CN101901960A - 一种宽带毫米波小型渐变缝隙天线及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种宽带毫米波小型渐变缝隙天线及应用，其特征在于在低介电常数基板一个面上采用印制电路板工艺制作渐变结构的缝隙作为辐射单元，在缝隙内距天线辐射端约1/4工作波长距离处，制作偶极子天线形式的辅助辐射结构，天线边缘采用周期结构，在低介电常数基板的另一个面上制作合适尺寸的馈电结构。本发明优点是在小体积条件下可有效克服有限平面的影响、提高天线前后比，易于制作，加工精度要求低，适合大批量生产，易于实现天线与前端电路的集成。适用于各种频率的小型宽带毫米波系统，所提供的天线在35GHz频率下有很好的辐射特性，可望能成功应用在阵列毫米波成像系统中。
Description
技术领域
本发明涉及一种宽带毫米波小型渐变缝隙天线及应用，特别涉及阵列成像系统的毫米小型渐变缝隙天线及应用。
背景技术
毫米波是指电磁波谱中频率介于30-300GHz或波长介于1cm-1mm的电磁波，毫米波具有比光波、红外电磁波更好的穿透性。毫米波成像系统是利用这些特性研制成的各种用途的探测成像系统。随着毫米波器件与部件水平的不断提高，毫米波成像方式也不断发展，其中，阵列成像技术使毫米波成像系统由单通道机械扫描实现成像发展到了包括有成千上万接收机的阵列实时成像【K.Mizuno，K.Watabe，J.Bae，T.Nozokido，and S.Sugawara，″Millimeterwave imaging technologies，″in Millimeter Waves，1997 Topical Symposium on，1997，pp.147-150.；Kemp，M.C.Millimetre wave and terahertz technology fordetection of concealed threats-a review.Infrared and Millimeter Waves，2007，the2007 15th International Conference on Terahertz Electronics.IRMMW-THz.Joint32nd International Conference on.】。阵列成像技术需要有相应的毫米波器件(如MMIC)作支持，所以用平面电路取代波导结构是毫米波系统阵列成像技术发展的必然趋势。随着微电子技术的不断发展，MMIC芯片技术的广泛应用，天线的体积占系统总体积的比率越来越高，因此，降低天线体积，对整个系统来说都是有重要意义的。
毫米波阵列成像系统要求天线具有宽带、适当的半波束宽度、尽可能小的副瓣和适当的增益；在外形上要求具有尽可能窄的边缘以利于形成阵列应用【T.L.K.K.S.Yngvesson，Y.S.Kim，E.L.Kollberg and and J.F.Johansson，″，Vol.37，No.2，pp.365-374，Feb.，″The Tapered Slot Antenna-ANew Integrated Element for MM Wave Applications，″IEEE Trans.MicrowaveTheory and Tech.，vol.Vol.37，pp.365-374，1989.；D.K.Schaubert，E.Korzeniowski，T.Thungren，T.Johansson，J.Yngvesson，K.，″Endfire tapered slotantennas on dielectric substrates，″Antennas and Propagation.IEEE Transactionson，vol.33，pp.1392-1400，1985。】。渐变式微带缝隙天线的辐射原理与微带贴片、微带振子等不同，属于端射式行波天线，具有频带宽、增益、方向性中等、低旁瓣、波束对称易于实现阵列化的特点。同时其在结构上属于平面天线，结构简单、重量轻、易于和射频集成电路集成、对加工精度要求低，具有成本低、容易实现的特点而越来越受到关注。
结合毫米波系统的发展趋势及毫米波阵列成像系统对天线的要求，提供一种成本低廉、便于加工的阵列成像系统的宽带毫米波小型渐变缝隙天线，已成为本领域技术人员亟待解决的技术课题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种宽带毫米波小型渐变缝隙天线，它是一种体积小、成本低、频带宽且适合于各种毫米波系统特别是阵列成像系统的宽带毫米波小型渐变缝隙天线，以克服现有技术存在的体积大、适用性小，难于实现阵列成像的缺陷。
为了达到上述目的，本发明提供的阵列成像系统的宽带毫米波小型渐变缝隙天线，其特征在于在低介电常数基板一个面上采用印制电路板工艺制作渐变结构的缝隙作为辐射单元，在缝隙内距天线辐射端约1/4工作波长距离处，制作偶极子天线形式的辅助辐射结构，天线边缘采用周期结构，在低介电常数基板的另一个面上制作合适尺寸的馈电结构，由此可见本发明提供的宽带毫米波小型渐变缝隙天线包括：①低介电常数介质板和运用印刷电路制作工艺制作在低介电常数介质板一个面上的缝隙辐射单元；②带有用于抑制有限地平面影响的周期结构的窄边缘；③用于形成电磁辐射的由槽线按照一定形式逐渐展开的缝隙及缝隙中用于改善天线辐射能力的偶极子形式的辅助辐射结构；④用印刷电路制作工艺制作在低介电常数介质板另一侧的馈电结构以及⑤用于实现槽线和其他结构的宽带转换，以便与不同结构的器件、电路相连。
其中，a)所述槽线由印刷在介质板上金属之间的缝隙构成，其宽度确定天线的最高截止频率，宽度范围在大于0-10mm之间。
b)所述缝隙辐射单元的是由槽线进行展开，展开形式可以是直线、斜线或各种曲线。缝隙的长度、宽度决定波束宽度，增益的大小，缝隙长度为真空中天线中心频率对应波长的0.5-10倍，缝隙开口宽度为真空中天线中心频率对应波长0.5-5倍。
c)所述平面微带缝隙天线可采用槽线-微带转换结构，通过微带与单片微波集成电路芯片连接也可根据需要，采用槽线-共面波导等其他形式的转换结构。
d)所述低介电常数介质板的介电常数值在大于0-10的范围内，厚度在大于0-10mm范围。
e)所述的辅助辐射结构位于天线辐射端的1/4自由空间工作波长，结构为偶极子天线形式，所述的偶极子尺寸由天线工作的中心频率决定。所述偶极子位置为距离天线开口位置1/4中心频率波长。
综上所述，本发明的宽带毫米波小型渐变缝隙天线，在辐射缝隙中引入偶极子结构，将引起行波相速度的改变，恰当的选择偶极子的尺寸和位置，能使行波阻抗与自由空间中的波阻抗实现更好的匹配，从而使有效辐射能力增强，改善了天线的远场特性。采用周期边缘结构使天线地平面的边缘处基本没有能量的反射【Y.M.S.Sugawara，K.Adachi，K.Mizuno，″Characteristicsof a mm-wave tapered slot antenna with corrugated edges，″IEEE MTT-S IMS Dig.，vol.2，pp.533-536，June 1998.】，从而较好的保证了天线的行波辐射。采用微带槽线结构可以直接与MMIC芯片实现集成，有益于降低馈线损耗。本发明采用上述的措施，从而满足各种主动、被动式阵列毫米波成像系统的需求。
附图说明
图1为本发明天线实施例的结构与参考坐标示意图；a)为正面，b)为侧面；
图2为本发明的实施例的馈电示意图；
图3a)为本发明的实施例的频率为35GHz时E平面仿真和实测方向图；b)为本发明的实施例的频率为35GHz时H平面仿真和实测方向图；
图4为本发明的实施例所示31GHz、33GHz、35GHz、37GHz和39GHz5个不同频率E平面、H平面仿真方向图；
图5为本发明的实施例的反射系数仿真和实测图；
图6为本发明的实施例的增益-频率对应测试曲线。
具体实施方式
以下将结合附图进一步说明本发明的中心频率35GHz的宽带毫米波小型渐变缝隙天线。
该天线制作在厚度为0.254mm，介电常数为2.2的聚四氟乙烯复合材料衬底上，图1是天线的设计版图。其中各部分的尺寸为：
| 参数名称 | 参数值 |
| 缝隙长度L/mm | 36 |
| 缝隙宽度W/mm | 5 |
| 地平面宽度D/mm | 2.5 |
| 边缘周期结构金属宽度CW/mm | 0.8 |
| 边缘周期结构金属高度CL/mm | 2.3 |
| 边缘周期结构金属、非金属宽度比值X | 1 |
| 偶极子两臂间缝隙宽度DS/mm | 0.2 |
| 偶极子距离天线辐射端距离DD/mm | 2.5 |
| 偶极子臂长DL/mm | 2 |
| 偶极子宽度DW/mm | 0.2 |
| 基板厚度t/mm | 0.254 |
| 槽线宽度g/mm | 0.2 |
| 基板介电常数εr | 2.2 |
该天线选用槽线-微带的转换，采用文献【J.P.Kim and W.S.Park，″Network analysis of inclined microstrip-slotline transitions，″Microwaves，Antennas and Propagation，IEE Proceedings-，vol.147，pp.412-416，2000.】中的方式，图2是天线馈电结构的设计版图，其中各部分的尺寸为：
| 参数名称 | 微带线宽Wm(mm) | 微带线枝节长度Lm(mm) | 槽线宽度Ws(mm) | 槽线枝节长度Ls(mm) | 槽线-微带线转换枝节夹角θ(°) |
| 参数值 | 0.4 | 1.33 | 0.2 | 1.54 | 20 |
图3-图6为采用本发明所提供的宽带毫米波小型渐变缝隙天线在不同频率下E平面或H平面的仿真和实例图以及反射系数、增益-频率的测试电线，其中如图3和图4所示，所提供的天线在35GHz有很好的辐射特性，能成功应用在阵列毫米波成像系统中。
综上所述，本发明的宽带毫米波小型渐变缝隙天线运用印刷电路制作工艺在低介电常数介质板上，采用在天线辐射开口处加印刷偶极子的结构优化天线的辐射特性，采用周期边缘结构去除有限地平面的影响。采用这种紧凑的结构，不仅保证天线的辐射性能，而且使天线体积减小，成本降低，更有利于阵列成像系统的应用。
上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。
Claims (10)
1.一种宽带毫米波小型渐变缝隙天线，其特征在于在低介电常数基板一个面上采用印制电路板工艺制作渐变结构的平面微带缝隙作为辐射单元，在缝隙内距天线辐射端1/4工作波长距离处，制作偶极子天线形式的辅助辐射结构，天线边缘采用周期结构，馈电结构制作在低介电常数基板的另一个面上。
2.按权利要求1所述的天线，其特征在于所述的辐射单元是由槽线展开，展开的形式为直线、斜线或各种曲线。
3.按权利要求1所述的天线，其特征在于缝隙的长度为真空中天线中心频率对应波长的0.5-10倍；缝隙的开口宽度为真空中天线中心频率对应频率的0.5-5倍。
4.按权利要求1所述的天线，其特征在于所述的低介电常数基板的介电常数为大于0-10，厚度为大于0-10mm。
5.按权利要求1所述的天线，其特征在于所述的平面微带缝隙天线采用槽线-微带转换结构，通过微带与单片集成电路芯片连接；槽线由印刷在低介电常数基板上，金属之间的缝隙构成，宽度确定天线的最高截止频率，宽度范围大于0-10mm；所述的偶极子尺寸由天线工作的中心频率决定。
6.按权利要求1或3所述的天线，其特征在于缝隙的长度为36mm，缝隙的宽度为5mm。
7.按权利要求1所述的天线，其特征在于天线边缘的周期结构金属宽度为0.8mm，周期结构的金属高度为2.3mm。
8.按权利要求5所述的天线，其特征在于微带宽度为0.4mm，微带线枝节长度为1.33mm，槽线宽度为0.2mm，槽线枝节长度为1.54mm，槽线-微带线转换枝节夹角为20°。
9.按权利要求1或5所述的天线，其特征在于偶极子臂长为2mm，偶极子宽度为0.2mm，偶极子两臂间缝隙宽度为0.2mm，偶极子距离天线辐射端距离2.5mm。
10.按权利要求1-5任一项所述的天线的应用，其特征在于所述的天线在35GHz有很好的辐射特性，用于阵列毫米波成像系统中。
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