一種超寬帶毫米波天線及其制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種天線，特別是涉及一種超寬帶毫米波天線及其制作方法，屬于微波與天線技術領域。
【背景技術】
[0002]超寬帶天線研究從最早期的雙錐天線和蝴蝶天線這類結構簡單的天線，到后來出現(xiàn)如TEM喇叭天線，對數(shù)周期天線等等，各種類型的超寬帶天線逐漸出現(xiàn)。早期的研究并沒有把超寬帶作為天線研究的出發(fā)點。在上世紀80年代以后，超寬帶才成為微波射頻領域的一個明確的研究方向。
[0003]雙脊喇叭天線是最廣泛應用的一種超寬帶天線，其是一種由波導終端漸變張開的矩形截面的微波天線，為了展寬其工作頻段，根據(jù)脊波導具有寬頻帶的特點，在喇叭的波導部分及喇叭張開部分加入脊形狀結構，加入的脊包括脊波導段和脊喇叭段。然而在已有的雙脊喇叭天線中，能做到超寬帶的都是在低頻波段，如1-12GHZ波段和1-18GHZ波段的雙脊喇叭天線。
[0004]而在毫米波波段，還沒有任何文獻表明做到了超寬帶；隨著毫米波技術的日漸成熟和完善，各種各樣的毫米波電子系統(tǒng)對于毫米波天線的要求也越來越高，要求其可以做到使用頻帶寬、輻射性能好，但是這樣的天線設計難度比較高，傳統(tǒng)的天線很難滿足要求。
[0005]如圖1所示為按照現(xiàn)有技術和方法設計的毫米波雙脊喇叭天線的駐波比仿真結果，由圖1可見，在毫米波波段，按照現(xiàn)有低頻雙脊喇叭天線的設計技術和方法，仿真設計的毫米波雙脊喇叭天線不能滿足寬帶性能要求，毫米波雙脊喇叭天線在設計頻帶的低頻段和高頻段均出現(xiàn)了非常高的駐波比，頻帶性能嚴重惡化。
[0006]因此，毫米波雙脊喇叭天線要想實現(xiàn)多個倍頻程寬帶，它是不能采用傳統(tǒng)的技術進行設計的，而必須對傳統(tǒng)的雙脊喇叭天線進行改進，以求獲得滿足整個頻段的駐波比、天線方向圖以及天線帶寬要求的超寬帶毫米波天線。

【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明的主要目的在于，克服現(xiàn)有技術中的不足，提供一種超寬帶毫米波天線及其制作方法，制得的超寬帶毫米波天線結構緊湊、制作容易、安全可靠、實用性強，不僅使用頻帶寬、輻射性能好，而且可滿足整個頻段的駐波比、天線方向圖以及天線帶寬要求，極具有產(chǎn)業(yè)上的利用價值。
[0008]為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案是:
[0009]—種超寬帶毫米波天線，包括脊波導段和脊喇叭段，所述脊波導段和脊喇叭段之間增設有中間波導過渡段，所述脊波導段插接有同軸寬帶匹配段。
[0010]其中，所述中間波導過渡段為喇叭狀，中間波導過渡段的前端與脊喇叭段的末端段面匹配相接，中間波導過渡段的末端與脊波導段的前端段面匹配相接，脊喇叭段的前端和脊波導段的后端均為自由端。
[0011]而且，所述同軸寬帶匹配段為同軸線，同軸寬帶匹配段的底端插接入脊波導段中、頂端與外設接口相連；所述同軸線包括與脊波導段中的底部脊曲線相連的同軸線內導體，以及包覆同軸線內導體的同軸線外導體；所述同軸線內導體的徑向直徑沿軸長方向保持等徑、同軸線外導體的徑向直徑沿軸長方向保持從小到大的漸變方式，或者，所述同軸線外導體的徑向直徑沿軸長方向保持等徑、同軸線內導體的徑向直徑沿軸長方向保持從小到大的漸變方式；所述同軸線的底端特性阻抗等于脊波導段特性阻抗仿真得到的脊波導段特性阻抗，同軸線的頂端特性阻抗等于50歐姆。
[0012]本發(fā)明進一步設置為:所述漸變方式包括直線型漸變、曲線漸變、臺階型漸變和螺旋型漸變。
[0013]本發(fā)明進一步設置為:所述同軸線內導體和同軸線外導體均為銅，同軸線內導體和同軸線外導體之間的腔體為空氣。
[0014]本發(fā)明進一步設置為:所述超寬帶毫米波天線的軸長為35mm，所述中間波導過渡段的軸長為3.5_，所述同軸寬帶匹配段的軸長為15_。
[0015]本發(fā)明進一步設置為:所述脊波導段的尺寸為7mm*3.5mm、脊間距為0.15mm，脊波導段特性阻抗為20歐姆；所述脊喇叭段的E面尺寸為最低工作頻率對應波長的一半、H面尺寸小于E面尺寸，脊喇叭段的E面尺寸為25mm、H面尺寸為20mm ;所述中間波導過渡段的末端尺寸為;所述同軸線內導體的徑向直徑為等徑1.3mm，所述同軸線外導體的徑向直徑自底端到頂端從1.815mm漸變至3mm。
[0016]本發(fā)明還提供一種超寬帶毫米波天線的制作方法，包括以下步驟:
[0017]I)制作脊波導段；
[0018]確定超寬帶毫米波天線的設計頻率，根據(jù)脊波導理論和現(xiàn)有技術參數(shù)制作脊波導段；通過在HFSS中建立加脊波導模型并進行脊波導段特性阻抗優(yōu)化仿真，獲得其最佳性能特性阻抗曲線；
[0019]2)制作脊喇叭段；
[0020]確定脊波導段的尺寸后，根據(jù)脊喇叭段的E面尺寸為最低工作頻率對應波長的一半、H面尺寸小于E面尺寸的要求計算脊喇叭段尺寸；確定脊喇叭段的尺寸后采用現(xiàn)有技術確定脊曲線方程；
[0021]3)制作中間波導過渡段；
[0022]在脊波導段和脊喇叭段之間增設喇叭狀的中間波導過渡段，使得中間波導過渡段的前端尺寸與脊喇叭段的末端段面相匹配，中間波導過渡段的末端尺寸與脊波導段的前端段面相匹配；
[0023]4)制作同軸寬帶匹配段；
[0024]同軸寬帶匹配段采用同軸線結構，包括同軸線內導體和包覆同軸線內導體的同軸線外導體；采用同軸線內導體的徑向直徑沿軸長方向保持等徑、同軸線外導體的徑向直徑沿軸長方向保持從小到大的漸變方式制作同軸寬帶匹配段，或者，采用同軸線外導體的徑向直徑沿軸長方向保持等徑、同軸線內導體的徑向直徑沿軸長方向保持從小到大的漸變方式制作同軸寬帶匹配段；
[0025]將制得的同軸寬帶匹配段的底端插接入脊波導段中，將其中的同軸線內導體與脊波導段中的底部脊曲線相連，并使得同軸線的底端特性阻抗等于脊波導段特性阻抗；
[0026]5)進行超寬帶毫米波天線的整體模型仿真；
[0027]在HFSS中建立超寬帶毫米波天線的整體模型，通過整體模型的天線駐波比性能仿真，根據(jù)滿足設計頻率和駐波比要求，對中間波導過渡段和同軸寬帶匹配段的尺寸均進行優(yōu)化而實現(xiàn)尺寸微調。
[0028]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有的有益效果是:
[0029]通過在脊波導段和脊喇叭段之間增設中間波導過渡段，以及在脊波導段插接同軸寬帶匹配段；而同軸寬帶匹配段采用同軸線結構、包括同軸線內導體和包覆同軸線內導體的同軸線外導體，其中同軸線內導體的徑向直徑沿軸長方向保持等徑、同軸線外導體的徑向直徑沿軸長方向保持從小到大的漸變方式，或者，同軸線外導體的徑向直徑沿軸長方向保持等徑、同軸線內導體的徑向直徑沿軸長方向保持從小到大的漸變方式；從而制得結構緊湊、制作容易、安全可靠、實用性強的超寬帶毫米波天線，不僅使用頻帶寬、輻射性能好，而且可滿足整個頻段的駐波比、天線方向圖以及天線帶寬要求。
[0030]上述內容僅是本發(fā)明技術方案的概述，為了更清楚的了解本發(fā)明的技術手段，下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的描述。
【附圖說明】
[0031]圖1為按照現(xiàn)有技術和方法設計的毫米波雙脊喇叭天線的駐波比仿真結果；
[0032]圖2為本發(fā)明一種超寬帶毫米波天線的結構示意圖；
[0033]圖3為本發(fā)明一種超寬帶毫米波天線的結構剖示圖；
[0034]圖4為本發(fā)明一種超寬帶毫米波天線中同軸寬帶匹配段的結構示意圖；
[0035]圖5為本發(fā)明實施例1的脊波導段特性阻抗曲線；
[0036]圖6為本發(fā)明實施例1的天線駐波比性能仿真結果；
[0037]圖7為本發(fā)明實施例1中6GHz的E面輻射方向圖和H面輻射方向圖的性能仿真結果；
[0038]圖8為本發(fā)明實施例1中15GHz的E面輻射方向圖和H面輻射方向圖的性能仿真結果；
[0039]圖9為本發(fā)明實施例1中25GHz的E面輻射方向圖和H面輻射方向圖的性能仿真結果；
[0040]圖10為本發(fā)明實施例1中35GHz的E面輻射方向圖和H面輻射方向圖的性能仿真結果；
[0041]圖11為本發(fā)明實施例1中45GHz的E面輻射方向圖和H面輻射方向圖的性能仿真結果；
[0042]圖12為本發(fā)明實施例1中55GHz的E面輻射方向圖和H面輻射方向圖的性能仿真結果；
[0043]圖13為本發(fā)明實施例1中60GHz的E面輻射方向圖和H面輻射方向圖的性能仿真結果。
【具體實施方式】
[0044]下面結合說明書附圖，對本發(fā)明作進一步的說明。
[0045]如圖2和圖3所示的一種超寬帶毫米波天線，包括脊波導段I和脊喇叭段2，所述脊波導段I和脊喇叭段2之間增設有中間波導過渡段3，所述脊波導段I插接有同軸寬帶匹配段4。
[0046]所述中間波導過渡段3為喇叭狀，中間波導過渡段3的前端與脊喇叭段2的末端段面匹配相接，中間波導過渡段3的末端與脊波導段I的前端段面匹配相接，脊喇叭段2的前端和脊波導段I的后端均為自由端。所述同軸寬帶匹配段4為同軸線，同軸寬帶匹配段4的底端插接入脊波導段I中、頂端與外設接口(圖中未示出)相連，并要求所述同軸線的底端特性阻抗等于脊波導段特性阻抗仿真得到的脊波導段特性阻抗，同軸線的頂端特性阻抗等于50歐姆。
[0047]如圖3和圖4所示，所述同軸線包括與脊波導段I中的底部脊曲線相連的同軸線內導體41，以及包覆同軸線內導體41的同軸線外導體42 ;所述同軸線內導體41的徑向直徑沿軸長方向保持等徑、同軸線外導體42的徑向直徑沿軸長方向保持從小到大的漸變方式。
[0048]S卩，同軸線內導體41直徑不變，底部(脊波導端)的同軸線內導體直徑為dl、頂部(饋線輸出端)的同軸線內導體直徑也為dl、且同軸線內導體的中間段均沒有發(fā)生變徑；而同軸線外導體42的直徑漸變，底部(脊波導端)的同軸線外導體直徑為D1、頂部(饋線輸出端)的同軸線外導體直徑為D2、且按照漸變方式實現(xiàn)D2大于Dl，漸變方式包括直