基于槽间隙波导的超宽带单层缝隙阵列天线的制作方法

1.本发明涉及毫米波超宽带天线技术领域，尤其涉及一种基于槽间隙波导的超宽带单层缝隙阵列天线。


背景技术：

2.近年来 ，对毫米波天线技术的研究引起了越来越多的关注。毫米波应用具有工作带宽宽、一定口径下波束宽度窄、分辨率高、传播受气候影响小、更容易小型化等优点。然而在毫米波段，更严重的表面波效应、更高的介质损耗等不利因素，也给高性能天线设计带来麻烦。传统的传输线比如微带线、带状线的可用性大大降低，因此对找到毫米波段性能良好的传输线提出了需求。一种基于电磁带隙结构和空气填充的新型传输线，即间隙波导(gwg，gap waveguide)应运而生。间隙波导由空气填充，电磁波在空气中传播，使其具备了低损耗的传输性能，解决了常见微波传输线，如微带线、带状线或集成了介质的基片集成波导，在毫米波段辐射损耗和介质损耗大的问题。同时，与矩形空腔波导不同，间隙波导的侧壁不是简单的金属壁形成的封闭结构，而是通过将金属柱周期性排列形成了电磁带隙结构，阻断了电磁波的传播。两侧的电磁带隙结构与顶层金属板之间存在一定高度的空气间隙，因此，在加工装配中不需要严格的电连接，极大地降低了加工难度。因此，该技术机械装配更简单，在毫米波频率范围内具有很大优势。在设计间隙波导元件时，应将周期性电磁带隙结构设计成覆盖特定频带阻的结构。
3.在各种雷达或通信系统中，天线作为重要前端器件，主要功能是实现电路中导行电磁波和空间中无线电波的能量转换。在要求平面或者低剖面的应用中，一般用微带阵列或者波导缝隙阵列实现高增益天线。在毫米波段，波导缝隙阵列天线更具优势。波导缝隙天线阵列一般由许多开在矩形金属波导壁上的缝隙组成，具有口径分布易于控制、易于实现窄波束宽度、副瓣电平低、损耗低、容量大、结构紧凑牢固、易于集成等诸多优点。波导缝隙阵列天线具有结构紧凑、辐射效率高、功率容量大等诸多优点，是一种重要的天线形式。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是如何提供一种具有超宽带、结构简单、阵列单元紧凑、损耗性能优于传统微带器件的超宽带单层缝隙阵列天线。
5.为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于槽间隙波导的超宽带单层缝隙阵列天线，其特征在于：包括金属底板，所述金属底板的上表面形成有槽间隙波导和脊间隙波导，且所述槽间隙波导和脊间隙波导之外的金属底板的上表面形成有若干个周期性的金属销钉，所述金属销钉的上表面覆盖有上层金属板，所述上层金属板的下表面形成有若干组u型槽，与所述u型槽相对应的所述金属柱的尺寸小于u型槽外侧的所述金属销钉的尺寸，通过联合槽间隙波导和脊间隙波导设计馈电网络结构，通过调整与u型槽相对应的金属销钉的尺寸设计不同谐振频率的谐振腔，通过在上层金属板上不同长度的u型槽，产生多个谐振点从而实现阵列天线的超宽带特性。
6.进一步的技术方案在于：在所述金属底板的中间挖掉一个槽体，形成第一槽间隙波导，所述第一槽间隙波导横向设置，且所述第一槽间隙波导的一端位于所述阵列天线的外侧形成波导输入端口，所述槽间隙波导的另一端向内延伸与纵向形成的脊间隙波导相连通，且所述脊间隙波导被所述槽间隙波导分为两段，每段所述脊间隙波导内形成有一个金属过渡脊，所述金属过渡脊的宽度小于所述脊间隙波导的宽度，所述金属过渡脊的外侧端部延伸至横向设置的第二内槽间隙波导内，所述第二内槽间隙波导位于所述金属销钉之间，且第二内槽间隙波导两端不延伸至所述金属底板的外侧。
7.进一步的技术方案在于：金属销钉包括若干个周期状的第一销钉，所述第一销钉之间形成有多组高度小于第一销钉的金属柱，其中每组金属柱包括第一金属柱、第二金属柱和第三金属柱，其中每组金属柱中所述第一金属柱位于所述第二内槽间隙波导的外侧，每组金属柱中所述第二金属柱以及第三金属柱位于所述第二内槽间隙波导的内侧。
8.优选的，所述金属柱设置有四组，其中的两组位于所述脊间隙波导的一侧，另两组位于所述脊间隙波导的另一侧。
9.进一步的技术方案在于：所述第一金属柱、第二金属柱以及第三金属柱的整体为长方体型，且所述第二金属柱与第三金属柱的横截面相同，高度相同或不同，所述第一金属柱的横截面面积小于所述第二金属柱的横截面面积。
10.优选的：所述第一金属柱的长、宽和高为1mm
×
1mm
×
1.2mm， 所述第二金属柱的长、宽和高为1.2mm
×
1.2mm
×
1.2mm, 所述第三金属柱的长、宽和高为1.2 mm
×
1.2mm
×
1.3mm。
11.进一步的技术方案在于：所述第二金属柱与所述第三金属柱之间设置有一个第一销钉。
12.进一步的技术方案在于：所述每组u型槽包括第一u型槽和第二u型槽，所述第一u型槽的开口与所述第二u型槽的开口相对设置，且所述第一u型槽在上下投影方向上将所述第一金属柱半包围，所述第二u型槽在上下投影方向上将所述第二金属柱以及第三金属柱半包围。
13.进一步的技术方案在于：所述第一u型槽的内侧端部以及第二u型槽的内侧端部位于所述第二槽间隙波导的上方，在上下投影方向上与所述第二槽间隙波导具有部分重叠。
14.优选的：所述第一金属柱的外侧形成有三行金属销钉。
15.采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述阵列天线通过联合槽间隙波导和脊间隙波导设计馈电网络结构，通过调整金属销钉以及金属柱的尺寸设计不同谐振频率的谐振腔，通过在上层金属板刻蚀不同长度的u型槽，产生多个谐振点从而实现阵列天线的超宽带特性。该阵列天线具有超宽带、结构简单、阵列单元紧凑、损耗性能优于传统微带器件等优点。
附图说明
16.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
17.图1是本发明实施例所述阵列天线的立体结构示意图；图2是本发明实施例所述阵列天线的侧视结构示意图；图3是本发明实施例所述天线去掉上层金属板后的结构示意图；
图4是本发明实施例所述天线中上层金属板的仰视结构示意图；图5是本发明实施例所述天线的俯视透视结构示意图；图6是本发明实施例所述天线去掉上层金属板后的俯视结构示意图；图7是本发明实施例所述天线中上层金属板的仰视结构示意图；图8是本发明实施例所述天线的s参数仿真结果示意图；其中：1、金属底板；2、脊间隙波导；3、上层金属板；4、第二u型槽；5、第一销钉；6、第一槽间隙波导；7、波导输入端口；8、金属过渡脊；9、第二内槽间隙波导；10、第一u型槽；11、第一金属柱；12、第二金属柱；13、第三金属柱。
具体实施方式
18.下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
19.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
20.如图1
‑
图7所示，本发明实施例公开了一种基于槽间隙波导的超宽带单层缝隙阵列天线，包括金属底板1，所述金属底板1的上表面形成有槽间隙波导和脊间隙波导2，且所述槽间隙波导和脊间隙波导2之外的金属底板1的上表面形成有若干个周期性的金属销钉；所述金属销钉的上表面覆盖有上层金属板3，所述上层金属板3的下表面形成有若干组u型槽，与所述u型槽相对应的所述金属柱的尺寸小于u型槽外侧的第一销钉5的尺寸，通过联合槽间隙波导和脊间隙波导2设计馈电网络结构，通过调整与u型槽相对应的金属柱的尺寸设计不同谐振频率的谐振腔，通过在上层金属板3上不同长度的u型槽，产生多个谐振点从而实现阵列天线的超宽带特性。
21.在一种可能的实施例中，本发明实施例提供的基于槽间隙波导的毫米波超宽带单层阵列天线通过槽间隙波导进行馈电，在底部的较厚的金属底板1的中间挖掉一个槽体，形成第一槽间隙波导6，被挖掉的槽包括底部的金属槽及其上方的空气槽，其形状与传统波导类似；所述第一槽间隙波导6横向设置，且所述第一槽间隙波导6的一端位于所述阵列天线的外侧形成波导输入端口7，所述第一槽间隙波导6的另一端向内延伸与纵向形成的脊间隙波导2相连通，且所述脊间隙波导2被所述第一槽间隙波导6分为两段，每段所述脊间隙波导2内形成有一个金属过渡脊8；所述金属过渡脊8的宽度小于所述脊间隙波导2的宽度，两条所述金属过渡脊8的外侧端部分别延伸至一条横向设置的第二内槽间隙波导9内，所述第二内槽间隙波导9位于所述金属销钉之间，且第二内槽间隙波导9两端不延伸至所述金属底板1的外侧。
22.进一步的，如图2和图6所示，金属销钉包括若干个周期状的第一销钉5，所述第一销钉5之间形成有多组高度小于第一销钉5的金属柱，其中每组金属柱包括第一金属柱11、第二金属柱12和第三金属柱13；每组金属柱中所述第一金属柱11位于所述第二内槽间隙波导9的外侧，每组金属柱中所述第二金属柱12以及第三金属柱13位于所述第二内槽间隙波
导9的内侧。
23.需要说明的是，所述上层金属板3可以与所述金属销钉的上表面接触或所述上层金属板3与所述金属销钉的上表面之间具有一定的安装误差间隙，上述安装误差间隙需要不能影响所述阵列天线的正常使用，此外，上层金属板3可以通过螺钉固定到金属底板1上。
24.在本发明实施例的一个实施方式中，设计2
×
2的毫米波超宽带阵列天线，天线单元通过三个不同尺寸的金属柱，包括：第一金属柱11，第二金属柱12和第三金属柱 13形成三个不同频率的谐振腔，金属柱的尺寸可以根据实际需求设置，本实例不做限制。示例性的，在一种可能的实施例中，所述金属柱设置有四组，其中的两组位于所述脊间隙波导2的一侧，另两组位于所述脊间隙波导2的另一侧。
25.在本发明的一个实施例中，所述第一金属柱11、第二金属柱12以及第三金属柱13整体为长方体型，且所述第二金属柱12与第三金属柱13的横截面相同，高度可以相同也可以不同，所述第一金属柱11的横截面面积小于所述第二金属柱12的横截面面积。进一步的，在本发明的一个实施例中，所述第一金属柱11的长、宽和高可以为1mm
×
1mm
×
1.2mm， 所述第二金属柱12的长、宽和高可以为1.2mm
×
1.2mm
×
1.2mm, 所述第三金属柱13的长、宽和高可以为1.2 mm
×
1.2mm
×
1.3mm。需要说明的是，本技术中第一金属柱11、第二金属柱12以及第三金属柱13的具体尺寸还可以为其它具体尺寸。优选的，所述第二金属柱12与所述第三金属柱13之间设置有一个第一销钉5。可以通过设计不同频率的谐振腔和耦合缝隙形成多个谐振点，相比传统的波导缝隙天线，具有更宽的工作频段，结构也更加简单。
26.进一步的，如图3、图4以及图7所示，所述每组u型槽包括第一u型槽10和第二u型槽4，所述第一u型槽10的开口与所述第二u型槽4的开口相对设置，且所述第一u型槽10在上下投影方向上将所述第一金属柱11半包围，所述第二u型槽4在上下投影方向上将所述第二金属柱12以及第三金属柱13半包围。进一步的，所述第一u型槽10的内侧端部以及第二u型槽4的内侧端部位于所述第二槽间隙波导9的上方，在上下投影方向上与所述第二槽间隙波导9具有部分重叠。
27.上部辐射结构由上层金属板上的u型槽和馈电网络中的谐振腔组成，馈电网络是间隙波导结构，它包含了一分四传输线和周期性金属柱构成的带阻结构。
28.周期性金属销钉构成理想磁导体，主要设计参数包括：销钉边长w，销钉高度d，单元周期p，空气层厚度h。理想情况下传输线两侧周期结构应该是无限扩展的，但在实际应用中三排金属销钉已经能够阻止侧向区域波的传播。因此，本技术所述天线基于槽间隙波导两侧各添加三排销钉型 ebg。
29.在一种可能的实施例中，馈电网络与谐振腔位于同一层结构，简化天线结构，仅使用单层结构就能实现超宽带性能。
30.在一种可能的实施例中，本发明实施例提供的基于槽间隙波导技术的毫米波超宽带单层阵列天线的工作频段包括20 ghz
‑
45 ghz，覆盖k频段和ka频段，可以使得本发明实施例提供的基于槽间隙波导技术的毫米波超宽带单层阵列天线应用于广泛应用于雷达、无线通信等领域中。
31.优选的，第一u型槽10和第二u型槽4的总长度分别为2.4毫米和5.2毫米。同上述说明，此处所有参数仅是一种示例性的描述，在其他可能的实施例中，本发明实施例提供的基于槽间隙波导技术的毫米波超宽带单层阵列天线也可以根据实际需求选用其他的参数，本
实施例对此不做限制。为有效证明本发明实施例提供的基于槽间隙波导技术的毫米波超宽带单层阵列天线的效果，可以参见图8，图8所示为本发明实施例提供的基于槽间隙波导技术的毫米波超宽带单层阵列天线的s参数的仿真结果示意图。
32.在本实施例中，天线的工作频带（s11 ≤
ꢀ‑
10 db）为 20 ghz
ꢀ–ꢀ
45 ghz，相对带宽 76.9%，具有超宽带性能。
33.本发明通过调整金属柱的尺寸，在馈电网络层形成不同频率谐振腔，再通过一对u型槽耦合，形成多个谐振频点，从而实现超宽带毫米波阵列天线。相比于传统金属波导，槽间隙波导的横向尺寸小，能够减小阵间距，更有利于高增益低副瓣的阵列天线设计。馈电网络中采用槽间隙和脊间隙波导相互过渡的形式，合理设计过渡波导尺寸，便于功分网络的分布设计。