CN103531918A - 一种宽带基片集成波导圆极化天线阵列及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于基片集成波导技术的高增益圆极化天线阵列及其制备方法，包括上层的辐射基片以及下层的馈电基片，辐射基片包括以圆心为轴对称设置的第一天线单元、第二天线单元、第三天线单元和第四天线单元；馈电基片上分布一分四的径向基片集成波导功率分配器，对于以上四个天线单元进行馈电。本发明的高增益圆极化天线阵列增益高，宽带宽，辐射特性好，设计简单，易于加工，成本低。该天线与现有基片集成波导圆极化天线相比，增益明显提高，圆极化带宽显著提升。

Description

一种宽带基片集成波导圆极化天线阵列及其制备方法

技术领域：

本发明属于通信领域，涉及一种基于基片集成波导技术的高增益圆极化天线阵列，尤其是一种宽带基片集成波导圆极化天线阵列及其制备方法。

背景技术：

天线在无线通信系统中担任着发射和接收电磁波的重要角色，除了能有效辐射或接收电磁波外，还承担着将高频电流(导波能量)转换为无线电磁波或把无线电磁波转换为高频电流(导波能量)的工作。天线无疑承担了最基本也是最不可或缺的重要角色，其性能的优劣将直接影响整个通信系统的好坏。

随着通信技术的发展，线极化方式已远不能满足工作要求，而圆极化天线的应用有时则显得非常重要，圆极化天线可以接收任意极化的来波，且其辐射波也可由任意极化的天线收到，可以抑制雨雾干扰和抗多径反射，因此可应用于通信，雷达，电子对抗等领域中，有着广泛的应用前景。

圆极化天线实现方式多种多样，从传输结构可划分为微带圆极化天线，波导圆极化天线等。微带圆极化天线虽然具有低剖面，高增益的优点，但是随着频率的升高，由于微带线本身的导体损耗，表面波损耗以及介质损耗增大，导致天线效率降低。波导圆极化天线功率容量大，但是体积大，另外与外围电路的集成难度增加。而基片集成波导技术正是结合了以上两种传输结构的优点，基片集成波导是在上下表面均为金属层的低损耗介质基片中排列多个金属化过孔代替波导光滑侧壁，从而与上下表面金属围成了一个准封闭的导波结构，以准TE₁₀模式工作。基片集成波导具有低损耗，高功率容量，高品质因数，易于集成，与传统波导相比加工成本低，不需要任何调试工作，非常适合做微波集成电路设计以及大批量生产。

综上所述，基于基片集成波导的天线具有低剖面，高增益，高效率，高功率容量，与外围电路集成度高等优点。本专利提出的基片集成波导圆极化天线阵列，是在圆极化基片集成波导天线单元的基础上，将4个天线单元按照一种新颖的连续旋转馈电技术组阵设计，进而实现了宽频带，高增益，良好的辐射特性等优点。

对比文件[1](SIW-Based Array Antennas With SequentialFeeding for X-Band Satel1ite Communication，Vo1.60，No.8，pp：3632-3639，August，2012.)中基片集成波导圆极化天线单元采用圆环缝隙加一个金属化过孔实现圆极化工作，过孔的位置影响圆极化特性的优劣。该天线采用同轴馈电，另外在馈电端口附近加入了一排金属化过孔用来调试阻抗匹配，增加天线的阻抗带宽。在本天线单元基础上，将同样的4个天线单元按照连续旋转馈电的方法组成阵列，依次按照0度，90度，180度，270度旋转，每个天线单元之间的旋转相位差90度，空间旋转的相位可采用馈电网络进行补偿，馈电网络同样采用基于基片集成波导技术的基片集成波导功率分配器对于阵列进行馈电。利用该方法可明显提高圆极化带宽特性，可将轴比带宽从天线单元的2.3％提高到7.2％，阻抗带宽从天线单元到6％提高到13.3％，天线单元实测增益6.63dBi，4元阵增益10.9dBi。

该方案存在以下缺陷：

1.天线单元采用圆环缝隙加过孔馈电，实现圆极化，其轴比带宽较窄，只有2.3％。

2.在同轴馈电附近采用一排过孔进行阻抗匹配调试，增加了调试复杂度，最终天线单元带宽也只有6％。

3.组阵之后其轴比带宽以及阻抗带宽改变不是特别明显，轴比带宽从2.3％提高到7.2％，阻抗带宽从天线单元到6％提高到阵列的13.3％。

4.天线单元增益只有6.63dBi，4元阵增益也只有10.9dBi，天线单元和阵列增益较低。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于基片集成波导技术的高增益圆极化天线阵列及其制备方法，此种新型天线阵列增益高，宽带宽，辐射特性好，设计简单，易于加工，成本低。该天线与现有基片集成波导圆极化天线相比，增益明显提高，圆极化带宽显著提升。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

一种宽带基片集成波导圆极化天线阵列，包括上层的辐射基片以及下层的馈电基片，辐射基片包括以圆心为轴对称设置的第一天线单元、第二天线单元、第三天线单元和第四天线单元；馈电基片上分布一分四的径向基片集成波导功率分配器，对于以上四个天线单元进行馈电。所述辐射基片具有上下金属层，在上金属层蚀刻出一个菱形的环状结构，在环状结构内部设置一个贯通上金属层和下金属层的金属化过孔，在环状结构周围设置有贯通上金属层和下金属层的多个金属化过孔顺序排列形成基片集成波导腔体，最终的基片集成波导腔体由长方形区域加菱形区域构成，基片集成波导腔体的长方形区域内设置有同轴馈电结构；所述馈电基片同样具有上下金属层，馈电基片上设置有贯通上金属层和下金属层的多个金属化过孔作为馈电结构，该馈电基片上的金属化过孔与辐射基片的金属化过孔相对应。

所述金属化过孔贯穿辐射基片和馈电基片，其内部设置有金属镀层。

所述同轴馈电结构位于基片集成波导短路壁大约四分之一波长处。

所述辐射基片和馈电基片均采用Taconic的TLX一8，介电常数2.55，厚度1.52mm，损耗角正切0.0019。

所述馈电基片的上金属层设置有总馈电端口，馈电端口通过总馈电端口采用同轴结构进行馈电。

所述宽带基片集成波导圆极化天线阵列的制备方法，首先选取对应参数的两块基片，在辐射基片的上金属层蚀刻出四个形成圆极化辐射的近似于菱形的环状结构，在各个环状结构内部打一金属化过孔，在其馈电位置均打一通孔用以馈电，最后在缝隙周围以均匀的间隔打一系列金属化过孔，构成基片集成波导腔体；下金属层除了金属化过孔以及馈电孔外全为金属，选取合适的孔间距以及孔直径，避免腔体内能量向外泄露；馈电基片上金属层上的四个馈电通孔与辐射基片上位置严格对准，径向型基片集成波导功率分配器从总馈电端口馈电，上下面均有金属化过孔，完全一致；辐射基片和馈电基片分别加工完成之后，将其粘合在一起，分布在四周的四个馈电端口利用焊接技术将辐射基片和馈电基片的端口完全焊接在一起，实现馈电网络的信号传输到辐射层。

本发明的有益效果在于：

1.此新型基片集成波导天线单元结构简单，工作原理简单明了。设计过程中只需要调试菱形缝隙短路宽度以及金属化过孔位置就可以调节圆极化的轴比带宽，调节菱形缝隙的长度以及宽度，就可以调节其阻抗带宽。结构参数少，大大缩短了设计和优化时间。

2.该新型天线阵列以良好技术方案的天线单元为基础，利用连续旋转馈电技术组成4元阵，由于天线单元结构的菱形设计，使得4个天线单元旋转之后比传统的方形或圆形结构的天线阵列体积大大减小，另外该阵列性能也有了大幅提升，轴比带宽从3.4％提高到14.1％，阻抗带宽从14.5％提高到19.2％。

3.该新型基片集成波导阵列加工简单方便，用两层普通的PCB工艺就可以实现，之后将两层PCB板利用导电胶粘合在一起即可。与传统的波导天线的精密加工相比，成本低廉，加工周期短。

附图说明：

图1天线单元结构俯视图；

图2天线单元的仿真与实测回波损耗比较曲线；

图3天线单元的实测增益以及轴比曲线；

图4天线阵列的辐射基片俯视图；

图5天线阵列的馈电基片俯视图；

图6天线阵列的仿真与实测回波损耗比较曲线；

图710.3GHz时天线阵列两个主平面的辐射方向图(a)E面(b)H面；

图8天线阵列的实测增益以及轴比随频率的变化曲线

其中：1为辐射基片；2为基片集成波导腔体；3为菱形环状缝隙；4为同轴馈电结构；5为馈电通孔；6为第一天线单元；7为第二天线单元；8为第三天线单元；9为第四天线单元；10为馈电基片；11为第一馈电端口；12为第二馈电端口；13为第三馈电端口；14为第四馈电端口；15为功率分配器；16为总馈电端口。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明的基片集成波导天线包括天线单元以及阵列。

首先对于天线单元技术方案加以阐述。其结构俯视图如图1所示，本天线包括介质基片，基片集成波导腔体结构，菱形环状缝隙，同轴馈电端口及金属化过孔。其中基片集成波导结构中菱形部分过孔中心与菱形缝隙的间距为sl，菱形部分基片集成波导边长为lr，矩形部分基片集成波导宽度为W，长度为L，所有金属化过孔直径以及过孔间距分别为d和p，菱形缝隙边长为ls，宽度为ws，菱形缝隙短路部分g2，同轴馈电中心与菱形缝隙最底部距离为s2，金属化过孔距离菱形总馈电端口的横向距离为dy，纵向距离为dx，介质基片1的上下均为金属层，上金属层蚀刻出菱形的环形区域3，并有一部分接地。在环形区域内部有一个金属化过孔，通过在上金属层，介质基片以及下金属层贯穿开过孔，并在内部镀上金属形成。下金属层作为地层。多个金属化过孔顺序排列为长方形加菱形区域，形成基片集成波导腔体，同轴馈电结构位于波导短路壁大约四分之一波长处。各参数具体数值示于表1。

表1天线单元结构参数

Parameters	W	L	ls	WS	p	d
							Values／mm	16.2	15.8	12.5	1.5	1.8	1
Parameters	dx	dy	g2	sl	s2	lr
							Values／mm	1	4.4	2	3.8	7.2	19.3

工作原理：电磁波由同轴馈电，将电磁波引入到由基片集成波导构成的菱形加长方形的基片集成波导腔体中，通过金属化过孔以及环形部分的短路线的激励，从而产生天线两个正交模式的谐振，两个正交模式的相位差为90度，进而实现了右旋圆极化波的辐射。

为了提高天线的圆极化带宽以及增益，将4个天线单元组阵设计，采用连续旋转馈电的方案将4个天线单元分别依次旋转0度，90度，180度，270度，天线单元之间旋转相位相差90度，空间旋转相位差通过馈电网络进行相位补偿。图4给出了该阵列的上层基片示意图，以第一天线单元为基准，第二天线单元绕Z轴(中心处)逆时针旋转90度，第三天线单元绕Z轴逆时针旋转180度，第四天线单元绕Z轴逆时针旋转270度。由于天线单元外围为菱形设计，4个天线单元在旋转过程中基片集成波导腔体结构各自重合在一起，大大节约了阵列的面积。馈电网络同样采用基于基片集成波导技术的功率分配器，如图5所示，由于阵列天线单元排列的特殊性，馈电网络采用径向结构的功率分配器，从总馈电端口16通过同轴结构馈电，四个输出端口分布在四周，分别为第一馈电端口、第二馈电端口、第三馈电端口和第四馈电端口，由于要在馈电网络中补偿空间旋转所产生的相位差，该相位差采用延迟线补偿，对应在图中就是第一天线单元、第二天线单元和第三天线单元的馈电位置依次延伸d，2d，3d的长度，长度d对应90度的相位长度，其值为3.1mm，天线单元之间距离为20mm，对应于中心频点处0.78倍波长。整个阵列两层介质基片均采用Taconic的TLX-8，介电常数2.55，厚度1.52mm，损耗角正切0.0019。该天线阵列宽84.5mm，长90.7mm。

该天线阵列的具体制备过程为：首先选取对应参数的两块基片，在辐射基片的上金属层蚀刻出四个形成圆极化辐射的近似于菱形的环状结构，在各个环状结构内部合适位置打一金属化过孔，在其馈电位置均打一金属化过孔用以馈电，最后在缝隙周围以均匀的间隔打一系列金属化过孔，构成基片集成波导腔体。下金属层除了金属化过孔以及馈电孔外全为金属，选取合适的孔间距以及孔直径，避免腔体内能量向外泄露。馈电基片上金属层上的四个馈电金属化过孔与辐射基片上位置严格对准，径向型基片集成波导功率分配器从总馈电端口馈电，上下面均有金属化过孔，完全一致。对于两层介质基片分别加工完成之后，将其粘合在一起，分布在四周的四个馈电端口利用焊接技术将上下层介质基片的端口完全焊接在一起，这样才会将馈电网络的信号传输到辐射层。整个天线完全由普通的PCB工艺实现。

图2和图3为该天线单元的测试结果。可以看出天线单元本身的阻抗带宽和轴比带宽分别达到14.5％和3.4％，实测增益在10.4GHz处达到8.1dBi。图6给出了天线阵列的仿真和测试的总端口回波损耗，可以看出两者吻合较好，测试结果表明该天线阵列在19.2％(9.9GHz-12.0GHz)的带宽范围内回波损耗均大于10dB，比天线单元的阻抗带宽有所提高。图7(a)和图7(b)给出了10.3GHz处天线两个主面的实测辐射方向图，可以看出，该天线具有良好的定向性，低交叉极化水平等优良特性。图8给出了天线的实测增益以及轴比随频率的变化曲线，可以看出，该天线在10.3GHz处最大增益达到了14.5dBi。在10.1-10.7GHz范围内，天线增益均大于12dBi。在14.1％(9.88GHz—11.38GHz)频带范围内轴比均小于3dB，比天线单元的3.4％的轴比带宽提高了3倍多。从以上结果可以看出，该天线具有良好的宽带阻抗特性，宽带圆极化特性以及良好的辐射特性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种宽带基片集成波导圆极化天线阵列，其特征在于：包括上层的辐射基片以及下层的馈电基片，辐射基片包括以圆心为轴对称设置的第一天线单元、第二天线单元、第三天线单元和第四天线单元；馈电基片上分布一分四的径向基片集成波导功率分配器，对以上四个天线单元进行馈电；所述辐射基片具有上下金属层，在上金属层蚀刻出一个菱形的环状结构，在环状结构内部设置一个贯通上金属层和下金属层的金属化过孔，在环状结构周围设置有贯通上金属层和下金属层的多个金属化过孔顺序排列形成基片集成波导腔体，最终的基片集成波导腔体由长方形区域加菱形区域构成，基片集成波导腔体的长方形区域内设置有同轴馈电结构；所述馈电基片同样具有上下金属层，馈电基片上设置有贯通上金属层和下金属层的多个金属化过孔作为馈电结构，该馈电基片上的金属化过孔与辐射基片的金属化过孔相对应。

2.如权利要求1所述宽带基片集成波导圆极化天线阵列，其特征在于：所述金属化过孔贯穿辐射基片和馈电基片，其内部设置有金属镀层。

3.如权利要求1所述宽带基片集成波导圆极化天线阵列，其特征在于：所述同轴馈电结构位于基片集成波导短路壁大约四分之一波长处。

4.如权利要求1所述宽带基片集成波导圆极化天线阵列，其特征在于：所述辐射基片和馈电基片均采用Taconic的TLX一8，介电常数2.55，厚度1.52mm，损耗角正切0.0019。

5.如权利要求1所述宽带基片集成波导圆极化天线阵列，其特征在于：所述馈电基片的上金属层设置有总馈电端口，馈电端口通过总馈电端口采用同轴结构进行馈电。

6.如权利要求1、2、3、4或5所述宽带基片集成波导圆极化天线阵列的制备方法，其特征在于：首先选取对应参数的两块基片，在辐射基片的上金属层蚀刻出四个形成圆极化辐射的近似于菱形的环状结构，在各个环状结构内部打一金属化过孔，在其馈电位置均打一通孔用以馈电，最后在缝隙周围以均匀的间隔打一系列金属化过孔，构成基片集成波导腔体；下金属层除了金属化过孔以及馈电通孔外全为金属，选取合适的孔间距以及孔直径，避免腔体内能量向外泄露；馈电基片上的四个馈电通孔与辐射基片上位置严格对准，径向型基片集成波导功率分配器从总馈电端口馈电，上下面均有金属化过孔，完全一致；辐射基片和馈电基片分别加工完成之后，将其粘合在一起，分布在四周的四个馈电端口利用焊接技术将辐射基片和馈电基片的端口完全焊接在一起，实现馈电网络的信号传输到辐射层。

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