基于siw的二維波束掃描天線(xiàn)陣的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種二維波束掃描天線(xiàn)，特別是一種基于SIW的二維波束掃描天線(xiàn) 陣。
【背景技術(shù)】
[0002] 近幾年來(lái)，二維波束掃描天線(xiàn)是天線(xiàn)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。其在雷達(dá)、衛(wèi)星通信、 導(dǎo)彈制導(dǎo)、移動(dòng)通信、空間探測(cè)、全息成像等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。Wei-YangChen等提出 了一種工作在60GHz的基于共面波導(dǎo)的16端口二維波束掃描網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)由八片Butler 矩陣構(gòu)成，可以在兩個(gè)維度上實(shí)現(xiàn)16個(gè)波束掃描。YuJianCheng等采用了基于SIW的工 作于94GHz的二維波束掃描網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)4個(gè)波束掃描。WilliamF.Moulder等也介紹了 一種8端口波束掃描網(wǎng)絡(luò)，工作于60GHz，由Butler矩陣和3dB定向耦合器組成，該網(wǎng)絡(luò)在 其中一個(gè)維度上可以實(shí)現(xiàn)4個(gè)波束掃描，但在另一維度上可以實(shí)現(xiàn)2個(gè)波束掃描。
[0003] 但是，由于3dB定向耦合器所能提供的輸出端口相位差只有+90°，-90°兩種選 擇，因此，由它構(gòu)成的波束二維掃描網(wǎng)絡(luò)在另一個(gè)維度上的波束掃描個(gè)數(shù)受限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種基于SIW的二維波束掃描天線(xiàn)陣，它能以 較小的尺寸在兩個(gè)維度上實(shí)現(xiàn)任意角度的波束掃描。
[0005] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種基于SIW的二維波束掃描天線(xiàn)陣，包括 SIW縫隙天線(xiàn)、介質(zhì)基板I、介質(zhì)基板II、介質(zhì)基板III、介質(zhì)基板IV、介質(zhì)基板V、介質(zhì)基板 VI、金屬層、金屬層I、金屬層II、金屬層III、金屬層IV、金屬層V、金屬層VI、兩個(gè)Butler矩 陣和Butler矩陣控制網(wǎng)絡(luò)，Butler矩陣控制網(wǎng)絡(luò)對(duì)上述兩個(gè)Butler矩陣進(jìn)行控制；
[0006] 所述介質(zhì)基板I、介質(zhì)基板II、介質(zhì)基板III、介質(zhì)基板IV、介質(zhì)基板V、介質(zhì)基板VI 從下至上依次疊加，介質(zhì)基板I的下方設(shè)置金屬層，介質(zhì)基板I和介質(zhì)基板II之間設(shè)置金 屬層I，介質(zhì)基板II和介質(zhì)基板III之間設(shè)置金屬層II，介質(zhì)基板III和介質(zhì)基板IV之間設(shè)置 金屬層III，介質(zhì)基板IV和介質(zhì)基板V之間設(shè)置金屬層IV，介質(zhì)基板V和介質(zhì)基板VI之間設(shè) 置金屬層V，介質(zhì)基板VI的上表面設(shè)置金屬層VI ;
[0007]金屬層I上開(kāi)有層間耦合縫隙I，金屬層II上開(kāi)有層間耦合縫隙II，金屬層III上 開(kāi)有層間耦合縫隙III，金屬層IV上開(kāi)有層間耦合縫隙IV，金屬層V上開(kāi)有層間耦合縫隙V ; 其中層間耦合縫隙I的結(jié)構(gòu)為方形，層間耦合縫隙II、層間耦合縫隙III、層間耦合縫隙IV和 層間耦合縫隙V的結(jié)構(gòu)為十字形；
[0008]介質(zhì)基板I、介質(zhì)基板II的結(jié)構(gòu)通過(guò)層間耦合縫隙I進(jìn)行能量傳輸，介質(zhì)基板II 和介質(zhì)基板III的結(jié)構(gòu)通過(guò)層間耦合縫隙II進(jìn)行能量傳輸，介質(zhì)基板III和介質(zhì)基板IV的結(jié)構(gòu) 通過(guò)層間耦合縫隙III進(jìn)行能量傳輸，介質(zhì)基板IV和介質(zhì)基板V的結(jié)構(gòu)通過(guò)層間耦合縫隙 IV進(jìn)行能量傳輸，介質(zhì)基板V和介質(zhì)基板VI的結(jié)構(gòu)通過(guò)層間耦合縫隙V進(jìn)行能量傳輸；
[0009] 介質(zhì)基板VI上設(shè)置SIW縫隙天線(xiàn)，兩個(gè)Butler矩陣關(guān)于天線(xiàn)陣的中心線(xiàn)對(duì)稱(chēng)設(shè) 置，每個(gè)Butler矩陣均包括兩個(gè)-45°移相器、兩個(gè)90°移相器、四個(gè)3dB定向耦合器和兩 個(gè)OdB定向親合器，其中兩個(gè)-45°移相器和兩個(gè)3dB定向親合器位于介質(zhì)基板II上，一個(gè) OdB定向親合器位于介質(zhì)基板III上，兩個(gè)3dB定向親合器位于介質(zhì)基板IV上，一個(gè)OdB定向 耦合器和兩個(gè)90°移相器位于介質(zhì)基板V上；
[0010] Butler矩陣控制網(wǎng)絡(luò)包括四個(gè)3dB定向耦合器和四個(gè)移相器，每個(gè)3dB定向耦合 器均對(duì)應(yīng)一個(gè)移相器，其中兩個(gè)3dB定向耦合器和兩個(gè)移相器位于介質(zhì)基板II上，另外兩 個(gè)3dB定向耦合器和另外兩個(gè)移相器位于介質(zhì)基板I上。
[0011] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為：1)本發(fā)明提出的SIW的二維波束掃描天 線(xiàn)陣，與基于的二維波束掃描天線(xiàn)陣相比，該結(jié)構(gòu)通過(guò)改進(jìn)二維波束掃描網(wǎng)絡(luò)的邏輯結(jié)構(gòu) 框圖，并采用多組不同相移值的移相器，從而使得該天線(xiàn)陣可以在兩個(gè)維度上實(shí)現(xiàn)任意角 度的波束掃描。實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)天線(xiàn)陣的具體用途選擇合適的相移值以實(shí)現(xiàn)固定指向 的天線(xiàn)波束。每個(gè)波束的增益可達(dá)lldBi以上。2)本發(fā)明提出的SIW的二維波束掃描天線(xiàn) 陣，結(jié)合LTCC工藝，利用LTCC的多層特性，將整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為多層結(jié)構(gòu)，有效地減小了二維 波束天線(xiàn)陣列的尺寸，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的小型化設(shè)計(jì)。
[0012] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
【附圖說(shuō)明】
[0013] 圖1為本發(fā)明基于SIW的二維波束掃描天線(xiàn)陣的模型圖。其中，圖（a)為三維圖， 圖（b)為側(cè)視圖。
[0014]圖2為本發(fā)明基于SIW的二維波束掃描天線(xiàn)陣的介質(zhì)層和金屬層的詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖。 其中，圖（a)為介質(zhì)基板I[S1]上的結(jié)構(gòu)，圖（b)為介質(zhì)基板II[S2]上的結(jié)構(gòu)，圖（c)為 介質(zhì)基板III[S3]上的結(jié)構(gòu)，圖（d)為介質(zhì)基板IV[S4]上的結(jié)構(gòu)，圖（e)為介質(zhì)基板V[S5] 上的結(jié)構(gòu)，圖（f)為介質(zhì)基板VI[S6]上的結(jié)構(gòu)。
[0015]圖3(a)為本發(fā)明基于SIW的二維波束掃描天線(xiàn)陣的二維波束掃描網(wǎng)絡(luò)邏輯框圖， 圖3 (b)為本發(fā)明中基于SIW的Butler矩陣邏輯框圖。
[0016]圖4為本發(fā)明基于SIW的二維波束掃描天線(xiàn)陣的各輸入端口的回波損耗分布。
[0017]圖5為本發(fā)明基于SIW的二維波束掃描天線(xiàn)陣在激勵(lì)不同輸入端口時(shí)的三維波束 圖，其中，圖（a)為輸入端口P1對(duì)應(yīng)的波束，圖（b)為輸入端口P2對(duì)應(yīng)的波束，圖（c)為輸 入端口P3對(duì)應(yīng)的波束，圖（d)為輸入端口P4對(duì)應(yīng)的波束，圖（e)為輸入端口P5對(duì)應(yīng)的波 束，圖（f)為輸入端口P6對(duì)應(yīng)的波束，圖（g)為輸入端口P7對(duì)應(yīng)的波束，圖（h)為輸入端 口P8對(duì)應(yīng)的波束。
[0018] 圖6為本發(fā)明基于SIW的二維波束掃描天線(xiàn)陣形成的8個(gè)三維波束合成圖。
[0019]圖7為本發(fā)明基于SIW的二維波束掃描天線(xiàn)陣在激勵(lì)不同輸入端口時(shí)的二維波束 方向圖，其中，圖（a)為輸入端口P1對(duì)應(yīng)的二維波束方向圖，圖（b)為輸入端口P2對(duì)應(yīng)的 二維波束方向圖，圖（c)為輸入端口P3對(duì)應(yīng)的二維波束方向圖，圖（d)為輸入端口P4對(duì)應(yīng) 的二維波束方向圖，圖（e)為輸入端口P5對(duì)應(yīng)的二維波束方向圖，圖（f)為輸入端口P6對(duì) 應(yīng)的二維波束方向圖，圖（g)為輸入端口P7對(duì)應(yīng)的二維波束方向圖，圖（h)為輸入端口P8 對(duì)應(yīng)的二維波束方向圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 結(jié)合圖1，本發(fā)明一種基于SIW的二維波束掃描天線(xiàn)陣，包括SIW縫隙天線(xiàn)20、介 質(zhì)基板I[S1]、介質(zhì)基板II[S2]、介質(zhì)基板III[S3]、介質(zhì)基板IV[S4]、介質(zhì)基板V[S5]、 介質(zhì)基板VI[S6]、金屬層[M0]、金屬層I[Ml]、金屬層II[M2]、金屬層III[M3]、金屬層 IV[M4]、金屬層V[M5]、金屬層VI[M6]、兩個(gè)Butler矩陣21和Butler矩陣控制網(wǎng)絡(luò)22， Butler矩陣控制網(wǎng)絡(luò)22對(duì)上述兩個(gè)Butler矩陣21進(jìn)行控制；
[0021] 結(jié)合圖1和圖2,所述介質(zhì)基板I[S1]、介質(zhì)基板II[S2]、介質(zhì)基板III[S3]、介質(zhì) 基板IV[S4]、介質(zhì)基板V[S5]、介質(zhì)基板VI[S6]從下至上依次疊加，介質(zhì)基板I[S1]的下 方設(shè)置金屬層[M0]，介質(zhì)基板I[S1]和介質(zhì)基板II[S2]之間設(shè)置金屬層I[Ml]，介質(zhì)基 板II[S2]和介質(zhì)基板III[S3]之間設(shè)置金屬層II[M2]，介質(zhì)基板III[S3]和介質(zhì)基板IV[S4] 之間設(shè)置金屬層III[M3]，介質(zhì)基板IV[S4]和介質(zhì)基板V[S5]之間設(shè)置金屬層IV[M4]，介 質(zhì)基板V[S5]和介質(zhì)基板VI[S6]之間設(shè)置金屬層V[M5]，介質(zhì)基板VI[S6]的上表面設(shè)置 金屬層VI[M6];
[0022] 金屬層I[Ml]上開(kāi)有層間耦合縫隙I[14]，金屬層II[M2]上開(kāi)有層間耦合縫隙 II[15]，金屬層III[M3]上開(kāi)有層間耦合縫隙III[16]，金屬層IV[M4]上開(kāi)有層間耦合縫隙 IV[17]，金屬層V[M5]上開(kāi)有層間耦合縫隙V[18];其中層間耦合縫隙I[14]的結(jié)構(gòu)為 方形，層間耦合縫隙II[15]、層間耦合縫隙III[16]、層間耦合縫隙IV[17]和層間耦合縫隙 V [18]的結(jié)構(gòu)為十字形；
[0023] 介質(zhì)基板I[S1]、介質(zhì)基板II[S2]的結(jié)構(gòu)通過(guò)層間耦合縫隙I[14]進(jìn)行能量傳 輸，介質(zhì)基板II[S2]和介質(zhì)基板III[S3]的結(jié)構(gòu)通過(guò)層間耦合縫隙II[15]進(jìn)行能量傳輸， 介質(zhì)基板III[S3]和介質(zhì)基板IV[S4]的結(jié)構(gòu)通過(guò)層間耦合縫隙III[16]進(jìn)行能量傳輸，介 質(zhì)基板IV[S4]和介質(zhì)基板V[S5]的結(jié)構(gòu)通過(guò)層間耦合縫隙IV[17]進(jìn)行能量傳輸，介質(zhì) 基板V[S5]和介質(zhì)基板VI[S6]的結(jié)構(gòu)通過(guò)層間耦合縫隙V[18]進(jìn)行能量傳輸；
[0024] 介質(zhì)基板VI[S6]上設(shè)置SIW縫隙天線(xiàn)20,兩個(gè)Butler矩陣關(guān)于天線(xiàn)陣的中心線(xiàn) 對(duì)稱(chēng)設(shè)置，每個(gè)Butler矩陣均包括兩個(gè)-45°移相器、兩個(gè)90°移相器、四個(gè)3dB定向耦 合器和兩個(gè)OdB定向耦合器，其中兩個(gè)-45°移相器和兩個(gè)3dB定向耦合器位于介質(zhì)基板 II[S2]上，一個(gè)OdB定向親合器位于介質(zhì)基板III[S3]上，兩個(gè)3dB定向親合器位于介質(zhì)基 板IV[S4]上，一個(gè)OdB定向親合器和兩個(gè)90°移相器位于介質(zhì)基板V[S5]上；
[0025]Butler矩陣控制網(wǎng)絡(luò)22包括四個(gè)3dB定向耦合器和四個(gè)移相器，每個(gè)3dB定向耦 合器均對(duì)應(yīng)一個(gè)移相器，其中兩個(gè)3dB定向耦合器和兩個(gè)移相器位于介質(zhì)基板II[S2]上， 另外兩個(gè)3dB定向耦合器和另外兩個(gè)移相器位于介質(zhì)基板I[S1]上。
[0026] 所述移相器為等長(zhǎng)不等寬的SIW結(jié)構(gòu)。
[0027] 所述的基于SIW的二維波束掃描天線(xiàn)陣中，每個(gè)Butler矩陣均包括四個(gè)輸入端口 和四個(gè)輸出端口，其中四個(gè)輸入端口分別與Butler矩陣控制網(wǎng)絡(luò)的輸出端口相連，該四個(gè) 輸入端口中有兩個(gè)直接與位于介質(zhì)基板II[S2]上的Butler矩陣控制網(wǎng)絡(luò)中的3dB定向耦 合器和移相器相連，另外兩個(gè)輸入端口通過(guò)層間耦合縫隙I[14]與位于介質(zhì)基板I[S1] 上的Butler矩陣控制網(wǎng)絡(luò)中的3dB定向耦合器和移相器相連；每個(gè)Butler矩陣的四個(gè)輸 出端口通過(guò)層間耦合縫隙V[18]與天線(xiàn)相連。
[0028] 所述介質(zhì)基板I[S1]、介質(zhì)基板II[S2]、介質(zhì)基板III[S3]、介質(zhì)基板IV[S4]、介 質(zhì)基板V[S5]、介質(zhì)基板VI[S6]的介電常數(shù)\均為2. 2~10. 2,厚度H均為0.001入~ 0. 1A，其中A為自由