基于3D打印和金属镀层的中空杆壁波导缝隙阵列天线的制作方法

本发明涉及波导缝隙阵列天线，尤其是涉及一种基于3d打印和金属镀层的中空杆壁波导缝隙阵列天线。

背景技术：

波导缝隙阵列天线具有介质损耗和辐射损耗低的特点，所以其具有效率高、结构紧凑、功率容量高等性能，易于实现宽频段、高增益、低副瓣性能，广泛应用于航空航天和雷达通信系统等。它是在波导壁上按一定规律开细长的裂缝，通过切断波导壁上的电流通路，使缝隙受到激励，波导中传输的电磁波通过缝隙向自由空间中辐射而形成的一种口径天线。

常见的缝隙有开在波导的窄边上的倾斜缝隙，开在波导宽上边的横向缝隙和纵向缝隙，还有开在波导宽边中央的倾斜缝隙。其中窄壁上开斜缝和宽壁上开纵缝等效于传输线上的并联导纳，宽壁上开横缝和中央开斜缝等效于传输线上串联阻抗(校焕庆，西安电子科技大学，波导缝隙阵列天线分析与设计)。

对于波导缝隙阵列天线，当采用串联馈电阵元数较多时，由于长线效应的影响(makotoando,yasuhirotsunemitsu,miaozhang,jirohirokawaandshusukefujii,“reductionoflong-lineeffectsinsingle-layerslottedwaveguidearrayswithanembeddedpartially-corporatefeed,”ieeetrans.antennaspropag.,2010，58(7)：2275-2280)，会造成带宽的降低。天线的子阵化是最行之有效的方法，采用多级并联馈电网络并利用周期性可将二维天线分解成若干个子阵，从而减少子阵中串联阵元数量，改善天线带宽并降低天线设计难度。

金属镀层的中空杆壁波导缝隙阵列天线作为一种新型波导形式，其基本结构与基片集成波导较为类似，它同样是利用一排周期性打在介质上的镀层金属杆代替传统波导的金属壁，可以把电磁波限制在一定的空间范围内向前传播。和传统矩形波导相比，金属镀层的中空杆壁波导易加工、重量轻，而且具有和矩形波导相似的传播特性。而和传统基片集成波导最大的不同在于，金属镀层的中空杆壁波导不采用传统的电介质填充，而仅仅是与空气结合，因此与基片集成波导相比，金属镀层的中空杆壁波导中不存在介质损耗，更易实现低损耗、高效率。

由于波导缝隙阵列天线是一个相对大且复杂的波导系统，很难甚至不可能通过铣削或线切割等普遍的加工方法在一块独立金属上制造完成。传统的波导缝隙阵列天线加工方法将天线结构分成几个部分，并通过螺钉联结或扩散焊接等粘接技术将它们固定在一起。然而，这类工艺制造出的天线中不仅存在校准误差，天线结构内相邻金属层之间还会存在着不可避免的空气间隙，这些加工产生的误差极有可能导致在结构内存在电磁波泄漏和多次反射，这些现象严重到足以大大降低天线在高频段工作时的性能(guan-longhuang,shi-gangzhou,tan-huatchio,chow-yen-desmondsim,andtat-soonyeo,“widebanddual-polarizedanddual-monopulsecompactarrayforsarsystemintegrationapplications,”ieeegeoscienceandremotesensingletters,2016，13(8))。

另一种方法是运用新兴的3d打印技术，该技术以其制造复杂三维物体的灵活性和多样性，在短时间内低成本地制造复杂三维物体，已经引起了电磁领域研究人员的极大兴趣。由于整个结构是一体化打印出来的，不需要任何装配，避免了传统机械加工制造的弊端和风险，因此可以保持良好的天线性能(guan-longhuang,shi-gangzhouandtan-huatchio“highly-efficientself-compactmonopulseantennasystemwithintegratedcomparatornetworkforrfindustrialapplications,”ieeetransactionsonindustrialelectronics,2017，64(1))。然而，3d打印技术在制造类似与基片集成波导等结构时一般使用非导电塑料(聚合物、热塑性塑料)、金属或金属合金两类材料，但由于当前3d打印技术的局限性，不论是使用哪一种材料，表面的不平整都难以避免，而在毫米波频段，表面的不均匀会严重影响器件性能，因此表面的后抛光处理显得尤为重要。工艺上常用电解金属镀层进行后抛光处理，例如铝金属化。然而，在具有复杂的和不可见内部结构的器件很难实现表面电镀，任何不均匀电镀也将会影响器件性能。因此，设计出便于电镀液流通覆盖的简单器件结构在目前3d打印技术制造的天线中越来越受重视。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有波导缝隙阵列天线的不足与未考虑之处，提供具有易加工、低损耗、频带宽、高增益等优点，可广泛用于高速无线通信、5g通信、近距离通信的一种基于3d打印和金属镀层的中空杆壁波导缝隙阵列天线。

本发明从上至下依次设有含有谐振腔的金属镀层中空杆壁层、金属镀层中空杆壁波导馈电网络层；所述金属镀层中空杆壁波导馈电网络层集成由级联的t、h型功率分配器组成的馈电网络，所述基于3d打印和金属镀层的中空杆壁波导缝隙阵列天线的输入端与馈电网络通过基于3d打印和金属镀层的中空杆壁波导缝隙阵列天线的主馈电部分连接，馈电网络与谐振腔通过耦合缝隙连接，谐振腔与自由空间通过辐射缝隙连接。

所述金属镀层中空杆壁波导馈电网络层和金属镀层中空杆壁层内的相邻镀层金属杆间距应不小于0.15mm。

所述谐振腔可采用由周期排列镀层金属杆围绕而成的中空结构谐振腔。

所述耦合缝隙可采用由周期排列辐射缝隙子阵的耦合缝隙。所述辐射缝隙可采用由周期排列辐射缝隙子阵的辐射缝隙。耦合缝隙和辐射缝隙的宽度均应不小于0.15mm。

所述主馈电部分将能量耦合到馈电网络中，进入天线结构，馈送至每一个辐射缝隙，主馈电部分包括主波导和过渡波导，主波导宽度可设为3.80mm，主波导中轴相对过渡波导短路端偏移量可设为1.08mm，过渡波导宽度可设为2.94mm。

本发明合理地选取各部分镀层金属杆的参数，使得镀层金属杆在空气中构成馈电网络和谐振腔，能够有效地避免介质损耗，并利用中空杆壁波导结构便于3d打印和金属电镀工艺的特性，不仅避免了传统加工工艺产生的加工误差，而且大幅降低了天线的加工周期、难度和成本，从而实现了低损耗、易加工、频带宽、高增益的天线结构。并且馈电网络的各个输出端口通过谐振腔与辐射缝隙子阵相连接，这使得每个子阵内辐射缝隙激励幅度与相位可进行调整，易于实现阵列的加权分布，并保持了天线良好的宽频带特性。

本发明采用中心背馈式馈电，馈电网络采用的是级联的t、h型功率分配器。电磁波通过主馈电部分耦合到馈电网络中，之后通过馈电网络馈送至每一个耦合缝隙，再通过谐振腔进入每一个辐射缝隙子阵，最终辐射到外部空间。

本发明的金属镀层中空杆壁层的结构内拥有由周期排列镀层金属杆围绕而成的谐振腔，每个谐振腔的中心对应了一个处在其正下方的耦合缝隙的中心，谐振腔的存在增加了谐振点进一步拓宽了辐射单元的匹配带宽和辐射带宽，大幅改善了辐射部分以及天线整体的匹配带宽和辐射带宽。

本发明公开了一种基于3d打印和金属镀层的中空杆壁波导(post-wallwaveguide)缝隙阵列天线。区别于传统的基于金属壁波导与基于基片集成波导的阵列天线，本发明的主要结构由基于3d打印和金属镀层的中空杆壁波导结构组成。且设计中着重控制天线结构中镀层金属杆的尺寸、间距，耦合缝隙与辐射缝隙的宽度、厚度，因此在加工方面，本发明的波导缝隙阵列天线易于采用3d打印技术结合电解金属镀层工艺一体化加工实现，与传统加工工艺相比，大大降低了加工难度和加工成本，并且有效克服了传统扩散焊接工艺等焊接技术中的金属层之间不可避免的误差缺陷与单一3d打印技术中的表面光洁度缺陷。本发明充分发挥天线结构特点以及该结构带来的加工工艺优势，实现了易加工，低损耗，频带宽，高增益的高性能天线，因此具有广泛的应用价值。

附图说明

图1是本发明实施例整体的剖视图。

图2是本发明实施例完整结构的主视图。

图3是本发明实施例馈电直波导部分的俯视图。

图4是本发明实施例馈电直波导部分的三维图。

图5是本发明实施例中金属镀层中空杆壁层t型结的结构俯视图。

图6是本发明实施例中金属镀层中空杆壁层h型结的结构俯视图。

图7是本发明实施例主馈电部分的三维图。

图8是本发明实施例中2×2辐射子阵的俯视图。

图9是本发明实施例中2×2辐射子阵的侧视图。

图10是本发明实施例中2×2辐射子阵谐振腔的俯视图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

本实施例为一种基于3d打印和金属镀层的中空杆壁波导缝隙阵列天线。选用16×16阵元结构，辐射子阵选用2×2阵元结构。该阵列采用中心频率为61.5ghz频率的中心背馈式馈电，并采用全并联馈电网络馈电。

参见图1和2，该16×16天线由金属镀层中空杆壁波导馈电网络层2、含有谐振腔4的金属镀层中空杆壁层3组成；所述金属镀层中空杆壁波导馈电网络层2集成由级联的t、h型功率分配器组成的馈电网络，所述基于3d打印和金属镀层的中空杆壁波导缝隙阵列天线的输入端1与馈电网络通过基于3d打印和金属镀层的中空杆壁波导缝隙阵列天线的主馈电部分7连接，馈电网络与谐振腔4通过耦合缝隙5连接，谐振腔4与自由空间通过辐射缝隙6连接。入射电磁波从基于3d打印和金属镀层的中空杆壁波导缝隙阵列天线的输入端1通过基于3d打印和金属镀层的中空杆壁波导缝隙阵列天线的主馈电部分7进入金属镀层中空杆壁波导馈电网络层2，经过由级联的t、h型功率分配器组成的馈电网络到达各耦合缝隙5，之后经过金属镀层中空杆壁层3中的谐振腔4进入各辐射缝隙6，最终辐射到外部空间。

在本实施例中，采用一种基于3d打印和金属镀层的中空杆壁波导缝隙阵列天线的设计方法，使用hfss仿真软件对该波导缝隙阵列天线进行设计和仿真分析。具体设计步骤如下：

参见图2，本发明采用中心背馈式馈电，通过主馈电部分将能量耦合到馈电网络中，进入天线结构，馈送至每一个辐射缝隙。参见图7，主馈电部分包括主波导和过渡波导，主波导宽度a_main设为3.80mm，主波导中轴相对过渡波导短路端偏移量a_off设为1.08mm，过渡波导宽度a_tran设为2.94mm。

根据天线馈电网络和阵元排列的周期性，将阵列天线整体分割为子阵的连接，包括金属镀层中空杆壁直波导，t型、h型功率分配器和2×2辐射子阵；独立设计金属镀层中空杆壁直波导，t型、h型功率分配器和2×2辐射子阵以降低大规模天线设计的复杂度。

1)确定金属镀层中空杆壁直波导的参数：参见图3和4，选择合适的镀层金属杆的尺寸，通过优化镀层金属杆中空波导的宽度，并控制同一排相邻镀层金属杆间距，优化直波导中的电磁波通过率。其中直波导内镀层金属杆直径r_1设为0.40mm，同一排相邻镀层金属杆间距d_1设为0.40mm，在优化反射的同时保证满足加工工艺的要求与电磁波的有效传输，金属镀层中空杆壁直波导宽度w_1设为3.21mm，高度h_1设为1.20mm。

2)确定馈电网络中t型、h型功率分配器所需镀层金属杆的参数：参见图5和6，通过外加的三组金属杆调节t型功率分配器的反射。t型、h型功率分配器中金属镀层中空杆壁直波导部分的宽度均同样设为w_1。对于t型功率分配器，窗口宽度w_2设为3.29mm，w_3设为3.15mm，位于t型功率分配器分叉处的外加的一组金属杆最初为两个，为了保证电镀工艺中电镀液的流动性，将其中之一与金属镀层中空杆壁直波导部分位于中轴线的金属杆合并为一个大的金属杆，其偏移量o_1设为0.60mm，靠外独立金属杆偏移量o_2设为1.18mm。对于h型功率分配器，需要在结合最后两节t型功分器的基础上重新设计，窗口宽度w_4设为3.112mm，w_5设为3.158mm，金属杆偏移量o_3设为0.731mm，o_4设为0.633mm。

3)2×2辐射子阵的设计：将h型功率分配器中的金属镀层中空杆壁直波导部分分离出来加上耦合缝隙、谐振腔和2×2辐射子阵，最上方空气盒子的外部使用两对周期边界条件以模拟相邻缝隙之间的耦合影响。步骤如下：

(1)参见图8和9，2×2辐射子阵放置在谐振腔上方子阵内，相邻辐射阵元间距d_2均设为4.20mm。考虑到加工的便捷性，辐射缝隙厚度t_1设为0.40mm。选取较宽的辐射缝隙宽度w_6设为2.20mm，辐射缝隙长度l_1设为3.28mm，实现了较低的品质因数，改善子阵带宽特性。

(2)参见图8和9，耦合缝隙放置在h型功率分配器的较边缘处，使其距离波导中心有着较大的偏移量p_1设为1.205mm，其厚度t_2设为0.40mm。缝隙长度l_2设为2.80mm，使得其对于谐振腔有较强激励的同时并带来新的谐振点，进一步优化子阵带宽。

(3)参见图9和10，为了使耦合缝隙在相位和振幅相等的情况下馈送2×2辐射子阵。谐振腔放置在耦合缝隙的正上方，谐振腔为由镀层金属杆围绕而成的中空结构。优化谐振腔尺寸，谐振腔高h_2设为1.00mm，腔长l_3设为7.88mm，腔宽w_7设为6.80mm，并增设两组对称的具有合理间距的镀层金属杆进行阻抗匹配，增设的镀层金属杆偏移量y_1设为1.00mm，y_2设为0.40mm，x_1设为0.365mm，以获得最大的辐射带宽。

4)最终将天线各部分组合成整体天线阵列，变化各缝隙长度等参数，调节整体天线的谐振点和谐振特性，进一步改善天线带宽。