CN107359403B - 一种低剖面方向图可重构基片集成波导喇叭天线 - Google Patents

一种低剖面方向图可重构基片集成波导喇叭天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低剖面方向图可重构的基片集成波导H型喇叭天线，主要包括三个部分：电可调馈电网络、辐射单元和直流偏置电路。本发明的方向图可重构的基片集成波导喇叭天线可以实现主波束方向在水平面0°、90°、180°和270°扫描，具有低剖面、宽带、结构简单，操作方便等特点。

Description

一种低剖面方向图可重构基片集成波导喇叭天线
技术领域
本发明涉及一种应用前景广泛的方向图可重构的基片集成波导天线，属于天线技术领域。
背景技术
天线是无线通信系统的重要组成部分。无线通信的快速发展，对低剖面、宽频带、以及易集成的天线产生迫切需求。基片集成波导由于其具有低剖面、高功率、低损耗以及可以高集成度等诸多优点，使得基于基片集成波导天线的研究已经成为当下的热点，尤其是毫米波频段的SIW天线。目前基于基片集成波导的可重构天线研究最多的是频率可重构天线，对方向图可重构天线，尤其是高频段、的方向图天线研究尤其少。一方面是因为基于SIW的电可调的馈电网络要在高频段内实现低损耗、高隔离度的目标较为困难，另一方面是很难在SIW辐射单元上加射频开关调节波束方向的方法很难实现宽带化。但是随着现在制作工艺的进步，高频PIN二极管以及MEMS的损耗可以做到非常低，使得在SIW加载射频开关成为可能。本文通过在馈电网络上加载PIN二极管可以有效解决在SIW辐射单元上加载开关实现波束调节难的问题，具有宽频带、低剖面等优点。
发明内容
发明目的：为了实现天线在水平面上0°-360°的扫描，需要设计可切换的馈电网络，并使用具有端射方向图的天线作为辐射单元。本发明采用在中心同轴馈电的四端口馈电网络的入口处插入由一排金属柱和PIN二极管构成的单刀单掷开关，来实现馈电网络的电可调，在四个馈电网络的终端连接具有端射方向图的H型喇叭天线，既能实现0°-360°度主波束方向扫描功能，还具有低剖面、宽频带以及结构简单易集成等优点。
技术方案：一种低剖面方向图可重构基片集成波导喇叭天线，包括由四个单刀单掷开关构成的四端口馈电网络、H型SIW喇叭辐射单元以及控制PIN二极管通断的直流偏置电路。
利用四个单刀单掷开关构成馈电网络的主体，控制馈电网络的四个端口入口处的单刀单掷开关可以实现主波束在0°-360°范围内的扫描，例如，关闭端口2、3和4的单刀单掷开关，打开端口1的单刀单掷开关，电磁波就沿端口1传送到终端H型喇叭辐射单元，此时辐射方向图在水平面的主波束方向与端口1平行，设为0°度。按照相同的操作，依次打开端口2、3和4的单刀单掷开关，主波束方向分别指向90°、180°和270°。
电可调的四端口SIW馈电网络包括四条呈十字型对称分布的基片集成波导、四个插入在四条基片集成波导入口处的单刀单掷开关以及位于馈电网络中心处的同轴激励探针。四条呈十字型分布的基片集成波导端口包括介质层和镀在介质层上下表面的金属层以及位于金属层两边的两排金属通孔。
单刀单掷开关包括三个与上下金属面不相连的金属柱、位于金属柱底面和顶面的正方形焊盘、为了隔离金属柱和SIW上下金属面的矩形缝隙、以及焊接在三个金属柱与上下金属面的24个PIN二极管。
H型的SIW喇叭天线辐射单元包括H型的喇叭天线、延伸的介质层和位于喇叭天线前端的对称分布在介质层上下面的三排金属块。H型喇叭天线包括介质层、上下金属层以及呈八字排列的两排金属通孔。
每个端口处的单刀单掷开关上的三个PIN二极管受同一个直流偏置电路控制，四个端口的偏置电路结构完全相同，只是控制电压不同。每个端口的直流偏置电路包括连接直流电源正极的插孔，大焊盘，连接插孔和大焊盘的细金属线，三个连接大焊盘和三个矩形焊盘的高频电感，以及三个并联的矩形焊盘构成。每个端口上下底面的三个PIN二极管的正极连接三个金属柱上的正方形焊盘，负极与SIW的上下金属面相连。从每个SIW端口上表面的三个正方形的焊盘上飞三根连接线连接到三个并联的矩形焊盘上，这样直流控制电压的正极通过细金属线、大焊盘、高频电感、三个矩形焊盘、三根连接线、SIW上表面的三个正方形焊盘连接PIN二极管的正极。再从SIW金属面上引出一根数据线接直流电源的负极，这样PIN二极管的负极就与直流电源负极相连，构成了完整的直流偏转电路。
有益效果：与现有方向图可充构的SIW天线相比，本发明具有如下优点：
1)该天线针对SIW结构，特别设计了适合的单刀单掷开关，该开关主体部分的金属柱插入在介质基板中，和SIW共面，具有低剖面和易集成的优点，将此开关插入在四端口馈电网络的合适位置，可以实现四端口任意切换，且插入损耗低，各个端口隔离度高。
2)该天线的辐射单元采用低剖面的H型喇叭天线，在实现端射功能的同时，保障了馈电网络的低剖面的优点。
3)该天线具有较宽的驻波带宽，满足宽带化的需求。
4)该天线的尺寸相对较小、重量轻且结构简单。
5)该天线的偏转电路简单，易于操作。
附图说明
图1为本发明馈电网络部分的俯视图；
图2为本发明的辐射单元的俯视图；
图3为本发明天线的侧视图；
图4为本发明端口1导通时回波损耗随频率变化的示意图；
图5为本发明端口1导通时，在不同工作频率下xoy面的仿真方向图；
图6为本发明端口2导通时，在不同工作频率下xoy面的仿真方向图；
图7为本发明端口3导通时，在不同工作频率下xoy面的仿真方向图；
图8为本发明端口4导通时，在不同工作频率下xoy面的仿真方向图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
此低剖面方向图可重构基片集成波导喇叭天线包括由四个单刀单掷开关构成的四端口馈电网络、H型SIW喇叭天线构成的辐射单元以及控制PIN二极管通断的直流偏置电路。该天线的馈电网络和辐射单元采用印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)工艺加工。
如图1所示，馈电网络包括四条呈十字型对称分布的基片集成波导、四个插入在四条基片集成波导入口处的单刀单掷开关以及位于馈电网络中心处的同轴激励探针。四条呈十字型分布的基片集成波导端口包括介质层和镀在介质层上下表面的金属条以及位于金属条长边的两排金属通孔。正方形馈电网络长度为L1，SIW的宽为am，两排金属柱的间距为a1，金属柱的直径为d1，相邻两根金属柱间距为p1。
四端口在图中分别为Port1-4每个端口的入口处都插入了一个单刀单掷开关，开关包括三个与上下金属面不相连的金属柱、位于金属柱底面和顶面的正方形焊盘、为了隔离金属柱和SIW上下金属面的矩形缝隙、以及在三个焊盘与上下金属面的如图2所示的指定位置焊接的PIN二极管，每个金属柱和上下金属层都连接一个PIN二极管，PIN二极管的正极连接金属柱，负极连接上下金属面，这样一个端口需要6个PIN二极管，四个端口总共24个。每个端口的单刀单掷开关围绕中心同轴探针对称分布，中心同轴探针的半径为r1。三个金属柱的中心距同轴探针中心的距离为m1，三个金属柱的直径为d2，相邻金属柱间隔为p2，金属柱上下底面的正方形焊盘长度为n1，三个金属柱与金属面的缝隙宽度分别为g1、g2和g3。
如图1所示，每个端口的直流偏置电路包括连接直流电源正极的插孔，大焊盘，连接插孔和大焊盘的细金属线，以及三个充当扼流圈的高频电感，三个并联的矩形焊盘构成。每个端口上表面面的三个PIN二极管的正极连接三个正方形金属焊盘，由于SIW上下表面的正方形焊盘与金属柱相连，所以在上表面接直流控制电压的正极，可以同时控制每个端口上下表面的六个PIN二级管，负极与SIW的上下金属面相连。从每个SIW端口的上表面的三个正方形的焊盘上飞三根连接线到三个并联的矩形焊盘上，使得PIN二极管的正极与直流控制电压的正极相连，再从SIW金属面上引出一根数据线接直流电源的负极，这样就构成了完整的直流偏转电路。三个并联的矩形焊盘的长度为L2宽度为W2，大焊盘的长度为L3宽度为W3，控制SIW端口处的上下表面的PIN二极管导通。
由图2所示的H型的SIW喇叭天线辐射单元包括H型的喇叭天线、延伸的介质层和位于喇叭天线前端的对称分布在介质层上下面的三排金属块。H型喇叭天线包括介质层、上下金属层以及呈八字排列的两排金属通孔。喇叭天线的长度为L5宽度为W1，延伸的介质层长度为L4，三排金属块的长度为L6宽度为W4，每排金属块之间的间距为S1、S2和S3，同排金属块间距为S4。
图3为本发明馈电网络的侧视图，由上向下分别是金属层、介质层和金属层，中间的同轴探针从下金属层穿过介质层直到上层金属层，旁边两个对称分布的是单刀单掷开关的金属柱，介质层高为h。
采用电磁仿真软件对天线尺寸进行优化，得到天线尺寸参数如表1所示。各参数代表的意义已在上文说明。
测试对象是上文所描述的低剖面方向图可重构的SIW喇叭天线。测试结果如图4-8所示。图4为本发明的回波损耗随频率变化的示意图；图5为本发明在端口2、3、4的开关闭合，端口1导通时，在17GHz、18GHz、19GHz下xoy面的仿真方向图；图6为本发明在端口1、3、4的开关闭合，端口2导通时，在17GHz、18GHz、19GHz下xoy面的仿真方向图；图7为本发明在端口1、2、4的开关闭合，端口3导通时，在17GHz、18GHz、19GHz下xoy面的仿真方向图；图8为本发明在端口1、2、3的开关闭合，端口4导通时，在17GHz、18GHz、19GHz下xoy面的仿真方向图。
表1
参数 数值(mm) 参数 数值(mm)
r<sub>1</sub> 0.15 a<sub>1</sub> 4.00
L<sub>1</sub> 25.4 a<sub>m</sub> 4.40
L<sub>2</sub> 2.00 W<sub>1</sub> 9.00
L<sub>3</sub> 1.00 W<sub>2</sub> 1.00
L<sub>4</sub> 15.0 W<sub>3</sub> 4.00
L<sub>5</sub> 7.00 W<sub>4</sub> 0.90
L<sub>6</sub> 1.85 n<sub>1</sub> 0.52
m<sub>1</sub> 2.20 d<sub>1</sub> 0.25
g<sub>1</sub> 0.10 d<sub>2</sub> 0.20
g<sub>2</sub> 0.10 h 1.19
g<sub>3</sub> 0.20 S<sub>2</sub> 0.25
S<sub>1</sub> 0.10 S<sub>4</sub> 0.50
S<sub>3</sub> 0.60 p<sub>2</sub> 0.70
p<sub>1</sub> 0.80

Claims (6)

1.一种低剖面方向图可重构基片集成波导喇叭天线，其特征在于：包括含有四个单刀单掷开关的四端口馈电网络、H型SIW喇叭辐射单元以及控制PIN二极管通断的直流偏置电路；
利用四个单刀单掷开关构成馈电网络的主体，控制馈电网络的四个端口入口处的单刀单掷开关可以实现主波束在0°-360°范围内的扫描；
单刀单掷开关包括三个与上下金属面不相连的金属柱、位于金属柱底面和顶面的正方形焊盘、为了隔离金属柱和SIW上下金属面的矩形缝隙、以及焊接在三个金属柱与上下金属面的24个PIN二极管。
2.如权利要求1所述的低剖面方向图可重构SIW喇叭天线，其特征在于：四个端口分别为第一端口、第二端口、第三端口和第四端口；关闭第二端口、第三端口和第四端口的单刀单掷开关，打开第一端口的单刀单掷开关，电磁波就沿第一端口传送到终端H型喇叭辐射单元，此时辐射方向图在水平面的主波束方向与第一端口平行，设为0°度；按照相同的操作，依次打开第二端口、第三端口和第四端口的单刀单掷开关，主波束方向分别指向90°、180°和270°
3.如权利要求1所述的低剖面方向图可重构SIW喇叭天线，其特征在于：四端口馈电网络还包括四条呈十字型对称分布的基片集成波导以及位于馈电网络中心处的同轴激励探针；
所述四个单刀单掷开关插入在四条基片集成波导入口处；
四条呈十字型分布的基片集成波导端口包括介质层和镀在介质层上下表面的金属层以及位于金属层两边的两排金属通孔。
4.如权利要求1所述的低剖面方向图可重构SIW喇叭天线，其特征在于：H型的SIW喇叭天线辐射单元包括H型的喇叭天线、延伸的介质层和位于喇叭天线前端的对称分布在介质层上下面的三排金属块；
H型喇叭天线包括介质层、上下金属层以及呈八字排列的两排金属通孔。
5.如权利要求1所述的低剖面方向图可重构SIW喇叭天线，其特征在于：每个端口处的单刀单掷开关上的三个PIN二极管受同一个直流偏置电路控制，四个端口的偏置电路结构完全相同；每个端口的直流偏置电路包括连接直流电源正极的插孔、连接插孔和大焊盘的细金属线，三个充当扼流圈的高频电感，三个并联的矩形焊盘构成。
6.如权利要求5所述的低剖面方向图可重构SIW喇叭天线，其特征在于：每个端口上下表面的三个PIN二极管的正极连接三个金属正方形焊盘，负极与SIW的上下金属面相连；从每个SIW端口的上表面的三个正方形的焊盘上飞三根连接线到三个并联的矩形焊盘上，使得PIN二极管的正极与直流控制电压的正极相连；再从SIW金属面上引出一根数据线接直流电源的负极，这样就构成了完整的直流偏转电路。
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