CN106299618A - 一种基片集成波导平面端射圆极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基片集成波导平面端射圆极化天线，包括介质基板、基片集成波导、偶极子阵和连接在介质基板上的馈电波导；基片集成波导包括两排金属化过孔，两排金属化过孔包括相互平行且一端连接在馈电波导上的平直段和沿平直段逐渐向两侧张开的开口段，基片集成波导包括两排金属化过孔；偶极子阵包括多个阵元，阵元与基片集成波导上下金属表面相连，各阵元与开口段口径的间距不同其对馈电网络的要求不高，增益高，端射波束方向与天线平面共面，结构简单且易集成。

Description

一种基片集成波导平面端射圆极化天线
技术领域
本发明涉及天线领域，具体涉及一种基片集成波导平面端射圆极化天线，既可以用于接收也可以用于发射无线电波。
背景技术
天线作为重要的收发器件，其性能的好坏对整个通信系统具有很大影响，而天线的辐射形式越来越成为无线通信系统选择天线类型时的一个重要的因素。在很多现代无线应用系统中，单纯线极化天线已很难满足需求，必须利用圆极化波才能进行正常工作。圆极化天线可接收任意极化的来波，且其辐射波也可由任意极化天线收到，所以圆极化天线可以使发射天线和接收天线之间的相对位置更加灵活可变，便于安装，故电子侦察和干扰中普遍采用圆极化天线。
平面端射天线具有良好的定向性和共形性，常用于现代通信和雷达系统中。端射天线的电磁波方向平行于阵列平面，能在不产生较大隆起轮廓的情况下，实现雷达特定方向目标的跟踪。
田辉(田辉，王杰，“八木微带圆极化天线的研究与设计”，现代防御技术，vol.38：98-102，December 2010)等人在对八木微带圆极化天线的研究中，参考微带贴片天线获得圆极化的工作原理，通过多点馈电实现了八木天线圆极化，能够提供一定的增益和带宽，但对馈电网络的要求很高。
Qiong Wang(Qiong Wang,Ronny Hahnel,Hui Zhang and Dirk Plettemeier,“On-body directional antenna design for in-body UWB wireless communication,”IEEE antennas and Propagation,vol.53,pp.1011-1016,August 2011)等人在2011年发表的文中，参考缝隙天线，研究了针对渐变槽线天线实现圆极化的方法，但辐射波束与天线平面不平行。
Wenhai Zhang(Wenhai Zhang,Wenjun Lu and Kamweng Tam,“Aplanar end-firecircularly polarized complementary antenna with beam in parallel with itsplane,”IEEE antennas and Propagation,vol.64,pp.1146-1152,January 2016)等人设计的平面端射圆极化天线，采用磁偶极子和电偶极子叠加实现圆极化，但是阻抗带宽只有1.9％，增益也不高。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题是提供一种基片集成波导平面端射圆极化天线，其对馈电网络的要求不高，增益高，端射波束方向与天线平面共面，结构简单且易集成。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基片集成波导平面端射圆极化天线，包括介质基板、基片集成波导、偶极子阵和连接在介质基板上的馈电波导；
所述基片集成波导包括两排金属化过孔，两排金属化过孔包括相互平行且一端连接在馈电波导上的平直段和沿平直段逐渐向两侧张开的开口段，基片集成波导包括两排金属化过孔，采用上述结构，即在H面构成类似于喇叭状天线；
所述偶极子阵包括多个连接在基片集成波导上下金属表面上的阵元，即阵元的振子分别连接在基片集成波导上金属表面上和下金属表面上，且阵元位于开口段之外，各阵元与开口段口径的间距不同。开口段口径指形成的基片集成波导喇叭口径。开口段口径的上下金属面边缘作为偶极子阵的反射器使其产生定向辐射。
常见的端射天线，其极化方式多为线极化。近年来，对端射天线的研究大多集中在对其增益和带宽的性能研究上，对实现端射天线圆极化辐射的研究很少。实现端射天线圆极化辐射，是端射天线研究领域的一个新挑战。结合圆极化天线和端射天线，实现端射圆极化天线，可以提高点对点远距离通信的质量，增加在通信系统的灵活性，也是本专利研究的主要内容。本方案基于SIW喇叭，研发了一款工作在Ka波段即中心频率为35GHz的平面端射圆极化天线，利用两排紧密排列的金属化过孔实现了馈电波导到开口段口径的渐变过渡，构成天线的窄壁，其中基片集成波导产生竖直极化波，由偶极子阵产生水平极化波，改变基片集成波导开口段口径到偶极子阵元的间距实现相位延迟，进而得到圆极化辐射，结构简单易加工且减少了电磁波的反射；并且端射波束方向平行于天线平面，H面喇叭状的设计可以提高天线的工作增益。通过调节金属化过孔的厚度，开口段口径宽度和基片集成波导轴向长度可调节天线的有效辐射。
作为优选，本发明天线结构沿附图1的YOZ面对称。所述阵元的振子长度为0.5λ-λ，宽度为0.1λ-0.3λ，其中，λ为中心频率处电磁波在介质中的波长。
作为优选，所述偶极子阵的相邻两个阵元的距离为0.5λ-0.6λ，与开口段口径的间距为0.2λ-0.5λ。
作为优选，为了改变电流对开口段口径面辐射的影响，所述基片集成波导上下金属表面对称设置有开缝，所述开缝设置在开口段口径处且位于相邻两个阵元的之间。
进一步的，所述开缝位于相邻两个阵元的中间。
进一步的，所述开缝的缝宽为0.03λ-0.05λ，缝长为0.2λ-0.5λ。开缝可改变电流对开口段口径面辐射的影响，减小阵元间的互耦，并改善阻抗匹配。
作为优选，为了减少传输损耗增加带宽，所述介质基板上连接有设置在馈电波导腔体内的渐变基板结构。
进一步的，渐变基板结构成梯形结构，以形成基片集成波导喇叭。
本发明与现有技术相比，至少具有如下的优点和有益效果：
1、本发明根据圆极化天线的基本原理，采用两个等幅正交线极化实现天线的圆极化辐射，具有较宽的工作频带和较高的工作增益，在实现圆极化辐射的同时也提高了端射天线的固有性能。
2、本发明的天线结构采用H面喇叭状基片集成波导与偶极子阵组合实现圆极化辐射，端射波束方向平行于天线平面。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明结构示意图。
图2本发明天线的俯视图。
图3本发明天线的侧视图。
图4本发明天线的|S11|仿真结果。
图5本发明天线在35GHz的YOZ面方向图仿真结果。
图6本发明天线在35GHz的XOY面方向图仿真结果。
图7本发明天线在35GHz三维方向图仿真结果。
图8本发明天线增益仿真结果。
图9本发明天线轴比仿真结果。
附图中标记及对应的零部件名称：
1、平直段，2、开口段，3、开缝，4、偶极子阵，5、渐变基板结构，6、介质基板，7、馈电波导。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1至图3所示的一种基片集成波导平面端射圆极化天线，包括介质基板6、基片集成波导、偶极子阵4和连接在介质基板6上的馈电波导7；
基片集成波导包括两排金属化过孔，两排金属化过孔包括相互平行且一端连接在馈电波导7上的平直段和沿平直段逐渐向两侧张开的开口段，两排金属化过孔构成SIW喇叭结构；
偶极子阵4包括的多个阵元，阵元位于开口段之外且与基片集成波导上下金属表面相连，各阵元与开口段口径的间距不同。如图1所示，阵元沿天线对称面依次排列。
实施例2
本实施例在上述实施例的基础上做了优化，即所述阵元的振子长度为0.5λ-λ，宽度为0.1λ-0.3λ，其中，λ为中心频率处电磁波在介质中的波长。
偶极子阵4的相邻两个阵元的距离为0.5λ-0.6λ，与开口段口径的间距为0.2λ-0.5λ。
基片集成波导上下金属表面对称设置有开缝3，所述开缝3设置在开口段口径处且位于相邻两个阵元的之间。优选的，开缝3位于相邻两个阵元的中间且开缝3的缝宽为0.03λ-0.05λ，缝长为0.2λ-0.5λ。
介质基板6上连接有设置在馈电波导7腔体内的梯形状渐变基板结构5。
实施例3
本发明端射圆极化天线适合工作于毫米波频段，下面以一具体实施例对本结构的天线优越性能进行说明。
介质基本采用相对介电常数为2.65的聚四氟乙烯F4B介质基板，厚度为3mm，介质基板表面镀铜，铜厚为0.017mm。天线的整体尺寸为宽30mm，长32mm。
金属化过孔半径为0.3mm，相邻两个金属化过孔之间的间距为1mm，两排金属化过孔的平直段之间的距离为w3＝5mm，平直段的长度为l4＝5mm。金属化过孔的厚度h决定H面喇叭E面的高度，金属化过孔的E面高度和开口段口径宽度w4决定天线的增益，天线的辐射效率由开口段轴向长度l5和开口段口径宽度w4决定。基于天线的有效辐射，开口段口径宽度和轴向长度分别为w4＝16mm，l5＝20mm。开口段口径的上下金属表面对称开缝3，改变电流影响口径面的辐射。
本发明采用波导馈电SIW，在SIW厚度一定的前提下，采用一级波导-SIW阶梯型波导渐变，波导尺寸为l1×w1×h1，倒角半径r＝2mm；二级波导-SIW阶梯型波导渐变尺寸为l2×w1×h2。增加介质基板到波导腔体的梯形状渐变基板结构5，以减少传输损耗增加带宽，梯形渐变介质基板的厚度为h，上下底边为w2及w1，梯形高度为l3。
结合图2、3，本发明平面端射圆极化天线一个实施例的具体尺寸如下表所示，单位：mm。
l1 l2 l3 l4 l5 l6 l7 w1 w2
8 6 4 5 20 1.7 5.3 7.112 0.5
w3 w4 w5 w6 w7 d d1 d2 d3
5 16 0.5 0.25 0.8 3.33 2.7 1.4 2.6
h h1 h2 q D r
3 3.556 3 1 0.6 2
其中，偶极子阵4的阵元间距为d，偶极子的振子与开口段口径面的距离依次为的d1、d2、d3，偶极子的振子长度为l7，振子宽度为w7；喇叭口径面的开缝3的缝宽为w6，缝长为l6。D为金属化过孔的直径，q为相邻两个金属化过孔之间的间距。
构造了上述Ka波段该天线样品，进行了仿真，验证了该设计的可行性，图4-图8是仿真结果。图4显示该天线测量的S11在32.6-38.9GHz均低于-10dB。图5显示该天线在35GHz的二维方向图的仿真结果图。图6是该天线在35GHz的三维方向图仿真结果图。图7显示该天线在频段内的增益大多在10dBi以上，最高增益可达11.7dBi。图8显示该天线在32.15-36.87GHz的轴比小于3dB。实验证明：该天线易于机械加工，能够满足通信系统中对天线高定向性、灵活性的应用要求。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基片集成波导平面端射圆极化天线，其特征在于：包括介质基板（6）、基片集成波导、偶极子阵（4）和连接在介质基板（6）上的馈电波导（7）；
所述基片集成波导包括两排金属化过孔，两排金属化过孔包括相互平行且一端连接在馈电波导（7）上的平直段和沿平直段逐渐向两侧张开的开口段；
所述偶极子阵（4）包括多个连接在基片集成波导上下金属表面上的阵元，所述阵元位于开口段之外，各阵元与开口段口径的间距不同。
2.根据权利要求1所述的一种基片集成波导平面端射圆极化天线，其特征在于：所述阵元的振子长度为0.5λ-λ，宽度为0.1λ-0.3λ，其中，λ为中心频率处电磁波在介质中的波长。
3.根据权利要求1所述的一种基片集成波导平面端射圆极化天线，其特征在于：所述偶极子阵（4）的相邻两个阵元的距离为0.5λ-0.6λ，与开口段口径的间距为0.2λ-0.5λ。
4.根据权利要求1所述的一种基片集成波导平面端射圆极化天线，其特征在于：所述基片集成波导上下金属表面对称设置有开缝（3），所述开缝（3）设置在开口段口径处且位于相邻两个阵元的之间。
5.根据权利要求4所述的一种基片集成波导平面端射圆极化天线，其特征在于：所述开缝（3）位于相邻两个阵元的中间。
6.根据权利要求4所述的一种基片集成波导平面端射圆极化天线，其特征在于：所述开缝（3）的缝宽为0.03λ-0.05λ，缝长为0.2λ-0.5λ。
7.根据权利要求1所述的一种基片集成波导平面端射圆极化天线，其特征在于：所述介质基板（6）上连接有设置在馈电波导（7）腔体内的渐变基板结构（5）。
8.根据权利要求7所述的一种基片集成波导平面端射圆极化天线，其特征在于：渐变基板结构（5）成梯形结构。
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