CN106571532B - 一种具有圆极化波束扫描范围的基片集成波导漏波天线 - Google Patents

一种具有圆极化波束扫描范围的基片集成波导漏波天线 Download PDF

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Abstract

一种具有圆极化波束扫描范围的基片集成波导漏波天线，属于微波天线工程领域，本发明解决了传统圆极化漏波天线圆极化波束扫描范围小的问题。本发明为三层结构，顶部和底部为金属层，中间为介质基材层，顶部金属层与底部金属层通过两排金属化过孔电气相连，顶部金属层通过蚀刻形成了微带与基片集成波导转换器以及N个天线单元，每个天线单元包括一条纵向的缝隙与一对横向的缝隙，纵向缝隙与横向缝隙对提分别提供并联容性与串联感性加载，可以抑制漏波天线的阻带，实现波束的后向、侧向以及前向的连续扫描，纵向缝隙与横向缝隙还分别提供独立可控的横向极化以及纵向极化辐射，从而实现圆极化波束扫描范围。

Description

一种具有圆极化波束扫描范围的基片集成波导漏波天线
技术领域
本发明属于微波天线工程技术领域。可以广泛应用到现代无线移动通信、卫星通信动中通及各种雷达系统中。
背景技术
漏波天线是一类行波天线，通过在传输线上引入辐射元素激发特定的快波模式实现辐射。漏波天线具有波束随频率变化的独特性质，相比于能够实现类似功能的阵列天线，具有定向性高、馈电结构简单等优良特性，因此自上个世纪40年代由W.W.Hansen提出以来，漏波天线一直是天线领域研究的热点。最初的漏波天线是由开缝矩形波导构成的，近年来，随着基片集成波导技术的快速发展，基于基片集成波导技术的漏波天线进入了人们的视野。利用基片集成波导本身所独具的低剖面、低损耗、低成本等优势，基于基片集成波导技术的漏波天线性能优良、加工简单易于集成，具有广阔的发展前景。
传统的漏波天线通过连续引入辐射结构(如在波导中引入长纵缝、高次模微带线的边缘等)通常能够实现波束的前向扫描。在传输线上引入连续的周期性的辐射元素，能够激励-1阶模式的电磁波，该种模式能够同时实现波束的前向与负向扫描。然而，通常情况下，由于加载了辐射元素，传输线的特性阻抗不能够与端口实现匹配，这种不匹配将在漏波天线前向与后向扫描频带的交界处形成阻带(学术界被称为开阻带)，从而抑制了天线的侧向辐射，使得漏波天线难以实现波束的前后向连续扫描。目前已有一些抑制开阻带的方法，其中较为实用的是同时在传输线上引入等效的感性串联和容性并联元素加载。
具有波束先后向连续扫描的漏波天线大多辐射线极化波。同时实现具开阻带抑制与圆极化辐射的漏波天线较难实现。文献[S.Otto,C.Zhichao,A.Al-Bassam,A.Rennings,K.Solbach,and C.Caloz,"Circular Polarization of Periodic Leaky-Wave AntennasWith Axial Asymmetry:Theoretical Proof and Experimental Demonstration,"IEEETrans.Antennas Propag.,vol.62,no.4,pp.1817-1829,2014.]利用微带线的横向和纵向边缘实现了相互正交的串联辐射和并联辐射，通过参数优化实现了圆极化波束的前后向连续扫描。然而，该种天线圆极化波束扫描范围仅为±15°内。
发明内容
本发明目的为提出一种新型的基于基片集成波导技术的漏波天线，该天线的开阻带可以被很好的抑制，能够实现波束的前后向连续扫描，同时，该天线辐射波束极化方式为圆极化。本发明所提出的天线，结构简单，优化方便，能够很容易地实现圆极化波束扫描范围。
本发明所述一种具有圆极化波束扫描范围的基片集成波导漏波天线，它包括顶部金属层、介质基材层、底部金属层和双排金属化过孔；
顶部金属层和底部金属层在介质基材层的上下两侧，三者通过热压方法紧密结合为一体；
介质基材层2材质为典型微波板，介电常数在2到10之间，损耗角正切小于0.01；
双排金属化过孔贯通介质基材层，并利用电镀的方式金属化，使顶部金属层和底部金属层电气相连，同一排中相邻的金属化过孔孔心间距小于λg/6，孔半径小于λg/6，其中λg为波导波长；
顶部金属层通过蚀刻的方法实现应有构形，包括中部加载缝隙的金属带和两端的微带与基片集成波导转换器；
顶部金属层中部加载缝隙的金属带由N个单元构成，每个单元包括一个纵向加载的缝隙和一对横向缝隙,纵向缝隙长度大于λg/4，小于λg/2，提供并联容性加载，横向缝隙对长度小于λg/4，提供感性的串联加载，当纵向缝隙与横向辐射对排布及尺寸适宜，天线的开阻带能够被有效抑制，天线能够实现波束的前后向连续扫描；
顶部金属层中部加载缝隙的单元中，横向缝隙对还提供纵向极化的电磁辐射，而纵向缝隙还提供横向极化的电磁辐射，横向缝隙对与纵向缝隙的辐射彼此独立，使得串联辐射与并联辐射的调节彼此独立，便于优化；
顶部金属层中部加载缝隙的单元中，纵向缝隙与横向缝隙对关于基片集成波导纵轴方向呈现非对称性，关于单元横轴呈现对称性，整体呈现“π”形排布，这种横向对称与纵轴方向不对称能够实现串联辐射与并联辐射在较宽带宽下呈现90°的相位差；
顶部金属层中部加载缝隙的单元中，横向缝隙对与纵向缝隙的长度应确保串联辐射与并联辐射强度相等，以实现漏波天线的圆极化辐射；
顶部金属层中部加载缝隙的单元中，在纵向缝隙处的电磁波边传输边辐射，使得纵向缝隙的辐射最大方向指向前向，且随频率变化，为使天线具有较好的圆极化辐射特性，应调节横向缝隙对中两条横向缝隙的间距，使得横向缝隙对的最大辐射方向与纵向缝隙最大辐射方向保持一致，从而使串联辐射与并联辐射的方向图具有良好的一致性；
顶部金属层两端的未带与基片集成波导转换器外形应为梯形，靠近终端的宽度等于微带线的宽度，与基片集成波导相连的一端宽度应保证基片集成波导与微带线之间的阻抗匹配；
工作时，天线一端口与馈线相连，另一端口接一终端匹配负载；
天线辐射的圆极化波束的旋向与馈电端口有关，当纵向缝位于电磁波传输方向的左侧时，天线辐射波束为右旋圆极化，当纵向缝隙位于电磁波传输方向的右侧时，天线辐射波束为左旋圆极化。
优选的：所述的介质基材层材质为微波板，介电常数εr在2到10之间，损耗角正切tanδ<0.01，厚度在0.245mm与1.524mm之间。
优选的：所述的顶部金属层及底部金属层厚度小于0.05mm。
本发明的优点：本发明设计了一种基于基片集成波导技术的圆极化漏波天线，该天线通过引入横向缝隙对与纵向缝隙实现串联感性加载与并联容性加载，并实现天线开阻带的抑制，实现天线波束的前后向连续扫描，同时横向缝隙对与纵向缝隙还能够分别辐射极化方向垂直且具有90°相位差的线极化辐射，从而实现圆极化辐射，通过调节横向缝隙之间的间距，能够有效对天线的圆极化辐射特性进行优化，获得圆极化波束扫描范围。本发明所提出的漏波天线相比于具有类似功能的天线结构简单、设计优化容易、圆极化波束扫描范围大等优势。
作为一个特例，本发明中给出了一个N＝10的以12.3GHz为侧向辐射频率的圆极化基片集成波导漏波天线。通过优化设计，天线在10-14.5GHz的频率范围内，回波损耗均大于10dB，在天线波束负向扫描频带及侧向辐射频点，回波损耗大于15dB，开阻带被有效抑制。在该频带，天线主波束可在-40°-22°的范围内实现圆极化波束辐射，主辐射方向上轴比低于3dB。天线增益由5dB变化至12dB，如所需应用场景需要更高的负向扫描增益，则可增多天线单元或加入功率回收网络。相比于实现同类功能的漏波天线，本发明所提出的漏波天线圆极化波束扫描范围较大，端口匹配良好，回波损耗大。
附图说明
图1是漏波天线后向、侧向以及前向波束扫描辐射示意图；
图2是本发明所述基于基片集成波导技术的圆极化漏波天线的分层结构示意图；
图3是天线的顶部金属层结构示意图；A处表示微带线与基片集成波导转换器，B处表示天线单元。天线由两端微带线馈电，左侧馈电时，右侧接匹配负载，反之，右侧馈电时，左侧接匹配负载。每个单元内有一条纵向缝隙1-1和横向缝隙对1-2，纵向缝隙1-1提供横向极化辐射分量，两条横向缝隙1-2提供纵向极化辐射分量。
图4是天线天线顶部金属层结构细节示意图；
图5是天线的横向剖视图；
图6是工作于10GHz至14.5GHz的天线顶部金属层尺寸示意图；
图7是工作于10GHz至14.5GHz的天线横截面尺寸示意图
图8是天线的S参数；
图9是天线单元在12.3GHz频率处横向极化辐射分量、纵向极化辐射分量方向图及轴比；
图10是天线主瓣方向、轴比以及增益随频率变化曲线。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图2至图5说明本实施方式。由图2，本实施方式所述圆极化基片集成波导漏波天线，其主体结构可分为三层——顶部金属层1、介质基材层2、底部金属层3和双排金属化过孔4；
顶部金属层1和底部金属层3在介质基材层2的上下两侧，三者通过热压方法紧密结合为一体；
介质基材层2材质为典型微波板，介电常数εr在2到10之间，损耗角正切tanδ<0.01；
双排金属化过孔4贯通介质基材2，并利用电镀的方式金属化，使顶部金属层1和底部金属层3电气相连，同一排中相邻的金属化过孔间距pv小于λg/6，孔直径小于λg/6，其中λg为波导波长。
由图3、图4和图5，顶部金属层1通过蚀刻的方法实现应有构形，包括中部加载缝隙的金属带和两端的微带与基片集成波导转换器A；
顶部金属层1中部加载缝隙的金属带由N个单元B构成，每个单元包括一个纵向加载的缝隙1-1和一对横向缝隙1-2，纵向缝隙1-1长度L大于λg/4，小于λg/2，提供并联容性加载，横向缝隙对1-2长度T小于λg/4，提供感性的串联加载，当纵向缝隙1-1与横向缝隙对1-2排布及尺寸适宜，天线的开阻带能够被有效抑制，天线能够实现波束的前后向连续扫描；
顶部金属层1中部加载缝隙的单元B中，横向缝隙对1-2还提供纵向极化的电磁辐射，而纵向缝隙1-1还提供横向极化的电磁辐射，横向缝隙对1-2与纵向缝隙1-1的辐射彼此独立，使得串联辐射与并联辐射的调节彼此独立，便于优化；
顶部金属层1中部加载缝隙的单元B中，纵向缝隙1-1与横向缝隙对1-2关于基片集成波导纵轴方向呈现非对称性，关于单元横轴呈现对称性，整体呈现“π”形排布，这种横向对称与纵轴方向不对称能够实现串联辐射与并联辐射在较宽带宽下呈现90°的相位差；
顶部金属层1中部加载缝隙的单元B中，横向缝隙对1-2与纵向缝隙1-1的长度T和L应确保串联辐射与并联辐射强度相等，以实现漏波天线的圆极化辐射；
顶部金属层1中部加载缝隙的单元B中，在纵向缝隙1-1处的电磁波边传输边辐射，使得纵向缝隙1-1的辐射最大方向指向前向，且随频率变化，为使天线具有较好的圆极化辐射特性，应调节横向缝隙对1-2中两条横向缝隙的间距dy，使得横向缝隙对1-2的最大辐射方向与纵向缝隙最大辐射方向保持一致，从而使串联辐射与并联辐射的方向图具有良好的一致性；
顶部金属层1两端的微带与基片集成波导转换器A外形应为梯形，靠近终端的宽度wf等于微带线的宽度，与基片集成波导相连的一端宽度wt应保证基片集成波导与微带线之间的阻抗匹配；
工作时，天线一端口与馈线相连，另一端口接一终端匹配负载；
天线辐射的圆极化波束的旋向与馈电端口有关，当纵向缝隙1-1位于电磁波传输方向的左侧时，天线辐射波束为右旋圆极化，当纵向缝隙1-1位于电磁波传输方向的右侧时，天线辐射波束为左旋圆极化。
具体实施方式二：下面结合图6至图9说明本实施方式，本实施方式结合具体实施例对实施方式一的天线结构作进一步说明。
作为一个特例，图6和图7给出了一个工作于10GHz至14.5GHz的圆极化基片集成波导漏波天线的具体设计参数。由图6，天线顶层介质板选用微波基板，相对介电常数εr＝3.66，损耗角正切tanδ＝0.004，厚度为ts＝0.762mm，金属层厚度tm＝0.035mm。天线由N＝10个周期性缝隙单元组成，单元间距p＝14mm，纵向缝隙1-1长度L＝7mm，横向缝隙对1-2长度T＝5.4mm，纵向缝隙1-1和横向缝隙对1-2的宽度均为ws＝0.4mm，横向缝隙对1-2中的缝隙间距dy＝2.4mm，纵向缝隙1-1与基片集成波导轴距离a＝3mm，横向缝隙对1-2与纵向缝隙1-1之间距离dx＝1.5mm，基片集成波导的金属化过孔直径dv＝0.6mm，过孔间距pv＝0.6mm，微带与基片集成波导转换器A的尺寸为wf＝1.57mm，wt＝3.5mm，lt＝1.5mm。
工作时，电磁波经由一个馈电端口馈入，另一个端口接匹配负载。得到的天线S参数如图8所示。由图8可以看到在10GHz至14.5GHz的带宽范围内，天线S11均一直低于-10dB，特别是在12.3GHz，开阻带被明显抑制，S11幅值低于-15dB，S21由-3dB逐渐降低，为了减小天线尺寸，这里给出的特例只有10个单元，通过增大单元数量N可以很方便地使S21进一步降低。由图9，天线单元B横的横向极化辐射分量、纵向极化辐射分量最大值所在方向几乎相同，二者辐射方向图在较大的角度范围内差值小于3dB，天线单元的轴比在-50°至60°的范围内均小于3dB，使得天线可以在很大的角度范围内都有良好的圆极化辐射特性。天线远场方向图主瓣方向、轴比以及增益随频率的变化如图10所示。由图10，天线在10GHz到14.5GHz的范围内，主瓣方向由-40°向前向扫描至22°，实现了后向、侧向以及前向的连续扫描；在此频段内，天线增益由5dB增加至12dB，低频段的增益可通过增大单元数目N实现；在10GHz至14.5GHz范围内，天线轴比均低于3dB，实现了良好的圆极化辐射。与以往实现类似功能的天线相比，该天线回波损耗大、圆极化波束扫描范围大。

Claims (3)

1.一种具有圆极化波束扫描范围的基片集成波导漏波天线，其特征在于，它包括顶部金属层(1)、介质基材层(2)、底部金属层(3)和双排金属化过孔(4)；
顶部金属层(1)和底部金属层(3)在介质基材层(2)的上下两侧，三者通过热压方法紧密结合为一体；
双排金属化过孔(4)贯通介质基材层(2)，并利用电镀的方式金属化，使顶部金属层(1)和底部金属层(3)电气相连，同一排中相邻的金属化过孔间距pv小于λg/6，孔直径小于λg/6，其中λg为波导波长；
顶部金属层(1)通过蚀刻的方法实现构形，该构形包括中部加载缝隙的金属带和两端的微带与基片集成波导转换器A；
顶部金属层(1)中部加载缝隙的金属带由10个单元B构成，每个单元包括一个纵向缝隙(1-1)和一对横向缝隙(1-2)，纵向缝隙(1-1)的长度L＝7mm和横向缝隙对(1-2)的长度T＝5.4mm，横向缝隙对(1-2)与纵向缝隙(1-1)之间距离dx＝1.5mm，天线的开阻带被有效抑制，天线实现波束的前后向连续扫描；
顶部金属层(1)中部加载缝隙的单元B中，横向缝隙对(1-2)还提供纵向极化的电磁辐射，而纵向缝隙(1-1)还提供横向极化的电磁辐射，横向缝隙对(1-2)与纵向缝隙(1-1)的辐射彼此独立，使得串联辐射与并联辐射的调节彼此独立，便于优化；
纵向缝隙(1-1)与横向缝隙对(1-2)关于基片集成波导纵轴方向呈现非对称性，关于单元横轴呈现对称性，整体呈现“π”形排布，这种横向对称与纵轴方向不对称实现串联辐射与并联辐射在10GHz至14.5GHz的带宽下呈现90°的相位差；
横向缝隙对(1-2)与纵向缝隙(1-1)的长度T＝5.4mm和L＝7mm，串联辐射与并联辐射强度相等，实现漏波天线的圆极化辐射；
在纵向缝隙(1-1)处的电磁波边传输边辐射，使得纵向缝隙(1-1)的辐射最大方向指向前向，且随频率变化；横向缝隙对(1-2)中两条横向缝隙的间距dy可调，使横向缝隙对(1-2)的最大辐射方向与纵向缝隙最大辐射方向保持一致，串联辐射与并联辐射的方向图具有良好的一致性；
顶部金属层(1)两端的微带与基片集成波导转换器A外形为梯形，靠近终端的宽度wf等于微带线的宽度，与基片集成波导相连的一端宽度wt保证基片集成波导与微带线之间的阻抗匹配，所述的wf＝1.57mm，wt＝3.5mm；
工作时，天线一端口与馈线相连，另一端口接一终端匹配负载；
天线辐射的圆极化波束的旋向与馈电端口有关，当纵向缝隙(1-1)位于电磁波传输方向的左侧时，天线辐射波束为右旋圆极化，当纵向缝隙(1-1)位于电磁波传输方向的右侧时，天线辐射波束为左旋圆极化。
2.根据权利要求1所述具有圆极化波束扫描范围的基片集成波导漏波天线，其介质基材层(2)材质为微波板，介电常数εr在2到10之间，损耗角正切tanδ<0.01，厚度在0.245mm与1.524mm之间。
3.根据权利要求1所述具有圆极化波束扫描范围的基片集成波导漏波天线，其特征在于，顶部金属层(1)及底部金属层(3)厚度小于0.05mm。
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