CN106299712A - 一种基片集成脊波导缝隙阵列宽带漏波天线 - Google Patents

一种基片集成脊波导缝隙阵列宽带漏波天线 Download PDF

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CN106299712A CN201610680007.1A CN201610680007A CN106299712A CN 106299712 A CN106299712 A CN 106299712A CN 201610680007 A CN201610680007 A CN 201610680007A CN 106299712 A CN106299712 A CN 106299712A
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Abstract

本发明公开了一种基片集成脊波导缝隙阵列宽带漏波天线，其关于H面成对称结构，包括基片集成波导和脊金属层，所述基片集成波导包括下金属层、下介质板、上介质板和上金属层；所述下金属层、下介质板、脊金属层、上介质板和上金属层依次重叠设置；所述脊金属层的两侧分别设置有一排侧过孔，所述侧过孔依次穿过下金属层、下介质板、上介质板和上金属层；所述脊金属层长度方向的中心线上还设置有一排中过孔，所述中过孔依次穿过下金属层、下介质板和脊金属层(3)；其在H面可实现28°至84°的频率扫描，阻抗带宽可达38％，同时具有高增益、低副瓣电平、易于加工集成等的突出优点。

Description

一种基片集成脊波导缝隙阵列宽带漏波天线
技术领域
本发明涉及天线领域，具体涉及一种基片集成脊波导缝隙阵列宽带漏波天线。
背景技术
天线作为辐射或接收无线电波的装置，是无线电通信系统的最基本组成部分之一。天线性能的好坏，直接制约着无线电通信系统的通信质量。波导缝隙天线，是由开在波导壁上的缝隙构成，为了增强波导缝隙天线的方向性，通常是在波导的同一侧壁上依据一定的规律开一条或多条尺寸相同或不同的缝隙，构成阵列。波导缝隙阵列天线具有窄主瓣波束，低副瓣电平，低交叉极化电平，容易实现高增益，因此是阵列天线研究中的热点。
传统的金属矩形波导制作的波导缝隙阵列天线，是依靠机械加工而成的。天线在较低的频段工作时，物理尺寸相对较大，因而机械加工能够提供足够高的加工精度。然而随着无线电频谱的利用向毫米波乃至更高频段扩展，由于波导缝隙天线对缝隙尺寸与位置的敏感性极高，因而传统的机械加工工艺的制造精度已经难以满足金属波导缝隙天线的精度要求。近年来，人们开始研究基于基片集成波导的各种无源天线，其中基于基片集成波导的缝隙阵列漏波天线的研究一直占有重要地位。基片集成波导缝隙阵列漏波天线集成了金属波导缝隙阵列漏波天线的窄波束、低副瓣、低交叉极化等优点，同时还具有更低的剖面，更容易的集成性和更低的成本等优点。然而波导缝隙阵列天线的一个固有属性为窄带特性。通常，其阻抗带宽不会超过10％，如何展宽基片集成波导的工作带宽，是亟待解决的问题。本专利要求天线实现一般漏波天线的固有特性——频扫特性，同时，既要继承基片集成波导缝隙阵列漏波天线的一系列优点，又要在此基础上展宽其工作频带。在尽量不折损其他性能的前提下将天线的工作频带展宽，这对天线的设计要求是很高的。
目前国内外文献中已报道的漏波天线可以归纳为三种，分别是微带漏波天线、矩波导缝隙漏波天线、基片集成波导缝隙漏波天线。主要应用于微波通信和雷达系统。Ying-Chou Shih(Ying-Chou shih,Shing-Kwang Chen,Cheng-Chi Hu and C.F Jou，“Activefeed back microstrip leaky wave antenna-synthesiser design with suppressedback lobe radiation”，Electronic Letters,vol.35,pp.513-514,April.1999)等提出了在微带漏波天线贴片宽边上加载微带天线阵，提高了微带漏波天线的辐射效率，减小了微带漏波天线由于末端开口不匹配引起的反射波瓣，所得副瓣电平为-13dB，天线主波束半功率宽度为20°，中心频率处增益为8dB；Juhua Liu(Juhua Liu,David R.Jackson andYunliang Long，“Substrate integrated waveguide leaky-wave antenna withtransverse slot，”in 2012IEEE Transactions on Antennas and Propagation,vol.60,pp.20-29)等提出一种基片集成波导中部开一系列横槽的SIW漏波天线，在中心频率处可获得最大增益17dB，天线主波束频扫范围为9°～35°，相对带宽为15％。这些漏波天线的共同特点是带宽很窄，天线主波束扫描范围较小，高增益与低副瓣电平不可同时兼得。目前已有的频扫漏波天线其工作带宽仅达到5％左右，还无法实现H面的3dB波束宽度等于或大于50°，且无法满足高增益，低副瓣，结构简单，易于集成等的要求。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题提供一种基片集成脊波导缝隙阵列宽带漏波天线，其在H面可实现28°至84°的频率扫描，阻抗带宽可达38％，同时具有高增益、低副瓣电平、易于加工集成等的突出优点。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基片集成脊波导缝隙阵列宽带漏波天线，其关于H面成对称结构，包括基片集成波导和脊金属层，所述基片集成波导包括下金属层、下介质板、上介质板和上金属层；
所述下金属层、下介质板、脊金属层、上介质板和上金属层依次重叠设置；
所述脊金属层的两侧分别设置有一排侧过孔，所述侧过孔依次穿过下金属层、下介质板、上介质板和上金属层；
所述脊金属层长度方向的中心线上还设置有一排中过孔，所述中过孔依次穿过下金属层、下介质板和脊金属层(3)。
本发明的漏波天线采用一个基片集成波导、一排中过孔和脊金属层的组合式漏波主体结构，中过孔构成金属脊柱，脊金属层为金属条带，其继承了基片集成波导缝隙阵列漏波天线传输损耗低、易于集成的优点，又具有加脊波导单模工作频带宽的固有属性，同时，引入的脊金属层进一步拓展了漏波天线的工作频带，使频率扫描角度范围进一步增大。采用该结构的天线，其在H面可实现28°至84°的频率扫描，阻抗带宽可达38％，同时具有高增益、低副瓣电平、易于加工集成等的突出优点。
作为优选，所述脊金属层成条带状，其宽度大于中过孔的直径，所述脊金属层的长度大于基片集成波导的长度。该天线的主体为基片集成脊波导，其脊柱和金属条带的长度略大于基片集成波导的长度，延伸入过渡段。
相邻两个中过孔的间距为0.03λ至0.05λ，λ为中心频率处电磁波在介质中的波长；
所述侧过孔的直径为0.017λ～0.027λ，每排相邻两个侧过孔的间距小于或等于侧过孔的直径；
所述侧过孔和中过孔的直径相等且中过孔的高度为侧过孔高度的一半。
中过孔的直径与侧过孔的直径相等，这样在机械加工过程中可避免更换刀具，进而避免引入尺寸误差，这在毫米波波段非常重要。
还包括漏波结构，所述漏波结构包括设置在上金属层上的一排横槽。
所述横槽的宽度相等、间隔相等。
所述横槽长度成周期性分布，且每一长度变化周期内横槽长度的最大值为0.2λ～0.25λ，长度的最小值为0.15λ～0.2λ。
本发明根据缝隙阵列天线的基本理论并且利用缝隙阵列口径综合分析方法，通过对一系列辐射横槽的长度的设计，使副瓣电平平均低于-25dB，最小可达-45dB，有效地抑制了旁瓣电平，从而提升了天线增益。槽长采用周期性的渐变结构，由中心处最大槽长向两边最小槽长渐变，在天线的两端，槽长渐变为零。通过对最大槽长、最小槽长、周期个数和渐变率等关键尺寸的设计，使得最终方向图达到超低副瓣，高增益，宽角度扫描的要求。同时，这种开槽的设计，复合缝隙阵列天线的基本理论，又避免了常规口径分布综合法，如泰勒综合法等的复杂运算，大大降低了设计难度。
还包括50Ω微带线、用于连接50Ω微带线和基片集成波导的过渡带，所述50Ω微带线的导带与上金属层共面。考虑到微带线加工经济并且精度较高，整个馈源系统的连接端设计为微带馈电，微带线端口的一端通过过渡带与基片集成波导端口相连，另一端与馈电端口和匹配负载相连。
所述过渡带包括渐变段和平直段，渐变段较宽的一端与上金属层相连，渐变段较窄的一端与平直段的一端相连；平直段的另一端与50Ω微带线相连，过渡带的地与下金属层相连。
所述过渡带的长度为1.0λ～1.5λ。
该天线采用多层PCB印制板工艺加工。
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、本发明实现了在H面可实现28°至84°的频率扫描，阻抗带宽可达38％，同时具有高增益、低副瓣电平、易于加工集成等的突出优点。
2、本发明采用基片集成波导为天线的主体结构，在基片集成波导结构中，设置一排周期性排列的金属脊柱结构，每个金属脊柱的顶端相当于开路，像一个短的偶极天线，使得整个脊上存在少量电流，因此脊柱的导体损耗很小。
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是本发明结构示意图。
图2是图1中A部的放大图。
图3是图1中B部的放大图。
图4是图1中C部的放大图。
图5是本发明的脊金属层的结构示意图。
图6是图1的背视图。
图7是图6中D部侧过孔的局部放大图。
图8是是图6中E部中过孔的局部放大图。
图9是本发明的截面图。
图10是本发明宽带漏波天线S11仿真结果图。
图11是本发明宽带漏波天线S21仿真结果图。
图12是本发明宽带漏波天线8.73GHz的方向图仿真结果。
图13是本发明宽带漏波天线9.05GHz的方向图仿真结果。
图14是本发明宽带漏波天线9.29GHz的方向图仿真结果。
图15是本发明宽带漏波天线9.55GHz的方向图仿真结果。
附图中标记及对应的零部件名称：
1、上金属层；2、上介质板；3、脊金属层；4、下介质板；5、下金属层；6、侧过孔；7、中过孔；8、横槽；12、50Ω微带线；13、过渡带。
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9所示一种基片集成脊波导缝隙阵列宽带漏波天线，其关于H面成对称结构，包括基片集成波导和脊金属层3，所述基片集成波导包括下金属层5、下介质板4、上介质板2和上金属层1；
本实施例的下金属层5、下介质板4、脊金属层3、上介质板2和上金属层1依次重叠设置；
本实施例的脊金属层3的两侧分别设置有一排侧过孔6，所述侧过孔6依次穿过下金属层5、下介质板4、上介质板2和上金属层1；
本实施例的脊金属层3长度方向的中心线上还设置有一排中过孔7，所述中过孔7依次穿过下金属层5、下介质板4和脊金属层3。
采用本实施例的天线结构，其采用基片集成波导为天线的主体结构，在基片集成波导结构中，设置一排周期性排列的金属脊柱结构，每个金属脊柱的顶端相当于开路，像一个短的偶极天线，使得整个脊上存在少量电流，因此脊柱的导体损耗很小。
实施例2
在实施例1的结构基础上，脊金属层3成条带状，其宽度大于中过孔7的直径，所述脊金属层3的长度大于基片集成波导的长度。
相邻两个中过孔7的间距为0.03λ至0.05λ，λ为中心频率波长；
本实施例的侧过孔6的直径为0.017λ～0.027λ，每排相邻两个侧过孔6的间距小于或等于侧过孔6的直径；
本实施例的侧过孔6和中过孔7的直径相等且中过孔7的高度为侧过孔6高度的一半。
金属脊柱上方脊金属层3的设计是为了在脊波导的基础上进一步拓展带宽。金属条带必须具有一定的横向宽度，才能进一步引入脊电容，从而拓展带宽；然而，较宽的金属条带在长度一定的情况下面积也较大，纵向金属条密集的电流分布会增大基片集成脊波导的导体损耗，因此金属条带的长度在满足过渡要求的条件下，宽度也要选取合适，通常介于2倍的中过孔直径和3倍的中过孔直径之间。
为了便于加工，侧过孔6和中过孔7的直径相等。基片集成脊波导的主模的截止频率与脊柱高度成反比，即金属脊柱越高，波导单模工作的频带越宽；然而，脊柱高度过高将会导致更多的介质损耗，这是因为电场被更多地集中在脊柱顶部与上金属基板之间，从而降低天线的辐射效率。因此综合考虑带宽与辐射效率，选择脊柱高度为波导高度的一半。脊柱间的距离Dvia'的变化对主模截止频率几乎没有影响，所以在开始选定Dvia'的值时，按照Dvia'＜4Rvia'来选取，最终取值依据仿真优化结果来定。
实施例3
在上述实施例的基础上还包括漏波结构，漏波结构包括设置在上金属层1上的一排横槽8。
横槽8的宽度相等、相邻两个横槽的间隔相等。
横槽8长度成周期性分布，且每一长度变化周期内横槽8长度的最大值为0.2λ～0.25λ，长度的最小值为0.15λ～0.2λ。
漏波天线结构中最重要的部分是具有一定长度的泄漏波导，本发明中即为上金属层1开一系列横槽的基片集成脊波导，在波的传播方向上波导泄漏模式的传播特性由相位常数β和泄漏常数α来确定。为了使电磁波更多地耦合到自由空间中去，长度非锥形渐变的横槽所占的辐射比例应为90％。长度非锥形渐变的横槽所对应的波导的长度应远远大于中心频率对应的波长来保证90％的泄漏比例，槽宽应远远小于槽长；槽间距通常采用1/10倍的波导波长以避免形成多波束。
实施例4
在上述实施例的基础上还包括50Ω微带线12、用于连接50Ω微带线12和基片集成波导的过渡带13，所述50Ω微带线12的导带与上金属层1共面。
本实施例的过渡带13包括渐变段和平直段，渐变段较宽的一端与上金属层1相连，渐变段较窄的一端与平直段的一端相连；平直段的另一端与50Ω微带线12相连，过渡带13的地与下金属层5相连。
本实施例的过渡带的长度为1.0λ～1.5λ。
渐变过渡将微带线中的准TEM模转换为能在波导中传输的TE10模，能在较宽的频带内保证微带线和基片集成波导之间的场匹配。微带线的特性阻抗为50Ω，该过渡带的渐变部分的纵向长度以及渐变的宽度值需要通过仿真优化来确定，以实现微带线与基片集成波导间的阻抗匹配；过渡带还包括一段宽度一致不变的平直段，位于馈电端和匹配负载端到渐变段之间，这一段微带线的作用是用于抑制由于SMA同轴接头的插入而引入的高次模，因此，其长度至少为1倍的中心频率对应的波长，同时为了避免微带线的辐射损耗，该长度选择在中心频率对应波长的1～1.5倍。
天线采用双层PCB印制板工艺加工而成，主要材料为聚四氟乙烯和黄铜，介质材料相对介电常数为2.2，工作于X波段，天线通过SMA同轴连接器将馈电波导和匹配负载与基片集成脊波导漏波结构相连。
实施例5
本实施例在上述实施例的基础上公开一组详细的实施方式。本实施例采用相对介电常数＝2.2，厚度为0.508mm的两层介质基板来设计天线。采用下述结构和参数：
为了测试加工的简单易行，将横槽和波导的金属脊柱分别设计在两层不同的介质基板上，后经压合可形成一体。
基片集成脊波导的长度L＝280mm，宽度W＝40mm，总厚度h＝1.016mm。两排侧过孔的距离，即基片集成波导的宽度，为中间一致，向天线两端逐渐增大。一致部分的宽度W2＝10.246mm，长度L2＝220mm；波导两端的宽度最宽，最宽宽度W1＝12.59mm，长度L1＝30mm，过渡采用均匀过渡方式。
上介质板、下介质板厚度均为0.508mm，相对介电常数为2.2，
侧过孔的半径Rvia＝0.25mm，每排相邻两个侧过孔的距离Dvia'＝1.3mm，每一排过孔均含有281个过孔。
中过孔即脊柱的半径Rvia'＝0.25mm，高度h'＝0.508mm，相邻两个中过孔间间距Dvia'＝1.3mm，共含有219个过孔。脊金属层的长度为284.436mm，宽度为1.2mm，厚度为0.035mm。
上金属层上共开有107根横槽(8)，槽宽相等，且均为0.45mm，槽间距p＝2.5mm。按照槽长的分布规律将这些槽分为12组。将这12组槽从馈电端向匹配负载端编号为1～12，其中第2～11组横槽的长度呈正弦分布，如图2第3至10组含有10根横槽，最长L5＝6.586mm,，最短L6＝4.609mm；如图3第2组和第11组含有7根横槽，最长L5＝6.586mm,，最短L6＝4.609mm；如图4第1组和第12组分别对称位于波导两端，含有9根横槽，长度由4.609mm均匀渐变为0。
50Ω微带线12端口到基片集成波导端口的过渡段为一段长为25.37mm的微带线，过渡带13分为渐变段和平直段，渐变段区域的长L3＝15.37mm，长宽边Wt＝4.582mm，短宽边W50＝3.058mm；平直段区域的长L4＝10.0mm。过渡带与波导连接处采用倒圆角相连，倒角半径R＝2mm，便于加工的同时也便于实现微带线与基片集成波导形成更加良好的过渡。
采用上述结构，其仿真结果如图10和图11所示，从此图可以看出，在8.75GHz-11.5GHz内，S11均小于-10dB，在8.6GHz-9.74GHz内，S21均小于-5dB，该漏波天线的阻抗带宽达到了2.75GHz，相对带宽为27.5％，同比普通基片集成波导缝隙阵列天线5％的阻抗带宽大大提高；不同频率下增益随方向角的变化如图10所示，最高增益可达13.9053dB，半功率波束可扫描近55°的范围，这得益于天线带宽的展宽。
均匀线阵通常可以产生较小的半功率束宽，同时具有较大的方向性。本发明的另一个重要目的是为了降低旁瓣电平，降低旁瓣电平意味着辐射效率和辐射增益的增加，从而提升天线的性能，而非均匀线阵则能够很好的抑制旁瓣电平，因此，本发明将横槽的长度设计为非均匀分布。横槽的最长长度和最短长度的选取是由前期一系列仿真工作来确定的，首先令所有非锥形渐变的横槽的长度一致，分别为4.55mm，6.0mm，7.0mm，8.0mm，9.0mm，可以得到五组关于方向性、增益、旁瓣电平随角度的变化曲线，比较曲线可以发现，当横槽长度l＝8.0mm和l＝9.0mm时具有很宽的主瓣波束，因而不能识别扫描角度；当l＝7.0mm时，相比较于l＝4.55mm和l＝6.0mm具有较高的旁瓣电平；与此同时，当l＝4.55mm和l＝6.0mm时也具有良好的方向性和较高且稳定的增益，因此选择4.55mm和6.0mm为横槽的最短和最长初始长度。为了尽量增大槽长分布的不一致性，尽可能多的增加由最长槽向最短槽均匀渐变的周期个数，但是重复周期过多将不会改善天线的性能，因此最终，在非锥形渐变槽的部分，我们确定为10个周期，中部八个周期包含10个横槽，两端两个周期包含7个横槽，长度均由最长向最短均匀渐变。横槽的长度在最后的优化过程中会发生轻微改变。
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 (10)

1.一种基片集成脊波导缝隙阵列宽带漏波天线，其关于H面成对称结构，其特征在于：包括基片集成波导和脊金属层(3)，所述基片集成波导包括下金属层(5)、下介质板(4)、上介质板(2)和上金属层(1)；
所述下金属层(5)、下介质板(4)、脊金属层(3)、上介质板(2)和上金属层(1)依次重叠设置；
所述脊金属层(3)的两侧分别设置有一排侧过孔(6)，所述侧过孔(6)依次穿过下金属层(5)、下介质板(4)、上介质板(2)和上金属层(1)；
所述脊金属层(3)长度方向的中心线上还设置有一排中过孔(7)，所述中过孔(7)依次穿过下金属层(5)、下介质板(4)和脊金属层(3) 。
2.根据权利要求1所述的一种基片集成脊波导缝隙阵列宽带漏波天线，其特征在于：所述脊金属层(3)成条带状，其宽度大于中过孔(7)的直径，所述脊金属层(3)的长度大于基片集成波导的长度。
3.根据权利要求1所述的一种基片集成脊波导缝隙阵列宽带漏波天线，其特征在于：相邻两个中过孔(7)的间距为0.03λ至0.05λ，λ为中心频率处电磁波在介质中的波长；
所述侧过孔(6)的直径为0.017λ～0.027λ，每排相邻两个侧过孔(6)的间距小于或等于侧过孔(6)的直径；
所述侧过孔(6)和中过孔(7)的直径相等且中过孔(7)的高度为侧过孔(6)高度的一半。
4.根据权利要求1所述的一种基片集成脊波导缝隙阵列宽带漏波天线，其特征在于：还包括漏波结构，所述漏波结构包括设置在上金属层(1)上的一排横槽(8)。
5.根据权利要求4所述的一种基片集成脊波导缝隙阵列宽带漏波天线，其 特征在于：所述横槽(8)的宽度相等、间隔相等。
6.根据权利要求5所述的一种基片集成脊波导缝隙阵列宽带漏波天线，其特征在于：所述横槽(8)长度成周期性分布，且每一长度变化周期内横槽(8)长度的最大值为0.2λ～0.25λ，长度的最小值为0.15λ～0.2λ。
7.根据权利要求1所述的一种基片集成脊波导缝隙阵列宽带漏波天线，其特征在于：还包括50Ω微带线(12)、用于连接50Ω微带线(12)和基片集成波导的过渡带(13)，所述50Ω微带线(12)的导带与上金属层(1)共面。
8.根据权利要求7所述的一种基片集成脊波导缝隙阵列宽带漏波天线，其特征在于：所述过渡带(13)包括渐变段和平直段，渐变段较宽的一端与上金属层(1)相连，渐变段较窄的一端与平直段的一端相连；平直段的另一端与50Ω微带线(12)相连，过渡带(13)的地与下金属层(5)相连。
9.根据权利要求1所述的一种基片集成脊波导缝隙阵列宽带漏波天线，其特征在于：所述过渡带的长度为1.0λ～1.5λ。
10.根据权利要求1所述的一种基片集成脊波导缝隙阵列宽带漏波天线，其特征在于：该天线采用多层PCB印制板工艺加工。
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