底部，用于对间隙波导缝隙耦合串联馈电网络进行中心馈电，矩形波导上层宽边开呈周期性排列的耦合缝隙。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：1)本发明公开的间隙波导串联馈电的毫米波阵列天线明显提高了阵列口径效率，有利于满足毫米波天线高增益的要求；2)本发明公开的间隙波导串联馈电的毫米波阵列天线有利于降低馈网的整体尺寸，实现小型化的要求；3)本发明公开的间隙波导串联馈电的毫米波阵列天线结构简单，稳定度高，便于加工，成本低，有利于实现大规模生产。

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。

附图说明

图1为本发明槽型间隙波导串联馈电的毫米波阵列天线结构示意图。

图2为本发明槽型间隙波导串联馈电的毫米波阵列天线中矩形波导中馈间隙波导结构示意图。

图3为本发明槽型间隙波导串联馈电的毫米波阵列天线中单元子阵结构示意图。

图4为本发明槽型间隙波导串联馈电的毫米波阵列天线中单元子阵反射系数|s11|及增益随频率变化曲线图。

图5为本发明一种槽型间隙波导串联馈电的毫米波阵列天线反射系数|s11|及增益随频率变化曲线图。

图6为本发明槽型间隙波导串联馈电的毫米波阵列天线e面、h面辐射方向图。

图7为本发明金属柱在周期性边界条件下形成电磁带隙结构的仿真色散曲线图。

具体实施方式

结合附图，本发明的一种间隙波导串联馈电的高增益毫米波天线，包括高效率辐射单元子阵层3、间隙波导缝隙耦合串联馈电网络8以及波导缝隙耦合馈电结构12；所述间隙波导缝隙耦合串联馈电网络8位于高效率辐射单元子阵层3和波导缝隙耦合馈电结构12之间，所述高效率辐射单元子阵层3包括若干呈矩阵排列的高效率辐射单元子阵14；

所述间隙波导缝隙耦合串联馈电网络8包括上层金属面6、空气层9、周期性排列的金属柱10和接地板11，接地板11上设置周期性排列的金属柱10，周期性排列的金属柱10上方设置上层金属面6，周期性排列的金属柱10和上层金属面6之间设置空气层9，上层金属面6上开有若干呈周期性排列的耦合缝隙7；

波导缝隙耦合馈电结构12为矩形波导，位于间隙波导缝隙耦合串联馈电网络8底部，用于对间隙波导缝隙耦合串联馈电网络进行中心馈电，矩形波导12上层宽边开呈周期性排列的耦合缝隙13。

所述高效率辐射单元子阵14包括矩形金属介质谐振腔5和涂覆在其上表面开有四个矩形缝隙1的金属层2，所述四个矩形缝隙1呈2*2阵列分布，所述介质金属腔5四壁由等高的圆柱形金属柱4围成，介质金属腔5的底部为间隙波导缝隙耦合串联馈电网络8的上层金属面6，上层金属面6的每个耦合缝隙7均位于对应介质金属腔5的底部中心，所述耦合缝隙7为宽边横缝。

所述空气层9的高度小于0.25空气波长。

所述周期性排列的金属柱10形成电磁带隙结构。

所述矩形波导为标准矩形波导。

所述单元子阵14中矩形金属介质谐振腔5采用rogersro4350(εr＝3.66,tanσ＝0.004)介质材料，腔体材料厚度h为0.508mm，金属层2上的四个矩形缝隙1的宽ws为1.6mm、长ls为1.4mm,同时相邻矩形缝隙的相邻宽边间距l1为0.8mm,相邻长边间距w1为0.8mm,介质金属腔5四壁圆柱形金属柱4高度h为0.508mm、直径dd为0.25mm、排列周期pp为0.45mm，圆柱形金属柱4围成长wx为4.5mm、宽wy为4.5mm的矩形，耦合缝隙7的宽sw为0.8mm、长sl为2.2mm，耦合缝隙7的纵向排列周期d1是一个间隙波导波长为4.5mm、横向排列周期d2是矩形波导12的一个波导波长为5mm，空气层9的高度h为0.2mm,周期性排列的金属柱10高d为1mm、底面边长a为0.4mm、排列周期p为0.8mm,每个间隙波导中靠近波导中心的金属柱10与间隙波导中轴线距离(deta+a/2)为2.1mm,矩形波导12上的耦合缝隙13偏离矩形波导12中轴线距离off为0.6mm,耦合缝隙13长sll为1.98mm、宽sww为0.8mm，金属面6上的对应耦合缝隙13为相同尺寸，矩形波导12型号为wr-12，外截面长a为5.1mm、宽b为3.55mm，壁厚t为1mm。

本发明公开的间隙波导串联馈电的毫米波阵列天线结构简单，稳定度高，便于加工，成本低，有利于实现大规模生产。

下面进行更详细的描述。

结合图1，本发明的一种槽型间隙波导串联馈电的毫米波天线阵列，包括：高效率辐射单元子阵层3、间隙波导缝隙耦合串联馈电网络8以及波导缝隙耦合馈电结构12。所述间隙波导缝隙耦合串联馈电网络8位于高效率辐射单元子阵层3和波导缝隙耦合馈电结构12之间，所述高效率辐射单元子阵层3包括若干呈矩阵排列的高效率辐射单元子阵14，缝隙耦合馈电结构12的波导型号为wr-12。

结合图2，底部金属中心馈电波导12宽边蚀刻四个纵向缝隙13，间隙波导波长为d2。最边缘的缝隙距离波导两端距离为0.25*d2，相邻缝隙间距为一个波导波长d2，以便在波导12中形成驻波，并且同相激励每根间隙波导。为了切割电流，缝隙13偏离矩形金属波导12的中线一定距离off。金属矩形波导12到间隙波导8的耦合缝隙13长sll,宽sww,调节这两个尺寸以及偏离量off，可以调节波导间的阻抗匹配情况。

间隙波导馈电网络8由四根间隙波导横向对齐组成。相邻间隙波导的间距为一个金属矩形波导波长d2。每根间隙波导宽边刻蚀8个横向缝隙7，对上层辐射单元子阵层3进行耦合馈电。相邻缝隙的间距为一个间隙波导波长d1，以便同相激励每个子阵14。距离间隙波导中心最远的两个缝隙距离波导终端距离为0.5d1，最近的两个缝隙与中心间距为0.5d1，以便在间隙波导中形成驻波。耦合缝隙7的尺寸影响波导和子阵间阻抗匹配情况。

结合图3，间隙波导8由上层金属6、空气层9、周期性金属柱10以及接地板11组成。金属层6辐射单元子阵层3位于间隙波导缝隙耦合串联馈电网络8之间，其中刻蚀的耦合缝隙7的尺寸可影响二者阻抗匹配情况。根据间隙波导工作原理，空气层9的高度需要小于0.25空气波长。周期性排列的金属柱10形成电磁带隙结构，阻止一定频带内的波传播。在此阻带内，电磁波只能在带隙结构之间的槽中传播。槽的宽度2*deta决定间隙波导中激励的场型以及波导波长。结合图7，所示为周期性边界条件下金属柱10形成电磁带隙结构的色散曲线图。调节金属柱10的尺寸及排列周期可以调整阻带位置和带宽。

结合图3，子阵10的介质腔5采用rogersro4350(εr＝3.66,tanσ＝0.004)材料，腔体四壁以等高圆柱形金属柱4围成。腔体上方涂覆一层金属2，其中刻蚀出2*2阵列分布的矩形缝隙1。调节腔体尺寸和辐射缝尺寸及位置，可以调节子阵3与馈电间隙波导耦合缝隙7的阻抗匹配，优化辐射性能。子阵10位于每个间隙波导耦合缝7上方并平铺在馈电网络8上层，最终形成16*8单元的二维阵列，如图1。

下面结合实施例对本发明的具体装置的细节及工作情况进行细化说明。

实施例1

整体天线尺寸为38.4mm*22mm*7.108mm。

结合图1、2、3、7，根据具体实施方式中论述的结构，经过电磁仿真软件hfss建模仿真，天线相关的尺寸如下设置(单位：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。

结合图4，本发明槽型间隙波导串联馈电的毫米波天线阵列子阵的反射系数|s11|在74.6ghz至85ghz小于-10db,增益在此频带内变化小于1db,子阵增益达90％以上。

结合图5，本发明槽型间隙波导串联馈电的毫米波天线阵列反射系数|s11|低于-10db的工作频带为76.5ghz～77.6ghz,增益在此频带内大于27dbi,口径效率达71.4％以上。阵列法向增益最大在77ghz处，可达27.6dbi，此时口径效率最高，为83.3％。

综上所述，本发明实现了一种槽型间隙波导串联馈电的高增益毫米波阵列天线，具有效率高、体积小、成本低、易加工、稳定性高的特点，适用于毫米波波段的应用，如77ghz汽车防撞雷达。