CN107946764A - 基于siw技术的低剖面cts天线馈电线源 - Google Patents

基于siw技术的低剖面cts天线馈电线源 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于SIW技术的低剖面CTS天线馈电线源，包括上金属覆层面、介质基片和下金属覆层面；介质板层中设置有四组金属化过孔，与金属覆层面构成H面扇形喇叭初级馈源、偏置抛物反射面和SIW矩形平板波导；介质基片上下边缘设置有锯齿状扼流槽，用于减小介质板边缘效应，改善线源性能；由H面扇形喇叭初级馈源产生的柱面波经由偏置抛物反射面反射形成准平面波，沿SIW矩形平板波导输出。本发明具有结构尺寸小、剖面低、易于加工且线源输出口径场平稳的优点，可用于CTS天线或CTS天线功分网络的馈电。

Description

基于SIW技术的低剖面CTS天线馈电线源
技术领域
本发明属于通信技术领域，更进一步涉及天线及馈源技术领域中的一种基于基片集成波导SIW(Substrate integrated waveguide)技术的低剖面连续横向枝节CTS(Continuous transverse stub)天线馈电线源。本发明能够将H面扇形喇叭产生的柱面波，经过偏置抛物面反射，产生并输出平面波，可用于低剖面连续横向枝节CTS天线的馈电。
背景技术
近年来，通信技术在无线通信、超宽带通信、卫星通信等方面得到了迅猛的发展和广泛的应用。随着通信系统的不断进步，现代通信系统迫切需要低成本、低剖面、高增益、高效率、极化复用同时能够波束扫描的新型天线。波导缝隙阵列和反射面天线都具有较高的效率，但是前者工艺复杂，实现成本高，后者剖面太高。微带阵列在以上方面具有一定的优势，但是在较高频段微带阵列复杂的功率合成网络和介质的引入会带来较大的介质损耗，从而大大降低了微带阵列天线的效率，不能有效利用载体平台的面积实现高增益。
连续横向枝节(Continuous transverse stub,CTS)阵列天线的出现有效的弥补了上述天线的问题，这种天线是在传输线或波导上连续开贯通的横向缝隙实现辐射，同时采用准TEM波进行馈电。CTS阵列天线具有较高的馈电效率和口径效率，可实现波束控制、双频、双极化等功能的特点。在不同类型的CTS阵列天线当中，平板CST阵列天线具有较高的功率容量，良好的定向辐射能力以及较低的剖面，具有较强的实用意义。
基片集成波导(Substrate integrated waveguide,SIW)的出现克服了金属波导重量大、厚度大的问题，提高了设计精度、降低了研制成本并易于加工和系统集成。基片集成波导采用印刷电路板工艺或低温共烧陶瓷工艺等，在介质基片上形成紧密排列的两列平行的金属化通孔，由于通孔间距很小，从而可以将波限制在一定范围内向前传播，就可形成类似介质填充波导的平面波导结构，两排金属通孔相当于波导的窄壁，而基片上下表面金属层则相当于波导的宽壁。基片集成波导的导波特性类似于传统的波导，主模仍是TE10模，它具有体积小，重量轻，剖面低，可采用PCB加工工艺，降低了加工成本，易于与微波毫米波集成电路集成，使微波毫米波系统小型化，便于大量生产等优点。因此，可以将SIW技术应用到CTS天线的设计中。
用于CTS天线馈电的线源，不仅对天线的匹配产生直接的影响，而且线源输出电磁波幅度和相位的特性对天线的辐射场增益、副瓣电平也具有决定性的影响。因此，要得到良好的天线整体性能，线源的设计至关重要。
西安电子科技大学在其申请的专利文献“一种用于平面波导CTS天线馈电装置的宽频带线源”(申请号：201310409126.X，公开号：CN103441335)中提出了一种用于平面波导CTS天线馈电装置的宽频带线源。该宽频带线源采用柱面波转换平面波和反射器天线原理产生平面波，将喇叭天线至于抛物面反射器的焦点处，喇叭天线辐射的场经过凡涉及在反射器口径面处产生等幅度同相位的平面波。但是，该线源仍然存在的不足之处是，抛物反射面需要较大空间，不利于线源小型化的设计。
西安电子科技大学在其申请的专利文献“基于平面介质透镜的平板波导CTS天线宽频带馈电线源”(申请号：201510475521.7，公开号：CN105140653)中提出了一种基于平面介质透镜的平板波导CTS天线宽频带馈电线源。该馈电线源是利用平面透镜将H面喇叭产生的柱面波前转换为平面波前并输出的宽带线源，所发明的平面透镜由多个介电常数不同的条带组成，可实现对平板波导CTS天线的馈电。采用该方法的线源具有结构尺寸小、频带宽、匹配性鞥良好的优点。但是，该线源仍然存在的不足之处是，由于使用多种介电常数的介质，对加工工艺要求较高，显著提高了加工成本，且会引入较大的介质损耗。
宁波大学在其申请的专利文献“一种用于平面CTS的宽频带线源”(申请号：201610523014.0，公开号：CN106099363)中提出一种用于平面CTS天线的宽频带线源。该线源是利用等间距排列的波导口径阵列所辐射的场相叠加来形成馈电线源，具有装配简单，成本较低等优点。但是，该线源仍然存在的不足之处是，该线源结构需要功分网络对多个波导进行馈电，不仅尺寸大，而且功分网络引入较大损耗，增大了设计难度。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺点，提出一种基于SIW技术的低剖面CTS天线馈电线源，用于解决现有CTS天线馈电线源体积大、剖面高、不易于加工的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
该线源包括上层金属覆铜面、介质基片、下层金属覆铜面三层结构以及位于该线源的上下侧边缘设置有锯齿状扼流槽；所述的上层金属覆铜面、下层金属覆铜面分别位于介质基片的两侧；穿过介质基片的第一组金属化通孔与上层金属覆铜面和下层金属覆铜面相连，形成H面扇形喇叭初级馈源；穿过介质基片的第二组金属化通孔与上层金属覆铜面和下层金属覆铜面相连，形成偏置抛物反射面；所述的偏置抛物反射面的焦点与H面扇形喇叭初级馈源的相位中心重合；穿过介质基片的第三组金属化通孔和第四组金属化通孔与上层金属覆铜面和下层金属覆铜面相连形成基片集成波导SIW矩形平板波导。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
第一，本发明由于采用介质基片，克服了现有技术存在的金属波导剖面高、重量大、不易于微波电路集成的缺点。使得本发明具有低剖面、重量轻的优点，有利于与集成电路相连接。
第二，本发明由于采用四组金属化通孔，将H面扇形喇叭初级馈源、偏置抛物反射面和SIW矩形平板波导输出端口集成在介质基片中，克服了现有技术存在的金属波导体积大的缺点。使得本发明具有了尺寸小、和加工难度小的优点，有利于线源的小型化。
第三，本发明由于在介质基片的上下边缘设置锯齿状扼流槽，克服了现有技术存在的线源匹配难度大、输出端口电场幅度相位平整度不佳的缺点。使得本发明具有了阻抗匹配良好、输出端口电场幅度相位平整度高的优点，有利于提高天线系统的性能。
附图说明
图1是本发明的立体结构图；
图2是本发明的俯视图；
图3是本发明结构尺寸的示意图；
图4是本发明H面扇形喇叭初级馈源的结构示意图；
图5是本发明两组锯齿状扼流槽的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的线源与参考线源输入端口电压驻波比(VSWR)仿真曲线图；
图7是本发明实施例提供的线源与参考线源在20GHz频点时输出端口幅度分布曲线图；
图8是本发明实施例提供的线源与参考线源在20GHz频点时输出端口相位分布曲线图。
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，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明：
参照图1，对本发明基于SIW技术的CTS天线馈电线源整体结构做进一步描述。
本发明的线源包括上层金属覆铜面1、介质基片2、下层金属覆铜面3三层结构以及位于该线源的上下侧边缘设置有锯齿状扼流槽5。上层金属覆铜面1、下层金属覆铜面3分别位于介质基片2的两侧；上金属镀覆铜面1、下金属镀覆铜面3的轮廓与介质基片2的轮廓保持一致。介质基片2为相对介电常数εr＝2.2的介质基片，介质基片厚度为1mm，线源整体剖面高度为0.067λ，λ为中心频率20GHz所对应的空气中的波长。
参照图2，对本发明基于SIW技术的CTS天线馈电线源整体结构做进一步描述。
本发明中的四组金属化通孔包括第一组金属化通孔21、第二组金属化通孔22、第三组金属化通孔23、第四组金属化通孔24，每组金属化通孔的单个通孔直径均为1mm，各组中相邻金属化通孔的孔心间距均为2mm。穿过介质基片2的第一组金属化通孔21与上层金属覆铜面1和下层金属覆铜面3相连，形成H面扇形喇叭初级馈源4，用于产生柱面波。穿过介质基片2的第二组金属化通孔22与上层金属覆铜面1和下层金属覆铜面3相连，形成偏置抛物反射面6。本发明中的偏置抛物反射面6的焦点与H面扇形喇叭初级馈源4的相位中心重合，依据几何光学理论，可将H面扇形喇叭产生的柱面波经过反射形成传播方向平行于抛物面对称轴的平面波。穿过介质基片2的第三组金属化通孔23和第四组金属化通孔24与上层金属覆铜面1和下层金属覆铜面3相连形成基片集成波导SIW矩形平板波导7，用于限制经由偏置抛物反射面反射所产生的平面波，使平面波能够按照波导模式平稳输出，所构成的输出端口便于与CTS天线或CTS天线的功分网络相连接。在介质基片2的上下边缘分别设置有上锯齿状扼流槽51和下锯齿状扼流槽52，用于减小介质基片边缘效应对线源电性能的影响。
参照图3，对本发明基于SIW技术的CTS天线馈电线源具体尺寸做进一步描述。
本发明线源的总长度为L，L＝116mm，总宽度为W，W＝150mm。线源的左侧边缘与H面扇形喇叭初级馈源4的相位中心的距离为L1，L1＝65mm。H面扇形喇叭初级馈源4在介质基片2中倾斜放置，H面扇形喇叭初级馈源4的对称轴与过其相位中心垂线的夹角为θ，θ＝41°。构成偏置抛物反射面6的金属化通孔22的排布遵循抛物线方程：y＝x2/(4F)，其中x＝0的点位于抛物线的顶点；x的取值范围为-110mm≤x≤0mm，x的取值范围大小等于W1＝110mm；F为抛物线的焦距，F＝90mm。本发明中的SIW矩形平板波导7的长度为L3，L3＝31mm，金属化通孔23与线源上边缘的距离为W3，W3＝9mm。金属化通孔23孔心距介质基片2上边缘的距离为d，d＝2mm；金属化通孔24孔心距介质基片2下边缘的距离为d，d＝2mm。SIW矩形平板波导7的输出端口宽度为W4，W4＝90mm。
图3中的阴影区域表示使用与本发明线源相同的介质材料和金属覆层进行填充，可形成简化的线源结构。该简化的线源与本发明的线源具有相同的原理与功能，可作为参考线源与本发明的线源进行对比分析，进一步说明锯齿状扼流槽5的设置对线源性能产生的影响。
参照图4，对本发明H面扇形喇叭初级馈源4做进一步描述。
本发明中的H面扇形喇叭初级馈源4，由同轴探针41、矩形基片集成波导42和扇形喇叭开口43三部分组成。同轴探针41距离喇叭末端d1＝3.4mm处，其中心位于H面扇形喇叭初级馈源的对阵轴上，金属探针的半径为r1＝0.65mm，探针插入介质基片2的深度与介质基片2的厚度相同，即探针贯穿介质基片2并与上金属覆铜面1平齐，为了使金属探针与上金属覆铜面1隔离，在上金属覆铜面1上，以金属探针的圆心为中心开一个半径为r2的圆槽，要求r2＞r1，取r2＝0.67mm，同轴探针的圆柱介质外壳半径为r3＝1.5mm，在同轴线的一端加入激励，输入阻抗为50Ω。矩形基片集成波导42长度为lg1，宽度为wg1。根据矩形波导传输公式以及基片集成波导SIW等效公式，当lg1＝36mm，wg1＝10mm时，该矩形基片集成波导42在工作频段内单模工作，即除主模TE10模以外的高次模均为凋落模，且有足够的长度使高次模充分凋落。扇形开口43的长度为lg2，宽度为wg2，通过调整lg2和wg2可以改变开口的大小，进而影响线源的辐射效率与相位中心，本实施例中取lg2＝15.2mm，wg2＝20mm，此时H面扇形喇叭4的相位中心距离喇叭末端的距离d2＝45mm。
参照图5，对本发明锯齿状扼流槽5做进一步描述。
本发明中的上锯齿状扼流槽51由7.5个等腰锐角三角形并排排列而成，每个三角形的底为ls1＝4mm，高为ws1＝6mm；下锯齿状扼流槽52由7个等腰锐角三角形并排排列而成，每个三角形的底为ls2＝8mm，高为ws2＝8mm。当边缘电磁波入射到扼流槽时，会在扼流槽中多次反射，能量逐渐衰减，从而降低了介质基片边缘效应所产生的杂波对线源输出端口幅度相位平整度的影响，进而改善了线源的性能。
本发明的技术效果可通过以下仿真实验做进一步的描述。
1、仿真条件：
利用图1所描述的本发明线源结构，对其工作在18.5GHz-21.5GHz频段上的性能进行仿真实验；利用图3所描述的参考线源结构，对其工作在18.5GHz-21.5GHz频段上的性能进行仿真实验。
2、仿真内容：
利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实施例与参考线源的电压驻波比进行仿真计算，结果如图6所示。
利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实施例与参考线源输出端口的电场幅度进行仿真计算，结果如图7所示。
利用商业仿真软件HFSS_15.0对上述实施例与参考线源输出端口的电场相位进行仿真计算，结果如图8所示。
3、仿真结果分析：
图6中，横坐标表示线源的工作频率，纵坐标表示线源的电压驻波比，其中以实线表示的曲线代表本发明线源的电压驻波比随工作频率的变化曲线，以虚线表示的曲线代表参考线源的电压驻波比随工作频率的变化曲线。由图6可知，本发明与参考线源的电压驻波比均满足CTS天线的工作要求，但本发明的馈电线源在低频段的电压驻波比要优于参考线源，在工作频段18.5GHz-21.5GHz内，参考线源的VSWR<1.21，本发明的线源VSWR<1.17。
图7中，横坐标表示线源输出端口沿x方向长度的归一化长度，纵坐标表示输出端口上电场幅度值，其中以实线表示的曲线代表本发明线源输出端口上电场幅度分布情况，以虚线表示的曲线代表参考线源输出端口上电场幅度分布情况，阴影区域表示本发明线源输出端口上电场幅度波动区域。由图7可知，本发明相比于参考线源具有更稳定的输出端口电场幅度平整度，对线源输出端口沿x轴方向的长度进行归一化，观察0.2—0.8的长度上电场幅度分布情况，当线源工作在20GHz频点时，参考线源的电场幅度波动在5.9dB以内，本发明的电场幅度波动在4.5dB以内。
图8中，横坐标表示线源输出端口沿x方向长度的归一化长度，纵坐标表示输出端口上电场相位值，其中以实线表示的曲线代表本发明线源输出端口上电场相位分布情况，以虚线表示的曲线代表参考线源输出端口上电场相位分布情况，阴影区域表示本发明线源输出端口上电场相位波动区域。由图8可知，本发明相比于参考线源具有更稳定的输出端口电场相位平整度，对线源输出端口沿x轴方向的长度进行归一化，观察0.2—0.8的长度上电场相位分布情况，当线源工作在20GHz频点时，参考线源的电场相位波动在28.6°以内，本发明的电场相位波动在11.9°以内。
以上仿真结果说明本发明具有良好的CTS天线馈电线源性能，输出端口的电场幅度和相位平整度满足设计要求，与现有技术相比，在保证线源性能的前提下，本发明具有更小的尺寸和重量，更低的剖面高度，以及更简便的加工方法。

Claims (7)

1.一种基于基片集成波导SIW技术的低剖面连续横向枝节CTS天线馈电线源，其特征在于，该线源包括上层金属覆铜面(1)、介质基片(2)、下层金属覆铜面(3)三层结构以及位于该线源的上下侧边缘设置有锯齿状扼流槽(5)；所述的上层金属覆铜面(1)、下层金属覆铜面(3)分别位于介质基片(2)的两侧；穿过介质基片(2)的第一组金属化通孔(21)与上层金属覆铜面(1)和下层金属覆铜面(3)相连，形成H面扇形喇叭初级馈源(4)；穿过介质基片(2)的第二组金属化通孔(22)与上层金属覆铜面(1)和下层金属覆铜面(3)相连，形成偏置抛物反射面(6)；所述的偏置抛物反射面(6)的焦点与H面扇形喇叭初级馈源(4)的相位中心重合；穿过介质基片(2)的第三组金属化通孔(23)和第四组金属化通孔(24)与上层金属覆铜面(1)和下层金属覆铜面(3)相连形成基片集成波导SIW矩形平板波导(7)。
2.根据权利要求1所述的基于基片集成波导SIW技术的低剖面连续横向枝节CTS天线馈电线源，其特征在于，所述介质基片(2)的相对介电常数为2.2～2.65，介质基片(2)的厚度小于2mm。
3.根据权利要求1所述的基于基片集成波导SIW技术的低剖面连续横向枝节CTS天线馈电线源，其特征在于，所述的第一组金属化通孔(21)、第二组金属化通孔(22)、第三组金属化通孔(23)、第四组金属化通孔(24)，每组金属化通孔的单个通孔直径均为d，单位为mm，各组中相邻金属化通孔的孔心间距均为s，单位为mm，其中
4.根据权利要求1所述的基于基片集成波导SIW技术的低剖面连续横向枝节CTS天线馈电线源，其特征在于，所述的H面扇形喇叭初级馈源(4)包括同轴探针(41)、矩形基片集成波导(42)和扇形喇叭开口(43)三部分；所述的同轴探针(41)位于H面扇形喇叭初级馈源(4)的末端，与矩形基片集成波导(42)相连；所述的矩形基片集成波导(42)与扇形喇叭开口(43)相连。
5.根据权利要求1所述的基于基片集成波导SIW技术的低剖面连续横向枝节CTS天线馈电线源，其特征在于，所述的偏置抛物反射面(6)的焦距为60mm。
6.根据权利要求1所述的基于基片集成波导SIW技术的低剖面连续横向枝节CTS天线馈电线源，其特征在于，所述的基片集成波导SIW矩形平板波导(7)的输出端口沿x轴方向长度为90mm±10mm；所述的金属化通孔(23)孔心距介质基片(2)上边缘的距离小于5mm；所述金属化通孔(24)孔心距介质基片(2)下边缘的距离小于5mm。
7.根据权利要求1所述的基于基片集成波导SIW技术的低剖面连续横向枝节CTS天线馈电线源，其特征在于，所述的锯齿状扼流槽(5)包括上锯齿状扼流槽(51)和下锯齿状扼流槽(52)两部分；所述的上锯齿状扼流槽(51)由多个底为4mm±2mm，高为6mm±2mm的锐角三角形构成，位于介质基片(2)上边缘，且位于偏置抛物反射面(6)与基片集成波导SIW矩形平板波导(7)之间；所述的下锯齿状扼流槽(52)由多个底为8mm±2mm，高为8mm±2mm的锐角三角形构成，位于介质基片(2)下边缘，且位于偏置抛物反射面(6)与H面扇形喇叭初级馈源(4)之间。
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