CN103441340A

CN103441340A - 极化可变和频率扫描的半模基片集成波导漏波天线

Info

Publication number: CN103441340A
Application number: CN2013103526137A
Authority: CN
Inventors: 陈爱新; 姜维维; 房见; 应小俊; 田凯强
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2013-08-14
Filing date: 2013-08-14
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2033-08-14
Also published as: CN103441340B

Abstract

本发明公开了一种极化可变和频率扫描的半模基片集成波导漏波天线，属于无线通信技术领域。所述天线包括双面设有金属贴片的介质基片，在其中一个金属贴片上设有半模基片集成波导天线阵A和半模基片集成波导天线阵B、4条微带馈线、一个3dB定向耦合器和两条微带连接线，在所述半模基片集成波导天线阵A上蚀刻斜-45°交指槽和金属通孔A，在所述半模基片集成波导天线阵B上刻蚀有斜45°交指槽和金属通孔A。本发明与现有技术相比，低损耗、低成本、尺寸小，可以简单有效地实现多种极化，经济实用地实现波束扫描。

Description

极化可变和频率扫描的半模基片集成波导漏波天线

技术领域

本发明涉及一种半模基片集成波导漏波天线，更特别地说，是指一种实现极化可变和频率扫描功能的半模基片集成波导漏波天线，广泛应用于无线通信、雷达和其他需要工作频率和极化重构的领域。

背景技术

1998年，Hirokawa和Uchimura（见参考文献[1]：J.Hirokawa and M.Ando,″Single-layer feedwaveguide consisting of posts for plane TEM wave excitation in parallel plates″,IEEE Transactions on AntennasPropagation,vol.46:625-630,1998；参考文献[2]：H.Uchimur,T.Takenoshita and M.Fujii,″Development oflaminated waveguide″,IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,vol.46(12),pp.2438-2443,1998；）分别提出了一种通过金属通孔一维阵列形成的结构，金属通孔阵列可以起到和金属壁相类似的作用。结合两排金属通孔以及上下导体表面就可以模拟一个介质填充的矩形金属波导，从而形成基片集成波导。

基片集成波导与传统矩形金属波导相比，同样有良好的传播特性。并且这种结构易于集成，大大减小了原有的微波毫米波波导器件以及建立在波导基础上的其他微波无源器件的重量、尺寸和价格；并且增强了制造过程的可重复性和可靠性。伴随着基片集成波导技术的发展，可以预见未来所有的微波无源或者有源电路都将能够集成在一块基片上，这将推动微波工业的发展。

随着基片集成波导技术的发展，利用基片集成波导形成的无源微波器件，如滤波器、功分器、定向耦合器、天线等，都展现出了能与传统矩形金属波导微波器件相媲美的性能。基片集成波导应用在天线领域主要是通过在其上导体表面周期性地蚀刻缝隙，波导中传输的功率会漏逸到外部空间，从而形成基片集成波导漏波天线。

半模基片集成波导是在基片集成波导上提出的结构，由于基片集成波导中间为理想磁壁，电力线平行于对称面，可以由此处将基片集成波导一分为二，并不会改变场模式，这样可以大大减小由基片集成波导构成的器件的体积。所以半模基片集成波导具有很大的实现价值。

近几年来，极化和频率可重构天线被认为是电子设备朝多功能方向发展。传统的半模基片集成波导缝隙天线其极化方式和波束指向是固定的。如果想改变其辐射方向和极化方式必须通过人工或者机械调整或更换天线的位置和极化方式，灵敏度低，故障率高。如果使用一般的半模基片集成波导天线，需要安装多副天线会带来工作平台体积大、重量大的问题，且电磁兼容性能差等一系列问题。

发明内容

为了克服现有的天线结构体积大、重量大、难以和载体共形的不足，同时可以实现极化重构和频率扫描功能，本发明提供一种实现极化可变和频率扫描的半模基片集成波导漏波天线。该半模基片集成波导漏波天线的体积小、重量轻，易于与载体共形。

本发明提供一种能实现极化可变和频率扫描的半模基片集成波导漏波天线，该天线包括双面设有金属贴片的介质基片、4条微带馈线、一个3dB定向耦合器和两条微带连接线，在其中一个金属贴片上加工有半模基片集成波导天线阵A和半模基片集成波导天线阵B，在所述半模基片集成波导天线阵A上蚀刻斜-45°交指槽和金属通孔A，在所述半模基片集成波导天线阵B上刻蚀有斜45°交指槽和金属通孔A，微带连接线A位于3dB定向耦合器和半模基片集成波导天线阵A41之间；微带连接线B位于3dB定向耦合器和半模基片集成波导天线阵B之间；微带馈线A位于3dB定向耦合器的左上侧；微带馈线B位于3dB定向耦合器的左下侧；微带馈线C位于半模基片集成波导天线阵A的右侧；微带馈线D位于半模基片集成波导天线阵B的右侧。

所述3dB定向耦合器是由起传输作用的基片集成波导A和起耦合作用的基片集成波导B，以及连接在基片集成波导A和基片集成波导B间的耦合缝构成，且基片集成波导A和基片集成波导B共用中间一排的金属通孔B。

所述基片集成波导A的宽等于基片集成波导B的宽。

在金属通孔A和金属通孔B内均设置金属套，且该金属套的两端分别与介质基片两面的金属贴片连接。

所述金属通孔B贯穿两个金属贴片和介质基片。

所述两个金属贴片的厚度相同。所述斜-45°交指槽和斜45°交指槽的位置相对应，数量相等。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

(1)低损耗；由于该半模基片集成波导结构中的上、下金属敷层和中间的金属化通孔，是从基片集成波导技术演化而来，保留了基片集成波导固有的低损耗特性，同时由于该半模基片集成波导的宽高比相对基片集成波导更小，因此电磁波在传播过程因介质的非理想性而产生的损耗更小，因而具有更佳的低损耗特性。

(2)低成本；由于该半模基片集成波导结构仅由单层介质板加上、下两层金属敷层和中间的金属化通孔构成，所以可以采用目前非常成熟的单层印刷板生产工艺来生产，成本十分低廉。

(3)尺寸小，易于集成；与相同工作频段的基片集成波导天线相比，在尺寸上缩减近50%。同时该半模基片集成波导结构采用单层印刷电路板工艺，所以可以作为印刷电路板的一部分被集成到大规模电路中区，与传统的波导天线相比，尺寸更小，集成度更高，避免了很多设计上的麻烦。

(4)简单有效地实现多种极化；组合3dB定向耦合器和两个正交线极化天线，通过简单地控制激励，就能实现性能较好的四种极化状态，包括两种正交圆极化和两种正交线极化。这种实现多极化的方式简单、方便，易于控制。

(5)经济实用地实现波束扫描。该半模基片集成波导天线是通过改变频率来实现波束扫描，与传统的相控阵相比，不需要多个移相器以及庞大的波控系统，只需要简单的变化频率，就能实现高增益的波束扫描，节约大量的成本。

附图说明

图1是本发明半模基片集成波导漏波天线的外部结构图。

图1A是本发明蚀刻斜-45°交指槽的单元天线的结构示意图。

图1B是本发明蚀刻斜45°交指槽的单元天线的结构示意图。

图1C是本发明4条微带馈线的结构示意图。

图1D是本发明3dB定向耦合器的结构示意图。

图1E是本发明两条微带连接线的结构示意图。

图1F是本发明3dB定向耦合器上的金属通孔的结构示意图。

图1G是本发明半模基片集成波导漏波天线阵上的金属通孔的结构示意图。

图2A是本发明天线在微带馈线A输入信号时的S参数的仿真结果图。

图2B是本发明天线在微带馈线A输入信号时的远场辐射方向图。

图3A是本发明天线在微带馈线B输入信号时的S参数的仿真结果图。

图3B是本发明天线在微带馈线B输入信号时的远场辐射方向图。

图4A是本发明天线在微带馈线C输入信号时的S参数的仿真结果图。

图4B是本发明天线在微带馈线C输入信号时的远场辐射方向图。

图5A是本发明天线在微带馈线D输入信号时的S参数的仿真结果图。

图5B是本发明天线在微带馈线D输入信号时的远场辐射方向图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

参见图1所示，本发明的一种能实现极化可变和频率扫描的半模基片集成波导漏波天线，该天线包括双面设有金属贴片2、3的介质基片1，在金属贴片2上设有半模基片集成波导天线阵A41、半模基片集成波导天线阵B42、4条微带馈线A51、微带馈线B52、微带馈线C53、微带馈线D54、3dB定向耦合器6和两条微带连接线A71、微带连接线B72。

所述微带连接线A71位于3dB定向耦合器6和半模基片集成波导天线阵A41之间；

微带连接线B72位于3dB定向耦合器6和半模基片集成波导天线阵B42之间；

微带馈线A51位于3dB定向耦合器6的左上侧；

微带馈线B52位于3dB定向耦合器6的左下侧；

微带馈线C53位于半模基片集成波导天线阵A41的右侧；

微带馈线D54位于半模基片集成波导天线阵B42的右侧；

在本发明中，所述半模基片集成波导天线阵A41是由10个以上单元天线构成，其目的是为了实现-45°线极化和在16.9GHz～17.6GHz频段内实现频率扫描特性。如图1(A)所示，单元天线是由在金属贴片2、3和介质基片1上添加一排金属通孔A82，并在金属贴片2上蚀刻斜-45°交指槽43构成。蚀刻斜-45°交指槽43的单元天线的长记为L₄₁，宽记为W₄₁；斜-45°交指槽43的长边槽的长记为L₄₃，长边槽的宽记为W₄₃，两长边槽的间距记为W₄₅；相邻两金属通孔A82的间距记为W₄₇。

在本发明中，所述半模基片集成波导天线阵B42是由10个以上单元天线构成，其目的是为了实现45°线极化和在16.9GHz～17.6GHz频段内实现频率扫描特性。如图1(B)所示，所述单元天线是由在金属贴片2、3和介质基片1上添加一排金属通孔A82，并在金属贴片2上蚀刻斜45°交指槽44构成。蚀刻斜45°交指槽44的单元天线的长记为L₄₂，宽记为W₄₂；斜45°交指槽44的长边槽的长记为L₄₄，长边槽的宽记为W₄₄，相邻两长边槽的间距记为W₄₆；相邻两金属通孔A82的间距记为W₄₈，且L₁₄ ₂₄=L，W₄₁=W₄₂，L₄₃=L₄₄，W₄₃=W₄₄，W₄₅=W₄₆，W₄₇=W₄₈。

在本发明中，所述3dB定向耦合器6是由起传输作用的基片集成波导A61和起耦合作用的基片集成波导B62，以及连接在基片集成波导A61和基片集成波导B62间的耦合缝63构成，且基片集成波导A61和基片集成波导B62共用中间一排的金属通孔B81，其目的为了使半模基片集成波导天线阵A41和半模基片集成波导天线阵B42输入信号的幅度相等且相位相差90°或者-90°，从而实现右手圆极化或者左手圆极化特性。如图1D所示，3dB定向耦合器6中基片集成波导A61的宽记为W₆₁，基片集成波导B62的宽记为W₆₂，且W₆₁=W₆₂；基片集成波导A61和基片集成波导B62输出端口的间距记为W₆₃，相邻两金属通孔B81的间距记为L₆₂；耦合缝63的长记为L₆₁。

在本发明中，所述微带连接线A71连接在3dB定向耦合器6和半模基片集成波导天线阵A41之间，其目的是为了实现3dB定向耦合器6和半模基片集成波导天线阵A41之间信号的过渡；所述微带连接线B72连接在3dB定向耦合器6和半模基片集成波导天线阵B42之间，其目的是为了实现3dB定向耦合器6和半模基片集成波导天线阵B42之间信号的过渡。如图1E所示，微带连接线A71的短宽的宽记为W₇₁，长宽的宽记为W₇₃，过渡段的长记为L₇₁；微带连接线B72的短宽的宽记为W₇₂，长宽的宽记为W₇₄，过渡段的长记为L₇₂，且W₇₁=W₇₂，W₇₃=W₇₄，L₇₁=L₇₂。

在本发明中，所述微带馈线A51、微带馈线B52、微带馈线C53和微带馈线D54为四个信号输入端口的馈线。当微带馈线A51输入信号时，3dB定向耦合器6能为半模基片集成波导天线阵A41和半模基片集成波导天线阵B42提供幅度相等且相位相差90°的两路信号，从而实现右手圆极化特性；当微带馈线B52输入信号时，3dB定向耦合器6能为半模基片集成波导天线A41和半模基片集成波导天线B42提供幅度相等且相位相差-90°的两路信号，从而实现左手圆极化特性；当微带馈线C53输入信号时，能单独为半模基片集成波导天线阵A41提供输入信号，从而实现-45°线极化特性；当微带馈线D54输入信号时，能单独为半模基片集成波导天线阵B42提供输入信号，从而实现45°线极化特性。如图1C所示，微带馈线A51的宽记为W₅₁，斜边的长记为L₅₁；微带馈线B52的宽记为W₅₂，斜边的长记为L₅₂；微带馈线C53的宽记为W₅₃，斜边的长记为L₅₃；微带馈线D54的宽记为W₅₄，斜边的长记为L₅₄，且W₅₁=W₅₂=W₅₃=W₅₄，L₅₁=L₅₂=L₅₃=L₅₄=1.16W₅₁。

在本发明中，所述金属通孔B81和金属通孔A82贯通金属贴片2、、介质基片1和金属贴片3，在金属通孔A82和金属通孔B81内均设置金属套9，且该金属套9的两端分别与金属贴片2、3连接，其目的是为了实现金属壁的效果。如图1(F)所示，3dB定向耦合器6上的金属通孔B81的通孔直径记为R₈₁,高记为h₈₁；如图1(G)所示，半模基片集成波导天线阵A41和半模基片集成波导天线阵B42上的金属通孔A82的通孔直径记为R₈₂,高记为h₈₂，且h₈₁=h₈₂。

在本发明中，所述-45°和45°是以半模基片集成波导天线阵A41和半模基片集成波导天线阵B42的宽边作为0°基准，交指槽的长边槽相对于天线宽边的角度。

在本发明中，所述介质基片1的长记为L₁，宽记为W₁，高记为h₁；金属贴片2的高记为h₂；金属贴片3的高记为h₃，且h₂=h₃。

在本发明中，金属贴片2、3和金属套9均为金属铜箔材料。介质基片1采用的Rogers5880。为了实现与有源电路的集成，本发明设计的结构小型且紧凑，成本低且易于加工。

实施例1

为了对具有极化可变和频率扫描功能的半模基片集成波导漏波天线结构示意图1A～1G中的参数值进行选取，本发明天线在安装有Ansoft HFSS的计算机上进行设计、仿真和分析。所述计算机是一种能够按照事先存储的程序，自动、高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子设备。最低配置为CPU 2GHz，内存2GB，硬盘180GB；操作系统为windows2000/2003/XP。HFSS软件是由美国Ansoft公司开发，是三维电磁场仿真软件，它应用切向矢量有限元法，可求解任意三维射频、微波器件的电磁场分布，计算由于材料和辐射带来的损耗，可直接得到特征阻抗、传播系数、S参数及电磁场、辐射场、天线方向图、特定吸收率等结果，广泛应用于天线、馈线、滤波器等的设计和电磁兼容、电磁干扰、天线布局和互耦等问题的计算。

通过在安装有Ansoft HFSS的计算机上进行设计、仿真和分析。得到介质基片1的尺寸：L₁=182.9mm，W₁=29mm，h₁=1.575mm；

金属贴片2和金属贴片3的尺寸：h₂=h₃=0.0018mm；

蚀刻斜-45°交指槽的尺寸：L₄₁=L₄₂=9.1mm，W₄₁=W₄₂=6.3mm，L₄₃=L₄₄=3.2mm，W₄₃=W₄₄=0.565mm，W₄₅=W₄₆=0.42mm，W₄₇=W₄₈=1.5mm；

4条微带馈线A51、微带馈线B52、微带馈线C53和微带馈线D54的尺寸：

W₅₁=W₅₂=W₅₃=W₅₄=4mm，L₅₁=L₅₂=L₅₃=L₅₄=1.16W₅₁=4.64mm；

3dB定向耦合器6的尺寸：W₆₁=W₆₂=9mm，W₆₃=13.9mm，L₆₂=0.8mm，L₆₁=13.5mm；

微带连接线A71和B72的尺寸：W₇₁=W₇₂=4mm，W₇₃=W₇₄=5.9mm，L₇₁=L₇₂=4mm；

金属通孔B81和A82的尺寸：R₈₁=0.5mm，R₈₂=0.8mm,h₈₁=h₈₂=1.5786mm；

在实施例1制得的半模基片集成波导漏波天线通过改变馈电端口以及馈电信号的频率的条件下的实现极化可变和频率扫描功能：

(A)首先在微带馈线C53和微带馈线D54的端口处接上50Ω匹配负载，给微带馈线A51输入频率变化的信号，通过HFSS仿真软件（HFSS11）采集S参数的仿真结果（如图2A所示），以及17GHz、17.3GHz和17.6GHz方向图的仿真结果（如图2B所示）；

(B)然后保持在微带馈线C53和微带馈线D54的端口处接上50Ω匹配负载，给微带馈线B52输入频率变化的信号，通过HFSS仿真软件（HFSS11）采集S参数的仿真结果（如图3A所示），以及17GHz、17.3GHz和17.6GHz方向图的仿真结果（如图3B所示）；

(C)接着在微带馈线A51和微带馈线B52的端口处接上50Ω匹配负载，给微带馈线C53输入频率变化的信号，通过HFSS仿真软件（HFSS11）采集S参数的仿真结果（如图4A所示），以及17GHz、17.3GHz和17.6GHz方向图的仿真结果（如图4B所示）；

(D)最后保持在微带馈线A51和微带馈线B52的端口处接上50Ω匹配负载，给微带馈线D54输入频率变化的信号，通过HFSS仿真软件（HFSS11）采集S参数的仿真结果（如图5A所示），以及17GHz、17.3GHz和17.6GHz方向图的仿真结果（如图5B所示）；

图2A中可以看出，半模基片集成波导漏波天线在微带馈线A51输入信号时，在16.5GHz～18GHz频段内天线的返回系数、隔离系数、插入系数和耦合系数都小于-10dB，满足S参数性能指标。

由图2B中可以看出，微带馈线A51输入信号时，半模基片集成波导漏波天线能实现右手圆极化，且由图中可知右手圆极化的增益远高于左手圆极化；此外在17GHz、17.3GHz和17.6GHz频点上的主瓣波束指向为-31°、-25°和-15°，能实现波束指向随频率变化而改变的频率扫描功能。

图3A中可以看出，半模基片集成波导漏波天线在微带馈线B52输入信号时，在16.5GHz～18GHz频段内天线的返回系数、隔离系数、插入系数和耦合系数都小于-10dB，满足S参数性能指标。

由图3B中可以看出，微带馈线B52输入信号时，半模基片集成波导漏波天线能实现左手圆极化，且由图中可知左手圆极化的增益远高于右手圆极化；此外在17GHz、17.3GHz和17.6GHz频点上的主瓣波束指向为-33°、-27°和-15°，能实现波束指向随频率变化而改变的频率扫描功能。

图4A中可以看出，半模基片集成波导漏波天线在微带馈线C53输入信号时，在16.5GHz～18GHz频段内天线的返回系数、隔离系数、插入系数和耦合系数都小于-10dB，满足S参数性能指标。

由图4B中可以看出，微带馈线C53输入信号时，半模基片集成波导漏波天线能实现-45°线极化，且由图中可知主极化的增益远高于交叉极化；此外在17GHz、17.3GHz和17.6GHz频点上的主瓣波束指向为49°、39°和23°，能实现波束指向随频率变化而改变的频率扫描功能。

图5A中可以看出，半模基片集成波导漏波天线在微带馈线D54输入信号时，在16.5GHz～18GHz频段内天线的返回系数、隔离系数、插入系数和耦合系数都小于-10dB，满足S参数性能指标。

由图5B中可以看出，微带馈线D54输入信号时，半模基片集成波导漏波天线能实现45°线极化，且由图中可知主极化的增益远高于交叉极化；此外在17GHz、17.3GHz和17.6GHz频点上的主瓣波束指向为44°、36°和21°，能实现波束指向随频率变化而改变的频率扫描功能。

由图2A、2B、3A、3B、4A、4B、5A和5B可知，半模基片集成波导漏波天线能够通过改变输入端口输入信号而改变极化状态，如当端口1输入信号时能实现右手圆极化特性，当端口2输入信号时能实现左手圆极化特性，当端口3输入信号时能实现-45°线极化特性，当端口4输入信号时能实现45°线极化特性，从而基片集成波导漏波天线实现极化可变的功能。且在各个极化状态，波束指向都会随着频率的变化而改变，实现频率扫描功能。

Claims

1.一种实现极化可变和频率扫描功能的半模基片集成波导漏波天线，其特征在于：所述天线包括双面设有金属贴片的介质基片、4条微带馈线、一个3dB定向耦合器和两条微带连接线，在其中一个金属贴片上加工有半模基片集成波导天线阵A和半模基片集成波导天线阵B，在所述半模基片集成波导天线阵A上蚀刻斜-45°交指槽和金属通孔A，在所述半模基片集成波导天线阵B上刻蚀有斜45°交指槽和金属通孔A，微带连接线A位于3dB定向耦合器和半模基片集成波导天线阵A之间；微带连接线B位于3dB定向耦合器和半模基片集成波导天线阵B之间；微带馈线A位于3dB定向耦合器的左上侧；微带馈线B位于3dB定向耦合器的左下侧；微带馈线C位于半模基片集成波导天线阵A的右侧；微带馈线D位于半模基片集成波导天线阵B的右侧。

2.根据权利要求1所述的一种实现极化可变和频率扫描功能的半模基片集成波导漏波天线，其特征在于：所述3dB定向耦合器是由起传输作用的基片集成波导A和起耦合作用的基片集成波导B，以及连接在基片集成波导A和基片集成波导B间的耦合缝构成，且基片集成波导A和基片集成波导B共用中间一排的金属通孔B。

3.根据权利要求2所述的一种实现极化可变和频率扫描功能的半模基片集成波导漏波天线，其特征在于：所述基片集成波导A的宽等于基片集成波导B的宽。

4.根据权利要求1所述的一种实现极化可变和频率扫描功能的半模基片集成波导漏波天线，其特征在于：在金属通孔A和金属通孔B内均设置金属套，且该金属套的两端分别与介质基片两面的金属贴片连接。

5.根据权利要求1所述的一种实现极化可变和频率扫描功能的半模基片集成波导漏波天线，其特征在于：所述金属通孔A和金属通孔B贯穿两个金属贴片和介质基片。

6.根据权利要求1所述的一种实现极化可变和频率扫描功能的半模基片集成波导漏波天线，其特征在于：所述介质基片两侧的两个金属贴片的厚度相同；所述斜-45°交指槽和斜45°交指槽的位置相对应，数量相等。