一种开槽间隙波导天线及其制备方法与流程

1.本技术涉及天线技术领域，特别是一种开槽间隙波导天线及其制备方法。


背景技术：

2.间隙波导技术是最近提出的一种实现高性能指标的替代微波元件技术。目前，有两种实现间隙波导的通用方法。在第一种方法中，通过铣削成的金属块以形成充当人造磁导体的导引层以产生间隙波导，在该方法中，由于所产生的波导由相对较厚的金属部件制成，并且由空气填充，因此它拥有非常低的电磁损耗。在第二种方法中，使用传统的印刷电路板工艺来实现间隙波导，在该方法中，所需的导磁体结构通常由电磁带隙结构制成，例如印刷在印刷电路板上的蘑菇型谐振器，因此它重量轻且结构紧凑，同时制造简单且价格便宜。
3.但是，在第一种方法中，金属块波导虽然具有低损耗的特点，但是其在毫米波的应用中对于多层金属结合的紧密性、加工误差度等要求过高，且组装时存在金属贴面间的电磁波泄露，市场上已有的多层金属片层压技术在很大程度上解决了金属块波导稳定性差的问题，但是该多层金属片层压技术的加工成本异常高昂，并不适合大量工业化生产。在第二种方法中，制备得到的间隙波导由相对薄的金属谐振器组成，并且由有损耗的基底介质填充，因此，在基底和基片之间仍存在一定的传输损耗。


技术实现要素：

4.鉴于所述问题，提出了本技术以便提供克服所述问题或者至少部分地解决所述问题的一种开槽间隙波导天线及其制备方法，包括：一种开槽间隙波导天线，包括：依次层叠设置的辐射层、背腔层和馈电层；所述辐射层包括第一导电板；所述第一导电板上设有若干辐射缝隙；所述背腔层包括第二导电板和若干设立在所述第二导电板表面的第一导电针；所述第一导电针围合形成第一波导腔体；所述第二导电板上设有背腔缝隙；所述馈电层包括第三导电板和若干设立在所述第三导电板表面的第二导电针；所述第二导电针围合形成第二波导腔体；当射频能量通过所述开槽间隙波导天线时，所述射频能量依次通过所述第二波导腔体、所述背腔缝隙、所述第一波导腔体和所述辐射缝隙向外输出。
5.优选的，所述第一导电板的内部设有至少一层第一绝缘层；所述第一导电板的表面设有第一金属镀层；所述第二导电板的内部设有至少一层第二绝缘层；所述第二导电板的表面设有第二金属镀层；所述第三导电板的内部设有至少一层第三绝缘层；所述第三导电板的表面设有第三金属镀层。
6.优选的，当所述第一绝缘层的数量大于一层时，相邻的所述第一绝缘层之间设有第一导电层；当所述第二绝缘层的数量大于一层时，相邻的所述第二绝缘层之间设有第二导电层；当所述第三绝缘层的数量大于一层时，相邻的所述第三绝缘层之间设有第三导电层。
7.优选的，所述馈电层还包括若干设立在所述第二导电板表面的馈电针；所述馈电针的端部贯穿并延伸至所述第二导电板的另一侧。
8.优选的，所述第一导电针和所述第二导电针的高度分别为所述开槽间隙波导天线工作波长的1/3。
9.优选的，所述辐射缝隙间隔设置在所述第一导电板长度方向中心线的两侧。
10.优选的，相邻的所述辐射缝隙在所述第一导电板长度方向上的距离为所述开槽间隙波导天线工作波长的1/2。
11.优选的，所述背腔缝隙设置在所述第二导电板宽度方向的中心线上。
12.优选的，所述第一绝缘层、所述第二绝缘层和所述第三绝缘层的材质分别为玻璃纤维环氧树脂；所述第一金属镀层、所述第二金属镀层和所述第三金属镀层的材质分别为铜。
13.一种如上述任一项所述的开槽间隙波导天线的制备方法，包括：将第一导电针的端部插设在所述第二导电板的第一安装通孔内，并将所述第一导电针与所述第二导电板焊接固定；将第二导电针的端部插设在所述第三导电板的第二安装通孔内，并将所述第二导电针与所述第三导电板焊接固定；将所述第一导电板、所述第一导电针、所述第二导电板、所述第二导电针和所述第三导电板依次层叠放置并连接固定，得到所述开槽间隙波导天线。
14.本技术具有以下优点：在本技术的实施例中，通过依次层叠设置的辐射层、背腔层和馈电层；所述辐射层包括第一导电板；所述第一导电板上设有若干辐射缝隙；所述背腔层包括第二导电板和若干设立在所述第二导电板表面的第一导电针；所述第一导电针围合形成第一波导腔体；所述第二导电板上设有背腔缝隙；所述馈电层包括第三导电板和若干设立在所述第三导电板表面的第二导电针；所述第二导电针围合形成第二波导腔体；当射频能量通过所述开槽间隙波导天线时，所述射频能量依次通过所述第二波导腔体、所述背腔缝隙、所述第一波导腔体和所述辐射缝隙向外输出，所述开槽间隙波导天线的辐射效果良好，并且设计复杂度小，加工成本较低，适合大规模工业化生产。
附图说明
15.为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面将对本技术的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1是本技术一实施例提供的一种开槽间隙波导天线的立体结构示意图；图2是本技术一实施例提供的一种开槽间隙波导天线的爆炸结构示意图；图3是本技术一实施例提供的一种开槽间隙波导天线的侧面结构示意图；图4是本技术一实施例提供的一种开槽间隙波导天线的局部结构示意图；图5是本技术一实施例提供的一种开槽间隙波导天线的实物加工图；图6是本技术一实施例提供的一种开槽间隙波导天线的实物加工图；图7是本技术一实施例提供的一种参考天线的实物加工图；
图8是本技术一实施例提供的一种开槽间隙波导天线和参考天线仿真的反射系数随频率的变化曲线；图9是本技术一实施例提供的一种开槽间隙波导天线和参考天线在h平面中仿真的共极化和交叉极化的辐射方向图；图10是本技术一实施例提供的一种开槽间隙波导天线仿真和测量的反射系数随频率的变化曲线；图11是本技术一实施例提供的一种开槽间隙波导天线和参考天线在h平面中测量的共极化的辐射方向图；图12是本技术一实施例提供的一种开槽间隙波导天线的制备方法的步骤流程图。
17.说明书附图中的附图标记如下：100、辐射层；110、第一导电板；200、背腔层；210、第二导电板；211、第二绝缘层；212、第二金属镀层；213、第一导电镀层；220、第一导电针；221、第一导电柱；222、第一装配环；300、馈电层；310、第三导电板；320、第二导电针；400、焊料。
具体实施方式
18.为使本技术的所述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步详细的说明。显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
19.参照图1-4，示出了本技术一实施例提供的一种开槽间隙波导天线，包括：依次层叠设置的辐射层100、背腔层200和馈电层300；所述辐射层100包括第一导电板110；所述第一导电板110上设有若干辐射缝隙；所述背腔层200包括第二导电板210和若干设立在所述第二导电板210表面的第一导电针220；所述第一导电针220围合形成第一波导腔体；所述第二导电板210上设有背腔缝隙；所述馈电层300包括第三导电板310和若干设立在所述第三导电板310表面的第二导电针320；所述第二导电针320围合形成第二波导腔体；当射频能量通过所述开槽间隙波导天线时，所述射频能量依次通过所述第二波导腔体、所述背腔缝隙、所述第一波导腔体和所述辐射缝隙向外输出。
20.在本技术的实施例中，通过依次层叠设置的辐射层100、背腔层200和馈电层300；所述辐射层100包括第一导电板110；所述第一导电板110上设有若干辐射缝隙；所述背腔层200包括第二导电板210和若干设立在所述第二导电板210表面的第一导电针220；所述第一导电针220围合形成第一波导腔体；所述第二导电板210上设有背腔缝隙；所述馈电层300包括第三导电板310和若干设立在所述第三导电板310表面的第二导电针320；所述第二导电针320围合形成第二波导腔体；当射频能量通过所述开槽间隙波导天线时，所述射频能量依次通过所述第二波导腔体、所述背腔缝隙、所述第一波导腔体和所述辐射缝隙向外输出，所述开槽间隙波导天线的辐射效果良好，并且设计复杂度小，加工成本较低，适合大规模工业化生产。
21.下面，将对本示例性实施例中一种开槽间隙波导天线作进一步地说明。
22.本实施例中，所述第二导电板210上设有若干第一安装通孔；所述第一安装通孔的
内壁上设有第一导电镀层213；所述第一导电针220的一端插设在所述第一安装通孔内并且与所述第二导电板210通过焊接固定连接，另一端延伸至所述第一导电板110的侧边；所述第三导电板310上设有若干第二安装通孔；所述第二安装通孔的内壁上设有第二导电镀层；所述第二导电针320的一端插设在所述第二安装通孔内并且与所述第三导电板310通过焊接固定连接，另一端延伸至所述第二导电板210的侧边。
23.需要说明的是，所述第一导电针220与所述第二导电板210，以及所述第二导电针320与所述第三导电板310的装配方式简单且能够实现稳定的电性连接，相较于传统的多层金属片层压结构具有便于加工和性能稳定的优势。
24.本实施例中，所述第一导电针220包括第一导电柱221和连接在所述第一导电柱221表面的第一装配环222；所述第一导电柱221的外径小于或等于所述第一安装通孔的内径；所述第一装配环222的外径大于所述第一安装通孔的内径；所述第一导电柱221的端部插设在所述第一安装通孔内并且与所述第二导电板210通过焊接固定连接，所述第一装配环222抵接在所述第一安装通孔的侧边。装配过程中，只需将所述第一导电针220的一端插入所述第一安装通孔内，并从所述第二导电板210的另一侧用焊料400对所述第一导电针220和所述第二导电板210进行焊接即可。
25.本实施例中，所述第二导电针320包括第二导电柱和连接在所述第二导电柱表面的第二装配环；所述第二导电柱的外径小于或等于所述第二安装通孔的内径；所述第二装配环的外径大于所述第二安装通孔的内径；所述第二导电柱的端部插设在所述第二安装通孔内并且与所述第三导电板310通过焊接固定连接，所述第二装配环抵接在所述第二安装通孔的侧边。装配过程中，只需将所述第二导电针320的一端插入所述第二安装通孔内，并从所述第三导电板310的另一侧用焊料400对所述第二导电针320和所述第三导电板310进行焊接即可。
26.本实施例中，所述第一导电板110的内部设有至少一层第一绝缘层；所述第一导电板110的表面设有第一金属镀层；所述第二导电板210的内部设有至少一层第二绝缘层211；所述第二导电板210的表面设有第二金属镀层212；所述第三导电板310的内部设有至少一层第三绝缘层；所述第三导电板310的表面设有第三金属镀层。
27.本实施例中，当所述第一绝缘层的数量大于一层时，相邻的所述第一绝缘层之间设有第一导电层；当所述第二绝缘层211的数量大于一层时，相邻的所述第二绝缘层211之间设有第二导电层；当所述第三绝缘层的数量大于一层时，相邻的所述第三绝缘层之间设有第三导电层。
28.具体的，所述第一导电板110包括第一电路板和设置在所述第一电路板两面的所述第一金属镀层；其中，所述第一电路板为单层或多层印制电路板；所述第二导电板210包括第二电路板和设置在所述第二电路板两面的所述第二金属镀层212；其中，所述第二电路板为单层或多层印制电路板；所述第三导电板310包括第三电路板和设置在所述第三电路板两面的所述第三金属镀层；其中，所述第三电路板为单层或多层印制电路板。
29.需要说明的是，所述第一导电板110、所述第二导电板210和所述第三导电板310的内部结构可以直接采用单层或多层印制电路板替代，从而只需在印制电路板的基础上进行表面金属化处理（例如金属电镀）即可实现良好的电磁屏蔽功能，相较于传统的纯金属材质的导电板具有轻量化和低成本的优势。
30.本实施例中，所述馈电层300还包括若干设立在所述第二导电板210表面的馈电针；所述馈电针的端部贯穿并延伸至所述第二导电板210的另一侧。具体的，所述馈电针延伸至所述第二导电板210另一侧的端部为射频信号的输入端。当射频能量通过所述开槽间隙波导天线时，所述射频能量首先通过所述馈电针进入所述第二波导腔体，然后依次通过所述背腔缝隙、所述第一波导腔体和所述辐射缝隙向外输出。所述馈电针的装配方式及结构可参照所述第二导电针320，本技术不再赘述。
31.本实施例中，所述第一导电针220和所述第二导电针320的高度分别为所述开槽间隙波导天线工作波长的1/3。通过选取适当的尺寸，可以使所述第一波导腔体和所述第二波导腔体的工作频率覆盖所述开槽间隙波导天线的工作频率。
32.本实施例中，所述辐射缝隙间隔设置在所述第一导电板110长度方向中心线的两侧。所述辐射缝隙每间隔一个设置在波导中心两侧，可以确保各个所述辐射缝隙相位相同。
33.本实施例中，相邻的所述辐射缝隙在所述第一导电板110长度方向上的距离为所述开槽间隙波导天线工作波长的1/2。通过控制所述辐射缝隙的长度和偏移量，可以控制所述辐射缝隙的等效电导，从而实现所述开槽间隙波导天线低副瓣的特性。
34.本实施例中，所述背腔缝隙设置在所述第二导电板210宽度方向的中心线上。
35.本实施例中，所述第一绝缘层、所述第二绝缘层211和所述第三绝缘层的材质分别为玻璃纤维环氧树脂；所述第一金属镀层、所述第二金属镀层212和所述第三金属镀层的材质分别为铜。
36.参照图5-6，在一具体实现中，所述开槽间隙波导天线包括依次层叠设置的辐射层100、背腔层200和馈电层300；所述辐射层100包括第一导电板110；所述第一导电板110上设有十个辐射缝隙；所述背腔层200包括第二导电板210和若干第一导电针220；所述第二导电板210上设有若干第一安装通孔；所述第一安装通孔的内壁上设有第一导电镀层213；所述第一导电针220的一端插设在所述第一安装通孔内并且与所述第二导电板210通过焊接固定连接，另一端延伸至所述第一导电板110的侧边；所述第一导电针220围合形成第一波导腔体；所述第二导电板210上设有背腔缝隙；所述馈电层300包括第三导电板310和若干第二导电针320；所述第三导电板310上设有若干第二安装通孔；所述第二安装通孔的内壁上设有第二导电镀层；所述第二导电针320的一端插设在所述第二安装通孔内并且与所述第三导电板310通过焊接固定连接，另一端延伸至所述第二导电板210的侧边；所述第二导电针320围合形成第二波导腔体；所述第一导电板110、所述第二导电板210和所述第三导电板310分别由fr4基板双面镀35μm的铜制成；所述开槽间隙波导天线的工作频率为14ghz。
37.为验证所述开槽间隙波导天线的性能，使用传统的金属开槽间隙波导天线作为参考天线，所述参考天线的结构如图7所示。为保证旁瓣要求，所述开槽间隙波导天线和所述参考天线的切比雪夫系数为i={1，2.086，3.552，4.896，5.707，4.896，3.552，2.086，1}。所述开槽间隙波导天线和所述参考天线仿真的反射系数随频率的变化曲线如图8所示。所述开槽间隙波导天线和所述参考天线在h平面中仿真的共极化和交叉极化的辐射方向图如图9所示。结果表明，所述开槽间隙波导天线和所述参考天线计算出的辐射增益和旁瓣电平几乎一致（所述开槽间隙波导天线的辐射增益为15dbi，旁瓣电平为-28db）。所述开槽间隙波导天线仿真和测量的反射系数随频率的变化曲线如图10所示。结果表明，测试的反射系数和模拟仿真的反射系数在带宽内满足需求。所述开槽间隙波导天线和所述参考天线在h平
面中测量的共极化的辐射方向图如图11所示。结果表明，二者增益均为15dbi，所述开槽间隙波导天线的旁瓣小于-25db，甚至优于所述参考天线。
38.参照图12，示出了本技术一实施例提供的一种如上述任一实施例所述的开槽间隙波导天线的制备方法，包括：s110、将第一导电针220的端部插设在所述第二导电板210的第一安装通孔内，并将所述第一导电针220与所述第二导电板210焊接固定；s120、将第二导电针320的端部插设在所述第三导电板310的第二安装通孔内，并将所述第二导电针320与所述第三导电板310焊接固定；s130、将所述第一导电板110、所述第一导电针220、所述第二导电板210、所述第二导电针320和所述第三导电板310依次层叠放置并连接固定，得到所述开槽间隙波导天线。
39.在本技术的实施例中，通过将第一导电针220的端部插设在所述第二导电板210的第一安装通孔内，并将所述第一导电针220与所述第二导电板210焊接固定；将第二导电针320的端部插设在所述第三导电板310的第二安装通孔内，并将所述第二导电针320与所述第三导电板310焊接固定；将所述第一导电板110、所述第一导电针220、所述第二导电板210、所述第二导电针320和所述第三导电板310依次层叠放置并连接固定，得到所述开槽间隙波导天线，所述制备方法操作简单、成本较低且能确保所述开槽间隙波导天线具有良好的辐射效果。
40.本实施例中，所述制备方法还包括：对第一电路板进行金属电镀，得到所述第一导电板110。具体的，对所述第一电路板的两面进行金属电镀，得到所述第一导电板110。
41.对第二电路板进行钻孔和金属电镀，得到所述第二导电板210。具体的，对第二电路板进行钻孔，并对所述第二电路板的两面以及通孔内壁进行金属电镀，得到所述第二导电板210。
42.对第三电路板进行钻孔和金属电镀，得到所述第三导电板310。具体的，对第三电路板进行钻孔，并对所述第三电路板的两面以及通孔内壁进行金属电镀，得到所述第三导电板310。
43.尽管已描述了本技术实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本技术实施例范围的所有变更和修改。
44.最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
45.以上对本技术所提供的一种开槽间隙波导天线及其制备方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本技术的
思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本技术的限制。