本发明涉及天线及天线馈源技术领域，尤其涉及一种多层悬置带线天线馈电结构。
背景技术：
随着无线通信技术的发展，对于高速率数据传输的无线宽带信道的需求不断增长，特别是移动卫星通讯领域，缺少能够满足移动使用要求的天线，具体来说为增益高、尺寸小、重量轻的天线。持续增长的高通量通信需求使得毫米波在现代无线通信系统应用广泛，毫米波的频率范围在30至300之间，总共约250的带宽，频段介于微波与红外光波之间，与传统的微波系统相比，毫米波不仅具有全天候的优势，而且可以提供更广泛的可用频谱资源和更紧凑的设计尺寸；相较于红外光，毫米波不仅继承了其信息容量大、分辨率高等优点，而且受气候环境影响更小，能够更好地利用大气窗口进行通信。对于与卫星进行定向无线数据通信(例如，在ku或ka频带)由于必须可靠地防止相邻卫星之间的干扰，所以对天线的发射特性有极高的要求。在移动通信应用中，天线的重量和尺寸非常重要，因为它们可以降低移动载体的有效载荷，并且可以减少相应的操作费用。在卫星通信领域，管理规定移动卫星的定向发射操作期间在相邻的卫星之前不产生干扰，为此，需要设计的天线不能超过特定波瓣宽度的数值。这导致了根据该指标的天线特性的严格要求。随着波瓣宽度的减小，天线与目标卫星的分离角减小，天线增益也相应增高。通常，使用具有这些特性的抛物面天线。然而，对于多数移动应用，特别对于飞行器而言，抛物面天线由于其具有较大的尺寸而并不适用。例如，在商用飞行器的情况下，天线安装于机身，由于抛物面天线尺寸较大带来了额外的空气阻力。
由于通信系统对高传输速率和高可靠传输的需求日益增长，cts天线作为一种良好性能和制造稳定性的天线正在成为先进天线系统的候选天线。传统的cts天线是由多个开口有切向缝隙的平行板波导组成，任何由平面波激励的平行板波导产生的纵向电流分量会被横向缝隙切断，由于采用平行板波导这种结构，使得传输损耗变低，天线效率显著提高。然而，现有的cts天线阵列设计大多采用平行板波导或基片集成波导馈电方式。前者馈电方式虽然损耗低，但是随着天线口径的增大，馈电网络的加工装配难度提高，天线剖面也随之变大，不能实现天线系统的小型化；后者馈电方式虽然剖面低，但是馈电网络的损耗较大功率容量较低，该方式使得天线效率变差，不能有效应用于实际环境中。
相比传统平行板波导或基片集成波导馈电方式，我们探讨了新的平面传输线替代方案，平面传输线具有极高的加工精度与小巧的外形，广泛应用于雷达、无线通信系统，常见的平面传输线有微带线(microstripline)、空气带线(airstripline)、悬置带线(suspendstripline)等；其中微带线在高频应用中损耗较大，空气带线由于结构特性加工装配存在一定难度，悬置带线则与前两者不同，不仅在高频中具有更低的损耗，而且保留了一些微带线的传输特性，如准tem模式等，因此悬置带线在低损、高效率天线馈电中具有一定的应用价值。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种多层悬置带线天线馈电结构，具有低剖面、宽带、低副瓣和易加工的优点。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种多层悬置带线天线馈电结构，该结构包括波导悬置带线离散化结构和悬置带线功率分配结构；所述波导悬置带线离散化结构用于平面电磁波的离散化，包括输入波导结构、探针结构、金属隔板和多路悬置带线离散化结构输出端口；所述输入波导结构的短路面设置有若干等间距排布的金属隔板，相邻金属隔板中心位置设有探针结构；所述探针结构的末端连接各路悬置带线离散化结构输出端口；所述悬置带线功率分配结构连接各路悬置带线离散化结构输出端口，用于能量均匀或非均匀分配。
进一步地，所述输入波导结构一端馈入电磁波，输入波导结构的腔体的宽和高分别为a和b，其中a＞λ0，b＜λ0，λ0为发射或接收电磁波的最小自由空间波长，a等于离散化间距d的整数倍，馈入电磁波的模式为te10模式或准tem模式；所述输入波导结构的另一端设置为短路面，用于反射电磁波，在各探针结构处形成驻波。为了防止高次模，所述输入波导结构的波导高度应小于半波长。
进一步地，当输入波导结构的腔体宽a等于离散化间距d时，输入波导结构可以是矩形波导功分结构或脊波导功分结构，当输入波导结构的腔体宽a大于离散化间距d时，输入波导结构可以是平行板波导结构。
进一步地，所述探针结构包括悬置带线、介质基板和输出悬置带线波导腔体，悬置带线印刷在介质基板一侧，置于输出悬置带线波导腔体中心位置，输出悬置带线波导腔体与输入波导结构垂直布置，介质基板底部伸入输入波导结构形成探针结构，介质基板平行于输入波导结构的电场方向，介质基板伸入输入波导结构的中心位置，通过调整每个探针结构距离波导地面高度和探针粗细，以及每个探针结构与输入波导短路面的距离，实现阻抗匹配；探针结构末端设置感性传输线，用于补偿探针结构的容性阻抗。
进一步地，所述金属隔板位于输入波导结构的短路面处等间距排布，相邻金属隔板中心位置设有探针结构，金属隔板高度与输入波导结构高度相同；相邻金属隔板的距离d等于离散化间距d，d＜λ0；通过调节金属隔板的长度和宽度，实现阻抗匹配。
进一步地，所述多路悬置带线离散化结构输出端口与各个探针结构的末端相连接，用于将离散化的电磁波信号输入至悬置带线功率分配结构。
进一步地，所述悬置带线功率分配结构用于将电磁波分流并馈入下一级，所述悬置带线功率分配结构由若干悬置带线功率分配器和悬置带线弯头组成；所述悬置带线功率分配结构为单级或多级级联结构；所述悬置带线功率分配器为等分或不等分功率分配器，其作用为均匀或不均匀分配电磁波能量；所述悬置带线弯头作用为转变电磁波转播方向和相位补偿。
进一步地，所述悬置带线功率分配结构可以是并联、串联、并联串联结合的馈电结构。
进一步地，所述多层悬置带线天线馈电结构，还包括辐射结构，所述辐射结构连接悬置带线功率分配结构的输出端口，用于将能量分配后的电磁波辐射到自由空间。
进一步地，悬置带线功率分配结构置于辐射结构的底部，将电磁波以准tem模式从悬置带线功率分配结构馈入输出喇叭，从输出喇叭顶部辐射到自由空间。
进一步地，所述辐射结构的实现方式主要分为两种：悬置带线功率分配结构与微带天线(vivaldi天线，单极子天线等)相结合，此种方式实现起来较为简单，但是带宽较窄，剖面较高；悬置带线功率分配结构与喇叭天线相结合，此种方式可以提供宽带和低剖面的性能，其中喇叭天线可以是阶梯喇叭也可以是渐近线(直线)喇叭。
进一步地，所述多层悬置带线天线馈电结构的平行板波导内壁均采用金属良导体。
进一步地，所述多层悬置带线天线馈电结构的悬置带线波导腔体可以是封闭结构或开放结构。
进一步地，所述多层悬置带线天线馈电结构的悬置带线腔体的内壁均采用金属良导体，内部可以填充低损耗介质或空气。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1.由于采用多层结构的设计方法，在扩展天线口径的同时，不增加结构的复杂程度，从而简化设计，整体结构更加易于加工。
2.由于采用悬置带线代替传统的平行板波导，使得传输线的高度变小，结构更加紧凑，整体剖面更低；避免了波导传播过程中的高次模，一定程度上减小了高次模带来的能量损耗；悬置带线功分器的设计过程更加简单，从而提高了级联馈电网络的设计灵活性。
附图说明
图1是本发明实施例的多层悬置带线天线馈电结构剖面示意图；
图2是本发明实施例的波导悬置带线离散化结构正视示意图；
图3是本发明实施例的波导悬置带线离散化结构侧视示意图；
图4是本发明实施例的辐射结构正视示意图；
图5是本发明实施例的辐射结构俯视示意图；
图6是本发明实施例的悬置带线腔体封闭结构示意图；
图7是本发明实施例的悬置带线腔体开放结构示意图；
图8是本发明实施例的多层悬置带线天线馈电结构三维示意图；
图9是本发明实施例的多层悬置带线天线馈电结构俯视示意图；
图10是本发明实施例的多层悬置带线天线馈电结构采用平面波馈源时输入波导机构剖面示意图；
图11是本发明实施例的多层悬置带线天线馈电结构采用矩形波导馈源时输入波导结构剖面示意图；
图12是本发明实施例的多层悬置带线天线馈电结构电场分布图。
具体实施方式
由于本发明工作在微波毫米波频段，在设计过程中需要考虑传输线损耗的影响，常用低损耗传输线有波导和悬置带线结构。在一定的频带内，平行板波导高度一定的情况下，不同的频率将会导致不同的传播常数，而悬置带线传输线由于具有非色散特性，传播常数不随频率改变而发生明显变化，因此我们选用悬置带线功率分配结构代替传统的波导功率分配结构实现不等分功率分配器的设计，这种设计的方向图相比传统的cts天线，在方位面和俯仰面可以实现窄波束。同时，悬置带线的非色散特性使得不等分功分器的设计更加简单，并且传输线结构紧凑，使得整体剖面变低。另外，多个悬置带线功率分配结构可以前后堆叠，每一层可以对应不同的信号幅度相位，在俯仰面组成天线阵列，以此来增加天线增益或实现波束扫描。下面将结合本实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整地描述。
参考图1所示，本发明实施例提供的多层悬置带线天线馈电结构，包括波导悬置带线离散化结构2和悬置带线功率分配结构3；所述波导悬置带线离散化结构2包括输入波导结构7、探针结构12、金属隔板9和多路悬置带线离散化结构输出端口；波导结构1为平行板波导，位于结构底部横向放置，波导结构1的一端通过输入端口5连接外部输入馈源，另一端连接输入波导结构7；输入波导结构7的一端连接波导结构1馈入电磁波，输入波导结构7的宽和高分别为a和b，其中a＞λ0，b＜λ0，λ0为发射或接收电磁波的最小自由空间波长，a等于离散化间距d的整数倍，馈入电磁波的模式为te10模式或准tem模式，输入波导结构7的另一端设置为短路面，用于反射电磁波，在各探针结构12处形成驻波，为了防止高次模，所述输入波导结构7的波导高度应小于半波长；波导悬置带线离散化结构2为l型结构，输出端连接多级悬置带线功率分配结构3；多级悬置带线功率分配结构3为左右对称结构，由六级悬置带线功分器和若干悬置带线弯头级联而成，设置有三十二个输出端口；三十二个辐射结构4在横向呈等间距排列放置，辐射结构4的输入端口分别与多级悬置带线功率分配结构3的输出端口一一对应连接，辐射结构4的输出端口6的波导高度小于多层悬置带线天线馈电结构的接收或发送的最高频率电磁波的波导波长，输出端口间距小于最高频率的自由空间波长。
参考图2和3所示，所述波导悬置带线离散化结构2包括输入波导结构7、金属隔板9、第一介质基板11、悬置带线8和输出悬置带线波导腔体14。所述输入波导结构7连接波导结构1的输出端口，金属隔板9位于输入波导短路面13处，金属隔板9高度与输入波导结构7高度相同；悬置带线8印刷在第一介质基板11一侧，第一介质基板11置于输出悬置带线波导腔体14中，输出悬置带线波导腔体14与输入波导结构7垂直布置，底部垂直伸入输入波导结构7，第一介质基板11平行于输入波导结构7的电场方向，第一介质基板11伸入输入波导结构7部分的中心位置。
悬置带线8伸入输入波导结构7内部形成探针结构12，通过调整探针结构12距离波导地面高度和探针粗细，以及探针结构12与输入波导短路面13的距离，可以使得悬置带线与波导阻抗匹配，探针末端设置感性传输线10，用于补偿探针结构的容性阻抗。输出悬置带线波导腔体14由一段波导高度较小的矩形波导组成，第一介质基板11置于腔体中心位置，通过调整腔体高度，可以调整悬置带线8的特征阻抗。
参考图4和5所示，所述辐射结构4包括辐射悬置带线波导腔体18、悬置带线弯头19、辐射悬置带线探针20、喇叭金属隔板17、波导喇叭16和第二介质基板21；喇叭金属隔板17位于波导喇叭16底部，喇叭金属隔板17的宽度与波导喇叭16底部宽度相同；波导喇叭16顶部开口处为阶梯状或渐近线状；悬置带线8印刷在第二介质基板21上，第二介质基板21置于辐射悬置带线波导腔体18中，通过悬置带线弯头19转向后伸入波导喇叭16底部内部形成辐射悬置带线探针20；悬辐射置带线探针20距离波导喇叭16底部约四分之一波导波长高度水平放置。电磁波以准tem模式从辐射悬置带线波导腔体18馈入，分别经过悬置带线弯头19、辐射悬置带线探针20及波导喇叭16后，从顶部辐射到自由空间。
参考图6和7所示，悬置带线8宽度为wc，悬置带线波导腔体14宽度为wa。当波导腔体宽度wa不大于5倍悬置带线宽度wc时，称之为悬置带线波导腔体封闭结构，如图6所示；当波导腔体宽度wa大于5倍悬置带线宽度wc时，称之为悬置带线波导腔体开放结构，如图7所示。
参考图8和9所示，本发明实施例的多层悬置带线cts天线，包括八层悬置带线离散化的天线馈电结构，输入波导结构采用平行板波导结构，每层悬置带线离散化结构2中镶嵌第一介质基板11，且每层之间放置金属隔板9。为了防止俯仰面出现过高的栅瓣，金属隔板9的厚度小于最高频率自由空间波长。通过改变输入波导的平面波的振幅和相位分布，可以调整方向图的副瓣和扫描角度。采用这种结构可以获得相控阵扫描和低副瓣的优点。
参考图10所示，当输入波导结构的腔体宽a等于离散化间距d时，输入波导结构可以是矩形波导功率分配结构或脊波导功率分配结构，参考图11所示，当输入波导结构的腔体宽a大于离散化间距d时，输入波导结构可以是平行板波导结构。
采用商业仿真软件cststudiosuite对本发明的多层悬置带线的天线馈电结构进行仿真，图12所示为本发明实施例的多层悬置带线的天线馈电结构的方位面电场分布图。分析图12可知，输入端口激励出平面波，在通过波导悬置带线离散化结构2后，变换为准tem波，能量经过多级悬置带线功率分配结构3和辐射结构4后输出幅度呈现锥削分布，输出相位相同。
以上是本发明的具体实施方式，本领域的技术人员可以通过应用本发明公开的方法以及一些没有做出创造性劳动前提下的替代方式制作出一种多层悬置带线天线馈电结构。本发明结构具有宽带、低剖面、损耗小、设计简单和易加工等特点，适合用于代替传统的波导辐射馈电结构，尤其适合作为cts天线的馈电辐射结构使用。
1.一种多层悬置带线天线馈电结构，其特征在于，包括：波导悬置带线离散化结构和悬置带线功率分配结构；所述波导悬置带线离散化结构用于平面电磁波的离散化，包括输入波导结构、探针结构、金属隔板和多路悬置带线离散化结构输出端口；所述输入波导结构的短路面设置有若干等间距排布的金属隔板，相邻金属隔板中心位置设有探针结构；所述探针结构的末端连接各路悬置带线离散化结构输出端口；所述悬置带线功率分配结构连接各路悬置带线离散化结构输出端口，用于能量均匀或非均匀分配。
2.根据权利要求1所述的一种多层悬置带线天线馈电结构，其特征在于，所述输入波导结构的一端馈入电磁波，输入波导结构的腔体的宽和高分别为a和b，其中a＞λ0，b＜λ0，λ0为发射或接收电磁波的最小自由空间波长，a等于离散化间距d的整数倍，馈入电磁波的模式为te10模式或准tem模式；所述输入波导结构的另一端设置为短路面，用于反射电磁波，在各探针结构处形成驻波。
3.根据权利要求2所述的一种多层悬置带线天线馈电结构，其特征在于，当输入波导结构的腔体宽a等于离散化间距d时，输入波导结构可以是矩形波导功分结构或脊波导功分结构，当输入波导结构的腔体宽a大于离散化间距d时，输入波导结构可以是平行板波导结构。
4.根据权利要求1所述的一种多层悬置带线天线馈电结构，其特征在于，所述波导悬置带线离散化结构还能够实现阻抗匹配和能量转向。
5.根据权利要求1所述的一种多层悬置带线天线馈电结构，其特征在于，悬置带线印刷在介质基板一侧，底部垂直伸入输入波导结构腔体中，形成探针结构；通过调整每个探针结构距离波导底面高度和探针粗细，以及每个探针结构与输入波导短路面的距离，实现阻抗匹配；探针结构末端设置感性传输线，用于补偿探针结构的容性阻抗。
6.根据权利要求1所述的一种多层悬置带线天线馈电结构，其特征在于，所述金属隔板高度与波导结构高度相同；相邻金属隔板的距离d等于离散化间距d，d＜λ0；通过调节金属隔板的长度和宽度，实现阻抗匹配。
7.根据权利要求1所述的一种多层悬置带线天线馈电结构，其特征在于，悬置带线波导腔体内壁采用金属良导体，内部可以填充低损耗介质或空气；悬置带线波导腔体可以是封闭结构或开放结构。
8.根据权利要求1所述的一种多层悬置带线天线馈电结构，其特征在于，所述悬置带线功率分配结构由若干悬置带线功率分配器和悬置带线弯头组成；所述悬置带线功率分配结构为单级或多级级联结构；所述悬置带线功率分配器为等分或不等分功率分配器，其作用为均匀或不均匀分配电磁波能量；所述悬置带线弯头作用为转变电磁波传播方向和相位补偿。
9.根据权利要求1所述的一种多层悬置带线天线馈电结构，其特征在于，所述天线馈电结构还包括辐射结构，所述辐射结构连接悬置带线功率分配结构的输出端口，用于将能量分配后的电磁波辐射到自由空间。
10.根据权利要求1所述的一种多层悬置带线天线馈电结构，其特征在于，该天线馈电结构为多层结构，各层结构之间平行排布；通过调整层数，在不改变悬置带线功率分配结构和加工难度的情况下，实现天线口径的调节。该天线馈电结构外接平面波馈源。
技术总结