基于SIW的共形超宽带H面喇叭天线及其制作方法与流程

本发明涉及微波射频天线领域，具体而言涉及一种基于siw的共形超宽带h面喇叭天线及其制作方法。

背景技术：

无线通信技术的迅猛发展以及雷达、预警、探测、导弹制导以及电子对抗等军事技术的不断进步，天线作为无线系统的核心部件也在不断发展。工业界和军工系统对天线的结构外形、性能参数、装配方式、尺寸大小等技术指标提出了新要求，高性能天线的潜在需求进一步推动了天线技术的进步和发展。天线的结构类型由传统的立体机械结构向平面结构、与载体平台共形的结构发展。

宽带天线技术，早期主要应用于军事领域，在雷达监测、反隐身技术、电子对抗等方面有突出的贡献。近年来，超宽带技术也逐渐被引入民用领域，在宽带通信、扩频通信、探地雷达、场的测量、电磁兼容等领域有着广泛的应用。随着无线通信业务种类的增加以及通信容量的提高，为了满足各种商用和军用无线设备的发展要求，人们对重量轻、结构灵活、剖面低且易于集成的天线需求也变得强烈。虽然一些传统的天线能实现超宽带特性和稳固的增益，但是为了适应未来无线通信的发展，天线不仅要追求宽频带的特性，同时还要兼顾到小型化，极化和带内方向图稳定性等诸多问题。现代卫星广播、手机平台的通信系统、无人机探测系统等等越来越倚重于低剖面、宽带天线。因此，探索和发展超低剖面宽带天线的结构和机制，研究和解决适合弹载、机载的共形超宽带天线在设计和测试上的关键技术具有重要的科学意义和工程应用价值。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种基于siw的共形超宽带h面喇叭天线及其制作方法，能够解决h面喇叭天线共形于弯曲导体平台的关键问题，保证天线在结构弯曲的情况下，同时具有超宽带、稳定的方向图等特性。

为达成上述目的，结合图1至图4，本发明提出一种基于siw的共形超宽带h面喇叭天线，所述共形超宽带h面喇叭天线包括导体以及等间距水平排布在导体侧表面的n个共形超宽带h面喇叭天线单元；

所述导体包括相互连接的第一导体部和第二导体部，第一导体部呈圆锥型，第二导体部呈圆柱型，第一导体部的底面与第二导体部的顶面尺寸相同；

所述导体内具有一空腔，n个共形超宽带h面喇叭天线单元通过紧固部固定在第二导体部的侧表面上；

所述共形超宽带h面喇叭天线单元包括转换部、脊波导、加载脊结构的h面喇叭天线和介质板；

所述介质板包括沿竖直方向自上而下重叠设置的贴片层、介质层、金属层，所述贴片层、介质层、金属层互相平行；

所述介质板平行铺设在导体侧表面上，所述介质层通过金属层与导体侧表面贴附连接；

所述加载脊结构的h面喇叭天线包括设置在介质层的上表面的第一缝隙、第二缝隙和脊结构；

所述第一缝隙和第二缝隙对称设置在脊结构两侧，沿脊结构的延伸方向呈喇叭张角状；

所述脊结构包括呈阶梯型设置在介质板上表面的第一凹槽，其轴中心线的延伸方向平行于导体侧表面，脊结构包括依次连接的第一阶梯部、第二阶梯部、第三阶梯部；

所述第一阶梯部的宽度、深度分别大于第二阶梯部的宽度、深度，第二阶梯部的宽度、深度分别大于第三阶梯部的宽度、深度；

所述脊波导与第一阶梯部远离第二阶梯部的一端连接，脊波导的矩形腔的延伸方向垂直于脊结构的轴中心线的延伸方向；

所述介质板底部上设置有第二凹槽；

所述转换部包括倒锥型探针和曲面短路板；

所述倒锥型探针包括相互连接的锥形底部和探针部，其中，锥形底部设置在第二凹槽内，与脊波导连接，其探针部延伸至第二凹槽外；

所述曲面短路板包括设置在介质层上的若干个金属通孔，金属通孔的延伸方向与导体侧表面垂直；

所述若干个金属通孔围绕脊波导等距排列，构成一圆弧臂、以及分别与圆弧臂两端连接的第一直线臂和第二直线臂，其中，第一直线臂和第二直线臂均与脊结构的轴中心线平行，且第一直线臂不与圆弧臂连接的一端连接至第一缝隙临近脊波导的一端，第二直线臂不与圆弧臂连接的一端连接至第二缝隙临近脊波导的一端。

进一步的实施例中，所述贴片层包括相互连接的短路腔和圆弧形口径部；

所述圆弧形口径部设置在第三阶梯部远离第二阶梯部的一端，其由两个半径相同的圆片相交组成。

进一步的实施例中，所述第一凹槽的底部设置在介质层内。

进一步的实施例中，所述介质层相对于贴片层具有一延伸介质部；

所述延伸介质部包括依次连接的第一延伸部、第二延伸部和第三延伸部；

所述第一延伸部、第三延伸部均平行于脊结构的轴中心线，所述第二延伸部呈圆弧形，第二延伸部位于所述圆弧形口径部远离h面喇叭天线的一端。

进一步的实施例中，所述脊波导采用单脊波导结构。

进一步的实施例中，所述倒锥型探针的锥形底部侧表面和介质板之间具有一空气腔。

进一步的实施例中，所述第一阶梯部的长度大于第二阶梯部和第三阶梯部的长度之和。

进一步的实施例中，所述介质板采用厚度为3.175mm、介电常数为2.2的rogers5880制成。

进一步的实施例中，所述第二导体部的半径为150mm。

基于前述天线结构，本发明还提及一种基于siw的共形超宽带h面喇叭天线的制作方法，所述方法包括：

采用siw技术以制作前述的基于siw的共形超宽带h面喇叭天线。

以上本发明的技术方案，与现有相比，其显著的有益效果在于：

1)本发明通过倒锥形探针和圆弧形短路腔实现电磁场从sma到脊波导的宽带过渡。

2)本发明选用厚度为3.175mm，介电常数为2.2的rogers5880作为介质基板，采用siw技术，实现低剖面h面喇叭天线，较现有天线具有更薄的厚度和更宽的带宽，能实现结构的弯曲，共形于弯曲导体表面。

3)本发明通过引入脊结构，拓宽单模工作带宽，并采用阶梯型脊结构实现脊波导到喇叭口径的过渡，采用圆弧形口径平滑喇叭口径与自由空间的凸变，实现具有稳定方向图的宽带h面喇叭天线。

4)本发明通过缝隙替代喇叭张角部分两侧金属侧壁的方法，改善电流分布，获得具有6.1-19ghz(vswr<2.5)工作带宽的共形h面喇叭天线。

5)本发明将六个共形超宽带h面喇叭天线均匀排布于圆柱形导体表面，实现全空间探测。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是本发明的基于siw的共形超宽带h面喇叭天线的总体结构示意图。

图2是本发明的基于siw的共形超宽带h面喇叭天线结构示意图。

图3为基于siw的单脊波导结构图。

图4为sma到脊波导的转换的结构示意图。

图5为共形超宽带h面喇叭天线的驻波比测试图。

图6为共形超宽带h面喇叭天线的增益测试图。

图7为共形超宽带h面喇叭天线的归一化方向图测试图。

图8为天线方向图的前后比和旁瓣电平测试图。

图9为天线各单元之间输入端口的耦合系数。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

具体实施例一

结合图1至图4，本发明提出一种基于siw的共形超宽带h面喇叭天线，所述共形超宽带h面喇叭天线包括导体以及等间距水平排布在导体侧表面的n个共形超宽带h面喇叭天线单元10。

所述导体包括相互连接的第一导体部21和第二导体部22，第一导体部21呈圆锥型，第二导体部22呈圆柱型，第一导体部21的底面与第二导体部22的顶面尺寸相同。

所述导体内具有一空腔，n个共形超宽带h面喇叭天线单元10通过紧固部固定在第二导体部22的侧表面上。

优选的，所述第二导体部22的半径为150mm。

本发明通过在圆柱导体表面等间距排布六个共形超宽带h面喇叭天线单元10，实现空间360゜探测。

所述共形超宽带h面喇叭天线单元10包括转换部、脊波导13、加载脊结构的h面喇叭天线11和介质板。

所述介质板包括沿竖直方向自上而下重叠设置的贴片层14、介质层15、金属层，所述贴片层14、介质层15、金属层互相平行；

所述介质板平行铺设在导体侧表面上，所述介质层15通过金属层与导体侧表面贴附连接优选的，所述介质板采用厚度为3.175mm、介电常数为2.2的rogers5880制成。

所述加载脊结构的h面喇叭天线包括设置在介质板上表面的第一缝隙112、第二缝隙112和脊结构113。所述第一缝隙111和第二缝隙112对称设置在脊结构113两侧，沿脊结构113的延伸方向呈喇叭张角状。

通过采用加载阶梯型的h面喇叭天线11，引入脊结构113，拓宽单模工作带宽，实现宽频带，并采用阶梯型脊结构113实现脊波导13到喇叭口径部的过渡。

所述脊结构113包括呈阶梯型设置在介质板上表面的第一凹槽，其轴中心线的延伸方向垂直于导体侧表面，脊结构113包括依次连接的第一阶梯部113a、第二阶梯部113b、第三阶梯部113c。

优选的，所述第一凹槽的底部设置在介质层内。

所述第一阶梯部113a的宽度、深度分别大于第二阶梯部113b的宽度、深度，第二阶梯部113b的宽度、深度分别大于第三阶梯部113c的宽度、深度。

优选的，所述第一阶梯部113a的长度大于第二阶梯部113b和第三阶梯部113c的长度之和。

所述第一缝隙111和第二缝隙112构成h面喇叭天线的喇叭口径部。

本发明通过采用缝隙替代喇叭张角部分的两侧金属侧壁，改变电流分布，改善阻抗匹配，获得具有6.1-19ghz(vswr<2.5)工作带宽的共形h面喇叭天线。

所述脊波导13与第一阶梯部113a远离第二阶梯部113b的一端连接，脊波导13的矩形腔的延伸方向垂直于脊结构113的轴中心线的延伸方向。

优选的，所述脊波导13采用单脊波导结构，通过单脊波导结构实现宽带单模工作带宽。

所述介质层15底部上设置有第二凹槽。

所述转换部包括倒锥型探针12a和曲面短路板12b。

所述倒锥型探针12a包括相互连接的锥形底部和探针部，其中，锥形底部设置在第二凹槽内，与脊波导13连接，其探针部延伸至第二凹槽外。

所述曲面短路板12b包括设置在介质层15上的若干个金属通孔，金属通孔的延伸方向与导体侧表面垂直，优选的，每个金属通孔均贯穿介质板，便于制作，减少制作工序。

所述若干个金属通孔围绕脊波导13等距排列，构成一圆弧臂、以及分别与圆弧臂两端连接的第一直线臂和第二直线臂，其中，第一直线臂和第二直线臂均与脊结构113的轴中心线平行，且第一直线臂不与圆弧臂连接的一端连接至第一缝隙111临近脊波导13的一端，第二直线臂不与圆弧臂连接的一端连接至第二缝隙112临近脊波导13的一端。

在一些例子中，所述倒锥型探针12a的锥形底部侧表面和介质板之间具有一空气腔16。

本发明采用倒锥形探针12a和曲面短路板12b在宽带内实现电磁波由同轴线到脊波导13的转换。

所述贴片层14包括相互连接的短路腔和圆弧形口径部。

所述圆弧形口径部设置在第三阶梯部113c远离第二阶梯部113b的一端，其由两个半径相同的圆片相交组成。优选的，两个圆片的圆心相对于脊结构113对称设置。

本发明通过采用圆弧形喇叭口径实现低剖面口径天线与自由空间的平滑过渡，获得宽频带并提高辐射特性，实现具有稳定方向图的宽带h面喇叭天线。

优选的，所述介质层15下表面设置有金属层。

所述介质层15通过金属层与导体侧表面贴附连接。

进一步的实施例中，所述介质层15相对于贴片层14具有一延伸介质部。

所述延伸介质部包括第一延伸部、第二延伸部和第三延伸部。

所述第一延伸部、第三延伸部呈直线型，均平行于脊结构的轴中心线。

所述第二延伸部呈圆弧形，位于所述圆弧形口径部远离h面喇叭天线的一端。

优选的，第二延伸部的宽度大于第一延伸部和第三延伸部的宽度，第一延伸部和第三延伸部结构相同，对称设置在脊结构113两侧。通过调节第一延伸部和第三延伸部的宽度和长度以实现阻抗匹配。

在一些例子中，选用介质板来制作本发明所述的基于siw的低剖面超宽带h面喇叭天线，介质板包括介质层15、以及设置在介质层15两侧的第一金属层和第二金属层，其中，介质层15通过位于介质层15下方的第二金属层与导体侧表面贴附连接，再将位于介质层15上方的第一金属层制作成贴片层14，介质层15相对于贴片层14延伸出的部分作为延伸介质部。

本发明还提及一种基于siw的共形超宽带h面喇叭天线的制作方法，所述方法包括：

采用siw技术以制作前述基于siw的共形超宽带h面喇叭天线单元10。

通过采用siw技术，实现低剖面h面喇叭天线单元10的制作，较现有天线具有更薄的厚度和更宽的带宽，能实现结构的弯曲，共形于弯曲导体表面。

具体实施例二

图1为基于siw的共形超宽带h面喇叭天线的工程结构图。可知，天线由sma到脊波导13的转换器、阶梯型脊喇叭、圆弧形口径和圆柱形导体组成，其中转换器从介质板底部放入，圆弧形口径由两个相同的圆相交组成，具体参数为ws＝56mm，ls＝78mm，w1＝5mm，w2＝4mm，w3＝2mm，l1＝30mm，l2＝4.6mm，l3＝4mm，h1＝2.5mm，h2＝2.2mm，h3＝1.7mm，wg＝3.5mm，dp＝16mm，rp＝2mm，r＝100mm，h＝3.175mm。

结合图5-图9，可以看到，本发明能够解决h面喇叭天线共形于弯曲导体平台的关键问题，保证天线在结构弯曲的情况下，同时具有超宽带、稳定的方向图等特性。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定义在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。