CN108172994A - 一种基于介质集成同轴线的双极化宽带天线装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及双极化天线传感器装置技术领域，具体的说是一种基于介质集成同轴线的双极化宽带天线装置，其特征在于设有金属背腔以降低方向图的后瓣；设有介质加载调整双极化天线的输入阻抗，以获得较好的输入电压驻波比；设有从介质集成同轴线到共面带状线的转换巴伦结构，采用弯折带状线激励Vivaldi形状对称振子；采用从介质集成同轴线到微带线的阻抗变换电路，便于天线输入端与同轴电缆连接；所述从介质集成同轴线到共面带状线的转换巴伦结构为弯折形式的共面带状线馈电，两个极化端口的馈电共面带状线在弯折部分互相隔离，在垂直方向上两个极化端口的共面带状线高度不同，本发明适合应用于雷达、通信、导航等系统中，具有较为重要的实际应用价值。

Description

一种基于介质集成同轴线的双极化宽带天线装置

技术领域：

本发明涉及双极化天线传感器装置技术领域，具体的说是一种适合应用于雷达、通信、导航等系统中，具有较为重要的实际应用价值的基于介质集成同轴线的双极化宽带天线装置。

背景技术：

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。

传统的双极化天线是基于正交放置的电辐射元或者磁辐射元组成，它们在空间形成正交的辐射场，进而构成两个正交的极化通道。在双极化天线的设计中，多数采用交叉偶极子和十字缝耦合微带天线的形式，在电磁矢量传感器的构建、小型化设计和电磁兼容等方面存在一些需要解决的问题。

发明内容：

本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出了一种适合应用于雷达、通信、导航等系统中，具有较为重要的实际应用价值的基于介质集成同轴线的双极化宽带天线装置。

本发明可以通过以下措施达到：

一种基于介质集成同轴线的双极化宽带天线装置，其特征在于设有金属背腔以降低方向图的后瓣；设有介质加载调整双极化天线的输入阻抗，以获得较好的输入电压驻波比；设有从介质集成同轴线到共面带状线的转换巴伦结构，采用弯折带状线激励Vivaldi形状对称振子；采用从介质集成同轴线到微带线的阻抗变换电路，便于天线输入端与同轴电缆连接；所述从介质集成同轴线到共面带状线的转换巴伦结构为弯折形式的共面带状线馈电，两个极化端口的馈电共面带状线在弯折部分互相隔离，在垂直方向上两个极化端口的共面带状线高度不同，从而避免了馈电交叉，提高了极化端口的隔离度；在两个极化端口电路基板上开设互补的开槽，直接装配好两个正交的印刷电路基板；在介质基板的基础上，在天线振子外表面覆盖新的介质基板，用来调配双极化印刷振子天线的电压驻波比性能；对于印刷振子设计采用的指数曲线分别采用指数曲线方程为：

式中，a₁，r₁，d₁，a₂，r₂，d₂均为常数，它们共同确定印刷振子的形状和尺寸，由全波数值仿真优化得到。

本发明设计的双极化天线采用共面带状线馈电，振子本身为平衡结构，共面带状线也为平衡结构，因此，二者之间便于连接，为了实现双极化的工作模式，对共面带状线进行弯折处理，在垂直高度上两个极化端口互相隔离，解决了双极化印刷振子天线交叉遮挡问题，可实现方便的装配。

本发明中介质集成同轴线与共面带状线的连接采用质集成同轴线的外导体的渐变切角结构，该结构是一个同轴线渐变巴伦，由于CPS馈电的双极化振子天线属于平衡天线，而同轴电线属于不平衡传输线，若将其直接连接，同轴电缆的外导体就有高频电流流过，会影响天线的辐射，所以就要在天线和电缆之间加入平衡-不平衡转换器，把流入电缆屏蔽层外部的电流屏蔽掉，巴伦即是一种将平衡双导线接到非平衡同轴线的器件。

本发明在介质集成同轴线与微带线的连接中，引入了一段渐变式阻抗匹配电路，实现同轴线到微带线的转换，微带线再与同轴线连接。该结构可以实现较宽频带范围内的阻抗变换，降低输入端口的电压驻波比，实际上是一个介质集成同轴线到微带线的转换接头。转换接头的尺寸和结构由全波电磁仿真计算获得。

综上所述，本发明提出了一种基于介质集成同轴线的背腔式双极化天线统装置，采用金属背腔实现方向图的约束，降低方向图的后瓣；采用介质加载调整双极化天线的输入阻抗，获得较好的输入电压驻波比；设计了一种从介质集成同轴线到共面带状线的转换巴伦结构，采用弯折带状线激励Vivaldi形状对称振子；采用一种从介质集成同轴线到微带线的阻抗变换电路，便于天线输入端与同轴电缆连接，适合于工程应用。本发明结构简单，成本较低。本发明适用于双极化雷达、通信系统等场合，具有平台的适应性和较广泛的应用领域。

附图说明：

附图1是典型的SICL结构图。

附图2是本发明在隐藏介质基板情况下的结构示意图。

附图3是本发明在显示介质基板条件下的结构示意图。

附图4是本发明一个极化端口的前视图。

附图5是本发明的一个极化端口的后视图。

附图6是本发明中共面带状线结构示意图。

附图7端口1的电压驻波比仿真结果。

附图8端口2的电压驻波比仿真结果。

附图9端口1和2之间隔离度的仿真结果。

附图10是本发明实施例中在中心在低频处的辐射特性仿真结果。

附图11是本发明实施例中在中心在高频处的辐射特性仿真结果。

附图12是本发明实施例中在低频f₂处双极化天线的辐射方向图特性仿真结果。

附图标记：1为基于介质集成同轴线的背腔式双极化天线的辐射器振子，2为介质集成同轴线；3为基于介质集成同轴线的双极化天线的金属背腔，4为基于介质集成同轴线的双极化天线的介质覆盖加载基板，5为介质集成同轴线的金属地板切角，6为弯折共面带状线，7为微带线到介质集成同轴线的阻抗变换段，8为微带线到介质集成同轴线的阻抗变换段的金属地板，9为Vivaldi形状振子的缝隙边缘指数曲线，10为Vivaldi形状振子的外侧边缘指数曲线，11为共面带状线的介质基板，12为共面带状线的金属带条，13为共面带状线缝隙。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明设计了一种基于介质集成同轴线的背腔式双极化天线系统装置，本天线装置采用Vivaldi天线形状的双极化振子辐射器，利用共面带状线对双极化辐射器进行馈电。本双极化天线采用印刷电路技术加工实现，具有集成化和易于加工的特点，在采用印刷电路技术加工的双极化天线装配过程中，会遇到两个极化端口互相遮挡和交叉，端口之间的电磁耦合大，隔离度差的特点，为此，本发明设计了弯折形式的共面带状线馈电方法，两个极化端口的馈电共面带状线在弯折部分互相隔离，在垂直方向上两个极化端口的共面带状线高度不同，从而避免了馈电交叉，提高了极化端口的隔离度；在两个极化端口电路基板装配过程中，采用互补的开槽结构，可直接装配好两个正交的印刷电路基板，可解决常规双极化天线工程实践的难题。在双极化天线的设计中，需要额外考虑的指标有极化端口隔离度和交叉极化电平，同时还需考虑天线的方向图后瓣电平、方向图形状等因素，为了改善天线的辐射效果，本发明在双极化印刷天线的基础上，引入圆柱形金属背腔，调整背腔尺寸和双极化印刷天线和金属腔体之间的高度，获得要求的天线电压驻波比、隔离度和交叉极化电平等指标。本发明设计的基于介质集成同轴线的背腔式双极化天线结构模型如图2所示。在图2中，1为基于介质集成同轴线的背腔式双极化天线的辐射器振子，2为介质集成同轴线；3为基于介质集成同轴线的双极化天线的金属背腔。

为了改善基于介质集成同轴线的背腔式双极化天线的端口阻抗性能和辐射方向图性能，本发明在介质基板的基础上，在天线振子外表面覆盖新的介质基板，用来调配双极化印刷振子天线的电压驻波比性能，同时一定程度上有尺寸小型化的效果。加入介质覆盖的基于介质集成同轴线的背腔式双极化天线的结构模型如图3所示。在图3中，4为基于介质集成同轴线的双极化天线的介质覆盖加载基板，5为介质集成同轴线的金属地板切角。

Vivaldi天线从结构上可以分为三部分：辐射区、传输区以及馈电区，在低频段相当于谐振天线，然而在高频段则是非谐振的行波天线。波沿着口径内边缘传播再相互耦合产生辐射，在端射方向辐射最强，两臂上行波电流相位必须相差180°才能保证超宽带特性，但是当频率升高时，会有多种因素来限制带宽的提高同时降低辐射特性。本发明采用Vivaldi形状的印刷振子作为辐射器，如图4和图5所示。在图4中，6为弯折共面带状线，7为微带线到介质集成同轴线的阻抗变换段。在图5中，8为微带线到介质集成同轴线的阻抗变换段的金属地板，9为Vivaldi形状振子的缝隙边缘指数曲线，10为Vivaldi形状振子的外侧边缘指数曲线。对于印刷振子设计采用的指数曲线9和10，本发明分别采用指数曲线方程为：

式中，a₁，r₁，d₁，a₂，r₂，d₂均为常数，它们共同确定印刷振子的形状和尺寸，由全波数值仿真优化得到。

本发明设计的双极化天线采用共面带状线馈电，振子本身为平衡结构，共面带状线也为平衡结构，因此，二者之间便于连接。为了实现双极化的工作模式，对共面带状线进行弯折处理，在垂直高度上两个极化端口互相隔离，解决了双极化印刷振子天线交叉遮挡问题，可实现方便的装配。共面带状线(CPS)广泛应用于各种微波、毫米波和光通信等有源或无源集成电路。共面带状线传输线有利于二端口器件的连接，也便于过渡到微带线、共面波导、槽线等传输线结构。CPS单面平衡结构，适用于印刷偶极子天线，整流天线，单面混频器，光通信集成模块，光控衰减器和调制器等系统。CPS具有低损耗，散射小，设计结构简单，对介质板厚度不敏感等特点。然而，相对于微带线、共面波导、槽线等传输结构，CPS传输结构研究相对较少。有限大小介质板的共面带状线结构，如图6所示。在图6中，9为共面带状线的介质基板，10为共面带状线的金属带条，11为共面带状线缝隙。CPS结构是单面电路，只有两根耦合微带线位于介质板上表面。CPS两根耦合微带线的宽带形保持不变，距离越接近，耦合越强，特性阻抗Z₀也越小。如果两根耦合微带线的宽度和距离等比例变大，CPS的特性阻抗Z₀呈减小趋势，有效介电常数呈增大趋势。

在图2所示的2对应介质集成同轴线结构中，介质集成同轴线与共面带状线的连接采用质集成同轴线的外导体的渐变切角结构，该结构是一个同轴线渐变巴伦。由于CPS馈电的双极化振子天线属于平衡天线，而同轴电线属于不平衡传输线，若将其直接连接，同轴电缆的外导体就有高频电流流过，会影响天线的辐射，所以就要在天线和电缆之间加入平衡不平衡转换器，把流入电缆屏蔽层外部的电流屏蔽掉，巴伦即是一种将平衡双导线接到非平衡同轴线的器件。

在介质集成同轴线与微带线的连接中，本发明引入了一段渐变式阻抗匹配电路，实现同轴线到微带线的转换，微带线再与同轴线连接。该结构可以实现较宽频带范围内的阻抗变换，降低输入端口的电压驻波比，实际上是一个介质集成同轴线到微带线的转换接头。转换接头的尺寸和结构由全波电磁仿真计算获得。

综上所述，本发明提出了一种基于介质集成同轴线的背腔式双极化天线统装置，采用金属背腔实现方向图的约束，降低方向图的后瓣；采用介质加载调整双极化天线的输入阻抗，获得较好的输入电压驻波比；设计了一种从介质集成同轴线到共面带状线的转换巴伦结构，采用弯折带状线激励Vivaldi形状对称振子；采用一种从介质集成同轴线到微带线的阻抗变换电路，便于天线输入端与同轴电缆连接，适合于工程应用。本发明结构简单，成本较低。本发明适用于双极化雷达、通信系统等场合，具有平台的适应性和较广泛的应用领域。

实施例：

本发明设计了一个具体的基于介质集成同轴线的背腔式双极化天线系统装置，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背腔式双极化天线装置的可行性和有效性。

本发明设计的双极化天线的端口1和端口2的电压驻波比(VSWR)的仿真结果分别如图7和图8所示。端口1与端口2之间的隔离度如图9所示。在工作带宽内，端口1和端口2的电压驻波比约为2，端口隔离度大于20dB。

在中心在频率处，双极化天线的辐射方向图特性仿真结果如图10所示。在两个极化端口上，设计的基于介质集成同轴线的双极化天线的辐射增益分别约为4.46dB和4.37dB，主辐射方向轴比大于20dB，交叉极化电平满足要求。对于极化端口1，设计的基于介质集成同轴线的双极化天线在xoy面和yoz面内的波束宽度分别约为40.5度和40.6度；对于极化端口2，设计的基于介质集成同轴线的双极化天线在xoy面和yoz面内的波束宽度分别约为41.4度和40.4度。

在低频f₁处，双极化天线的辐射方向图特性仿真结果如图11所示。在两个极化端口上，设计的基于介质集成同轴线的双极化天线的辐射增益分别约为3.42dB和3.68dB，主辐射方向轴比大于20dB，交叉极化电平满足要求。对于极化端口1，设计的基于介质集成同轴线的双极化天线在xoy面和yoz面内的波束宽度分别约为83.6度和34.6度；对于极化端口2，设计的34.8度和75.1度。

在低频f₂处，双极化天线的辐射方向图特性仿真结果如图12所示。在两个极化端口上，设计的基于介质集成同轴线的双极化天线的辐射增益分别约为4.83dB和4.95dB，主辐射方向轴比大于20dB，交叉极化电平满足要求。对于极化端口1，设计的基于介质集成同轴线的双极化天线在xoy面和yoz面内的波束宽度分别约为39.6度和43.5度；对于极化端口2，设计的基于介质集成同轴线的双极化天线在xoy面和yoz面内的波束宽度分别约为43.4度和37.7度。

Claims (4)

1.一种基于介质集成同轴线的双极化宽带天线装置，其特征在于设有金属背腔以降低方向图的后瓣；设有介质加载调整双极化天线的输入阻抗，以获得较好的输入电压驻波比；设有从介质集成同轴线到共面带状线的转换巴伦结构，采用弯折带状线激励Vivaldi形状对称振子；采用从介质集成同轴线到微带线的阻抗变换电路，便于天线输入端与同轴电缆连接；所述从介质集成同轴线到共面带状线的转换巴伦结构为弯折形式的共面带状线馈电，两个极化端口的馈电共面带状线在弯折部分互相隔离，在垂直方向上两个极化端口的共面带状线高度不同，从而避免了馈电交叉，提高了极化端口的隔离度；在两个极化端口电路基板上开设互补的开槽，直接装配好两个正交的印刷电路基板；在介质基板的基础上，在天线振子外表面覆盖新的介质基板，用来调配双极化印刷振子天线的电压驻波比性能；对于印刷振子设计采用的指数曲线分别采用指数曲线方程为：

式中，a₁，r₁，d₁，a₂，r₂，d₂均为常数，它们共同确定印刷振子的形状和尺寸，由全波数值仿真优化得到。

2.根据权利要求1所述的一种基于介质集成同轴线的双极化宽带天线装置，其特征在于双极化天线采用共面带状线馈电，振子本身为平衡结构，共面带状线也为平衡结构，因此，二者之间便于连接，为了实现双极化的工作模式，对共面带状线进行弯折处理，在垂直高度上两个极化端口互相隔离，解决了双极化印刷振子天线交叉遮挡问题，可实现方便的装配。

3.根据权利要求1所述的一种基于介质集成同轴线的双极化宽带天线装置，其特征在于介质集成同轴线与共面带状线的连接采用质集成同轴线的外导体的渐变切角结构，该结构是一个同轴线渐变巴伦，由于CPS馈电的双极化振子天线属于平衡天线，而同轴电线属于不平衡传输线，若将其直接连接，同轴电缆的外导体就有高频电流流过，会影响天线的辐射，所以就要在天线和电缆之间加入平衡-不平衡转换器，把流入电缆屏蔽层外部的电流屏蔽掉，巴伦即是一种将平衡双导线接到非平衡同轴线的器件。

4.根据权利要求1所述的一种基于介质集成同轴线的双极化宽带天线装置，其特征在于在介质集成同轴线与微带线的连接中，引入了一段渐变式阻抗匹配电路，实现同轴线到微带线的转换，微带线再与同轴线连接。该结构可以实现较宽频带范围内的阻抗变换，降低输入端口的电压驻波比，实际上是一个介质集成同轴线到微带线的转换接头。转换接头的尺寸和结构由全波电磁仿真计算获得。