本發(fā)明涉及微波天線領域，尤其是一種硬軟表面間隙波導三維集成陣列天線，以及一種硬軟表面間隙波導三維集成陣列天線的設計方法。

背景技術(shù)：

1、目前，受制于大氣對高頻段電磁波的衰減，工作在毫米波頻段的天線或者天線陣列需要更高的增益和更低的損耗。微帶貼片和基片集成波導作為成熟的技術(shù)，具有低剖面、低成本、易加工等優(yōu)點，在制作低頻天線及天線陣列時具有良好的表現(xiàn)。然而，基于微帶貼片和基片集成波導制作的天線及天線陣列損耗大、帶寬窄，無法滿足毫米波頻段寬帶天線陣列的需求。

2、為了滿足要求，天線陣列在設計過程中需要采用空心矩形波導、脊波導等行波結(jié)構(gòu)。然而，隨著頻率的升高，天線及天線陣列的尺寸變得非常小，現(xiàn)有的機械加工技術(shù)實現(xiàn)成本非常高，常用的方法是將波導切開加工后用螺釘進行緊固，但這又帶來了電磁波泄露的問題。間隙波導技術(shù)作為近年來提出的非接觸傳輸結(jié)構(gòu)，其獨特的結(jié)構(gòu)特性有效降低了加工和裝配方面的難度，同時又保有了波導結(jié)構(gòu)低損耗的特性?；诜墙佑|結(jié)構(gòu)制作的毫米波天線陣列有如下兩個優(yōu)點：首先，天線的電氣性能不像傳統(tǒng)接觸集成那樣依賴于以直接的電接觸，天線不僅電氣性能加穩(wěn)定，而且集成度更高；其次，采用非接觸技術(shù)有效抑制了金屬-氧化物-金屬接觸造成的無源互調(diào)干擾噪聲。基于非接觸集成設計的間隙波導三維集成陣列天線在高頻段具有高增益、低損耗、寬頻帶的特點，適用于微波、毫米波、太赫茲頻段電路與通信領域。

3、目前已有的非接觸電磁屏蔽結(jié)構(gòu)都是采用釘床結(jié)構(gòu)作為二維人工磁導體表面來抑制電磁波的傳輸，這一類非接觸電磁屏蔽結(jié)構(gòu)的缺點是在高頻應用領域，由于釘床的寬度與工作波長的四分之一相當，頻率越高，波長越短，釘床的尺寸也會變得越細小，結(jié)構(gòu)強度比較低，存在斷裂的風險。

4、通過上述分析，現(xiàn)有技術(shù)存在的問題及缺陷為：

5、（1）在高頻應用領域，基于微帶貼片和基片集成波導制作的天線及天線陣列損耗大、帶寬窄，無法滿足毫米波頻段寬帶天線陣列的需求。

6、（2）在高頻應用領域，傳統(tǒng)非接觸式結(jié)構(gòu)的釘床的尺寸會變得非常的細小，結(jié)構(gòu)強度比較低，存在斷裂的風險。

7、（3）隨著天線陣列規(guī)模的擴大，饋電網(wǎng)絡變得極其復雜，通常具有三維復雜結(jié)構(gòu)，采用傳統(tǒng)的螺釘緊固的方案存在緊固結(jié)構(gòu)與電氣結(jié)構(gòu)干涉而導致緊固力不足、電性能在溫度沖擊下性能不穩(wěn)定的問題，而采用焊接工藝進行集成面臨成本高、后期難以維護的問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的發(fā)明目的在于：針對上述存在的全部或部分問題，提供一種硬軟表面間隙波導三維集成陣列天線及其設計方法，用以提升高頻段天線陣列的帶寬和結(jié)構(gòu)強度。

2、本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

3、一種硬軟表面間隙波導三維集成陣列天線，其包括輻射陣列模塊和饋電網(wǎng)絡模塊，所述輻射陣列模塊底部和所述饋電網(wǎng)絡模塊的頂部之間形成硬軟表面間隙波導結(jié)構(gòu)；

4、所述饋電網(wǎng)絡模塊上設有輸入端口，該輸入端口經(jīng)所述饋電網(wǎng)絡模塊內(nèi)部的第一功率分配網(wǎng)絡分別與饋電網(wǎng)絡模塊頂部的各輸出端口連通；

5、所述輻射陣列模塊包括第一邊緣輻射電導體板、第二邊緣輻射電導體板，以及夾于兩邊緣輻射電導體板之間的至少一塊內(nèi)部輻射電導體板；相鄰輻射電導體板之間形成硬軟表面間隙波導結(jié)構(gòu)；相鄰輻射電導體板之間對接形成至少一組輻射單元；各組輻射單元分別與所述饋電網(wǎng)絡模塊頂部的輸出端口對應連接。

6、進一步的，相鄰輻射電導體板之間對接形成第二功率分配網(wǎng)絡，所述第二功率分配網(wǎng)絡的輸入端口與所述饋電網(wǎng)絡模塊頂部的輸出端口一一連通，所述第二功率分配網(wǎng)絡的每一輸出端口分別與一輻射單元一一連接，一個第二功率分配網(wǎng)絡連接一組輻射單元。

7、進一步的，所述第二功率分配網(wǎng)絡的輸入端口上連接有阻抗變換器。

8、進一步的，所述第二功率分配網(wǎng)絡采用脊型功率分配器結(jié)構(gòu)。

9、進一步的，所述饋電網(wǎng)絡模塊包括至少兩層饋電網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)；相鄰饋電網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)之間形成硬軟表面間隙波導。

10、進一步的，每一層饋電網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)內(nèi)均設計有一級功率分配器的全部或部分結(jié)構(gòu)，相鄰饋電網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)對接后各級功率分配器級聯(lián)形成所述第一功率分配網(wǎng)絡。

11、進一步的，所述第一功率分配網(wǎng)絡的每一級功率分配器均為二功分器。

12、進一步的，所述饋電網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的層數(shù)與所述第一功率分配網(wǎng)絡所包含的功率分配器的級數(shù)相同，每后一層饋電網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)與前一層饋電網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)對接形成至少一級完整的功率分配器。

13、本發(fā)明還提供了上述硬軟表面間隙波導三維集成陣列天線的設計方法，其包括：

14、s1、建立硬軟表面非接觸人工電磁帶隙材料最小晶格三維模型并初始化尺寸；對人工電磁帶隙材料尺寸進行優(yōu)化直至覆蓋所需電磁禁帶；

15、s2、建立輻射單元的電磁仿真模型，進行參數(shù)優(yōu)化直至達到所需性能；

16、s3、建立完整的輻射陣列模塊的電磁仿真模型，進行參數(shù)和尺寸優(yōu)化直至達到所需性能；

17、s4、建立第一功率分配網(wǎng)絡的電磁仿真模型，進行參數(shù)優(yōu)化直至達到所需性能；

18、s5、將輻射陣列模塊和饋電網(wǎng)絡模塊組合建立完整的硬軟表面間隙波導三維集成陣列天線模型，進行整體的參數(shù)和尺寸優(yōu)化直至達到所需技術(shù)指標。

19、進一步的，所述步驟s4包括：

20、s41、分別建立第一功率分配網(wǎng)絡各級功率分配器的全波電磁仿真模型，分別進行參數(shù)優(yōu)化直至達到所需性能；將各級功率分配器級聯(lián)建立饋電網(wǎng)絡模塊的電磁仿真模型；

21、s42、將饋電網(wǎng)絡模塊分層處理為至少兩層饋電網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，在相鄰層饋電網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)之間添加硬軟標間間隙波導結(jié)構(gòu)；

22、s43、對饋電網(wǎng)絡模塊進行參數(shù)優(yōu)化直至達到所需性能。

23、綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：

24、本發(fā)明改善了現(xiàn)有高頻段天線陣列損耗高，頻帶窄的問題，采用空心矩形波導和雙脊波導等行波結(jié)構(gòu)的傳輸線，有效降低了陣列天線的損耗，提高了陣列天線的帶寬。另一方面，本發(fā)明打破了傳統(tǒng)的間隙波導陣列天線基于釘床的電磁屏蔽結(jié)構(gòu)設計思路，提高了天線的結(jié)構(gòu)強度。因此，在同等結(jié)構(gòu)強度要求下，本發(fā)明的天線能夠具有更小的尺寸，工作的頻段也更高。另外，本發(fā)明硬軟表面非接觸人工電磁帶隙材料所采用的金屬脊結(jié)構(gòu)可以兼顧水平和垂直兩個方向的集成需要，更利于三維集成。

技術(shù)特征：

1.一種硬軟表面間隙波導三維集成陣列天線，其特征在于，包括輻射陣列模塊（1）和饋電網(wǎng)絡模塊（2），所述輻射陣列模塊（1）底部和所述饋電網(wǎng)絡模塊（2）的頂部之間形成硬軟表面間隙波導結(jié)構(gòu)；

2.如權(quán)利要求1所述的硬軟表面間隙波導三維集成陣列天線，其特征在于，相鄰輻射電導體板之間對接形成第二功率分配網(wǎng)絡，所述第二功率分配網(wǎng)絡的輸入端口與所述饋電網(wǎng)絡模塊（2）頂部的輸出端口一一連通，所述第二功率分配網(wǎng)絡的每一輸出端口分別與一輻射單元（106）一一連接，一個第二功率分配網(wǎng)絡連接一組輻射單元（106）。

3.如權(quán)利要求2所述的硬軟表面間隙波導三維集成陣列天線，其特征在于，所述第二功率分配網(wǎng)絡的輸入端口上連接有阻抗變換器（103）。

4.如權(quán)利要求2所述的硬軟表面間隙波導三維集成陣列天線，其特征在于，所述第二功率分配網(wǎng)絡采用脊型功率分配器結(jié)構(gòu)。

5.如權(quán)利要求1所述的硬軟表面間隙波導三維集成陣列天線，其特征在于，所述饋電網(wǎng)絡模塊（2）包括至少兩層饋電網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)；相鄰饋電網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)之間形成硬軟表面間隙波導。

6.如權(quán)利要求5所述的硬軟表面間隙波導三維集成陣列天線，其特征在于，每一層饋電網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)內(nèi)均設計有一級功率分配器的全部或部分結(jié)構(gòu)，相鄰饋電網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)對接后各級功率分配器級聯(lián)形成所述第一功率分配網(wǎng)絡。

7.如權(quán)利要求6所述的硬軟表面間隙波導三維集成陣列天線，其特征在于，所述第一功率分配網(wǎng)絡的每一級功率分配器均為二功分器。

8.如權(quán)利要求6所述的硬軟表面間隙波導三維集成陣列天線，其特征在于，所述饋電網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的層數(shù)與所述第一功率分配網(wǎng)絡所包含的功率分配器的級數(shù)相同，每后一層饋電網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)與前一層饋電網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)對接形成至少一級完整的功率分配器。

9.如權(quán)利要求1-8任一所述的硬軟表面間隙波導三維集成陣列天線的設計方法，其特征在于，包括：

10.如權(quán)利要求9所述的硬軟表面間隙波導三維集成陣列天線的設計方法，其特征在于，所述步驟s4包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種硬軟表面間隙波導三維集成陣列天線及其設計方法，涉及微波天線領域，用以提升高頻段天線陣列的帶寬和結(jié)構(gòu)強度。本發(fā)明陣列天線在輻射陣列模塊和饋電網(wǎng)絡模塊間形成硬軟表面間隙波導結(jié)構(gòu)，在輻射陣列模塊的相鄰輻射電導體板間形成硬軟表面間隙波導結(jié)構(gòu)，在分層的饋電網(wǎng)絡模塊的分割面間形成硬軟表面間隙波導結(jié)構(gòu)，利用第一功率分配網(wǎng)絡、第二功率分配網(wǎng)絡和輻射單元完成微波輻射。本發(fā)明有效降低了陣列天線的損耗，提高了陣列天線的帶寬，提升了天線結(jié)構(gòu)強度，利于三維集成。

技術(shù)研發(fā)人員：孫冬全,李韻,陳翔,池涵晨
受保護的技術(shù)使用者：西安電子科技大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9