一種寬帶基片集成波導(dǎo)圓極化天線陣列及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于基片集成波導(dǎo)技術(shù)的高增益圓極化天線陣列及其制備方法，包括上層的輻射基片以及下層的饋電基片，輻射基片包括以圓心為軸對(duì)稱設(shè)置的第一天線單元、第二天線單元、第三天線單元和第四天線單元；饋電基片上分布一分四的徑向基片集成波導(dǎo)功率分配器，對(duì)于以上四個(gè)天線單元進(jìn)行饋電。本發(fā)明的高增益圓極化天線陣列增益高，寬帶寬，輻射特性好，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于加工，成本低。該天線與現(xiàn)有基片集成波導(dǎo)圓極化天線相比，增益明顯提高，圓極化帶寬顯著提升。
【專利說(shuō)明】一種寬帶基片集成波導(dǎo)圓極化天線陣列及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明屬于通信領(lǐng)域，涉及一種基于基片集成波導(dǎo)技術(shù)的高增益圓極化天線陣列，尤其是一種寬帶基片集成波導(dǎo)圓極化天線陣列及其制備方法。
【背景技術(shù)】:
[0002]天線在無(wú)線通信系統(tǒng)中擔(dān)任著發(fā)射和接收電磁波的重要角色，除了能有效輻射或接收電磁波外，還承擔(dān)著將高頻電流(導(dǎo)波能量)轉(zhuǎn)換為無(wú)線電磁波或把無(wú)線電磁波轉(zhuǎn)換為高頻電流(導(dǎo)波能量)的工作。天線無(wú)疑承擔(dān)了最基本也是最不可或缺的重要角色，其性能的優(yōu)劣將直接影響整個(gè)通信系統(tǒng)的好壞。
[0003]隨著通信技術(shù)的發(fā)展，線極化方式已遠(yuǎn)不能滿足工作要求，而圓極化天線的應(yīng)用有時(shí)則顯得非常重要，圓極化天線可以接收任意極化的來(lái)波，且其輻射波也可由任意極化的天線收到，可以抑制雨霧干擾和抗多徑反射，因此可應(yīng)用于通信，雷達(dá)，電子對(duì)抗等領(lǐng)域中，有著廣泛的應(yīng)用前景。
[0004]圓極化天線實(shí)現(xiàn)方式多種多樣，從傳輸結(jié)構(gòu)可劃分為微帶圓極化天線，波導(dǎo)圓極化天線等。微帶圓極化天線雖然具有低剖面，高增益的優(yōu)點(diǎn)，但是隨著頻率的升高，由于微帶線本身的導(dǎo)體損耗，表面波損耗以及介質(zhì)損耗增大，導(dǎo)致天線效率降低。波導(dǎo)圓極化天線功率容量大，但是體積大，另外與外圍電路的集成難度增加。而基片集成波導(dǎo)技術(shù)正是結(jié)合了以上兩種傳輸結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，基片集成波導(dǎo)是在上下表面均為金屬層的低損耗介質(zhì)基片中排列多個(gè)金屬化過(guò)孔代替波導(dǎo)光滑側(cè)壁，從而與上下表面金屬圍成了一個(gè)準(zhǔn)封閉的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，以準(zhǔn)TEltl模式工作?；刹▽?dǎo)具有低損耗，高功率容量，高品質(zhì)因數(shù)，易于集成，與傳統(tǒng)波導(dǎo)相比加工成本低，不需要任何調(diào)試工作，非常適合做微波集成電路設(shè)計(jì)以及大批量生產(chǎn)。
[0005]綜上所述，基于基片集成波導(dǎo)的天線具有低剖面，高增益，高效率，高功率容量，與外圍電路集成度高等優(yōu)點(diǎn)。本專利提出的基片集成波導(dǎo)圓極化天線陣列，是在圓極化基片集成波導(dǎo)天線單元的基礎(chǔ)上，將4個(gè)天線單元按照一種新穎的連續(xù)旋轉(zhuǎn)饋電技術(shù)組陣設(shè)計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了寬頻帶，高增益，良好的輻射特性等優(yōu)點(diǎn)。
[0006]對(duì)比文件[I](SIff-Based Array Antennas With Sequential Feeding forX-Band Satellite Communication, Vol.60, N0.8, pp:3632-3639, August, 2012.)中基片集成波導(dǎo)圓極化天線單元采用圓環(huán)縫隙加一個(gè)金屬化過(guò)孔實(shí)現(xiàn)圓極化工作，過(guò)孔的位置影響圓極化特性的優(yōu)劣。該天線采用同軸饋電，另外在饋電端口附近加入了一排金屬化過(guò)孔用來(lái)調(diào)試阻抗匹配，增加天線的阻抗帶寬。在本天線單元基礎(chǔ)上，將同樣的4個(gè)天線單元按照連續(xù)旋轉(zhuǎn)饋電的方法組成陣列，依次按照O度，90度，180度，270度旋轉(zhuǎn)，每個(gè)天線單元之間的旋轉(zhuǎn)相位差90度，空間旋轉(zhuǎn)的相位可采用饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)償，饋電網(wǎng)絡(luò)同樣采用基于基片集成波導(dǎo)技術(shù)的基片集成波導(dǎo)功率分配器對(duì)于陣列進(jìn)行饋電。利用該方法可明顯提高圓極化帶寬特性，可將軸比帶寬從天線單元的2.3%提高到7.2%，阻抗帶寬從天線單元到6%提高到13.3%，天線單元實(shí)測(cè)增益6.63dBi，4元陣增益10.9dBi。[0007]該方案存在以下缺陷:
[0008]1.天線單元采用圓環(huán)縫隙加過(guò)孔饋電，實(shí)現(xiàn)圓極化，其軸比帶寬較窄，只有
2.3%。
[0009]2.在同軸饋電附近采用ー排過(guò)孔進(jìn)行阻抗匹配調(diào)試，増加了調(diào)試復(fù)雜度，最終天線單元帶寬也只有6%。
[0010]3.組陣之后其軸比帶寬以及阻抗帶寬改變不是特別明顯，軸比帶寬從2.3%提高到7.2%，阻抗帶寬從天線単元到6%提高到陣列的13.3%。
[0011]4.天線單元増益只有6.63dBi，4元陣增益也只有10.9dBi，天線單元和陣列增益較低。

【發(fā)明內(nèi)容】
:
[0012]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供ー種基于基片集成波導(dǎo)技術(shù)的高増益圓極化天線陣列及其制備方法，此種新型天線陣列増益高，寬帶寬，輻射特性好，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于加工，成本低。該天線與現(xiàn)有基片集成波導(dǎo)圓極化天線相比，増益明顯提高，圓極化帶寬顯著提升。
[0013]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)解決的:
[0014]ー種寬帶基片集成波導(dǎo)圓極化天線陣列，包括上層的輻射基片以及下層的饋電基片，輻射基片包括以圓心為軸對(duì)稱設(shè)置的第一天線單元、第二天線單元、第三天線單元和第四天線單元；饋電基片上分布一分四的徑向基片集成波導(dǎo)功率分配器，對(duì)于以上四個(gè)天線単元進(jìn)行饋電。所述輻射基片具有上下金屬層，在上金屬層蝕刻出ー個(gè)菱形的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，在環(huán)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置ー個(gè)貫通上金屬層和下金屬層的金屬化過(guò)孔，在環(huán)狀結(jié)構(gòu)周圍設(shè)置有貫通上金屬層和下金屬層的多個(gè)金屬化過(guò)孔順序排列形成基片集成波導(dǎo)腔體，最終的基片集成波導(dǎo)腔體由長(zhǎng)方形區(qū)域加菱形區(qū)域構(gòu)成，基片集成波導(dǎo)腔體的長(zhǎng)方形區(qū)域內(nèi)設(shè)置有同軸饋電結(jié)構(gòu)；所述饋電基片同樣具有上下金屬層，饋電基片上設(shè)置有貫通上金屬層和下金屬層的多個(gè)金屬化過(guò)孔作為饋電結(jié)構(gòu)，該饋電基片上的金屬化過(guò)孔與輻射基片的金屬化過(guò)孔相對(duì)應(yīng)。
[0015]所述金屬化過(guò)孔貫穿輻射基片和饋電基片，其內(nèi)部設(shè)置有金屬鍍層。
[0016]所述同軸饋電結(jié)構(gòu)位于基片集成波導(dǎo)短路壁大約四分之一波長(zhǎng)處。
[0017]所述輻射基片和饋電基片均采用Taconic的TLX — 8，介電常數(shù)2.55，厚度1.52mm,損耗角正切0.0019。
[0018]所述饋電基片的上金屬層設(shè)置有總饋電端ロ，饋電端ロ通過(guò)總饋電端ロ采用同軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行饋電。
[0019]所述寬帶基片集成波導(dǎo)圓極化天線陣列的制備方法，首先選取對(duì)應(yīng)參數(shù)的兩塊基片，在輻射基片的上金屬層蝕刻出四個(gè)形成圓極化輻射的近似于菱形的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，在各個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部打一金屬化過(guò)孔，在其饋電位置均打一通孔用以饋電，最后在縫隙周圍以均勻的間隔打一系列金屬化過(guò)孔，構(gòu)成基片集成波導(dǎo)腔體；下金屬層除了金屬化過(guò)孔以及饋電孔外全為金屬，選取合適的孔間距以及孔直徑，避免腔體內(nèi)能量向外泄露；饋電基片上金屬層上的四個(gè)饋電通孔與輻射基片上位置嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)，徑向型基片集成波導(dǎo)功率分配器從總饋電端ロ饋電，上下面均有金屬化過(guò)孔，完全一致；福射基片和饋電基片分別加工完成之后，將其粘合在一起，分布在四周的四個(gè)饋電端ロ利用焊接技術(shù)將輻射基片和饋電基片的端ロ完全焊接在一起，實(shí)現(xiàn)饋電網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)傳輸?shù)捷椛鋵印?br> [0020]本發(fā)明的有益效果在干:
[0021]1.此新型基片集成波導(dǎo)天線單元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作原理簡(jiǎn)單明了。設(shè)計(jì)過(guò)程中只需要調(diào)試菱形縫隙短路寬度以及金屬化過(guò)孔位置就可以調(diào)節(jié)圓極化的軸比帶寬，調(diào)節(jié)菱形縫隙的長(zhǎng)度以及寬度，就可以調(diào)節(jié)其阻抗帶寬。結(jié)構(gòu)參數(shù)少，大大縮短了設(shè)計(jì)和優(yōu)化時(shí)間。
[0022]2.該新型天線陣列以良好技術(shù)方案的天線單元為基礎(chǔ)，利用連續(xù)旋轉(zhuǎn)饋電技術(shù)組成4元陣，由干天線單元結(jié)構(gòu)的菱形設(shè)計(jì)，使得4個(gè)天線単元旋轉(zhuǎn)之后比傳統(tǒng)的方形或圓形結(jié)構(gòu)的天線陣列體積大大減小，另外該陣列性能也有了大幅提升，軸比帶寬從3.4%提高到14.1%，阻抗帶寬從14.5%提高到19.2%。
[0023]3.該新型基片集成波導(dǎo)陣列加工簡(jiǎn)單方便，用兩層普通的PCBエ藝就可以實(shí)現(xiàn)，之后將兩層PCB板利用導(dǎo)電膠粘合在一起即可。與傳統(tǒng)的波導(dǎo)天線的精密加工相比，成本低廉，加工周期短。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】:
[0024]圖1天線單元結(jié)構(gòu)俯視圖；
[0025]圖2天線單元的仿真與實(shí)測(cè)回波損耗比較曲線；
[0026]圖3天線單元的實(shí)測(cè)增益以及軸比曲線；
[0027]圖4天線陣列的輻射基片俯視圖；
[0028]圖5天線陣列的饋電基片俯視圖；
[0029]圖6天線陣列的仿真與實(shí)測(cè)回波損耗比較曲線；
[0030]圖710.3GHz時(shí)天線陣列兩個(gè)主平面的輻射方向圖(a) E面(b)H面；
[0031]圖8天線陣列的實(shí)測(cè)增益以及軸比隨頻率的變化曲線
[0032]其中:1為輻射基片；2為基片集成波導(dǎo)腔體；3為菱形環(huán)狀縫隙；4為同軸饋電結(jié)構(gòu)；5為饋電通孔；6為第一天線單元；7為第二天線單元；8為第三天線單元；9為第四天線單元；10為饋電基片；11為第一饋電端ロ ；12為第二饋電端ロ ；13為第三饋電端ロ ；14為第四饋電端ロ ；15為功率分配器；16為總饋電端ロ。
【具體實(shí)施方式】:
[0033]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)ー步詳細(xì)描述:
[0034]本發(fā)明的基片集成波導(dǎo)天線包括天線單元以及陣列。
[0035]首先對(duì)于天線單元技術(shù)方案加以闡述。其結(jié)構(gòu)俯視圖如圖1所示，本天線包括介質(zhì)基片，基片集成波導(dǎo)腔體結(jié)構(gòu)，菱形環(huán)狀縫隙，同軸饋電端ロ及金屬化過(guò)孔。其中基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中菱形部分過(guò)孔中心與菱形縫隙的間距為Si，菱形部分基片集成波導(dǎo)邊長(zhǎng)為Ir，矩形部分基片集成波導(dǎo)寬度為W，長(zhǎng)度為L(zhǎng)，所有金屬化過(guò)孔直徑以及過(guò)孔間距分別為d和P，菱形縫隙邊長(zhǎng)為ls，寬度為ws，菱形縫隙短路部分g2，同軸饋電中心與菱形縫隙最底部距離為s2，金屬化過(guò)孔距離菱形總饋電端ロ的橫向距離為dy，縱向距離為dx，介質(zhì)基片I的上下均為金屬層，上金屬層蝕刻出菱形的環(huán)形區(qū)域3，并有一部分接地。在環(huán)形區(qū)域內(nèi)部有ー個(gè)金屬化過(guò)孔，通過(guò)在上金屬層，介質(zhì)基片以及下金屬層貫穿開(kāi)過(guò)孔，并在內(nèi)部鍍上金屬形成。下金屬層作為地層。多個(gè)金屬化過(guò)孔順序排列為長(zhǎng)方形加菱形區(qū)域，形成基片集成波導(dǎo)腔體，同軸饋電結(jié)構(gòu)位于波導(dǎo)短路壁大約四分之一波長(zhǎng)處。各參數(shù)具體數(shù)值示于表
1
[0036]表1天線單元結(jié)構(gòu)參數(shù)
[0037]
【權(quán)利要求】
1.一種寬帶基片集成波導(dǎo)圓極化天線陣列，其特征在于:包括上層的輻射基片以及下層的饋電基片，輻射基片包括以圓心為軸對(duì)稱設(shè)置的第一天線單元、第二天線單元、第三天線單元和第四天線單元；饋電基片上分布一分四的徑向基片集成波導(dǎo)功率分配器，對(duì)以上四個(gè)天線單元進(jìn)行饋電；所述輻射基片具有上下金屬層，在上金屬層蝕刻出一個(gè)菱形的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，在環(huán)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置一個(gè)貫通上金屬層和下金屬層的金屬化過(guò)孔，在環(huán)狀結(jié)構(gòu)周圍設(shè)置有貫通上金屬層和下金屬層的多個(gè)金屬化過(guò)孔順序排列形成基片集成波導(dǎo)腔體，最終的基片集成波導(dǎo)腔體由長(zhǎng)方形區(qū)域加菱形區(qū)域構(gòu)成，基片集成波導(dǎo)腔體的長(zhǎng)方形區(qū)域內(nèi)設(shè)置有同軸饋電結(jié)構(gòu)；所述饋電基片同樣具有上下金屬層，饋電基片上設(shè)置有貫通上金屬層和下金屬層的多個(gè)金屬化過(guò)孔作為饋電結(jié)構(gòu)，該饋電基片上的金屬化過(guò)孔與輻射基片的金屬化過(guò)孔相對(duì)應(yīng)。
2.如權(quán)利要求1所述寬帶基片集成波導(dǎo)圓極化天線陣列，其特征在于:所述金屬化過(guò)孔貫穿輻射基片和饋電基片，其內(nèi)部設(shè)置有金屬鍍層。
3.如權(quán)利要求1所述寬帶基片集成波導(dǎo)圓極化天線陣列，其特征在于:所述同軸饋電結(jié)構(gòu)位于基片集成波導(dǎo)短路壁大約四分之一波長(zhǎng)處。
4.如權(quán)利要求1所述寬帶基片集成波導(dǎo)圓極化天線陣列，其特征在于:所述輻射基片和饋電基片均采用Taconic的TLX — 8，介電常數(shù)2.55，厚度1.52mm，損耗角正切0.0019。
5.如權(quán)利要求1所述寬帶基片集成波導(dǎo)圓極化天線陣列，其特征在于:所述饋電基片的上金屬層設(shè)置有總饋電端口，饋電端口通過(guò)總饋電端口采用同軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行饋電。
6.如權(quán)利要求1、2、3、4或5所述寬帶基片集成波導(dǎo)圓極化天線陣列的制備方法，其特征在于:首先選取對(duì)應(yīng)參數(shù)的兩塊基片，在輻射基片的上金屬層蝕刻出四個(gè)形成圓極化輻射的近似于菱形的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，在各個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部打一金屬化過(guò)孔，在其饋電位置均打一通孔用以饋電，最后在縫隙周圍以均勻的間隔打一系列金屬化過(guò)孔，構(gòu)成基片集成波導(dǎo)腔體；下金屬層除了金屬化過(guò)孔以及饋電通孔外全為金屬，選取合適的孔間距以及孔直徑，避免腔體內(nèi)能量向外泄露；饋電基片上的四個(gè)饋電通孔與輻射基片上位置嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)，徑向型基片集成波導(dǎo)功率分配器從總饋電端口饋電，上下面均有金屬化過(guò)孔，完全一致；輻射基片和饋電基片分別加工完成之后，將其粘合在一起，分布在四周的四個(gè)饋電端口利用焊接技術(shù)將輻射基片和饋電基片的端口完全焊接在一起，實(shí)現(xiàn)饋電網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)傳輸?shù)捷椛鋵印?br> 【文檔編號(hào)】H01Q1/38GK103531918SQ201310459634
【公開(kāi)日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2013年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月29日
【發(fā)明者】樊芳芳, 王瑋, 張?zhí)忑g, 雷娟, 鄢澤洪 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)