CN106207424B - 一种无源圆极化自回溯天线阵 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种应用于毫米波背景下的无源圆极化自回溯天线阵，包括了上下两个子阵，共计三十二个天线单元，八对长短不同的用于连接天线的基片集成同轴线；每个天线单元均为背腔的基片集成波导结构，并包含一个菱形槽和一个用于调节圆极化性能的通孔,各天线单元的馈电端口和有限接地共面波导相连以激励天线；为抑制后向辐射,天线单元之间用基片集成同轴线相连，通过盲孔和有限接地共面波导转换。现有的无源自回溯天线大多为线极化，易发生极化失配且收发极化要求不一致。本发明以圆极化天线进行收发，利用了圆极化反射波的极化扭转特性，分离了回溯波与反射波，并且在一维方向的中心频率附近处获得了正负三十度的扫描角范围。
Description
技术领域
本发明属于天线技术，尤其涉及一种具有自回溯功能的圆极化天线阵。
背景技术
现代无线通信系统迫切需要低成本、高增益、同时具有自动波束跟踪能力的一类新型天线。这一类天线能自动把已接收的信号返回到信号来源方向，且无需预知来波方向。目前，方向回溯功能的实现主要基于Van Atta阵和基于混频技术的相位共轭两种方式。相位共轭技术引入了功放和混频技术，易于优化回溯性能的同时也增加了成本和系统复杂度。而Van Atta阵多用无源结构实现，设计简单并且成本低廉。早期的Van Atta回溯阵列主要利用角反射器或对数周期天线等非平面结构，但是其具有体积大和无法集成应用在毫米波频段等缺点。在随后的发展中，微带结构和基片集成波导结构具有体积小，重量轻，成本低等优点，但是这类色散结构限制了自回溯天线的回溯带宽。另外，现有的Van Atta回溯阵列大多是基于线极化的。在实际应用中，回溯波与反射波难以分离。回溯波的极化扭转可以解决这一问题，但是带来了收发天线极化不同和阵列单元设计变复杂等缺点。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种无源圆极化自回溯天线阵，可以使回溯信号与反射信号分离，且回溯信号与来波信号极化相同。
技术方案：一种无源圆极化自回溯天线阵，包括两个子阵，每个子阵包含一维方向排布的偶数K个天线单元，以及K/2条基片集成同轴线；每个所述天线单元包括谐振腔、有限接地共面波导传输线，所述谐振腔内设有辐射结构以及用于调节圆极化性能的通孔，所述通孔位于谐振腔的右侧；每条所述基片集成同轴线包括内导体信号线和外导体屏蔽层；所述外导体屏蔽层由分别设于内导体信号线上表面和下表面的金属层，以及排布在内导体信号线两侧并穿过上表面和下表面金属层的通孔阵列构成；任意两条基片集成同轴线的电长度相差天线工作波长整数倍，每一条基片集成同轴线均为“凵”形；每条所述基片集成同轴线分别连接两个天线单元，所述基片集成同轴线的有限接地共面波导传输线通过盲孔与基片集成同轴线相连。
进一步的，所述天线单元从上而下依次包括上金属层、上介质基片、黏贴层介质、中间金属层、下介质基片、下金属层；在所述中间金属层上刻蚀出内导体信号线；所述谐振腔由贯穿上金属层、上介质基片、黏贴层介质、下介质基片以及下金属层的若干个阵列式排布的金属化通孔构成；所述盲孔贯穿内导体信号线、下介质基片以及下金属层。
进一步的，所述谐振腔的轮廓为八边形。
进一步的，天线单元中的所述辐射结构为带有辐射缝隙的菱形槽。
进一步的，所述有限接地共面波导传输线为在所述下金属层上刻蚀出的缝隙，所述缝隙为一端开口的半包围结构，其开口朝向所述谐振腔。
进一步的，所述两个子阵关于中心线对称分布，两个子阵的辐射结构相邻。
进一步的，每个子阵包含16个天线单元。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、整个圆极化自回溯天线阵主要由金属层和金属化通孔组成，整个结构可以用传统的PCB工艺实现；
2、该天线阵可以利用反射波的极化扭转从反射波里分离出回溯波，收发天线可以使用同一极化的天线，而传统的线极化自回溯天线是对天线单元实现极化扭转，那么整个系统就需要极化不同的收发天线，增加了系统的复杂度和成本。
3、该圆极化自回溯天线阵以非色散和封闭式的基片集成同轴线作为连接网络，比起基片集成波导这类色散结构，拓宽了回溯性能的带宽。另外，这类传输线具有损耗小、轮廓低、体积小、实现简单和易于集成的优点。
4、本发明中，入射信号以一定角度照射该自回溯天线阵列，该自回溯天线的每对天线单元同时具有收发的能力，根据波前反转的原理，回溯信号自动返回原入射方向。由于该自回溯天线阵有32个天线单元，可以保证在正负30度宽入射扫描角范围内不存在波束指向误差，而且有较好的目标选择性。
附图说明
图1为一种圆极化自回溯天线单元的上层金属结构示意图；
图2为天线单元的中间层金属结构示意图；
图3为天线单元的下层金属结构示意图；
图4为圆极化自回溯天线整体结构示意图；
图5为圆极化自回溯天线上层结构示意图；
图6为圆极化自回溯天线中间层结构示意图；
图7为圆极化自回溯天线下层结构示意图；
图8为金属化孔的剖视结构示意图；
图9为天线单元的仿真回波损耗|S11|；
图10为天线单元随频率变化下的轴比变化关系和增益变化关系仿真结果图；
图11a为天线单元的xoz垂直面的仿真增益方向图；
图11b为天线单元的yoz垂直面的仿真增益方向图；
图12为相邻两条连接线间的长度差的相位响应仿真结果，与等长度SIW传输线作对比；
图13为圆极化自回溯天线阵在25.45GHz处双站RCS仿真结果；
图14a为圆极化自回溯天线阵在25.15GHz处双站RCS仿真结果；
图14b为圆极化自回溯天线阵在25.75GHz处双站RCS仿真结果；
图15为圆极化自回溯天线阵在中心频率处双站RCS实际测试结果图；
图16a为圆极化自回溯天线阵在左边界频率处双站RCS实际测试结果图；
图16b为圆极化自回溯天线阵在右边界频率处双站RCS实际测试结果图；
图17为圆极化自回溯天线阵在回溯带宽内的归一化单站RCS实际测试结果，以相同尺寸金属面作为参考。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
本发明的无源圆极化自回溯天线阵是一种高选择性的跟踪定位天线，与传统的线极化回溯系统相比，利用了反射波的极化扭转特性，可以使回溯信号与反射信号分离。另外，圆极化自回溯天线可以很好的解决极化失配的问题，进一步提高信噪比。该回溯天线具有尺寸小，重量轻，易于设计和易于集成等优点。回溯信号与来波信号极化相同，所以收发天线的极化可以相同，降低了系统复杂度。它能够精准地定位到来波方向，可以用于卫星通信，车载雷达以及短距离能量传输等应用中。
如图所示，一种无源圆极化自回溯天线阵，包括两个子阵，每个子阵包含一维方向排布的偶数16个天线单元1，以及8条基片集成同轴线2。如图1、2、3、8所示，天线单元1从上而下依次包括上金属层21、上介质基片11a、黏贴层介质12、中间金属层22、下介质基片11b、下金属层23。若干以阵列式排布并贯穿上金属层21、上介质基片11a、黏贴层介质12、中间金属层22、下介质基片11b、下金属层23的通孔形成天线单元1的谐振腔4，本实施例中，谐振腔4的轮廓为八边形。
谐振腔4内设有辐射结构5，该辐射结构5具体为，在上金属层21上蚀刻带有辐射缝隙的菱形槽，如图1所示。谐振腔4的尺寸和辐射结构5的尺寸由天线工作频率决定。在菱形槽内设有用于调节天线单元的圆极化性能的通孔6，该通孔位于谐振腔4的右侧，并同样贯穿上金属层21、上介质基片11a、黏贴层介质12、中间金属层22、下介质基片11b、下金属层23。
如图3所示，在八边形谐振腔4的下方设有馈电端口，该馈电端口为在下金属层23上刻蚀出的缝隙作为有限接地共面波导传输线8，该缝隙为一端开口的半包围结构，其开口朝向谐振腔4内侧。馈电端口用于激励谐振腔，以激励天线的工作模式。
如图4、5、6、7所示，天线单元1间的传输网络为基片集成同轴线2，该基片集成同轴线2包括内导体信号线和外导体屏蔽层。在中间金属层22上刻蚀出的细长条形的内导体信号线，其外导体屏蔽层由分别设于内导体信号线上表面和下表面的上金属层21、下金属层23，以及排布在内导体信号线两侧并穿过金属层21、下金属层23的通孔阵列构成，该通孔阵列为沿内导体信号线均匀排列。每一条基片集成同轴线2均为“凵”形，其包括两个直角拐弯部分和三个直线段部分；任意两条基片集成同轴线2的电长度相差天线工作波长整数倍，实现在工作频率处的等相位延迟。
无源圆极化自回溯天线阵中，两个子阵关于中心线对称分布，上下两个一维方向子阵的辐射结构相邻，如图4所示。单个子阵中的16个天线单元紧凑排列，每条基片集成同轴线2分别连接两个天线单元1，基片集成同轴线2的有限接地共面波导传输线8通过盲孔3与基片集成同轴线2相连，单个子阵关于中心线左右对称。该盲孔3贯穿下介质基片11b并位于半包围的有限接地共面波导传输线8内，如图2所示，盲孔3连接中间金属层22和下金属层23；基片集成同轴线通过盲孔和有限接地共面波导转换，这种封闭结构可以有效抑制后向辐射。
本发明的天线单元为左旋圆极化，可同时接收与发射圆极化波，具体状态取决于激励方向，并利用圆极化反射波的极化扭转特性，分离了回溯波与反射波，在一维方向中心频率附近获得正负30度的扫描角范围。相邻的两条基片集成同轴线的长度之差保持相同，以此确保所有的基片集成同轴线的传输相位在中心频率处相等。当一个左旋圆极化波入射到该天线阵列时，由于表面金属层的反射效应，在反射方向产生了右旋圆极化反射波，具体为：一个天线单元接收了左旋圆极化波，并通过基片集成同轴线将信号传输给另一个左旋圆极化天线单元，并将信号辐射出去；每一条基片集成同轴线在中心频率处等相位，这样可以保证在辐射出去前处实现波前反转，使回溯信号沿着入射方向传播实现方向回溯功能。回溯信号为左旋圆极化，反射方向的反射信号为右旋圆极化，使用与发射极化相同的接收天线可提取回溯信号，无需对发射单元进行扭转和使用极化不同的接收天线。
改变左旋圆极化波入射角，并检测回溯方向的左旋圆极化信号，若RCS最大指向仍在回溯方向，则该角度仍然在扫描范围内，副瓣是限制扫描角范围的主要因素；基片集成同轴线的非色散特性在一定程度上拓宽了回溯带宽；大阵列形式下，该圆极化自回溯天线阵具有极好的选择性和高增益。现在的PCB工艺已十分成熟，在毫米波频段内，加工精度也有保证，同时加工的产品可以拥有低轮廓、小体积、高集成度的特性，有利于天线的大规模生产与应用。因此，使用PCB工艺的无源圆极化自回溯天线在低轮廓、高集成度以及降低成本上都有很现实的意义。
利用PCB工艺制作本发明无源圆极化自回溯天线阵，仿真了单元和传输线的特性，并在暗室中进行了回溯性能相关测试：图9、10、11分别为该阵列天线单元的仿真回波损耗|S11|、轴比和轴向增益随频率变化、两个正交面的方向图；图12为特定长度下基片集成同轴线相位特性仿真结果，该长度与相邻基片集成同轴线长度差相等，并把相同长度的SIW传输线作为对比；图13为在中心频率25.45GHz时的双站RCS仿真结果；图14为分别在25.15GHz和25.75GHz时的双站RCS仿真结果；图15为中心频率处双站RCS实际测试结果；图16为边界频率处双站RCS实际测试结果；图17为频带内各角度的单站RCS实际测试结果。测试表面，该圆极化自回溯天线阵可以覆盖正负30度的宽扫描角，并且具有600MHz的回溯带宽和极佳的选择特性，很好的满足了定位功能，同时该天线阵轮廓低、实现简单和易于集成。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种无源圆极化自回溯天线阵，其特征在于：包括两个子阵，每个子阵包含一维方向排布的偶数K个天线单元（1），以及K/2条基片集成同轴线（2）；每个所述天线单元（1）包括谐振腔（4）、有限接地共面波导传输线（8），所述谐振腔（4）内设有辐射结构（5）以及用于调节圆极化性能的通孔（6），所述通孔（6）位于谐振腔（4）的右侧；每条所述基片集成同轴线（2）包括内导体信号线和外导体屏蔽层；所述外导体屏蔽层由分别设于内导体信号线上表面和下表面的金属层，以及排布在内导体信号线两侧并穿过上表面和下表面金属层的通孔阵列构成；任意两条基片集成同轴线（2）的电长度相差天线工作波长整数倍，每一条基片集成同轴线（2）均为“凵”形；每条所述基片集成同轴线（2）分别连接两个天线单元（1），所述基片集成同轴线（2）的有限接地共面波导传输线（8）通过盲孔（3）与基片集成同轴线（2）相连；所述辐射结构（5）为带有辐射缝隙的菱形槽。
2.根据权利要求1所述的一种无源圆极化自回溯天线阵，其特征在于：所述天线单元（1）从上而下依次包括上金属层（21）、上介质基片（11a）、黏贴层介质（12）、中间金属层（22）、下介质基片（11b）、下金属层（23）；在所述中间金属层（22）上刻蚀出内导体信号线；所述谐振腔（4）由贯穿上金属层（21）、上介质基片（11a）、黏贴层介质（12）、中间金属层（22）、下介质基片（11b）以及下金属层（23）的若干个阵列式排布的金属化通孔构成；所述盲孔（3）贯穿内导体信号线、下介质基片（11b）以及下金属层（23）。
3.根据权利要求2所述的一种无源圆极化自回溯天线阵，其特征在于：所述谐振腔（4）的轮廓为八边形。
4.根据权利要求2或3所述的一种无源圆极化自回溯天线阵，其特征在于：所述有限接地共面波导传输线（8）为在所述下金属层（23）上刻蚀出的缝隙，所述缝隙为一端开口的半包围结构，其开口朝向所述谐振腔（4）。
5.根据权利要求1所述的一种无源圆极化自回溯天线阵，其特征在于：所述两个子阵关于中心线对称分布，两个子阵的辐射结构相邻。
6.根据权利要求5所述的一种无源圆极化自回溯天线阵，其特征在于：每个子阵包含16个天线单元（1）。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |