CN101577368A - 毫米波弯曲基片集成波导直长槽漏波天线 - Google Patents

Abstract

毫米波弯曲基片集成波导直长槽漏波天线涉及一种可应用于微波毫米波无线通信、卫星通信、雷达探测等领域的漏波天线，可作为频率扫描天线使用，该漏波天线为一平面电路结构，上层金属敷铜面(1)、下层金属敷铜面(2)分别位于介质基片(3)的上、下表面，两排弯曲排列的金属化通孔(4)穿过介质基片(3)将上层金属敷铜面(1)、下层金属敷铜面(2)相连接形成弯曲的基片集成波导；弯曲的基片集成波导的上层金属敷铜面(1)上的两排弯曲排列的金属化通孔(4)之间蚀刻有一根长直槽(5)；输入端口(61)位于所述的基片集成波导的一端，输出端口(62)位于所述的基片集成波导的另一端，工作时输出端口(62)接50欧姆匹配电阻。

Description

毫米波弯曲基片集成波导直长槽漏波天线

技术领域

本发明涉及一种可应用于微波毫米波无线通信、卫星通信、雷达探测等领域的漏波天线，可作为频率扫描天线使用，属于微波毫米波天线设计和制造的技术领域。

背景技术

在各种无线通信和雷达系统中，信息的发射与接受均依赖于天线。行波天线是非常重要的一类天线，其可分为表面波天线和漏波天线两大类。其中，漏波天线将功率约束于传输线内，在允许功率逸出的开口处辐射，且辐射出与线源轴线成一定角度的斜射波束。此类天线具有若干优点，如较窄的半功率波瓣宽度、高效率、频率扫描能力等。与其它类型的波导缝隙漏波天线相比，连续长槽漏波天线不仅拥有相似的优异性能，而且其设计与加工过程更为简便。例如，在波导宽边的金属壁上开一根直的长缝隙，即可以的得到最为简单的一种连续长槽漏波天线：直长槽漏波天线。其可以极为方便的得到中等增益(15-20dB)的波束，而且其加工精度很高、容差性能很好，但无法实现对辐射方向图的赋形。另一种常见的连续长槽漏波天线——弯曲长槽漏波天线利用长槽弧度的变化，即槽的不同位置距中心线的偏移量不同，可以方便地对远场辐射方向图进行赋形，从而实现所需的副瓣电平。但这种弯曲长槽漏波天线也存在一些问题，集中表现为：由于不对称的弯曲缝隙对交叉极化电平的恶化和普通加工工艺无法保证对弯曲长槽加工的精度。与之类似，在弯曲的波导宽壁上开长直槽，波导的弯曲形状由所需要的辐射方向图决定，也可以得到低副瓣的漏波天线。这种弯曲波导直长槽漏波天线可以有效地避免交叉电平的恶化，但弯曲波导的加工更为困难，故无法真正地投入实用。

因此，我们利用新型传输线结构——基片集成波导来实现波弯曲导直长槽漏波天线。由于基片集成波导的侧壁是由两排金属化通孔构成，利用普通的印刷电路板工艺(PCB)即可精确地对孔的位置进行定位，从而实现任意形状的弯曲侧壁，以满足设计需求。与此同时，普通的印刷电路板工艺在介质基片覆铜层上蚀刻弯曲长槽的加工精度并不高，但对直槽，尤其是长直槽的加工精度和容差非常好。此外，基片集成波导是一平面电路结构，具有一系列的优点，如低剖面、低损耗、加工成本低、可重复性好，在毫米波应用中能保持优良的性能。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提出一种毫米波弯曲基片集成波导直长槽漏波天线，可以实现低副瓣的辐射方向图设计，同时具有很好的交叉极化特性。整个天线采用基片集成波导进行设计，其容差性能优异、加工精度高，能直接与射频电路相集成，具有损耗低，成本低，容易大批量生产等特点。

技术方案：本发明的毫米波弯曲基片集成波导直长槽漏波天线为一平面电路结构，上层金属敷铜面、下层金属敷铜面分别位于介质基片的上、下表面，两排弯曲排列的金属化通孔穿过介质基片将上层金属敷铜面、下层金属敷铜面相连接形成弯曲的基片集成波导；弯曲的基片集成波导的上层金属敷铜面上的两排弯曲排列的金属化通孔之间蚀刻有一根长直槽；输入端口位于所述的基片集成波导的一端，输出端口位于所述的基片集成波导的另一端，工作时输出端口接50欧姆匹配电阻。

所述的金属化通孔构成的基片集成波导弯曲的侧壁在不同位置距长直槽中心线的偏移量由所需远场辐射方向图和副瓣电平来确定。

本发明中的毫米波弯曲基片集成波导直长槽漏波天线的波束指向随工作频率的变化而进行连续的扫描，随工作频率的增加，扫描波束的指向朝漏波传播的方向移动。

有益效果：本发明具有以下优点：

1：)根据需要，能设计出低副瓣的漏波天线，对远场辐射方向图进行赋形。

2：)随工作频率的变化，波束的指向变化，实现较宽角度范围的连续扫描。

3：)具有很好的交叉极化性能。

4：)可利用普通印刷电路板工艺进行制作，成本低，精度高、容差性能好，易于大规模生产、可重复性高。

5：)结构平面化、集成化。

6：)工作于毫米波频段时，损耗低、互耦小、性能优异。

附图说明

图1是本发明毫米波弯曲基片集成波导直长槽漏波天线的剖面结构示意图，

图2是本发明毫米波弯曲基片集成波导直长槽漏波天线的平面结构示意图，

图中有：上层金属敷铜面1、下层金属敷铜面2、介质基片3、金属化通孔4、直长槽5、直长槽位置51、直长槽中心线距基片集成波导侧壁的偏移量52、输入端口61、输出端62。

具体实施方式

本发明中的毫米波弯曲基片集成波导直长槽漏波天线包括上层金属敷铜面1、下层金属敷铜面2、介质基片3、金属化通孔4、直长槽5、输入端口61、输出端口62；上层金属敷铜面1、下层金属敷铜面2分别位于介质基片3的上下表面，金属化通孔4穿过介质基片3与上层金属敷铜面1、下层金属敷铜面2相连接形成弯曲的基片集成波导；弯曲的基片集成波导的上层金属敷铜面1上蚀刻有一根长直槽5；输入端口61与毫米波弯曲基片集成波导直长槽漏波天线的一端相连，输出端口62与毫米波弯曲基片集成波导直长槽漏波天线的另一端相连，工作时输出端口62接50欧姆匹配负载以吸收剩余能量。在不同直长槽位置51，直长槽中心线距金属化通孔4构成的基片集成波导侧壁的偏移量52可由下述计算机辅助设计的方法确定：

1)确定基片集成波导的尺寸。预先确定远场辐射辐射方向图波束的指向θ，工作频率为f，基片集成波导使用的介质基片3的介电常数ε_r，利用式(1)确定基片集成波导宽度a，基片集成波导金属化通孔4孔径为d，孔间距为s。

$\sin \mathrm{\θ}=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r-{\left(\frac{3\×{10}^8}{2f(a-\frac{d^2}{0.95s})}\right)}^2}---\left(1\right)$

2)利用电磁仿真软件对一组直的基片集成波导进行建模，每一个直的基片集成波导的宽壁上开有一根直长槽5，不同基片集成波导上的直长槽中心线距基片集成波导侧壁的偏移量52不同。在仿真时，基片集成波导的上层金属敷铜面1、下层金属敷铜面2、金属化通孔4设置为无金属导体损耗，基片集成波导的介质基片3设置为无介质损耗。通过仿真得到辐射因子α与直长槽中心线距基片集成波导侧壁的偏移量52的关系。

3)根据所需要的方向图，确定所需的口径面电流分布A(l)。设定直长槽5的总长度为L，剩余能量R，利用式(2)确定在不同直长槽位置51(即不同l处)所需的辐射因子α(l)。再利用步骤2)中得到的辐射因子α与直长槽中心线距基片集成波导侧壁的偏移量52的关系，来确定在不同直长槽位置51，所需的直长槽中心线距基片集成波导侧壁的偏移量52。

$\mathrm{\α}\left(l\right)=\frac{\frac{1}{2}{\left|A\left(l\right)\right|}^2}{\frac{1}{1-R}{\∫}_0^L{\left|A\left(\mathrm{\ζ}\right)\right|}^2\mathrm{d\ζ}-{\∫}_0^l{\left|A\left(\mathrm{\ζ}\right)\right|}^2\mathrm{d\ζ}}---\left(2\right)$

通过以上步骤，在中心频率35GHz处实现毫米波弯曲基片集成波导直长槽漏波天线，并测试其整体性能。基片选用Rogers Duroid 5880，其介质常数为2.2，厚度1.575mm。在33GHz到37.5GHz的频率范围内，该漏波天线的回波损耗均优于10dB。该漏波天线的辐射方向图在暗室里测试。在中心频率35GHz处，测得其增益为12.36dB，副瓣电平为-27.86dB，交叉极化电平为-40.14dB，3dB波瓣宽度为14.76°，波束指向为38.5°，辐射效率为65.7％。根据漏波天线的特点，在不同工作频率，其波束指向不同，可作为频率扫描天线。因此，在32.5GHz到37.5GHz的频率范围内测试该漏波天线的辐射方向图，测试结果见下表。

Claims (2)

1.一种毫米波弯曲基片集成波导直长槽漏波天线，其特征在于：该漏波天线为一平面电路结构，上层金属敷铜面(1)、下层金属敷铜面(2)分别位于介质基片(3)的上、下表面，两排弯曲排列的金属化通孔(4)穿过介质基片(3)将上层金属敷铜面(1)、下层金属敷铜面(2)相连接形成弯曲的基片集成波导；弯曲的基片集成波导的上层金属敷铜面(1)上的两排弯曲排列的金属化通孔(4)之间蚀刻有一根长直槽(5)；输入端口(61)位于所述的基片集成波导的一端，输出端口(62)位于所述的基片集成波导的另一端，工作时输出端口(62)接50欧姆匹配电阻。

2.根据权利要求1所述的毫米波弯曲基片集成波导直长槽漏波天线，其特征在于所述的金属化通孔(4)构成的基片集成波导弯曲的侧壁在不同位置距长直槽(5)中心线的偏移量由所需远场辐射方向图和副瓣电平来确定。

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