一种宽带金属平板阵列天线、雷达、无线通信系统技术方案

本发明专利技术属于微波毫米波天线技术领域，公开了一种宽带金属平板阵列天线、雷达、无线通信系统，所述宽带金属平板阵列天线从下至上依次是使用双脊波导的馈电层、下层间隙波导馈电网络层和上层辐射单元层；所述馈电层与馈电网络层之间存在过渡结构，在馈电网络层中脊间隙波导的脊上引入阶梯进行过渡；馈电网络层与辐射单元层之间存在过渡结构，在馈电网络层端口处引入金属脊引导能量过渡。本发明专利技术使用全金属结构，简单的三层金属平板通过螺丝进行固定，便于组装方便使用。本发明专利技术采用双层间隙波导作为馈电网络，使天线整体结构紧凑剖面低，并实现较宽的带宽。本发明专利技术使用简单的辐射单元，去除空气腔，使天线剖面降低并在毫米波频段实现了宽频带。

【技术实现步骤摘要】
一种宽带金属平板阵列天线、雷达、无线通信系统
本专利技术属于微波毫米波天线
，尤其涉及一种宽带金属平板阵列天线、雷达、无线通信系统。
技术介绍
随着无线通信的飞速发展，毫米波通信波段带宽宽、高速率、低延时、方向性好，有着其他技术无法取代的优点；相对于其他使用介质板的平板天线，全金属结构更容易加工和制造、不易损坏，而且损耗较小；相比于反射阵、透射阵天线，平板天线剖面低、体积小、成本低，在通信领域有十分广泛的应用。宽带平板天线主要包含微带平板阵列、波导缝隙平板阵列、印刷振子平板阵列、非标准尺寸喇叭标准阵列，它们都存在自己的优点，但同时也存在一定不足：(1)对于毫米波微带平板阵列天线的研究较早，通过在介质板上蚀刻贴片单元实现，设计自由度较高。例如，YujianLi等人曾使用SIW馈电结构设计了一种64单元的微带贴片阵列天线，带宽为14.1％，辐射效率为68.5％，随单元数目增多，天线的阻抗带宽会随之降低，使得辐射效率会大大降低。(2)对于波导缝隙平板阵列，通过在波导上开缝实现辐射。JiroHirokawa教授团队进行了一系列的研究，通过改变馈电结构、加工工艺等方式提高天线的性能，2014年该团队设计了一种应用于120GHz的波导缝隙平板阵列天线，其带宽为3.7％，天线效率为67％。此种平板阵列天线普遍辐射效率较高，但由于波导体积较大，到了毫米波波段，加工精度很难保证，容易发生电磁波泄露，影响天线性能。(3)对于喇叭平板天线阵列，使用喇叭作为辐射单元，例如，AbbasVosoogh提出的一种金属宽带喇叭平板阵列天线，带宽可达24％，效率大于85％。此种平板阵列天线带宽更高，天线效率更大，但是喇叭剖面高，使得天线整体尺寸较大，在实际应用中会存在一定限制。通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：(1)现有的毫米波微带平板阵列天线损耗较大。(2)现有的波导缝隙平板阵列体积大、带宽相对较窄。(3)现有的喇叭平板阵列天线剖面较高，在实际应用中存在一定限制，不适合应用于小型化的通信系统中。解决以上问题及缺陷的难度为：使用介质板就会存在损耗的问题，而使用传统的波导结构，体积大，对于使用和加工来说都是很困难的；通过改变馈电网络传输线、加工工艺等方式有助于天线带宽的展宽，但展宽天线带宽的同时会伴随着天线体积增大，加工成本增加，因此选择折中的方法存在一定难度；对于辐射单元的设计，一方面需考虑天线带宽的问题，另一方面需考虑尺寸问题，因此需要在目前已知的辐射单元中寻求一种新的设计方法同时具备带宽宽、剖面低的特点。解决以上问题及缺陷的意义为：普通的介质基板会随着频率的增加损耗增加，从而影响天线效率，因此使用纯金属结构的平板阵列天线是最佳方案；寻求一种低剖面、体积小的天线具有重要的使用价值，可应用于小型化的通信系统中；随着通信
的不断发展，传输速率更高，覆盖范围更广，普通的天线难以满足需求，采用宽带平板天线可以使同一天线在多个通信系统中。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种宽带金属平板阵列天线、雷达、无线通信系统。本专利技术是这样实现的，一种宽带金属平板阵列天线，所述宽带金属平板阵列天线从下至上依次是使用双脊波导的馈电层、下层间隙波导馈电网络层和上层辐射单元层；所述馈电层与馈电网络层之间存在过渡结构，通过在馈电网络层中脊间隙波导的脊上引入阶梯结构，使得馈电层能量过渡到馈电网络层中；所述间隙波导馈电网络由两级子馈电网络组成，所述子馈电网络由双层间隙波导组成；所述馈电网络层与辐射单元层存在过渡结构，辐射单元通过脊间隙波导馈电，通过在馈电网络层输出端口处引入金属脊，引导能量进入辐射缝隙进入辐射层；所述辐射层由辐射单元组成，所述辐射单元通过在金属中开缝辐射能量，再通过金属壁两侧脊挤压辐射缝中电场向空气中辐射。进一步，基于辐射单元结合馈电网络和馈电层组成8×8平板阵列天线。进一步，馈电层使用双脊波导口馈电。进一步，馈电层与馈电网络层存在过渡结构，使进入双脊波导口的能量沿间隙波导中的脊阶梯进入到馈电网络层中。进一步，间隙波导包括上下金属盖板、呈周期排列的金属销钉和金属脊或金属槽，金属销钉距上盖板间隙0.05mm。进一步，间隙波导馈电网络层包含两级子馈电网络，为64个辐射单元进行馈电，所述两级子馈电网络均为双层结构，通过双脊波导和E面波导结合，使得两端输出口相位相差180°，为64个辐射单元提供相位需求。进一步，两级子馈电网络中的一级馈电网络输入端口为二级馈电网络的输出端口，输出端口为辐射层的馈电口，此输入口与输出口不在同一平面上；两级子馈电网络中的二级馈电网络输入端口为馈电层到馈电网络层过渡后的输出端口，此时，输入端口与输出端口在同一平面上。进一步，馈电网络层与辐射层过渡结构，在馈电网络输出口处添加金属脊；辐射层在辐射口处添加金属脊，挤压辐射口处的电场。本专利技术的另一目的在于提供一种雷达，所述雷达安装有所述的宽带金属平板阵列天线。本专利技术的另一目的在于提供一种无线通信系统，所述无线通信系统安装有所述的宽带金属平板阵列天线。结合上述的所有技术方案，本专利技术所具备的优点及积极效果为：本专利技术的馈电层使用双脊波导口馈电，可覆盖较宽的频带。馈电层与馈电网络层存在过渡结构，使进入双脊波导口的能量沿间隙波导中的脊阶梯进入到馈电网络层中，实现了良好的阻抗匹配。间隙波导包括上下金属盖板、呈周期排列的金属销钉和金属脊或金属槽，其由空气填充，电磁波在空气中传播解决了传统传输线损耗大的问题，金属销钉距上盖板间隙0.05mm。间隙波导馈电网络层包含两级子馈电网络，以便为64个辐射单元进行馈电，所述两级子馈电网络均为双层结构，通过双脊波导和E面波导结合，类似于’ET’，使得两端输出口相位相差180°，以便为64个辐射单元提供相位需求。本专利技术的两级子馈电网络中的一级馈电网络输入端口为二级馈电网络的输出端口，输出端口为辐射层的馈电口，此输入口与输出口不在同一平面上；所示两级子馈电网络中的二级馈电网络输入端口为馈电层到馈电网络层过渡后的输出端口，此时，输入端口与输出端口在同一平面上。通过此设计使得天线的馈电网络剖面降低，并有良好的阻抗匹配特性，获得了较宽的带宽。馈电网络层与辐射层过渡结构，在馈电网络输出口处添加金属脊，引导能量进入上一层，省去空气腔部分，有效的降低了剖面。辐射层在辐射口处添加金属脊，使其挤压辐射口处的电场，并在较宽的带宽内获得良好的阻抗匹配特性。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：(1)本专利技术使用全金属结构，结构简单、易于加工；简单的三层金属平板可通过螺丝进行固定，便于组装，方便使用。(2)本专利技术采用双层间隙波导作为馈电网络，使天线整体结构紧凑，剖面低，并实现了较宽的带宽。(3)本专利技术使用了简单的辐射单元，去除空气腔，使天线剖面降低并在毫米波频段实现了宽频带。附图说明<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种宽带金属平板阵列天线，其特征在于，所述宽带金属平板阵列天线从下至上依次是使用双脊波导的馈电层、下层间隙波导馈电网络层和上层辐射单元层；/n所述馈电层与馈电网络层之间存在过渡结构，通过在馈电网络层中脊间隙波导的脊上引入阶梯结构，使得馈电层能量过渡到馈电网络层中；/n所述间隙波导馈电网络由两级子馈电网络组成，所述子馈电网络均由双层间隙波导组成；/n所述馈电网络层与辐射单元层存在过渡结构，辐射单元通过脊间隙波导馈电，通过在馈电网络层输出端口处引入金属脊，引导能量进入辐射缝隙进入辐射层；/n所述辐射单元通过在金属中开缝辐射能量，再通过金属壁两侧脊挤压辐射缝中电场向空气中辐射。/n

【技术特征摘要】
1.一种宽带金属平板阵列天线，其特征在于，所述宽带金属平板阵列天线从下至上依次是使用双脊波导的馈电层、下层间隙波导馈电网络层和上层辐射单元层；
所述馈电层与馈电网络层之间存在过渡结构，通过在馈电网络层中脊间隙波导的脊上引入阶梯结构，使得馈电层能量过渡到馈电网络层中；
所述间隙波导馈电网络由两级子馈电网络组成，所述子馈电网络均由双层间隙波导组成；
所述馈电网络层与辐射单元层存在过渡结构，辐射单元通过脊间隙波导馈电，通过在馈电网络层输出端口处引入金属脊，引导能量进入辐射缝隙进入辐射层；
所述辐射单元通过在金属中开缝辐射能量，再通过金属壁两侧脊挤压辐射缝中电场向空气中辐射。


2.如权利要求1所述的宽带金属平板阵列天线，其特征在于，基于辐射单元结合馈电网络和馈电层组成8×8平板阵列天线。


3.如权利要求1所述的宽带金属平板阵列天线，其特征在于，馈电层使用双脊波导口馈电。


4.如权利要求1所述的宽带金属平板阵列天线，其特征在于，馈电层与馈电网络层存在过渡结构，使进入双脊波导口的能量沿间隙波导中的脊阶梯进入到馈电网络层中。


5.如权利要求1所述的宽带金属平板阵列天线，其特征在于，间隙波导包括上下金属盖板、呈周期排列的金属销钉和金属脊或金属槽，金属销钉距上盖板间隙0.05mm。

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【专利技术属性】
技术研发人员：唐娆，张天龄，贺丹丹，吴宝鑫，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61