波导天线和信号传输装置
阅读说明：本技术 波导天线和信号传输装置 (Waveguide antenna and signal transmission device ) 是由 赵奂 虞强 于 2021-08-23 设计创作，主要内容包括：本申请公开一种波导天线和一种信号传输装置,波导天线包括：第一基板,包括位于第一表面的波导口；第二基板,位于第一基板之上,所述第二基板和第一基板形成的堆叠结构内具有传输波导,所述传输波导一端连通至所述波导口；至少一个中间基板,堆叠设置于所述第二基板的第二表面之上,形成有信号传输通路,具有一个输入端口和若干输出端口,以及若干连通所述输入端口和所述输出端口的功分器,用于将所述输入端口连通至各个输出端口；天线基板,所述天线基板内设置有若干开口,所述开口作为波导天线阵元。上述波导天线的安装简单,可在保证信号直通率的前提下,降低所述波导天线重量和成本,可广泛应用于工程现场。(The application discloses waveguide antenna and signal transmission device, waveguide antenna includes: a first substrate including a waveguide port at a first surface; the second substrate is positioned above the first substrate, a transmission waveguide is arranged in a stacked structure formed by the second substrate and the first substrate, and one end of the transmission waveguide is communicated to the waveguide port; at least one intermediate substrate, stacked on the second surface of the second substrate, forming a signal transmission path having an input port and a plurality of output ports, and a plurality of power dividers communicating the input port and the output ports, for communicating the input port to each of the output ports; the antenna comprises an antenna substrate, wherein a plurality of openings are arranged in the antenna substrate and are used as waveguide antenna array elements. The waveguide antenna is simple to install, can reduce the weight and the cost of the waveguide antenna on the premise of ensuring the signal straight-through rate, and can be widely applied to engineering sites.)
技术领域
本申请涉及信号技术领域，具体涉及一种波导天线和信号传输装置。
背景技术
波导是一种能够限定和引导电磁波在长度方向上传播的管道。波导天线是一种经典的天线形式，是一种在强约束边界中，实现导波变换、传输和辐射一体化的紧凑天线，具有高效率、大功率容量和高结构强度等特点。随着高度集成化相控阵天线对效率以及力和热等方面的苛刻要求，毫米波天线需求的快速提升，使波导天线成为当前天线领域研究最活跃的天线形式之一。波导阵列天线口面分布相对于其他天线而言更容易控制，因此易于实现低副瓣性能，这使得它在形形色色的雷达天线中脱颖而出。因此，在雷达、通信天线等设计中有着不可替代的地位。波导天线高效率、低剖面和轻量化是突破电子信息装备瓶颈、赋能未来电子信息系统的基础性前沿技术。
在微带线电子设备中，为了控制微波控制信号的传导路径，通常会使用印制电路板(PCB)微带线形成的波导，或者金属腔体形成的波导，并通过控制及改变微带线的形状或者金属腔体的形状，达到对微波信号进行滤波、功率分合路、耦合、辐射等功能。
传统使用印制电路板(PCB)微带线形成的波导对于60GHz以上的频段对信号的损耗较大，而且由于PCB介质的介电常数较高，导致了微带线的阻抗特性受尺寸的影响较大，导致PCB需要很高的加工精度，从而使得成本大幅上升，而且还会降低直通率；传统金属腔体形成的波导对于60GHz以上频段，金属腔体的加工精度容差达到微米级，且形状均为立体形状，需要釆用精度极高的模具和加工工艺，也会从而导致成本大幅上升。尤其是其重量的增加，使工程应用越发困难。
为此，如何降低波导天线的重量，降低制作成本是目前急需解决的问题。
发明内容
鉴于此，本申请提供一种波导天线和信号传输装置，以解决现有的波导天线重量大，成本高的问题。
本申请提供的一种波导天线，包括：第一基板，具有相对的第一表面和第二表面，包括位于第一表面的波导口；第二基板，位于所述第一基板之上，具有相对的第一表面和第二表面，所述第二基板的第一表面与所述第一基板的第二表面贴合，所述第二基板和第一基板形成的堆叠结构内具有传输波导，所述传输波导一端连通至所述波导口；至少一个中间基板，堆叠设置于所述第二基板的第二表面之上，所述至少一个中间基板形成的堆叠结构内形成有信号传输通路，所述信号传输通路具有一个输入端口和若干输出端口，以及若干连通所述输入端口和所述输出端口的功分器，用于将所述输入端口连通至各个输出端口；天线基板，位于所述至少一个中间基板之上，所述天线基板内设置有若干开口，所述开口作为波导天线阵元，与各个输出端口连通。
可选的，所述第一基板、所述第二基板、所述中间基板以及所述天线基板均包括绝缘层和至少覆盖所述绝缘层部分表面的金属薄膜；所述波导口、所述传输波导、所述信号传输通路的内壁表面均形成有所述金属薄膜。
可选的，所述金属薄膜的厚度为工作频带中心频率波长的1/200。
可选的，所述金属薄膜的材料包括：金、银、铜、铝以及锡中的至少一种。
可选的，所述金属薄膜的电导率大于10s/cm。
可选的，所述绝缘层的材料包括：聚苯硫醚、酚醛塑料、聚氨酯塑料、环氧塑料以及不饱和聚酯塑料中的至少一种。
可选的，所述第一基板包括波导口和第一传输槽，且所述波导口与所述第一传输槽连通；所述第二基板包括位于所述第二基板的第一表面一侧的第二传输槽，所述第二传输槽和所述第一传输槽连通，且开口边缘对齐，形成所述传输波导。
可选的，所述第二基板还包括：位于所述第二基板的第二表面一侧的第三传输槽，以及位于所述第二传输槽和第三传输槽之间，且连通所述第二传输槽和第三传输槽的第一传输通孔。
可选的，包括一个中间基板，所述中间基板包括相对的第一表面和第二表面；所述中间基板的第一表面侧具有第四传输槽，以及形成于所述中间基板的第二表面侧的第五传输槽，所述第四传输槽与所述第五传输槽之间通过第二传输孔连通；所述第二基板的第三传输槽和所述中间基板的第四传输槽构成第一功分器，用于将所述第三传输槽接收的信号分配至各个第五传输槽。
可选的，所述天线基板包括相对的第一表面和第二表面，所述天线基板的开口位于所述天线基板的第二表面侧，所述天线基板还包括位于所述天线基板的第一表面侧的若干第六传输槽，每个第六传输槽连通至少两个以上的所述开口；所述中间基板的第五传输槽连通至所述天线基板的第六传输槽，至少构成第二功分器和第三功分器，用于将所述第五传输槽接收的信号分配至各个所述开口。
可选的，所述传输波导和所述信号传输通路在垂直于信号传输方向上的横截面为矩形。
可选的，所述横截面的长度a和宽度b满足：a＝0.7λ,b＝(0.4～0.5)λ，其中，a为平行各基板的所述第一表面的边长，b为垂直各基板的所述第一表面的边长。
可选的，所述传输波导的波导长度GL，GL＝P*λg/360.00，其中，λg为所述传输波导的波导波长，P为传输信号的相位。
进一步地，所述波导天线的波导波长λg，其中，λg为波导波长，λ0为工作中心频率波长，εr为所述波导天线介电层的介电常数。
可选的，所述第二功分器和所述第三功分器的第五传输槽的至少一侧侧壁为阶梯式结构。
本申请提供的一种波导天线，还包括：定位销和定位孔，所述定位销和所述定位孔分别位于相邻基板的两侧贴合的表面，所述定位梢嵌入于所述定位孔内。
本申请还提供一种信号传输装置，包括：上述任一项所述的波导天线；信号转换器，所述信号转换器与所述波导口连接，所述信号转换器用于产生电磁波，传输至所述波导天线。
本发明的波导天线，包括第一基板、第二基板、至少一个中间基板和天线基板，所述第二基板的第一表面与所述第一基板的第二表面连接，所述至少一个中间基板堆叠设置于所述第二基板的第二表面之上，所述天线基板位于所述至少一个中间基板之上，所述波导天线的基板主题为绝缘性的塑料介质，其表面有一层金属薄膜，各个基板堆叠，内部的各个传输槽、通孔等结构组成信号传输的波导结构，可在不影响信号直通率的情况下，减少所述波导天线的重量，降低加工成本，可广泛应用于工程。
进一步地，每块基板的两面设计有传输槽，每块基板的传输槽与其相邻基板上的传输槽配合，尺寸符合波导毫米波电磁场设计要求，这些基板间的传输槽形成空气波导，最下层的基板的波导口可以与微带波导转换器端口匹配，最上层的波导口向自由空间辐射电磁波，中间基板上的孔槽实现波导多口分配或合成，以及波导长度匹配，以实现将信号配置至各个天线阵元。
本发明的天线信号传输装置，包括波导天线和信号转换器，可以通过耦合天线阵列，将多种频段的电磁波发射至自由空间或者接受自由空间的不同频段电磁波，其工作频段宽广，实现结构简单，便于批量生产。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请一实施例的波导天线的侧视剖面图；
图2是本申请一实施例的波导天线的端视剖面图；
图3是本申请一实施例的波导天线的顶视图；
图4是本申请一实施例的波导天线的底视图；
图5是本申请一实施例的信号转换装置的侧视剖面图。
具体实施方式
下面结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而非全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。在不冲突的情况下，下述各个实施例及其技术特征可以相互组合。
下面通过实施例，并结合附图来更清楚完整地说明本发明。
请参考图1，为本发明的一实施例的波导天线的侧视剖面图。
该实施例中，所述波导天线1包括第一基板2、第二基板3、中间基板4和天线基板5；所述第一基板2、第二基板3、中间基板4和天线基板5均包括相对的第一表面和第二表面，且各基板依次堆叠，上一层基板的第一表面堆叠于下一层基板的第二表面。
所述第一基板2包括波导口201、第一传输槽202，且所述波导口201与所述第一传输槽202连通。所述第二基板3包括位于所述第二基板3的第一表面一侧的第二传输槽301、位于第二基板3的第二表面一侧的第三传输槽303，以及连通所述第二传输槽301和第三传输槽303的第一传输通孔302。所述第二传输槽301和所述第一传输槽202的尺寸匹配，且开口边缘对齐，形成所述传输波导9。
请一并参考图2和图4，其中，图2为沿波导内部垂直于基板表面方向上的剖面示意图，图4为第一基板2的第一表面处的波导天线的底部示意图。该实施例中，所述波导口201为矩形。在其他实施例中，所述波导口201还可以是圆形、脊形、三角形或椭圆形等，只要满足信号传输的直通率即可。所述传输波导9为矩形波导，在垂直于信号传输方向上的横截面为矩形。在其他实施例中，所述传输波导9还可以为圆柱形波导等。
所述波导口201和传输波导9的横截面的长度a和宽度b满足：a＝0.7λ,b＝(0.4～0.5)λ，其中，a为平行各基板的所述第一表面的边长，b为垂直各基板的所述第一表面的一边的边长。
所述传输波导9可以设计成不同的长度来满足波导相控阵天线的相位设计需求。所述传输波导9的波导长度GL，GL＝P*λg/360.00，其中，λg为所述传输波导9的波导波长，P为传输信号的相位。波导波长λg，λ0为工作中心频率波长，εr为所述波导天线1的基板的介电常数。
所述中间基板4包括相对的第一表面和第二表面；所述中间基板4的第一表面侧开设有第四传输槽401，第二表面侧开设有第五传输槽404和第六传输槽405；第四传输槽401通过第二传输通孔402连通所述第五传输槽404，所述第四传输槽401通过第三传输通孔403连通所述第六传输槽405。
所述第二基板3的第三传输槽303和所述中间基板4的第四传输槽401构成第一功分器6，用于将所述第三传输303槽接收的信号分配至第五传输槽404和第六传输槽405。
所述天线基板5包括相对的第一表面和第二表面，所述天线基板5的开口501位于所述天线基板5的第二表面侧，所述天线基板5还包括位于所述天线基板5的第一表面侧的第七传输槽502和第八传输槽503，所述第七传输槽502和第八传输槽503连通至少两个以上的所述开口501；所述中间基板4的第五传输槽404连通至所述天线基板5的所述第七传输槽502，构成第二功分器7，所述中间基板4的第六传输槽405连通至所述天线基板5的所述第八传输槽503构成第三功分器8，用于将所述第五传输槽404和所述第六传输槽405接收的信号分配至各个所述开口501。所述开口501为天线阵元，呈面分布于所述天线基板5的第二表面侧，用于向自由空间辐射信号，接收时信号流和发射时相反。图3为所述天线基板5的第二表面侧的俯视示意图。
该实施例中，所述第一基板2、第二基板3、中间基板4以及天线基板5均包括绝缘层和覆盖所述绝缘层表面的金属薄膜。各个基板内的通孔、传输槽等均可以通过注塑工艺一次成型。其他实施例中，也可以通过对绝缘板材进行刻蚀而形成各个通孔以及传输槽。
该实施例中，所述各基板裸露在外的绝缘层表面具有金属薄膜。采用电镀方式将所述金属薄膜镀到第一基板2、第二基板3、中间基板4以及天线基板5的表面。将渡有金属薄膜的各个基板堆叠组装，形成上述波导天线结构。
在其他实施例中，也可以首先将各个基板的主体绝缘层进行堆叠组装后，再在表面形成金属薄膜，使得金属薄膜至少覆盖所述波导口201、所述传输波导9、中间基板内信号传输通路、天线阵元的内壁表面。
在其他实施例中，还可使用其他方法将所述内壁表面和外表面覆盖一层均匀的金属薄膜，只要达到聚拢电磁波信号，形成电磁屏蔽即可。
该实施例中，所述金属薄膜为一层厚度为1/200个工作频带中心频率波长的铝薄膜。在其他实施例中，所述金属薄膜还可以是金、银、铜以及锡等具有较高导电性能的金属材料，较佳的，选择电导率大于10s/cm的金属材料，并且所述金属薄膜的厚度为工作频带中心频率波长的1/200即可。
该实施例中，所述波导天线1的第一基板2、第二基板3、中间基板4和天线基板5的主体绝缘层均为具有良好绝缘性、耐电压、拉伸强度和热变形温度的注塑材料，例如，可以采用聚苯硫醚、酚醛塑料、聚氨酯塑料、环氧塑料以及不饱和聚酯塑料中的至少一种。在一个实施例中，所述绝缘层采用在常温下拉伸强度为160MPa、热变形温度为260°、耐电压为24MV/m的PPS(聚苯硫醚)材料。在其他实施例中，所述绝缘层还可以是其他具有良好绝缘性的材料，并且该材料的热变形温度高于150℃和拉伸强度大于80MPa即可。
该实施例中，所述第二功分器7的第五传输槽404和所述第三功分器8的第六传输槽405的至少一侧侧壁为阶梯式结构，以满足对天线束形状以及天线增益的要求。
该实施例中，所述波导天线还包括定位销和定位孔，所述定位销和定位孔分别位于相邻基板的两侧贴合的表面，且定位梢嵌入于所述定位孔内。具体的，第二基板2的第一表面侧具有突出的第一定位梢203，嵌入所述第一基板1的第一表面上的定位孔内；所述中间基板4的第二表面侧具有突出的第二定位销304，嵌入所述第二基板3的第一表面上的定位孔内；所述天线基板的第一表面上具有第三定位销408，嵌入所述中间基板4的第一表面上的定位孔内。通过位置对应匹配的定位孔和定位销使得各个基板之间便于组装，通过在各各堆叠面设置不同位置的梢孔，可以避免基板位置安装错误，确保各基板之间孔槽结构位置对准。在其他实施例中，也可以通过在相邻基板之间设置其他定位结构，实现组装和定位，例如设置插孔，卡口，卡槽等。
进一步的，各个基板之间可以通过点胶粘合工艺进行相互粘合，形成固定堆叠。在其他实施例中，还可使用其他形式固定所述基板，只要能够保证所述波导天线1的正常使用即可。
该实施例中，所述第一功分器6、第二功分器7以及第三功分器8均为一分二波导功分器，用于将接收到的信号均分为两路信号输出。在其他实施例中，所述第一功分器6、第二功分器7以及第三功分器8在满足所述波导天线1要求的前提下还可以为一分三波导功分器、一分四波导功分器等，只要能够达到均分传输信号要求即可，并且像适应的调整开口501的数量及位置。
在其他实施例中，所述第二基板3和所述天线基板5之间还可以具有2层以上的中间基板，各个中间基板堆叠结构内通过传输通孔、传输槽等构成信号传输通路，所述信号传输通路具有一个输入端口和若干输出端口，以及若干连通所述输入端口和所述输出端口的功分器，用于将所述输入端口连通至各个输出端口。所述输出端口连通至天线阵元，所述输入端口连通至所述传输波导9。
上述实施例中，所述波导天线阵元501为具有四个天线阵元的波导天线，输入信号经所述波导口201传输至所述传输波导9将调制后的信号传输至所述第一功分器6并输出两路具有相同相位的信号，所述信号再经过所述第一功分器7和所述第一功分器8均分为四路相位相同的信号，形成波导天线阵元501，并通过所述开口向空间辐射电磁场信号。在其他实施例中，所述波导天线阵元501还可以为八波导天线阵元、十六波导天线阵元等，所述天线基板1的所述波导天线阵元501的数量与所述中间基板4的输出端口数量相同。可以通过调整所述波导天线内的信号传输通路上的功分器的分配能力以及数量，将信号分配至各个天线阵元。
请参考图5，为本发明一实施例的信号转换装置的结构示意图。
该实施例中，所述信号转换装置包括波导天线1和信号转换器10。
所述波导天线1如上述实施例中所述，在此不再赘述。
该实施例中，所述信号转换器10用于产生电磁场信号传输至所述波导天线1的所述波导口201。
以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，例如各实施例之间技术特征的相互结合，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。
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