CN108258401A - 一种基于sicl谐振腔缝隙的非对称双极化天线装置 - Google Patents

一种基于sicl谐振腔缝隙的非对称双极化天线装置 Download PDF

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张敏
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王静
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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SICL谐振腔缝隙的非对称双极化天线装置，其特征在于由介质集成同轴线谐振器腔体缝隙天线和宽带E形微带贴片天线复合而成，二者之间为层叠结构，均由印刷电路技术实现，采用介质集成同轴线谐振器腔体缝隙天线构成一个极化端口，采用宽带E形微带贴片天线作为与之正交的极化端口，两个极化端口之间是非对称的，二者在空间形成正交的辐射场，可产生双极化的工作模式，本发明设计的双极化天线结构简单，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。

Description

一种基于SICL谐振腔缝隙的非对称双极化天线装置
技术领域：
本发明涉及双极化天线传感器装置技术领域，具体的说是一种基于SICL谐振腔缝隙的非对称双极化天线装置。
背景技术：
极化作为电磁波的本质属性，是幅度、频率、相位以外的重要基本参量，描述了电磁波的矢量特征，即电场矢端在传播截面上随时间变化的轨迹特性。对雷达极化信息的开发利用已经涉及电磁波辐射、传播、散射、接收与处理等与雷达探测相关的全过程。
双极化天线是一种实现极化敏感阵列的有效方式。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。
缝隙天线是在金属体表面开缝，所开缝隙必须截断金属壁表面电流，表面电流的一部分绕过缝隙，而另一部分以位移电流的形式沿原方向流过缝隙，位移电流的电力线将向外空间辐射。缝隙天线可以看成是由许多缝隙元组成的。缝隙的辐射原理可以通过一个理想开缝天线模型加以说明，将缝隙等效为一个磁振子天线，认为它是具有磁流源的天线，利用对偶性原理，磁振子的辐射可以通过电振子的辐射来类比。缝隙波导阵列天线具有主瓣宽度窄、交叉极化电平低等优异特性，是一种重要的微波天线可广泛应用于雷达和通信系统中。但是金属波导的体积大、重量很重、造价昂贵，而且加工完成后还需要通过调谐修正误差。而将传统的矩形波导缝隙天线的设计概念移植到基片集成传输线上同样可以形成缝隙天线阵列，并且获得足够的增益和较小的旁瓣电平。金属底面上的缝辐射器能向基片上下两个方向同时辐射电磁能量，在实际应用中，由于电路布局的原因，天线常常需要安装在某个平台之上。向下辐射的电磁波可能会影响系统中其它组件的性能，同时反射回来的电磁波对天线本身也会有影响。因此当需要天线单向辐射时，通常在缝的后面加一个金属腔或者反射壁来抑制向下辐射的电磁波，从而解决电磁兼容问题。
背腔天线一般由一个金属腔体和激励源组成，而中间的激励源和背腔的形状可以有多种形式。关于背腔天线的研究从二十世纪五十年代开始，目前在各微波频段利用背腔天线已实现线极化、圆极化、双极化等形式的天线单元或阵列。在用背腔天线实现圆极化的设计中一般情况为由背腔的激励源形成圆极化，背腔的作用为稳定方向图，抑制后瓣辐射，提高天线增益。腔体可以认为是一个谐振腔，可以通过分析腔内的本征模求得腔内电场分布。但是相对于一般的封闭式的谐振腔，腔体天线有着独特的性质，例如有能量辐射、腔内电场扰动、谐振频率偏移和模式谱变窄等。
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。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。
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，作为双极化天线传感器装置，具有较为重要的实际应用价值的基于SICL谐振腔缝隙的非对称双极化天线装置。
本发明可以通过以下措施达到：
一种基于SICL谐振腔缝隙的非对称双极化天线装置，其特征在于由介质集成同轴线谐振器腔体缝隙天线和宽带E形微带贴片天线复合而成，二者之间为层叠结构，均由印刷电路技术实现，采用介质集成同轴线谐振器腔体缝隙天线构成一个极化端口，采用宽带E形微带贴片天线作为与之正交的极化端口，两个极化端口之间是非对称的，二者在空间形成正交的辐射场，可产生双极化的工作模式。
本发明所述介质集成同轴线谐振器腔体缝隙天线设有基于介质集成同轴线的金属底板，金属底板上设有介质集成同轴线的腔体，腔体上设有缝隙，介质集成同轴线金属底板上设有介质集成同轴线的金属过孔阵列，金属过孔阵列排列为矩形，金属过孔阵列位于介质集成同轴线腔体内，介质集成同轴线腔体内设有介质集成同轴线的介质基板，且设有中心导体带条，中心导体带条上设有介质集成同轴线馈电位置。
本发明所述E型贴片天线微带天线是指在微带贴片上开两个对称的槽，其中L,W,H分别是天线的长、宽和高，Ls，和Ws分别是开槽的长和宽，P是两槽中心至贴片中心的距离，x是馈电点的位置；通过调节槽的位置、长度和宽度，可以调整天线的谐振频率和带宽；E型微带天线由于开槽使天线从一个单谐振的LC回路变成双谐振LC回路；这两个谐振回路耦合在-起，可实现频带的展宽；E形微带贴片天线放置于介质集成同轴线金属外表面的上方，与介质集成同轴线紧密相接触，保持了低剖面的优点，E形贴片的输出端引入了宽带阻抗变换段，该阻抗变换段为渐变式结构，设计简单，输出端为特性阻抗为50欧姆的微带线，方便与同轴线连接；E形贴片的远区辐射场与基于介质集成同轴线腔体缝隙的辐射场是正交的。
本发明两个极化端口的辐射机理不同，它们都方便设计成小型化的模式，便于构成小型化的双极化单元，减少了双极化天线的设计难度，两个极化单口之间的隔离度容易控制，交叉极化电平便于改善，适合于组成相控阵天线阵列；两个极化端口采用不同类型的天线辐射器，它们各自在远场空间形成一种极化方式的电磁场结构，二者产生的电磁场极化互相正交，实现极化分集或者正交双极化通道，由于两个极化端口的天线辐射器类型不同，它们之间在辐射功率方向图方面会略有不同，但是在主辐射方向上满足电磁场的正交要求，同时，采用非对称的方案设计双极化天线，两个极化辐射器之间的隔离度以及单个极化辐射器的交叉极化电平易于控制调节和控制；非对称双极化天线的设计相对于传统对称双极化设计过程得到简化，结构设计更为灵活。
综上所述，本发明提出了一种基于介质集成同轴线谐振器腔体缝隙的非对称双极化天线装置，产生两个正交辐射场的天线辐射器分别为基于介质集成同轴线谐振器腔体的缝隙天线和E型微带贴片天线；两个极化端口的天线辐射器类型不同，馈电方式灵活，工程上易于实现两极化端口隔离度和交叉极化电平的调节；整个非对称双极化的天线为平面型的印刷电路结构，保持了双极化低剖面的性能。本发明设计的双极化天线结构简单，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是基于介质集成同轴线腔体缝隙的非对称式双极化天线几何结构模型。
附图3是基于介质集成同轴线腔体缝隙天线的三维电磁结构模型。
附图4是介质集成同轴线腔体内部结构图。
附图5是E形微带贴片天线的结构示意图。
附图6是本发明实施例中端口1的电压驻波比仿真结果。
附图7是本发明实施例中端口2的电压驻波比仿真结果。
附图8是本发明实施例中端口1和2之间隔离度的仿真结果。
附图9是本发明实施例在中心在频率处的辐射特性仿真结果。
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是本发明实施例在中心在高频处的辐射特性仿真结果。
附图标记：1为介质集成同轴线的腔体，2为介质集成同轴线腔体的缝隙；3为E型微带天线单元部分，4为基于介质集成同轴线的金属地板，5为介质集成同轴线的金属过孔阵列，6为介质集成同轴线的介质基板，7为介质集成同轴线的中心导体带条，8为介质集成同轴线腔体馈电位置。
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腔体缝隙的非对称双极化天线系统装置，本天线装置引入非对称端口结构的双极化天线设计方案，基本思想是设计一种平面形和集成化的双极化天线结构，两个极化端口可采用不同类型的天线辐射器，它们各自在远场空间形成一种极化方式的电磁场结构，二者产生的电磁场极化互相正交，实现极化分集或者正交双极化通道。由于两个极化端口的天线辐射器类型不同，它们之间在辐射功率方向图方面会略有不同，但是在主辐射方向上满足电磁场的正交要求，同时，采用非对称的方案设计双极化天线，两个极化辐射器之间的隔离度以及单个极化辐射器的交叉极化电平易于控制调节和控制；非对称双极化天线的设计相对于传统对称双极化设计过程得到简化，结构设计更为灵活。本发明设计的非对称双极化天线由介质集成同轴线谐振器腔体缝隙天线和宽带E形微带贴片天线组成，两个极化辐射器为不同类型的天线类型，但是它们均采用印刷电路技术实现，都是平面型结构，因此，本发明设计的非对称双极化天线仍然是平面型双极化天线，介质集成同轴线谐振器腔体缝隙天线和宽带E形微带贴片天线层叠在一起，保持了低剖面特性，两种天线可采用小型化设计，组成结构紧凑的双极化单元，可用于双极化天线阵列等场合。
背腔天线一般由一个金属腔体和激励源组成，而中间的激励源和背腔的形状可以有多种形式。目前在各微波频段利用背腔天线已实现线极化、圆极化、双极化等形式的天线单元或阵列。背腔的作用为稳定方向图，抑制后瓣辐射，提高天线增益。目前基于基片集成波导(SIW)的研究已经遍布各种微波器件，如微波毫米波滤波器、定向耦合器、功分器、放大器及各种天线。已有的方式是将基片集成波导用在背腔天线中主要有两种方式，第一种为利用周期排列的金属化过孔作为背腔天线的腔体，相对传统金属腔体可有效实现天线小型化和提高的天线集成度；第二种为利用SIW缝隙天线作为背腔天线的激励源，从而有效降低馈电部分的复杂度和减小馈电部分的辐射损耗等，利于天线组阵。当基片集成波导中的周期性金属化过孔的排列规律满足一定的条件的时候，基片集成波导就可以等效为介质填充的传统金属波导，所以基片集成波导缝隙天线即可按照矩形金属波导缝隙天线原理设计。基片集成同轴线(Substrate Integrated Coaxial Line，SICL)是一种新型的平面传输线，它在结构上与传统的同轴线相似，具有损耗低、辐射小、电路之间的互耦小、体积小、非色散性等众多优点，特别是它可以使用传统的PCB和LTCC工艺加工，在大批量生产等方面优势明显。以SCIL为微波传输线，可以为设计许多新的微波天线与器件提供解决途径。基于同轴线谐振腔理论，在SICL表面开槽可形成缝隙辐射，这为设计缝隙天线提供了一种技术方案。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1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。
本发明以SICL为基础，提出一种采用SICL谐振器表面开槽的缝隙天线和宽带E微带贴片天线组合式的非对称双极化天线方案，设计的基于介质集成同轴线腔体缝隙的非对称式双极化天线几何结构模型如图2所示，在图2中，1为介质集成同轴线的腔体，2为介质集成同轴线腔体的缝隙；3为E型微带天线单元部分。同轴线是全封闭结构，非色散性，由于其不容易实现与平面电路集成，因此难以在微波毫米波电路中使用。SICL作为一种平面结构的同轴线，具有类似传统同轴线的性能，同时可以实现平面传输线的特性。SICL是多层PCB，包括上下导体板、内导体、金属化过孔阵列及介质。图3所示为基于介质集成同轴线腔体缝隙天线的三维电磁结构模型，在图3中，4为基于介质集成同轴线的金属地板，5为介质集成同轴线的金属过孔阵列。图4所示为介质集成同轴线腔体内部结构图，注：在图4中，6为介质集成同轴线的介质基板，7为介质集成同轴线的中心导体带条，8为介质集成同轴线腔体馈电位置。基于介质集成同轴线的腔体缝隙天线构成非对称双极化天线的一个极化端口，腔体缝隙可等效为一个磁流在辐射，在远场区，它辐射一个近似线极化的电磁场，与E形微带贴片的辐射场正好形成极化正交关系。为了实现天线的高辐射效率和单一工作模式，在选择介质基板条件下，腔体的长度、宽度、缝隙的长度、位置和缝隙宽度需要采用全波电磁仿真技术优化实现。
微带天线具有成本低、剖面低、重量轻、易于共形等诸多优点，被广泛应用于各种通信系统。微带天线阻抗带宽很窄，必须展宽其带宽。贴片上开槽的方法：如开U形槽、H形槽、v形槽等，可以形成多频谐振以展宽天线的带宽。E形微带天线的提出对微带天线的宽带化设计具有重要的意义，E型贴片天线微带天线是指在微带贴片上开两个对称的槽。这样实现了天线的双频特性。天线开槽的位置需要大量的试验。E型贴片微带天线的结构如图5所示，L,W,H分别是天线的长、宽和高，Ls，和Ws分别是开槽的长和宽，P是两槽中心至贴片中心的距离，x是馈电点的位置。通过调节槽的位置、长度和宽度，可以调整天线的谐振频率和带宽。对于贴片微带天线，其辐射激励可以等效为一个简单的LC谐振回路，L和C的值由电流在导体表面流经的长度决定。E型微带天线由于开槽使天线从一个单谐振的LC回路变成双谐振LC回路；这两个谐振回路耦合在-起，可实现频带的展宽。在本发明中，设计的E形微带贴片天线放置于介质集成同轴线金属外表面的上方，与介质集成同轴线紧密向基础，保持了低剖面的优点，E形贴片的输出端引入了宽带阻抗变换段，该阻抗变换段为渐变式结构，设计简单，输出端为特性阻抗为50欧姆的微带线，方便与同轴线连接。根据图2的结构配置，E形贴片的远区辐射场与基于介质集成同轴线腔体缝隙的辐射场是正交的。
实施例：
本发明设计了一个具体的基于介质集成同轴线谐振腔体缝隙的非对称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谐振腔体缝隙的非对称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6和图7所示。端口1与端口2之间的隔离度如图8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9所示。在两个极化端口上，设计的基于SICL腔体缝隙的双极化天线的辐射增益分别约为5.9dB和5.8dB，主辐射方向轴比大于30dB，交叉极化电平满足要求。对于极化端口1，设计的基于SICL腔体缝隙的双极化天线在xoy面和yoz面内的波束宽度分别约为82.3度和110.6度；对于极化端口2，设计的基于SICL腔体缝隙的双极化天线在xoy面和yoz面内的波束宽度分别约为77.7度和87.6度。
图9基于SICL腔体缝隙的双极化天线在中心在频率处的辐射特性仿真结果
在低频f1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SICL腔体缝隙的双极化天线的辐射增益分别约为5.8dB和5.9dB，主辐射方向轴比大于30dB，交叉极化电平满足要求。对于极化端口1，设计的基于SICL腔体缝隙的双极化天线在xoy面和yoz面内的波束宽度分别约为82.3度和108.6度；对于极化端口2，设计的基于SICL腔体缝隙的双极化天线在xoy面和yoz面内的波束宽度分别约为81.4度和88.9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11所示。在两个极化端口上，设计的基于SICL腔体缝隙的双极化天线的辐射增益分别约为6.3dB和6.1dB，主辐射方向轴比大于30dB，交叉极化电平满足要求。对于极化端口1，设计的基于SICL腔体缝隙的双极化天线在xoy面和yoz面内的波束宽度分别约为82.6度和110.9度；对于极化端口2，设计的基于SICL腔体缝隙的双极化天线在xoy面和yoz面内的波束宽度分别约为76.3度和86.1度。
综上所述，本发明提出了一种基于介质集成同轴线谐振器腔体缝隙的非对称双极化天线装置，产生两个正交辐射场的天线辐射器分别为基于介质集成同轴线谐振器腔体的缝隙天线和E型微带贴片天线；两个极化端口的天线辐射器类型不同，馈电方式灵活，工程上易于实现两极化端口隔离度和交叉极化电平的调节；整个非对称双极化的天线为平面型的印刷电路结构，保持了双极化低剖面的性能。本发明设计的双极化天线结构简单，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。

Claims (4)

1.一种基于SICL谐振腔缝隙的非对称双极化天线装置，其特征在于由介质集成同轴线谐振器腔体缝隙天线和宽带E形微带贴片天线复合而成，二者之间为层叠结构，均由印刷电路技术实现，采用介质集成同轴线谐振器腔体缝隙天线构成一个极化端口，采用宽带E形微带贴片天线作为与之正交的极化端口，两个极化端口之间是非对称的，二者在空间形成正交的辐射场，可产生双极化的工作模式。
2.根据权利要求1所述的一种基于SICL谐振腔缝隙的非对称双极化天线装置，其特征在于所述介质集成同轴线谐振器腔体缝隙天线设有基于介质集成同轴线的金属底板，金属底板上设有介质集成同轴线的腔体，腔体上设有缝隙，介质集成同轴线金属底板上设有介质集成同轴线的金属过孔阵列，金属过孔阵列排列为矩形，金属过孔阵列位于介质集成同轴线腔体内，介质集成同轴线腔体内设有介质集成同轴线的介质基板，且设有中心导体带条，中心导体带条上设有介质集成同轴线馈电位置。
3.根据权利要求1所述的一种基于SICL谐振腔缝隙的非对称双极化天线装置，其特征在于所述E型贴片天线微带天线是指在微带贴片上开两个对称的槽，其中L,W,H分别是天线的长、宽和高，Ls，和Ws分别是开槽的长和宽，P是两槽中心至贴片中心的距离，x是馈电点的位置；通过调节槽的位置、长度和宽度，可以调整天线的谐振频率和带宽；E型微带天线由于开槽使天线从一个单谐振的LC回路变成双谐振LC回路；这两个谐振回路耦合在-起，可实现频带的展宽；E形微带贴片天线放置于介质集成同轴线金属外表面的上方，与介质集成同轴线紧密相接触，保持了低剖面的优点，E形贴片的输出端引入了宽带阻抗变换段，该阻抗变换段为渐变式结构，设计简单，输出端为特性阻抗为50欧姆的微带线，方便与同轴线连接；E形贴片的远区辐射场与基于介质集成同轴线腔体缝隙的辐射场是正交的。
4.根据权利要求1所述的一种基于SICL谐振腔缝隙的非对称双极化天线装置，其特征在于两个极化端口的辐射机理不同，它们都方便设计成小型化的模式，便于构成小型化的双极化单元，减少了双极化天线的设计难度，两个极化单口之间的隔离度容易控制，交叉极化电平便于改善，适合于组成相控阵天线阵列；两个极化端口采用不同类型的天线辐射器，它们各自在远场空间形成一种极化方式的电磁场结构，二者产生的电磁场极化互相正交，实现极化分集或者正交双极化通道，由于两个极化端口的天线辐射器类型不同，它们之间在辐射功率方向图方面会略有不同，但是在主辐射方向上满足电磁场的正交要求，同时，采用非对称的方案设计双极化天线，两个极化辐射器之间的隔离度以及单个极化辐射器的交叉极化电平易于控制调节和控制；非对称双极化天线的设计相对于传统对称双极化设计过程得到简化，结构设计更为灵活。
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