CN107146944A - 一种圆极化天线及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种圆极化天线及其制备方法，所述天线包括：馈电矩形波导(10)；圆极化辐射器(20)，与所述馈电矩形波导(10)相连接，所述圆极化辐射器(20)的前后两面上分别设置有线性渐变槽(201、202)，所述两个线性渐变槽(201、202)为中心对称的对跖槽。本发明实施例提出的圆极化天线及其制备方法，通过在圆极化辐射器的前后两面上分别设置线性渐变槽，使得本来完全封闭的喇叭结构变为半开放式结构，从而形成了更大的等效辐射面。同时该结构设计使得辐射口面的单一线极化波的极化方向产生偏转，并可分解为两个相位相差90°的正交极化分量；从而满足圆极化波的特性。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种圆极化天线及其制备方法。
背景技术
成像探测是一种典型的无线系统应用，随着无线收发设备的频率提高与性能提高，成像探测的精度及应用领域在不断发展。随着人类对探测目标更丰富频谱信息的感知需求越来越强烈，对毫米波甚至太赫兹频段成像探测设备的需求也愈发迫切。天线作为毫米波、太赫兹成像探测设备中的关键感知器件，对整体的探测性能起到至关重要的作用。尤其随着应用领域的拓展，人们不仅局限于对单一极化的物体信息感知；且随着系统高集成度、小型化等要求越来越苛刻，使得天线的形式限制条件增多。因此，一种具备圆极化特性、通用接口和一体化紧凑结构且便于阵列扩展的天线单元，是具有很高的实用价值的。
一般地，实现圆极化天线有两种手段，一是在线极化天线的基础上，例如喇叭天线，添加单独的圆极化器，使得线极化波转换为圆极化波，并进行辐射，得到圆极化辐射场；另一种手段是，采用可以直接产生圆极化场的结构形式，例如螺旋天线，并满足辐射条件，实现圆极化辐射场。然而，第一种手段会使得天线至少具有两种独立结构，第二种手段中的圆极化辐射结构通常较为复杂，对于小型化、紧凑性和集成度均带来挑战。
此外，很多圆极化天线为了提供圆极化馈电，会采用巴伦等复杂的馈电结构，无论在设计难度方面还是结构的复杂度方面都带来困扰。设计方面，幅度和相位的调整很难与天线辐射性能和阻抗匹配相统一；结构方面，又增加了一种独立结构，且通常不够稳定，影响系统的可靠性。
发明内容
本发明实施例提出了一种圆极化天线及其制备方法，旨在解决现有圆极化天线，设计结构复杂的问题。
为实现上述目的，本发明实施例提出了一种圆极化天线，所述天线包括：馈电矩形波导(10)；圆极化辐射器(20)，与所述馈电矩形波导(10)相连接，所述圆极化辐射器(20)的前后两面上分别设置有线性渐变槽(201、202)，所述两个线性渐变槽(201、202)为中心对称的对跖槽。
优选的，所述圆极化辐射器(20)的前后两面上分别设置有线性渐变槽(201、202)，所述两个线性渐变槽(201、202)为中心对称的对跖槽。
优选的，所述馈电矩形波导(10)与所述圆极化辐射器(20)直接连接，所述馈电矩形波导(10)的输出截面与所述圆极化辐射器(20)的初始截面相同。
优选的，所述馈电矩形波导(10)与所述圆极化辐射器(20)均为金属材料或硅材料溅射金属层形成。
优选的，所述线性渐变槽(201、202)的上开口宽度大于下开口宽度。
优选的，所述馈电矩形波导(10)的口面长度Wg为所述两个线性渐变槽(201、202)下开口的外边的平行线的距离。
优选的，所述馈电矩形波导(10)的宽度Lg为所述圆极化辐射器(20)的前后两面上两个线性渐变槽(201、202)的内边的平行距离。
优选的，所述线性渐变槽(201、202)的高度L等于所述圆极化辐射器的高度，所述线性渐变槽的高度用于控制天线口面的相位分布。
优选的，所述线性渐变槽(201、202)的宽度Wa为所述两个线性渐变槽(201、202)上开口外边的平行线的距离，所述线性渐变槽的宽度Wa用于控制天线的最大辐射口径。
优选的，所述线性渐变槽(201、202)的下开口的内边的平行距离Wc及上开口的内边的平行距离Wb决定了所述线性渐变槽的起点和终点，使波导输出的线极化电磁波产生两个相位相差90°的垂直分量。
本发明实施例还提出了一种圆极化天线的制备方法，所述方法包括如下步骤：在第一基片上刻蚀第一线性渐变槽；在第二基片上刻蚀第二线性渐变槽和馈电矩形波导槽；对所述刻蚀后的第一、第二基片进行金层溅射；将所述第一、第二基片通过金-金热压键合工艺合成整体，并经划片形成所述圆极化天线。
本发明实施例提出的圆极化天线及其制备方法，通过在圆极化辐射器的前后两面上分别设置线性渐变槽，使得本来完全封闭的喇叭结构变为半开放式结构，从而形成了更大的等效辐射面。同时该结构设计使得辐射口面的单一线极化波的极化方向产生偏转，并可分解为两个相位相差90°的正交极化分量；从而满足圆极化波的特性。
附图说明
附图，其被包括以提供本发明的进一步理解而且被并入并构成本说明书的一部分，所述附图示出本发明的实施例并且连同说明书用来解释本发明的原理，在附图中：
图1为本发明实施例的圆极化天线的结构示意图之一；
图2为本发明实施例圆极化天线的辐射口横截面示意图；
图3为本发明实施例的圆极化天线的结构示意图之二；
图4为本发明实施例的圆极化天线的结构示意图之三；
图5为本发明实施例的圆极化天线的结构示意图之四；
图6是本发明圆极化天线的中心频点圆极化轴比随角度变化曲线图；
图7是本发明圆极化天线的圆极化轴比-频率曲线图；
图8是本发明圆极化天线的S11-频率曲线图；
图9是本发明圆极化天线的中心频点圆极化辐射方向图；
图10是本发明圆极化天线的增益-频率曲线图；
图11为本发明实施例的圆极化天线的制备方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为本发明实施例的圆极化天线的结构示意图之一，图2为本发明实施例圆极化天线的辐射口横截面示意图，如图1、图2所示，本发明实施例的圆极化天线包括：馈电矩形波导(10)和圆极化辐射器(20)。
馈电矩形波导(10)和圆极化辐射器(20)均采用金属材料或硅材料溅射金属层实现。馈电矩形波导(10)和圆极化辐射器(20)之间不存在其他过渡结构，直接对接。在制备中，馈电矩形波导(10)和圆极化辐射器(20)一体化实现，不需要其他安装操作。馈电矩形波导(10)为标准矩形波导。
圆极化辐射器(20)的前后两面上分别设置有线性渐变槽(201、202)，两个线性渐变槽(201、202)为以O点为中心对称的对跖槽。所述线性渐变槽(201、202)的上开口宽度大于下开口宽度。
馈电矩形波导(10)的输出截面与圆极化辐射器(20)的初始截面相同。即圆极化辐射器(20)下端开口截面与所述馈电矩形波导(10)截面大小相同，且连接为一体。
图3为本发明实施例的圆极化天线的结构示意图之二，如图3所示，线性渐变槽202的形状和大小有边2021、2022和2023决定，线性渐变槽202为梯形，且上开口宽度大于下开口宽度。线性渐变槽201的形状和大小与线性渐变槽202相同，形成以O点为中心对称的对跖槽。
图4为本发明实施例的圆极化天线的结构示意图之三，图5为本发明实施例的圆极化天线的结构示意图之四，图4、图5给出了本发明的圆极化天线的主要的6个几何结构参数，如图4、图5所示，馈电矩形波导(10)的口面长度Wg为所述两个线性渐变槽(201、202)下开口的外边的平行线的距离。馈电矩形波导(10)的宽度Lg为所述圆极化辐射器(20)的前后两面上两个线性渐变槽(201、202)的内边的平行距离。所述线性渐变槽(201、202)的高度L等于所述圆极化辐射器的高度，所述线性渐变槽的高度L用于控制天线口面的相位分布。所述线性渐变槽(201、202)的宽度Wa为所述两个线性渐变槽(201、202)上开口外边最大横向距离，所述线性渐变槽的宽度Wa用于控制天线的最大辐射口径。所述线性渐变槽(201、202)的下开口的内边的平行距离Wc及上开口的内边的平行距离Wb决定了所述线性渐变槽的起点和终点，使波导输出的线极化电磁波产生两个垂直分量。
本发明中，由Wc和Wb控制的线性渐变槽，可以使得波导输出的线极化电磁波(TE10模)产生两个垂直分量，通过改变Wc和Wb的大小，可改变两个垂直分量的幅度和相位，使两者幅度趋向于相等，相位趋向于相差90°，形成圆极化辐射条件，实现圆极化辐射场。
本发明实施例的圆极化天线的各个几何结构参数可以根据实际的应用场景设计具体的数值，不限于本发明实施例中列举的具体数值范围。
本发明实施例提出的圆极化天线，通过在圆极化辐射器的前后两面上分别设置线性渐变槽，使得本来完全封闭的喇叭结构变为半开放式结构，在一定程度上摆脱现有H面扇形喇叭天线的喇叭腔的束缚，而形成了更大的等效辐射面。同时，通过该结构的设计，使得辐射口面的幅度相位以及极化分布也发生变化，辐射口面的单一线极化波的极化方向产生偏转，并可分解为两个正交极化分量；通过开槽大小的控制，可以将正交线极化分量的相位差调整至近似90°，从而使得本发明中天线的辐射场满足圆极化波的特性，实际是将辐射器与圆极化器用同样的结构一体化实现，并依然采用波导馈电，形成一种结构紧凑的圆极化天线，有效降低了圆极化天线的结构复杂度，同时有利于圆极化天线的小型化，且提高了圆极化天线的稳定性。
在本发明一个实施例中，在480GHz至500GHz之间进行设计。采用馈电矩形波导，各几何结构参数值分别为：L＝3mm，Wa＝3mm，Wb＝0.6mm，Wc＝0.2mm，Wg＝0.56mm，Lg＝0.28mm。
该发明的特点可由进一步仿真和制备测试说明：
利用仿真软件对该发明实例进行仿真，包括圆极化轴比、S11参数、辐射方向图和增益。其中，圆极化轴比即极化椭圆的长短轴之比，用来描述极化性能优劣，最佳为0dB；S11是散射参数的一种，用来描述端口反射特性，越小越好。
图6是本发明圆极化天线的中心频点圆极化轴比随角度变化曲线图；图6中给出了±30°内的轴比仿真结果，可见0°面在±5°内轴比小于3dB，90°面在±6°内轴比小于3dB。通过图6可以看出本发明实施例的圆极化天线在一定辐射角度范围内均体现了较好的圆极化特性。
图7是本发明圆极化天线的圆极化轴比-频率曲线图，图7中给出了480GHz至500GHz天线的天顶轴比仿真与测试结果。对天线的480GHz至500GHz间带内轴比特性进行了仿真，并在480GHz、490GHz和500GHz三个频点进行了天顶轴比的测试。在该频带内，轴比测试结果均小于2.2dB。
图8是本发明圆极化天线的S11-频率曲线图；图8给出了S11仿真与测试结果。可见，设计频带内的S11都在-15dB以下，达到了较好的阻抗匹配结果。仿真与测试结果吻合较好。
图9是本发明圆极化天线的中心频点圆极化辐射方向图，图9给出了490GHz归一化辐射方向图。可见，0°和90°两面的半功率波束宽度分别为35°和34°。在0°面和90°面上的副瓣电平均在-12dB以下。由工艺特点带来的结构不对称只造成了副瓣范围内的不对称性，对主瓣几乎没有影响。全模型仿真结果与测试结果吻合很好。
图10是本发明圆极化天线的增益-频率曲线图，图10给出了带内增益仿真结果，均大于12dBi。通过图10可以看出，本发明实施例的圆极化天线同时具有较高的圆极化辐射增益，使性能的表述更全面。
以上仿真与测试结果说明本发明的圆极化天线在采用一体化、高集成度结构的前提下具有优秀的圆极化辐射性能。
本发明实施例还提出了一种圆极化天线的制备方法，图11为本发明实施例的圆极化天线的制备方法的流程图，如图11所示，本发明实例的圆极化天线的制备方法具体包括如下步骤：
S1在第一基片上刻蚀第一线性渐变槽；
具体的，利用体硅工艺对本发明天线实例进行制备，在第一基片采用干法刻蚀工艺实现第一个渐变槽结构的刻蚀。
S2在第二基片上刻蚀第二线性渐变槽和馈电矩形波导槽；
具体的，采用相同工艺在第二基片上刻蚀第二线性渐变槽和馈电矩形波导槽，所述馈电矩形波导槽与所述第二线性渐变槽一体成型。
S3对所述刻蚀后的第一、第二基片进行金层溅射；
具体的，对两片加工后的硅片进行金层溅射，形成金属边界条件。
S4将所述第一、第二基片通过金-金热压键合工艺合成整体，并经划片形成所述圆极化天线。
具体的，可以利用金-金热压键合工艺，根据对位标记，将两层金属化硅片结合成整体；同时通过划片形成本发明的圆极化天线单元，并对划片截面进行金属化，在本发明一个实例中圆极化天线单元的划片尺寸为7mm×10mm×0.8mm。
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)
1.一种圆极化天线，所述天线为H面扇形喇叭天线，其特征在于，所述天线包括：
馈电矩形波导(10)；
圆极化辐射器(20)，与所述馈电矩形波导(10)相连接，所述圆极化辐射器(20)的前后两面上分别设置有线性渐变槽(201、202)，所述两个线性渐变槽(201、202)为中心对称的对跖槽。
2.如权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，所述馈电矩形波导(10)与所述圆极化辐射器(20)直接连接，所述馈电矩形波导(10)的输出截面与所述圆极化辐射器(20)的初始截面相同。
3.如权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，所述馈电矩形波导(10)与所述圆极化辐射器(20)均为金属材料或硅材料溅射金属层形成。
4.如权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，所述线性渐变槽(201、202)的上开口宽度大于下开口宽度。
5.如权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，所述馈电矩形波导(10)的口面长度Wg为所述两个线性渐变槽(201、202)下开口的外边的平行线的距离。
6.如权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，所述馈电矩形波导(10)的宽度Lg为所述圆极化辐射器(20)的前后两面上两个线性渐变槽(201、202)的内边的平行距离。
7.如权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，所述线性渐变槽(201、202)的高度L等于所述圆极化辐射器的高度，所述线性渐变槽的高度用于控制天线口面的相位分布。
8.如权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，所述线性渐变槽(201、202)的宽度Wa为所述两个线性渐变槽(201、202)上开口外边最大横向距离，所述线性渐变槽的宽度Wa用于控制天线的最大辐射口径。
9.如权利要求1所述的圆极化天线，其特征在于，所述线性渐变槽(201、202)的下开口的内边的平行距离Wc及上开口的内边的平行距离Wb决定了所述线性渐变槽的起点和终点，使波导输出的线极化电磁波产生两个相位相差90°的垂直分量。
10.如权利要求1-9所述的圆极化天线的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1在第一基片上刻蚀第一线性渐变槽；
S2在第二基片上刻蚀第二线性渐变槽和馈电矩形波导槽；
S3对所述刻蚀后的第一、第二基片进行金层溅射；
S4将所述第一、第二基片通过金-金热压键合工艺合成整体，并经划片形成所述圆极化天线。
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2017
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