一種采用半模基片集成波導(dǎo)的背腔縫隙圓極化天線的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種應(yīng)用前景廣泛的米用HMSIW(Half_mode Substrate Integrated Waveguide，半?；刹▽?dǎo))技術(shù)的圓極化背腔縫隙天線，屬于天線技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 天線是無線通信系統(tǒng)的重要組成部分。無線通信的快速發(fā)展，對體積小、成本低、 高增益以及易集成的天線產(chǎn)生迫切需求。傳統(tǒng)的背腔天線具有高增益、低前后比等優(yōu)點，但 也存在體積過大、不易與平面電路集成等缺點。
[0003] 圓極化天線能夠接收來自任意天線的任意極化電磁波，可以有效地提高接收和福 射效率，因此被廣泛地應(yīng)用于實際的干擾與電子偵察中。圓極化天線可以利用喇叭天線、微 帶天線或背腔天線等多種天線形式實現(xiàn)。隨著現(xiàn)代無線通信的快速發(fā)展，對結(jié)構(gòu)簡單、易于 平面集成、尺寸小、設(shè)計難度小、駐波帶寬寬的圓極化天線單元產(chǎn)生了很大需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明目的：本發(fā)明采用HMSIW技術(shù)，提供了一種可以滿足無線通信系統(tǒng)需要的、可 應(yīng)用于微波毫米波頻段的、易于設(shè)計和加工、易于平面集成、尺寸小、駐波帶寬更寬的平面 圓極化背腔天線。通過激發(fā)半圓形諧振腔表面的半圓環(huán)形縫隙，及HMSIW的邊緣進(jìn)行輻射， 在遠(yuǎn)場激勵起所需的圓極化輻射。該天線具有增益高、易于平面集成、尺寸小、駐波帶寬更 寬、設(shè)計簡單等優(yōu)點。
[0005] 技術(shù)方案:一種采用半?；刹▽?dǎo)的背腔縫隙圓極化天線，包括由HMSIW構(gòu)成 的饋電線路、由HMSIW構(gòu)成的半圓環(huán)形背腔以及半圓環(huán)形背腔正面的半圓形縫隙輻射單元。
[0006] 所述的饋線和半圓形背腔均由金屬通孔組成，其尺寸與天線的工作頻率有關(guān)。
[0007] 天線通過饋電探針對HMSIW腔體饋電，選擇主模半TMQ1Q模為半圓形HMSIW諧振腔的 工作模式，通過公式計算半圓環(huán)形縫隙的內(nèi)外半徑，，激勵起半圓環(huán)形縫隙與其內(nèi)部的半圓 形貼片所構(gòu)成的半圓形結(jié)構(gòu)在所需頻點兩側(cè)頻點的分別諧振，展寬了天線的駐波帶寬。結(jié) 合半圓形結(jié)構(gòu)同HMSIW的金屬邊緣在相同頻點的諧振，形成兩個正交的、相位差為90°的電 場，在該頻點處得到結(jié)構(gòu)的圓極化輻射特性。通過仿真微調(diào)半圓環(huán)形縫隙的尺寸可在所需 頻點獲得最佳軸比性能，通過調(diào)節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)在所需頻點獲得最佳回波損耗性能。
[0008] 有益效果：與現(xiàn)有傳統(tǒng)背腔天線相比，本發(fā)明提供的采用半?；刹▽?dǎo)的背 腔縫隙圓極化天線具有如下優(yōu)點：
[0009] 1)該天線采用HMSIW技術(shù)作為天線的饋線及背腔，在保留了傳統(tǒng)背腔天線優(yōu)點的 同時，帶來了平面結(jié)構(gòu)、易于集成、加工簡單等優(yōu)點。相較與傳統(tǒng)SIW背腔天線，減少了接近 50%的尺寸。
[0010] 2)該天線采用半圓形諧振腔表面開半圓環(huán)形縫隙形成的半圓形結(jié)構(gòu)，及HMSIW的 金屬邊緣作為輻射單元，利用半圓環(huán)形縫隙和HMSIW的金屬邊緣輻射形成兩個正交的、相位 差為90°的電場，在遠(yuǎn)場形成圓極化輻射。
[0011] 3)該天線采用的半圓環(huán)形縫隙形成的半圓形結(jié)構(gòu)帶來了更好的諧振特性，通過引 入兩個諧振點，展寬了天線的駐波帶寬。
【附圖說明】
[0012] 圖1為本發(fā)明天線的俯視圖；
[0013] 圖2為本發(fā)明天線的側(cè)面剖視圖；
[0014] 圖3為本發(fā)明的駐波比隨頻率變化的不意圖；
[0015]圖4為本發(fā)明的增益和軸比隨頻率變化的示意圖；
[0016]圖5為本發(fā)明在28GHz處的仿真和實測方向圖；
[00Π ]圖6為本發(fā)明在28GHz處的仿真和實測方向圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合具體實施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價 形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0019]該圓極化背腔縫隙天線由半?；刹▽?dǎo)背腔及半圓環(huán)形縫隙輻射單元構(gòu)成。 該天線采用單層印刷電路板(Printed Circuit Board，PCB)工藝加工。
[0020] 圖1為本發(fā)明圓極化背腔縫隙天線的俯視圖。圖中用斜線填充的圓形皆為金屬化 通孔，其中利用多個第一金屬通孔5和多個第二金屬通孔4構(gòu)成HMSIW的半圓形背腔及饋電 線路，左側(cè)多個第二金屬通孔4排列的L形為SIW的饋電線路部分，饋電線路饋線電路還包括 匹配電路，匹配電路由兩個第四金屬通孔3構(gòu)成;右側(cè)為由多個第一金屬化通孔5構(gòu)成的SIW 圓形諧振腔，通孔直徑為d，間距為p;天線通過饋電探針對HMSIW腔體饋電，第三金屬通孔2 的為饋電點，可通過在底層接同軸接頭進(jìn)行饋電，其偏離HMSIW表層金屬邊緣的距離為wi; 第四金屬通孔3為匹配電路，在此設(shè)計中由兩個金屬通孔組成，其窗口處的金屬通孔偏離 HMSIW諧振腔邊緣通孔的距離為w2,匹配電路用以改善天線的匹配特性。圓形諧振腔的半徑 為r3，其工作在半TM_模式，諧振腔的半徑η遵循以下公式：
[0021]
[0022] 其中，fQ1Q位諧振腔工作的頻率，也就是設(shè)計的天線的工作頻率;c為真空中的光 速;er為介質(zhì)的相對介電常數(shù);介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率。
[0023] 圖1中白色未標(biāo)記部分代表HMSIW表面的金屬層。以半圓環(huán)形縫隙1及HMSIW腔體的 邊緣6組成的半圓環(huán)形結(jié)構(gòu)的輻射單元，天線可實現(xiàn)右旋圓極化輻射;若將半圓環(huán)形縫隙1 及HMSIW的半圓形背腔，按HMSIW腔體的邊緣6鏡像對稱，構(gòu)成的天線可實現(xiàn)左旋圓極化輻 射。圖中的標(biāo)號1指向的由黑色實線包圍的灰色陰影，代表在HMSIW腔體表面通過PCB工藝腐 蝕出的半圓環(huán)形縫隙輻射單元，及PCB單層板表面裸露的介質(zhì)。其中，被裁半圓環(huán)形縫隙的 內(nèi)徑和外徑分別為rdPn;其距離匹配電路3的縱向距離為h，距離饋電點2的縱向距離為 1 2。半圓環(huán)形縫隙的等效半徑半徑rJI循以下公式：
[0024]
[0025] 其中，fc；P半圓環(huán)形結(jié)構(gòu)具有圓極化福射性能時的工作頻率;;r (5為半圓環(huán)形縫隙的 等效半徑，即re= (n+r2)/2; 為HMSIW腔體的等效介電常數(shù)，即εθ= (εθ+1 )/2。
[0026] 圖2為本發(fā)明圓極化背腔縫隙天線的側(cè)面剖視圖。其中，標(biāo)號7和11分別為天線的 上下金屬層，標(biāo)號8為腐蝕于上層金屬層7的半圓環(huán)形縫隙輻射單元。標(biāo)號12所代表的被灰 色陰影填充的區(qū)域為天線的介質(zhì)層，其高度為h。用實線包圍的斜線填充區(qū)域都為金屬化通 孔，其中，中間的金屬化通孔為用于天線饋電的第三金屬化通孔2,兩側(cè)的金屬化通孔為構(gòu) 成HMSIW諧振腔和饋線的第一金屬化通孔5和第二金屬化通孔4。
[0027] 采用電磁仿真軟件對天線尺寸進(jìn)行優(yōu)化，得到天線尺寸參數(shù)如表1所示。各參數(shù)代 表的意義已在上文說明。
[0028]測試對象為利用PCB技術(shù)實現(xiàn)的工作在28GHz的圓極化HMSIW背腔縫隙天線。測試 結(jié)果如圖3-圖6所示。圖3為本發(fā)明的駐波比隨頻率變化的示意圖；圖4位本發(fā)明的增益和軸 比隨頻率變化的示意圖；圖5為本發(fā)明在28GHz處的XZ軸的實測方向圖，圖6為本發(fā)明在 28GHz處的YZ軸的實測方向圖。
[0029] 表 1
[0030]
【主權(quán)項】
1. 一種采用半模基片集成波導(dǎo)的背腔縫隙圓極化天線，其特征在于:包括由HMSIW構(gòu)成 的饋電線路、由HMSIW構(gòu)成的半圓形背腔以及圓形背腔正面的半圓環(huán)形縫隙輻射單元； 天線通過一個第三金屬通孔（2)向HMSIW腔體進(jìn)行饋電，利用多個第一金屬通孔(5)和 多個第二金屬通孔(4)構(gòu)成HMSIW的背腔；以半圓環(huán)形縫隙（1)及HMSIW腔體的邊緣(6)作為 半圓環(huán)形縫隙輻射單元，天線可實現(xiàn)右旋圓極化輻射。2. 如權(quán)利要求1所述的采用半模基片集成波導(dǎo)的背腔縫隙圓極化天線，其特征在于:若 將半圓環(huán)形縫隙（1)及HMSIW的半圓形背腔，按HMSIW腔體的邊緣(6)鏡像對稱，構(gòu)成的天線 可實現(xiàn)左旋圓極化輻射。3. 如權(quán)利要求1所述的采用半?；刹▽?dǎo)的背腔縫隙圓極化天線，其特征在于：由 HMSIW構(gòu)成的饋電線路及半圓形背腔中，所述的饋線和半圓形背腔均由金屬通孔組成，多個 第一金屬通孔(5)構(gòu)成半圓形背腔，饋線電路還包括匹配電路；其中由多個第二金屬通孔 (4)排列的L形組成饋線，由兩個第四金屬通孔(3)構(gòu)成的匹配電路，用以改善天線的匹配特 性。4. 如權(quán)利要求1所述的采用半模基片集成波導(dǎo)的背腔縫隙圓極化天線，其特征在于： HMSIW圓形背腔正面的輻射單元，由半圓環(huán)形縫隙輻射和HMSIW腔體邊緣輻射組成；半圓環(huán) 形縫隙單元的尺寸與天線的工作頻率有關(guān)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種采用半?；刹▽?dǎo)作為饋線及背腔的圓極化背腔縫隙天線。天線主要由半?；刹▽?dǎo)背腔與饋線以及縫隙輻射單元構(gòu)成。本發(fā)明的圓極化天線在所工作的頻點具有設(shè)計步驟簡單、軸比性能可控、尺寸小、駐波帶寬寬等優(yōu)點。
【IPC分類】H01Q1/38, H01Q13/10, H01Q13/06
【公開號】CN105514600
【申請?zhí)枴緾N201610080271
【發(fā)明人】王海明, 無奇, 余晨, 洪偉
【申請人】東南大學(xué)
【公開日】2016年4月20日
【申請日】2016年2月4日