CN108172980A - 一种基于介质集成同轴线的cts天线装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于介质集成同轴线的CTS天线装置，其特征在于设有介质集成同轴线、切向节单元、终端负载和宽带阻抗变换段，所述切向节单元由多个平面CTS辐射单元级联构成的直线阵列，所述平面CTS辐射单元采用渐变缝隙结构，采用终端加载匹配负载的方式，具体为基片集成同轴线SICL的两侧设有基于SICL的CTS天线缝隙，在多个平面CTS单元级联构成的直线阵列的末端设有基于SICL的CTS天线的阻抗变换段，本发明设计的基于介质集成同轴线的CTS天线结构具备了传统同轴线的优点，同时还是平面结构，适合于很多场合的工程应用。本发明设计的基于介质集成同轴线的CTS天线适合应用于相控阵、无线通信等电子系统中，重要较为重要的工程应用价值。

Description

一种基于介质集成同轴线的CTS天线装置

技术领域：

本发明涉及天线传感器技术领域，具体的说是一种基于介质集成同轴线的CTS天线装置。

背景技术：

在卫星移动通信和无线局域网中，锥状波束天线是最为合适的选择。锥状波束天线是一类波瓣图和极化方向径向对称的天线，它在孔径的法线方向上没有辐射，最大辐射方向在与法线成一定倾角的锥面上。它的波束指向介于边射和端射之间，并且是一种周向具有全向性的天线。这种天线主要应用于基站和移动车辆之间的通信。在无线网络系统中，为了覆盖大型服务区域，提供一个稳定的信号质量，锥状波束天线的需求也在不断增大。锥状波束天线也被广泛应用于遥感系统、自动目标跟踪系统和自动防撞雷达系统等。锥状波束天线可由一个微带圆形贴片实现的，当圆贴片工作于高次模中的某些模式时可产生锥状波束。圆柱上的螺旋天线及刻在球形腔体等三维物体表面的缝隙天线等实现形式体积庞大，不易加工。同轴CTS阵列锥状波束天线，具有频带宽、增益高、馈电简单、易加工等优点，是一种有效的技术途径。CTS阵列天线在天线外形、辐射原理和工艺构成上与一般平面天线有很大的区别，是一种新的电磁波耦合及辐射结构，其基本原理如图1所示。辐射单元和平行板波导构成的简单的T形结构是个低Q值结构，也就是非谐振结构，CTS天线的优点包括：频带宽、低交叉极化、宽角扫描、加工难度低，同时平行板波导是个非色散结构，传输损耗低，使得CTS天线的效率非常高。作为定向天线，平板波导CTS阵列天线带宽较宽，馈电效率高，然而在阻抗匹配、馈电网络设计等方面有所困难。为满足全向性能的要求，同轴型CTS天线应运而生。该天线不仅具备平板波导CTS天线的优点，而且易匹配，馈电简单。因而被广泛用于基站、个人通信等方面。因为传输线采用同轴线馈电，所以这类天线很容易匹配，且可获得较宽的频带和较高的辐射效率。

同轴CTS天线由同轴线和辐射枝节两部分组成的，同轴线部分既起到馈电作用，又起到支撑天线作用。辐射枝节部分是由同轴线切开金属外壁并附加向外延伸的金属枝节而形成。在同轴线内传输的TEM模电磁波遇到横向枝节向TM_0m模过渡并在端口因不连续性而产生向自由空间的辐射。同轴CTS天线为轴对称结构，因而天线在H面的辐射方向图是全向的，这一特性使得同轴CTS天线应用范围更加广泛。同时，通过多级单元级联可以很容易获得高增益。同轴CTS天线由若干个单元级联而成，天线结构的主要参数有：同轴线内导体直径、同轴线外导体直径、枝节半径、枝节宽度、单元间距离以及枝节中加载介质的相对介电常数。同轴CTS天线的结构示意图如图2所示。

基片集成同轴线(Substrate Integrated Coaxial Line，SICL)技术是一种将传统意义上的同轴线平面化的技术。SICL与传统同轴线一样是一种屏蔽的、非色散的TEM导波结构。关于基片集成同轴线(SICL)的研究，目前处于起步阶段。

发明内容：

本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出了一种具有多频工作性能，可实现锥形波束覆盖；具有微带线到介质集成传输线的过渡结构，实现宽带条件下的阻抗变换与匹配；采用渐变式缝隙的CTS结构单元，组成直线式天线阵列，提高天线的增益的基于介质集成同轴线的CTS天线装置。

本发明通过以下措施达到：

一种基于介质集成同轴线的CTS天线装置，其特征在于设有介质集成同轴线、切向节单元、终端负载和宽带阻抗变换段，所述切向节单元由多个平面CTS辐射单元级联构成的直线阵列，所述平面CTS辐射单元采用渐变缝隙结构，采用终端加载匹配负载的方式，具体为基片集成同轴线SICL的两侧设有基于SICL的CTS天线缝隙，在多个平面CTS单元级联构成的直线阵列的末端设有基于SICL的CTS天线的阻抗变换段。

本发明中SICL主要由接地的底层导体、位于中间的内导体、顶层导体，SICL在TE₁₀模式下的截止频率为：

式中c为真空中光速，由于D和S一般由制板工艺所限定，所以SICL在TE₁₀模式下的截止频率是SICL的单模带宽，可以通过两侧金属孔的距离A来调节。

本发明中为了提高CTS天线的辐射增益，采用三单元直线阵列的结构形式。

本发明设计的基于介质集成同轴线的CTS天线结构具备了传统同轴线的优点，同时还是平面结构，适合于很多场合的工程应用。本发明设计的基于介质集成同轴线的CTS天线适合应用于相控阵、无线通信等电子系统中，重要较为重要的工程应用价值。

附图说明：

附图1是传统CTS结构示意图。

附图2是现有同轴CTS天线结构示意图。

附图3是典型的SICL结构图。

附图4是本发明中基于SICL的CTS天线的结构示意图，其中4(a)为主视图，4(b)为后视图。

附图5是本发明实施例中基于介质集成同轴线的CTS天线的回波损耗仿真结果。

附图6是本发明实施例中基于介质集成同轴线的CTS天线在2GHz时的辐射特性仿真结果。

附图7是本发明实施例中基于介质集成同轴线的CTS天线在6GHz时的辐射特性仿真结果。

附图标记：1为SICL，2为基于SICL的CTS天线的缝隙；3为基于SICL的CTS天线的阻抗变换段。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如附图所示，本发明提出了一种基于介质集成同轴线的CTS天线装置，其特征在于设有介质集成同轴线、切向节单元、终端负载和宽带阻抗变换段，所述切向节单元由多个平面CTS辐射单元级联构成的直线阵列，所述平面CTS辐射单元采用渐变缝隙结构，采用终端加载匹配负载的方式，具体为基片集成同轴线SICL的两侧设有基于SICL的CTS天线缝隙，在多个平面CTS单元级联构成的直线阵列的末端设有基于SICL的CTS天线的阻抗变换段。

本发明中SICL主要由接地的底层导体、位于中间的内导体、顶层导体，SICL在TE₁₀模式下的截止频率为：

式中c为真空中光速，由于D和S一般由制板工艺所限定，所以SICL在TE₁₀模式下的截止频率是SICL的单模带宽，可以通过两侧金属孔的距离A来调节。

本发明中为了提高CTS天线的辐射增益，采用三单元直线阵列的结构形式。

本发明中同轴CTS天线由同轴线和辐射枝节两部分组成的，同轴线部分既起到馈电作用，又起到支撑天线作用，辐射枝节部分是由同轴线切开金属外壁并附加向外延伸的金属枝节而形成。在同轴线内传输的TEM模电磁波遇到横向枝节向TM_0m模过渡并在端口因不连续性而产生向自由空间的辐射。同轴CTS天线为轴对称结构，因而天线在H面的辐射方向图是全向的，这一特性使得同轴CTS天线应用范围更加广泛。同时，通过多级单元级联可以很容易获得高增益。同轴CTS天线由若干个单元级联而成，天线结构的主要参数有：同轴线内导体直径、同轴线外导体直径、枝节半径、枝节宽度、单元间距离以及枝节中加载介质的相对介电常数。同轴CTS天线的结构示意图如图2所示。

基片集成同轴线(Substrate Integrated Coaxial Line，SICL)技术是一种将传统意义上的同轴线平面化的技术。SICL与传统同轴线一样是一种屏蔽的、非色散的TEM导波结构。它表现出与传统同轴线相同的特性，即带宽宽、损耗小、Q值高、尺寸小，所以非常适合高速宽带互连应用。基片集成同轴线(SICL)结合了同轴线和平面传输线的优点，它可以用简单、廉价的PCB、CMOS、MEMS甚至薄膜电路等工艺实现，方便集成到宽带微波系统中。SICL的第一阶高次模是TE₁₀模，由于中间导体并不影响TE₁₀模的场特性。SICL的单模工作带宽可以通过调整两排金属化孔的距离来控制，这就可以实现比同尺寸的类似SIW的平面结构宽的多的带宽。关于基片集成同轴线(SICL)的研究，目前处于起步阶段。SICL主要由底层导体(接地)，内导体(中间)，顶层导体，两侧侧壁(或者金属孔)、两层介质层组成，其中底层导体、两侧侧壁和顶层导体共同构成了SICL的外导体。典型的SICL结构如图3所示。在一定的假设下，SICL在TE₁₀模式下的截止频率为:

式中A,D,S如图3中所示，c为真空中光速。由于D和S一般由制板工艺所限定，所以SICL在TE₁₀模式下的截止频率是SICL的单模带宽，可以通过两侧金属孔的距离A来调节。

同轴线由于其内外导体分布在不同层上，中间有介质层，所以，SICL的内导体无法布在PCB的表层。微波电路为了便于焊接接头或者接插仪器测试，要求将微带布在PCB的表面上。因此，微带到SICL的过渡无法采用共面形式，只能采用异面形式。为了达到比较好的耦合性能，可采用缝隙或小孔耦合，要求缝隙或者小孔两端都要形成自然的过渡，尽可能少的出现不连续性结构。

本发明提出的基于介质集成同轴线的CTS天线结构，该天线系统具有多频工作性能，可实现锥形波束覆盖；设计了一种微带线到介质集成传输线的过渡结构，实现宽带条件下的阻抗变换与匹配；采用渐变式缝隙的CTS结构单元，组成直线式天线阵列，提高天线的增益。本发明设计的基于介质集成同轴线的CTS天线结构具备了传统同轴线的优点，同时还是平面结构，适合于很多场合的工程应用。本发明设计的基于介质集成同轴线的CTS天线适合应用于相控阵、无线通信等电子系统中，重要较为重要的工程应用价值。

由于同轴CTS天线中的每一个单元的辐射能量有限，所以使用多个单元级联构成天线，这样可以提高天线的辐射效率，还可以增强天线的增益。通常同轴CTS天线的各个单元的尺寸是相同的，因此，它们具有相同的辐射能量，传输特性以及辐射方向图，此时的同轴CTS天线更像一个阵列天线。由于阵元之间的级联关系，阵元的输入能量也是随阵元个数增加而逐级递减的。在图4的结构模型中，根据SICL的结构尺寸A，d、s，W，以及介质基板的介电常数等指标，计算出SICL的特性阻抗、传播常数和相波长等参数，预估CTS单元的间距，初步计算CTS单元的尺寸，采用全波电磁仿真技术对CTS阵列进行仿真和优化，根据阻抗和方向图指标最终确定天线的尺寸参数。

实施例：

本发明设计了一个具体的基于介质集成同轴线的CTS天线系统装置，采用全波电磁仿真软件对该天线阵列进行了性能仿真，仿真实验结果验证了本发明所提出的基于介质集成同轴线的CTS天线装置的可行性和有效性。

本发明设计的基于介质集成同轴线的CTS天线的回波损耗特性如图5所示，由图可见，该天线的回波损耗表现为多频段的特性，在2GHz附近为一个有效的阻抗匹配区域，在频率为6GHz～7GHz范围内的回波损耗约为-10dB。为了表征该天线的辐射特性，在此分别给出在2GHz和6GHz时的天线的辐射增益方向图和轴比方向图的仿真结果。图6和图7分别给出了设计的基于介质集成同轴线的CTS天线在频率为2GHz处和6GHz处的辐射方向图仿真结果。在两个工作频点上，设计的基于介质集成同轴线的CTS天线的辐射增益分别约为3.45dB和6.85dB，主辐射方向轴比大于20dB，具有近似线极化特性。在频率为2GHz处，设计的基于介质集成同轴线的CTS天线方向图近似为锥状波束，在xoy面内起伏不大。在频率为4GHz时，设计的基于介质集成同轴线的CTS天线在xoz面近似为全向覆盖，波束形状更为规则。

综上所述，本发明提出了一种基于介质集成同轴线的CTS天线系统装置，研究了一种宽带的SICL与微带线的连接方式和阻抗匹配方法；设计了平面结构的CTS辐射单元，而且采用渐变缝隙结构，改善天线的阻抗和方向图性能；采用终端加载匹配负载的方式，进一步改善CTS天线的电压驻波比性能。本发明中提出的基于介质集成同轴线的CTS天线系统装置具有传统的同轴线CTS类似的辐射性能，可实现锥形波束覆盖，在结构上具有平面型和集成化的优点，在某些情况下，也可设计成共形的结构形式，因而，基于介质集成同轴线的CTS天线适应性强，具有工程应用方面的潜力。本发明适用于相控阵、卫星通信和个人通信等场合，具有较强的工程适应性。

Claims (3)

1.一种基于介质集成同轴线的CTS天线装置，其特征在于设有介质集成同轴线、切向节单元、终端负载和宽带阻抗变换段，所述切向节单元由多个平面CTS辐射单元级联构成的直线阵列，所述平面CTS辐射单元采用渐变缝隙结构，采用终端加载匹配负载的方式，具体为基片集成同轴线SICL的两侧设有基于SICL的CTS天线缝隙，在多个平面CTS单元级联构成的直线阵列的末端设有基于SICL的CTS天线的阻抗变换段。

2.根据权利要求1所述的一种基于介质集成同轴线的CTS天线装置，其特征在于SICL主要由接地的底层导体、位于中间的内导体、顶层导体，SICL在TE₁₀模式下的截止频率为：

式中c为真空中光速，由于D和S一般由制板工艺所限定，所以SICL在TE₁₀模式下的截止频率是SICL的单模带宽，可以通过两侧金属孔的距离A来调节。

3.根据权利要求1所述的一种基于介质集成同轴线的CTS天线装置，其特征在于采用三单元直线阵列的结构形式。