CN107394381A - 一种采用堆叠行波天线单元的低剖面宽带圆极化阵列天线 - Google Patents

一种采用堆叠行波天线单元的低剖面宽带圆极化阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于堆叠行波天线单元的低剖面宽带圆极化阵列天线，包括：由3段首尾相连的印刷在介质板两侧的金属层及连接2层的金属化通孔构成的圆极化天线单元、由金属化通孔腔体及4个天线单元构成的2×2天线子阵、由金属化通孔构成的16路全并行馈电网络、馈电层和金属腔及天线之间用于耦合馈电的缝隙、用于测试的接地共面波导(Grounded Coplanar Waveguide,GCPW)与基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)之间的转接结构。采用本发明的方法所设计的天线阵列可以采用印刷电路板工艺制作。该天线阵列能够在非常宽的频段内实现圆极化辐射。

Description

一种采用堆叠行波天线单元的低剖面宽带圆极化阵列天线
技术领域
本发明涉及一种应用前景广泛的采用PCB(Printed Circuit Board，印刷电路板)技术制造的宽带圆极化天线阵列，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，对体积小、成本低、高增益以及更宽带宽的天线阵列产生迫切需求。
圆极化天线能够接收来自任意天线的任意极化电磁波，可以有效地提高接收和辐射效率，因此被广泛地应用于实际的干扰与电子侦察中。圆极化天线可以利用喇叭天线、微带天线或背腔天线等多种天线形式实现。随着现代无线通信的快速发展，对低剖面易于平面集成、单向辐射、高增益、工作在毫米波频段、宽带化的圆极化天线阵列产生了很大需求。而现有的通过PCB印刷等形式加工的圆极化平面阵列天线的可用带宽通常不超过17％，难以满足毫米波频段日益增长的带宽需求。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题与不足，本发明提供一种采用堆叠行波天线单元的低剖面宽带圆极化阵列天线，采用堆叠印刷结构的行波天线单元作为天线单元，在特殊边界条件下进行参数优化，利用基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)技术进行馈电，实现了可以满足无线通信系统需要的、可应用于微波毫米波频段的、易于设计和加工的、低剖面易于平面集成的8×8宽带圆极化天线阵列。通过设计SIW缝隙耦合给堆叠印刷结构的行波天线单元进行馈电，并在特殊边界条件下进行参数优化，在远场激励起所需的宽带圆极化辐射；通过加入匹配金属化过孔，对SIW馈电网络中的T型结和H型结进行优化，实现了天线的馈电网络的宽带化。该天线具有定向辐射、低剖面、宽带圆极化、效率高等优点。
技术方案：一种采用堆叠行波天线单元的低剖面宽带圆极化阵列天线，包括天线层的介质板及8×8个印刷于其上的、由位于介质板上下表面的金属条带及连接它们的金属化过孔所构成的天线单元；隔开天线层与馈电网络层的介质板；由 两层SIW馈电网络构成的全并馈馈电网络；用于测试的接地共面波导(Grounded Coplanar Waveguide,GCPW)与SIW之间的GCPW-SIW转接结构。
所述天线层中，天线本体由天线层的介质板及8×8个印刷于其上的、由位于介质板上下表面的金属条带及连接它们的金属化过孔所构成的天线单元构成。其中，每个天线单元形状相等，其辐射部分由3段首尾相连的印刷在介质板两侧的金属层及连接两层的金属化通孔构成：将宽度固定、轨迹为阿基米德螺旋线的金属条带按比例分开，分别印刷于介质板两侧，并将印刷于介质板下侧的矩形金属条带与位于同侧的阿基米德螺旋线金属条带连接，通过连接两层的金属化通孔将两层金属化条带连接，构成天线单元的辐射部分。构成的天线可实现宽带右旋圆极化辐射。
所述的2层馈电网络中，上层馈电网络由印刷在介质层上的两层地板、4×4个由金属化过孔构成的矩形金属腔及在地板上下表面切割出的矩形条状缝隙构成。其中，每个矩形金属腔由沿矩形边缘排布的金属化过孔及沿两条长边中轴线排布的金属化过孔构成；通过其下层地板切割出的位于矩形金属腔中心的矩形缝隙条带，下层馈电网络向上层馈电网络馈电，激励矩形金属腔；通过其下层地板切割出的位于矩形金属腔边缘处的2×2矩形缝隙条带，矩形金属腔向天线层电磁耦合馈电。
所述的2层馈电网络中，下层馈电网络由印刷在介质层上的两层地板、由多个金属化过孔构成的1分16路SIW功分器、地板上表面切割出的向上层馈电网络馈电的矩形条状缝隙及用于测试的GCPW-SIW转接结构构成。其中1分16路SIW功分器由3个T型结、4个H型结及多个用于阻抗匹配的金属化过孔构成，功率分配顺序依次为T型结、T型结和H型结。
天线单元的设计过程为：
将宽度固定、轨迹为阿基米德螺旋线的金属条带按比例分开，分别印刷于介质板两侧。阿基米德螺旋线的轨迹在极坐标系下遵循以下公式：
r＝aspφ (式1)
其中，r是极坐标中的半径，φ是极坐标中的角度，asp为螺旋线的半径增长常数。印刷于介质板上表面的金属条带部分为起止值分别为φst和φmid的阿基米德螺旋 线；印刷于介质板下表面的金属条带部分由两段构成，分别为起止值分别为φmid和φend的阿基米德螺旋线，及用于缝隙耦合的矩形金属条带。介质板两侧的金属条带通过金属化过孔连接，构成所述的堆叠印刷结构的天线单元的辐射部分。通过馈电网络层的缝隙对天线单元进行馈电，在天线单元上激励起了行波特性，实现了较宽频段内圆极化辐射特性。
天线单元的优化过程为：
将周期边界条件适用于包括天线单元的介质层及天线上方的空气层的四周，用以模拟阵列的轴比及阻抗特性，在此条件下，利用仿真软件对天线参数进行优化。
有益效果：本发明提供的采用堆叠印刷结构的行波天线单元的宽带圆极化天线阵列，由3段首尾相连的印刷在介质板两侧的金属层及连接两层的金属化通孔构成的圆极化天线单元的辐射部分、由金属化通孔腔体及4个天线单元构成的2×2天线子阵、由金属化通孔构成的16路全并行馈电网络、馈电层和金属腔及天线之间用于耦合馈电的缝隙、用于测试的接地共面波导(Grounded Coplanar Waveguide,GCPW)与基片集成波导(SubstrateIntegrated Waveguide,SIW)之间的转接结构。
具有如下优点：
该天线的天线层及两层馈电层分别印刷于不同的介质板上，层与层间均通过缝隙耦合馈电，且没有物理连接，因此可以通过单层PCB工艺加工后，通过粘合层对多层板进行粘合，带来了平面结构、易于集成、加工简单等优点。
该天线阵应用的堆叠印刷结构的行波天线单元，在很宽的带宽下能具有定向圆极化的辐射特性，因此带来了阵列的宽带圆极化特性。
附图说明
图1为本发明天线阵列层层分离后的结构示意图；
图2为本发明天线单元的三维结构示意图；
图3为本发明天线单元的俯视图和侧视图及具体尺寸，(a)为俯视图，(b)为侧视图；
图4为本发明天线阵列的局部示意图，包括为其馈电的SIW矩形腔及矩形腔上层表面切割的矩形缝隙；
图5为本发明天线阵列的局部示意图，包括矩形腔上层表面切割的矩形缝隙及激励矩形腔的矩形腔下层表面的的矩形缝隙；
图6为本发明天线阵列的局部示意图，包括其下层的1分16馈电网络在出口处馈电的示意图；
图7为本发明天线阵列的1分16馈电网络中，T型结的结构示意图；
图8为本发明天线阵列的1分16馈电网络中，H型结的结构示意图；
图9为本发明天线阵列的下层1分16路馈电网络的示意图；
图10为本发明天线阵列的驻波随频率变化的仿真和实测示意图；
图11为本发明天线阵列的轴比和增益随频率变化的仿真和实测示意图；
图12为本发明天线阵列在32GHz处XZ平面的实测轴比方向图；
图13为本发明天线阵列在32GHz处YZ平面的实测轴比方向图；
图14为本发明天线阵列在35GHz处XZ平面的实测轴比方向图；
图15为本发明天线阵列在35GHz处YZ平面的实测轴比方向图；
图16为本发明天线阵列在38GHz处XZ平面的实测轴比方向图；
图17为本发明天线阵列在38GHz处YZ平面的实测轴比方向图；
图18为本发明的实物测试图片。
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。
本发明的一种采用堆叠印刷结构的行波天线单元的宽带圆极化天线阵列，采用单层印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)工艺加工。
图1为天线阵列层层分离后的结构图。本发明包括天线层的介质板10及8×8个印刷于其上的、由位于介质板上下表面的金属条带及连接它们的金属化过孔所构成的天线单元1；隔开天线层与馈电网络层的介质板9；由两层基片集成波导(Substrate IntegratedWaveguide,SIW)馈电网络构成的全并馈的馈电网络7、8；用于测试的接地共面波导(Grounded Coplanar Waveguide,GCPW)与SIW之间的GCPW-SIW转接结构6。
天线层中，天线本体由天线层的介质板10及8×8个印刷于其上的、由位于 介质板上下表面的金属条带及连接它们的金属化过孔所构成的天线单元1构成。其中，每个天线单元1形状相等。图2为天线单元1的三维结构示意图。由3段首尾相连的印刷在介质板11两侧的两层金属化条带14、19及连接两层的金属化通孔15构成的圆极化天线单元的辐射部分：将宽度固定、轨迹为阿基米德螺旋线的金属条带按特定比例分开，分别印刷于介质板两侧，并将印刷于介质板下侧的矩形金属条带与位于同侧的阿基米德螺旋线金属条带连接，通过连接两层的金属化通孔15将两层金属化条带14、19连接，构成天线单元1的辐射部分。阿基米德螺旋线的轨迹在极坐标系下遵循以下公式：
r＝aspφ (式1)
其中，r是极坐标中的半径，φ是极坐标中的角度，asp为螺旋线的半径增长常数。印刷于介质板11上表面的金属条带部分为起止值分别为φst和φmid的阿基米德螺旋线；印刷于介质板11下表面的金属条带部分由两段构成，分别为起止值分别为φmid和φend的阿基米德螺旋线，及用于缝隙耦合的矩形金属条带。上下阿基米德螺旋线金属条带的比例可通过定义比例参数rul＝n1/n2确定，其中，n1＝φmid-φst，n2＝φend-φmid。比例参数初值可选取为4。介质板11两侧的金属条带通过金属化通孔15连接，构成所述的堆叠印刷结构的天线单元1的辐射部分。通过馈电网络层的缝隙对天线单元1进行馈电，在天线单元1上激励起了行波特性，实现了较宽频段内圆极化辐射特性。构成的天线可实现宽带右旋圆极化辐射。图2中，介质层12为隔开天线层与馈电网络层的介质板。介质层13为用于馈电的SIW所在的介质层；16为在SIW上表面金属层切割出的用于耦合馈电的缝隙，缝隙为长方形，其长边与SIW的馈电方向相垂直；17为构成SIW的金属化通孔。18为天线单元的馈电端口。图3(a)为天线单元1的俯视图及具体尺寸，图3(b)为天线单元1的侧视图及具体尺寸。其中，l1为天线介质板的边长，l2为SIW馈线的宽度，l3为馈电缝隙16的长度，w1为馈电缝隙16的宽度，w2为下层金属条带末端距离天线中心的长度，w3为金属条带的宽度，w4为馈电缝隙16中心距离SIW馈线短路端的距离，r1为构成SIW馈线的金属化过孔的直径，p为金属过孔的间距，h1为SIW馈线层的介质板高度，h2为SIW馈线层和 天线层之间的介质板高度，h3为天线层的介质板高度。
图1所示意的2层馈电网络中，上层馈电网络8由印刷在介质层上的两层地板、4×4个由金属化过孔构成的矩形金属腔3及在地板上下表面切割出的矩形条状缝隙2构成。其中，每个矩形金属腔3由沿矩形边缘排布的金属化过孔及沿两条长边中轴线排布的金属化过孔构成；通过其下层地板切割出的位于矩形金属腔3中心的矩形缝隙条带4，下层馈电网络向上层馈电网络馈电，激励矩形金属腔3；通过其下层地板切割出的位于矩形金属腔3边缘处的2×2矩形缝隙条带2，矩形金属腔3向天线层电磁耦合馈电。
所述的2层馈电网络中，下层馈电网络由印刷在介质层上的两层地板、由多个金属化过孔构成的1分16路SIW功分器5、地板上表面切割出的向上层馈电网络馈电的矩形条状缝隙4及用于测试的GCPW-SIW转接结构构成6。其中1分16路SIW功分器由3个T型结、4个H型结及多个用于阻抗匹配的金属化过孔构成。其中每个T型结和H型结都利用金属化过孔改善其匹配性能。
图4-6为天线阵列的局部示意图。图4为最上层的天线单元、为其馈电的SIW矩形腔及矩形腔上层表面切割的矩形缝隙；图5为矩形腔上层表面切割的矩形缝隙及激励矩形腔的矩形腔下层表面的的矩形缝隙；图6为其下层的1分16馈电网络在出口处馈电的示意图。其中，s1为天线单元的间距，c1为向天线馈电的矩形缝隙的长度，d1为向天线馈电的矩形缝隙的宽度，c2为向矩形腔馈电的矩形缝隙的长度，d2为向矩形腔馈电的矩形缝隙的宽度，m1为下层馈电网络中匹配过孔和SIW馈线边缘之间的距离，m2和m3为下层馈电网络中馈电缝隙和SIW馈线边缘之间的距离，m4和m5为上层馈电网络中为天线馈电的馈电缝隙和SIW矩形腔边缘之间的距离，m6为上层馈电网络中为矩形腔馈电的馈电缝隙和SIW矩形腔过孔之间的距离。
图7和图8分别为1分16馈电网络中，T型结和H型结的示意图。黑色箭头代表功率分配的方向。T型结和H型结由黑色圆形代表的金属化过孔组成。图9为下层1分16路馈电网络的示意图，由SMA-GCPW-SIW转接、3个T型结和4个H型结组成。
将周期边界条件适用于包括天线单元的介质层及天线上方的空气层的四周，用以模拟阵列的轴比及阻抗特性，在此条件下，采用电磁仿真软件对天线参数进 行优化，得到天线尺寸参数如表1所示。其中，εr为介质板的介电常数，其余各参数代表的意义已在上文说明。
图10为本发明的驻波随频率变化的仿真和实测示意图。图11为本发明的轴比和增益随频率变化的仿真和实测示意图。图12为本发明32GHz处XZ平面的实测轴比方向图；图13为本发明在32GHz处YZ平面的实测轴比方向图；图14为本发明在35GHz处XZ平面的实测轴比方向图；图15为本发明在35GHz处YZ平面的实测轴比方向图；图16为本发明在38GHz处XZ平面的实测轴比方向图；图17为本发明在38GHz处YZ平面的实测轴比方向图。图18为本发明的实物测试图片。由实测结果图可见，所设计的宽带圆极化天线实现了35.4％(30.3GHz～43.4GHz)的-10dB阻抗带宽，33.8％(29.5GHz～41.5GHz)的3dB轴比带宽，32.2％(30GHz～41.5GHz)的3dB增益带宽，以及23.53dBic的右旋圆极化峰值增益。
表1

Claims (7)

1.一种采用堆叠行波天线单元的低剖面宽带圆极化阵列天线，其特征在于：包括天线层的介质板及8×8个印刷于其上的、由位于介质板上下表面的金属条带及连接它们的金属化过孔所构成的天线单元；隔开天线层与馈电网络层的介质板；由两层SIW馈电网络构成的全并馈馈电网络；用于测试的接地共面波导与SIW之间的GCPW-SIW转接结构。
2.如权利要求1所述的采用堆叠行波天线单元的低剖面宽带圆极化阵列天线，其特征在于：所述天线层中，天线本体由天线层的介质板及8×8个印刷于其上的、由位于介质板上下表面的金属条带及连接它们的金属化过孔所构成的天线单元构成。
3.如权利要求2所述的采用堆叠行波天线单元的低剖面宽带圆极化阵列天线，其特征在于：每个天线单元形状相等，由3段首尾相连的印刷在介质板两侧的金属层及连接两层的金属化通孔构成的圆极化天线单元的辐射部分：将宽度固定、轨迹为阿基米德螺旋线的金属条带按比例分开，分别印刷于介质板两侧，并将印刷于介质板下侧的矩形金属条带与位于同侧的阿基米德螺旋线金属条带连接，通过连接两层的金属化通孔将两层金属化条带连接，构成天线单元的辐射部分；构成的天线可实现宽带右旋圆极化辐射。
4.如权利要求1所述的采用堆叠行波天线单元的低剖面宽带圆极化阵列天线，其特征在于：所述的2层馈电网络中，上层馈电网络由印刷在介质层上的两层地板、4×4个由金属化过孔构成的矩形金属腔及在地板上下表面切割出的矩形条状缝隙构成；其中，每个矩形金属腔由沿矩形边缘排布的金属化过孔及沿两条长边中轴线排布的金属化过孔构成；通过其下层地板切割出的位于矩形金属腔中心的矩形缝隙条带，下层馈电网络向上层馈电网络馈电，激励矩形金属腔；通过其下层地板切割出的位于矩形金属腔边缘处的2×2矩形缝隙条带，矩形金属腔向天线层电磁耦合馈电。
5.如权利要求1所述的采用堆叠行波天线单元的低剖面宽带圆极化阵列天线，其特征在于：所述的2层馈电网络中，下层馈电网络由印刷在介质层上的两层地板、由多个金属化过孔构成的1分16路SIW功分器、地板上表面切割出的向上层馈电网络馈电的矩形条状缝隙及用于测试的GCPW-SIW转接结构构成；其中1分16路SIW功分器由3个T型结、4个H型结及多个用于阻抗匹配的金属化过孔构成。
6.如权利要求1所述的采用堆叠行波天线单元的低剖面宽带圆极化阵列天线，其特征在于：天线单元的设计过程为：
将宽度固定、轨迹为阿基米德螺旋线的金属条带按比例分开，分别印刷于介质板两侧；阿基米德螺旋线的轨迹在极坐标系下遵循以下公式：
r＝aspφ (式1)
其中，r是极坐标中的半径，φ是极坐标中的角度，asp为螺旋线的半径增长常数。印刷于介质板上表面的金属条带部分为起止值分别为φst和φmid的阿基米德螺旋线；印刷于介质板下表面的金属条带部分由两段构成，分别为起止值分别为φmid和φend的阿基米德螺旋线，及用于缝隙耦合的矩形金属条带。介质板两侧的金属条带通过金属化过孔连接，构成所述的堆叠印刷结构的天线单元的辐射部分；通过馈电网络层的缝隙对天线单元进行馈电，在天线单元上激励起了行波特性，实现了较宽频段内圆极化辐射特性。
7.如权利要求1所述的采用堆叠行波天线单元的低剖面宽带圆极化阵列天线，其特征在于：天线单元的优化过程为：
将周期边界条件适用于包括天线单元的介质层及天线上方的空气层的四周，用以模拟阵列的轴比及阻抗特性，在此条件下，对天线参数进行优化。
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