CN105655699B - 一种采用基片集成波导的背腔缝隙圆极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用基片集成波导作为馈线及背腔的圆极化背腔缝隙天线。天线主要由基片集成波导背腔及缝隙辐射单元构成。本发明的圆极化天线在所工作的频点具有设计步骤简单、无需匹配网络调节、轴比性能可控等优点。

Description

一种采用基片集成波导的背腔缝隙圆极化天线
技术领域
本发明涉及一种应用前景广泛的采用SIW(Substrate Integrated Waveguide,基片集成波导)技术的圆极化背腔缝隙天线，属于天线技术领域。
背景技术
天线是无线通信系统的重要组成部分。无线通信的快速发展，对体积小、成本低、高增益以及易集成的天线产生迫切需求。传统的背腔天线具有高增益、低前后比等优点，但也存在体积过大、不易与平面电路集成等缺点。
圆极化天线能够接收来自任意天线的任意极化电磁波，可以有效地提高接收和辐射效率，因此被广泛地应用于实际的干扰与电子侦察中。圆极化天线可以利用喇叭天线、微带天线或背腔天线等多种天线形式实现。随着现代无线通信的快速发展，对结构简单、易于平面集成、设计难度小的圆极化天线单元产生了很大需求。
发明内容
发明目的：本发明采用SIW技术，提供了一种可以满足无线通信系统需要的、可应用于微波毫米波频段的、易于设计和加工、易于平面集成的平面圆极化背腔天线。通过激发圆形谐振腔表面P形缝隙的谐振，在远场激励起所需的圆极化辐射。该天线具有增益高、易于平面集成、设计简单等优点。
技术方案：一种基于基片集成波导的背腔缝隙圆极化天线，包括由SIW构成的馈电线路、由SIW构成的圆形背腔以及圆形背腔正面的P形缝隙辐射单元。
天线通过馈电探针对SIW腔体馈电，选择主模TM010模为圆形SIW谐振腔的工作模式，设计P形缝隙使其在所需频点产生谐振，利用部分圆形缝隙和直线形缝隙辐射形成两个正交的、相位差为90°的电场，在远场形成圆极化辐射。缝隙的初始尺寸可由公式计算得到。通过仿真微调P形缝隙的尺寸，可在所需频点获得最佳轴比和谐振性能。
通过第一金属通孔向SIW腔体进行馈电；多个第二金属通孔组成馈线，利用由多个第三金属通孔构成的SIW圆形背腔，以及P形缝隙作为辐射主体；天线可实现右旋圆极化辐射。若将P形缝隙按SIW腔体的对称中轴线镜像对称，构成的天线可实现左旋圆极化辐射。
所述的馈线和圆形背腔相对于SIW腔体的对称中轴线形成镜像对称结构。其尺寸与天线的工作频率有关，可由公式得到。
所述的P形缝隙单元由偏离对称中轴线的直线形缝隙和被该直线形缝隙切割而成的部分圆形缝隙构成。P形缝隙单元的尺寸与天线的工作频率有关。
有益效果：与现有传统背腔天线相比，本发明提供的基于基片集成波导的背腔缝隙圆极化天线，具有如下优点：
1)该天线采用SIW作为天线的馈线及背腔，在保留了传统背腔天线优点的同时，带来了平面结构、易于集成、加工简单等优点。
2)该天线采用圆形谐振腔表面开P形缝隙作为辐射单元，利用部分圆形缝隙和直线形缝隙辐射形成两个正交的、相位差为90°的电场，在远场形成圆极化辐射。
3)该天线采用的P形缝隙带来了更好的谐振特性，避免了引入匹配电路带来的设计复杂性。
附图说明
图1为本发明天线的俯视图；
图2为本发明天线的侧面剖视图；
图3为本发明的驻波比随频率变化的示意图；
图4为本发明的增益和轴比随频率变化的示意图；
图5为本发明在28GHz处的仿真和实测方向图；
图6为本发明在28GHz处的仿真和实测方向图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
该圆极化背腔缝隙天线由基片集成波导背腔及缝隙辐射单元构成。该天线采用单层印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)工艺加工。
图1为本发明圆极化背腔缝隙天线的俯视图。图中用斜线填充的圆形皆为金属化通孔，通孔直径为d，间距为p。其中位于中部位置的第一金属化通孔2为馈电点，可通过在底层接同轴接头进行馈电；多个第二金属化通孔4形成缺少一边的矩形，构成SIW的馈线部分，矩形开口方向朝向SIW圆形谐振腔；多个第三金属通孔5形成的优弧构成SIW圆形谐振腔，优弧的开口方向朝向SIW的馈线部分；圆形谐振腔的半径为r3，其工作在TM010模式谐振腔的半径r3遵循以下公式：
其中，f010为TM010模式的工作频率，也即天线的工作频率；c为真空中的光速；p01为0阶贝塞尔函数的1次根；εr为介质的相对介电常数，μr为介质的相对磁导率。
图1中白色未标记部分代表SIW表面的金属层。图中标号1指向的由黑色实线包围的灰色阴影，代表在SIW腔体表面通过PCB工艺腐蚀出的P形缝隙辐射单元，其由一条纵向缝隙，及一条被该纵向缝隙裁切的圆环形缝隙3的上半部分构成，虚线代表不存在的圆环形缝隙部分。其中，被裁切的圆环形缝隙的上半部分的内径和外径分别为r2和r1；纵向缝隙伸出圆环缝隙的长度为n，宽度为w。纵向缝隙偏离SIW腔体纵向对称中轴线6的距离为m。圆环形缝隙的半径遵循以下公式：
其中，fcp为给定的圆极化辐射频点，c为真空中的光速，re＝(r1+r2)/2为半圆环缝隙的等效半径，εe＝(εr+1)/2为天线的等效介电常数，其中εr为介质的相对介电常数。
图2为本发明圆极化背腔缝隙天线的侧视图。其中，标号7和11分别为天线的上下金属层，8为腐蚀于上层金属层的P形缝隙辐射单元。12所代表的被灰色阴影填充的区域为天线的介质层，其高度为h。用实线包围的斜线填充区域都为金属化通孔，其中，中间为用于天线馈电的第一金属化通孔2，两边为构成SIW谐振腔和馈线的第三金属化通孔5和第二金属化通孔4。
采用电磁仿真软件对天线尺寸进行优化，得到天线尺寸参数如表1所示。各参数代表的意义已在上文说明。
测试对象为利用PCB技术实现的工作在28.0GHz的圆极化SIW背腔缝隙天线。测试结果如图3-图6所示。图3为本发明的驻波比随频率变化的示意图；图4为本发明的增益和轴比随频率变化的示意图；图5为本发明在28GHz处的XZ轴的实测方向图，图6为本发明在28GHz处的YZ轴的实测方向图。
表1
参数 数值(mm) 参数 数值(mm)
r1 2.00 n 1.20
r2 1.80 w 0.20
r3 2.75 m 0.21
l1 4.50 h 0.51
p 0.50 d 0.30

Claims (5)

1. 一种基于基片集成波导的背腔缝隙圆极化天线，包括介质层，上下金属层构成的天线本体，其特征在于，天线本体包括由SIW构成的馈电线路、由SIW 构成的圆形背腔以及圆形背腔正面的P形缝隙辐射单元；
天线本体上设有一个第一金属化通孔、多个第二金属化通孔和多个第三金属通孔；通过第一金属化通孔向SIW腔体进行馈电，多个第二金属化通孔组成馈线，利用由多个第三金属通孔构成的SIW圆形背腔，以及P形缝隙辐射单元作为辐射主体；可实现右旋圆极化辐射；
多个第二金属化通孔形成缺少一边的矩形，构成SIW的馈线部分，矩形开口方向朝向SIW圆形背腔；多个第三金属通孔形成的优弧构成SIW圆形背腔，优弧的开口方向朝向SIW的馈线部分；所述的P形缝隙辐射单元由偏离对称中轴线的直线形缝隙和被该直线形缝隙切割而成的部分圆形缝隙构成。
2.如权利要求1所述的基于基片集成波导的背腔缝隙圆极化天线，其特征在于，将P形缝隙按SIW腔体的对称中轴线镜像对称，构成的天线可实现左旋圆极化辐射。
3.如权利要求1所述的基于基片集成波导的背腔缝隙圆极化天线，其特征在于，所述的馈线和圆形背腔相对于SIW腔体的对称中轴线形成镜像对称结构；其尺寸与天线的工作频率有关。
4.如权利要求1所述的基于基片集成波导的背腔缝隙圆极化天线，其特征在于，所述的馈线和圆形背腔相对于SIW腔体的对称中轴线形成镜像对称结构；P形缝隙辐射单元的尺寸与天线的工作频率有关。
5.如权利要求1所述的基于基片集成波导的背腔缝隙圆极化天线，其特征在于，选择主模TM010模为圆形SIW谐振腔的工作模式。
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