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基于3D打印和金属镀层的中空杆壁波导缝隙阵列天线制造技术

技术编号:20368023 阅读:38 留言:0更新日期:2019-02-16 18:56
基于3D打印和金属镀层的中空杆壁波导缝隙阵列天线,涉及波导缝隙阵列天线。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。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。

Hollow rod-wall waveguide slot array antenna based on 3D printing and metal coating

A hollow rod-wall waveguide slot array antenna based on 3D printing and metal coating relates to a waveguide slot array antenna. The metal coating hollow rod wall layer with resonant cavity and the metal coating hollow rod wall waveguide feeding network layer are arranged from top to bottom. The metal coating hollow rod wall waveguide feeding network layer integrates a feeding network composed of cascaded T and H power dividers. The input terminal and feeding network of the hollow rod wall waveguide slot array antenna based on 3D printing and metal coating pass through the feeding network based on the three-dimensional printing and metal coating. The main feed part of the hollow rod-wall waveguide slot array antenna with 3D printing and metal coating is connected. The feed network and the resonator are connected by coupling slots, and the resonator and the free space are connected by radiating slots. Distribution of antenna structure characteristics and the advantages of processing technology brought about by this structure has realized high-performance antenna with easy processing, low loss, bandwidth and high gain, so it has wide application value.

【技术实现步骤摘要】
基于3D打印和金属镀层的中空杆壁波导缝隙阵列天线
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术公本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.基于3D打印和金属镀层的中空杆壁波导缝隙阵列天线,其特征在于从上至下依次设有含有谐振腔的金属镀层中空杆壁层和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。

【技术特征摘要】
1.基于3D打印和金属镀层的中空杆壁波导缝隙阵列天线,其特征在于从上至下依次设有含有谐振腔的金属镀层中空杆壁层和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。2.如权利要求1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,其特征在于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。3.如权利要求1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,其特征在于所述谐振腔采用由周期排列镀层金属杆围绕而成的中空结构谐振腔。4.如权...

【专利技术属性】
技术研发人员:张淼胡聪达段保权广川二郎柳清伙
申请(专利权)人:厦门大学
类型:发明
国别省市:福建,35

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