CN108258406B - 一种毫米波极化探测辐射计 - Google Patents
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Abstract
一种毫米波极化探测辐射计，至少包括有四层结构，从上至下分别为所述覆盖层、第一金属层、介质基板以及第二金属层；其特征在于，所述第一金属层上设置有上排第一极化辐射单元以及下排第二极化辐射单元，所述第一极化辐射单元以及所述第二极化辐射单元呈周期性规则的排列；兼顾了传统线极化以及圆极化在辐射系统中的优势性能，将圆极化和线极化波通过合理设计发挥出最佳性能，创造性的将其设置在同一基片集成波导上，在毫米波波段内形成比较完善的扫测工作性能，并且解决了传统辐射阵列需要的复杂组件和构造，在不影响方向性的情况下能够有效抑制副瓣，牵制副瓣电流，获得良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于无线通信领域，更具体的说，涉及一种用于目标探测的极化辐射计。
背景技术
随着微波技术的发展，现代微波技术的研究正在进入频谱资源更加丰富的毫米波频段，当前毫米波技术的研究已经覆盖了通信，遥感，医疗等诸多领域。毫米波烟感探测技术可利用电磁波的反射、折射等特性对被测目标实现定位、追踪、测距等功能，在气象、军事以及当前热门的无人驾驶等领域有着重要的应用价值。
早先的现有技术中对毫米波目标探测识别的应用研究主要还集中在相控阵雷达、多天线扫测等，主要集中在一些军事应用中；后来发展到近代，国内一些专家学者逐渐开始研究波导缝隙阵列、基片集成波导等相关领域，实现不少关于宽角度、低副瓣的天线案例。基片集成波导的选择日趋增多还得益于现有电子设备的逐渐微型化需求，在微型化的设备中，空间变得日益拥挤，弥足珍贵，易于系统集成往往能够决定器件是否能使用。
当前学者们提出的不少毫米波探测识别辐射计中，往往通过复杂的慢波结构进行重复累加或者大规模叠阵设置，这样可以获得更好的增益效果和更高扫测分辨率，但是复杂的机构往往容易导致难于集成，出现问题之后也较难发现，及时通过强制集成的方法，辐射计的扫测角度、增益稳定性都会打折扣，无法实现稳定的测扫功能。
另外，当前使用在目标识别信号传送的极化方式有两种标准：线极化和圆极化，利用垂直极化(v)与水平极化(H)、左旋圆极化(L)和右旋圆极化(R)，圆极化波在雨、雪、大气中的衰减小，穿透电离层能力强，不受地球两极磁场产生的法拉第效应，安装调试简单(不用调整极化)；而制造性能较好的线极化高频头比圆极化要容易的多，其效率较高，线极化10GHz以上频段法拉第效应甚微，在中纬度地区广泛应用，缺点是需调整极化。
所以当前诸多辐射计在用于极化辐射时，为了能够兼顾获得的两种辐射极化效果，也存在相当多的多极化辐射计结构，例如选择调节入射电磁波的入激信号相位及幅度，实现线极化或圆极化的辐射，然而工作时都仅仅限于一种极化电磁波的辐射，同时列出两种或者多种极化的辐射计仍未出现，这限制了不同极化电磁波识别的作用空间。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于目标探测的极化辐射计，用于解决上述技术问题，改善了传统大规模阵列的复杂度，简化模型并设计简单、性能完备的扫测设备。
本发明提出一种毫米波极化探测辐射计，至少包括有四层结构，从上至下分别为所述覆盖层、第一金属层、介质基板以及第二金属层；其特征在于，所述第一金属层上设置有上排第一极化辐射单元以及下排第二极化辐射单元，所述第一极化辐射单元以及所述第二极化辐射单元呈周期性规则的排列；
所述毫米波极化探测辐射计的第一金属层上还设置有双输入端口定向耦合器单元，该定向耦合器的输入端口分别对接所述第一极化辐射单元以及所述第二极化辐射单元；所述第一金属层上设有若干金属通孔，若干金属通孔透过所述介质基板连接所述第二金属层。
优选的，所述第一金属层上的一排第一极化辐射单元包括有9个弯折缝隙单元，所述9个弯折缝隙单元为刻蚀在第一金属层上的弯折缝隙结构，所述9个弯折缝隙单元按照缝隙尺寸的宽度周期性进行排列，使得当辐射计馈入信号时能够产生线极化扫描电磁波；
所述弯折缝隙单元结构类似由两个“U”型槽通过“一”字型槽进行连接，所述槽的端口部位以及外侧拐角弯折处，都使用切角弯折结构，有益于电磁波能量的衍射，提升辐射计整体增益；
所述弯折缝隙单元的缝隙槽的切角弯折角度θ为45-60度，所述“U”型槽的外侧边长度为a，其与“U”型槽外底边长相等，所述“一”字槽的外侧长度也与该外底边长相等；所述“U”型槽相邻的两侧边之间的距离相等，距离为b；所述“U”型槽的非切角部分的缝隙宽度相等，尺寸为f；其中f<b<2f<a<3f。
优选的，所述第一金属层上的另一排第二极化辐射单元包括有9个交叉缝隙单元，所述9个交叉缝隙单元为刻蚀在第一金属层上的交叉缝隙结构，所述9个弯折缝隙单元按照缝隙尺寸的宽度周期性进行排列，使得当辐射计馈入信号时能够产生圆极化扫描电磁波；
所述交叉缝隙单元为一“十”字型结构，由两条垂直平分的等宽缝隙交叉而成，所述交叉缝隙单元的缝隙宽度为m，所述交叉缝隙单元的缝隙长度为m+2n，其中n为所述“十”字型缝隙结构一枝的长度。
优选的，所述交叉缝隙单元以及所述弯折缝隙单元的排列规则为：9个缝隙单元分别有三种规格的尺寸，按照尺寸由小到大，再由大到小排列。
优选的，所述第二金属层的两翼设置有裙边，该裙边可以向上或者向下进行弯折。
优选的，所述定向耦合器包括有两个馈电输入口，第一输入口与下方介质基板以及第二金属层之间形成一馈电端面，第二输入口与下方介质基板以及第二金属层之间形成另一馈电端面，所述定向耦合器与第一输入口对应的与第一辐射单元对接的为线极化馈电微带端，所述定向耦合器与第二输入口对应的与第二辐射单元对接的为圆极化馈电微带端；
优选的，所述定向耦合器中设置有一菱形结构的调谐单元，调谐单元对两输入口之间的隔离起到提升作用，针对不同信号的选择分析，可以设置不同调谐单元结构，调谐单元优选的通过设置金属通孔规律的排列而成。
优选的，所述弯折缝隙单元的缝隙槽的切角弯折角度θ优选为45-60度。
本发明的有益效果为：兼顾了传统辐射计在线极化以及圆极化在辐射系统中的优势性能，将圆极化和线极化波通过合理设计发挥出最佳性能，创造性的将其设置在同一基片集成波导上，在毫米波波段内形成比较完善的扫测工作性能，并且解决了传统辐射阵列需要的复杂组件和构造，在不影响方向性的情况下能够有效抑制副瓣，牵制副瓣电流，获得良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明辐射计外结构的侧视图
图2是本发明辐射计第一金属层上的缝隙单元及通孔排列布局
图3是本发明辐射计介质基板上的通孔布局
图4是本发明辐射计两种辐射缝隙单元的排列布局
图5是本发明辐射计弯折缝隙单元的结构设计图
图6是本发明辐射计弯折缝隙单元的其他可替代方式
图7是本发明辐射计交叉缝隙单元的结构设计图
图8是本发明辐射计工作的频率响应图谱。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，所以图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
传统的目标扫测辐射计通常由多个辐射单元或者多组辐射阵列组成，利用功分结构将多个辐射单元并列成均匀平面阵列，实现辐射计的频率环扫，利用馈电端口相位及幅度的调节，使得辐射计在远场区主辐射波束偏离原方向，与辐射波束指向频率对应。正常的大气环境或者辐射计工作的系统环境中，辐射计容易受到外界的影响，这就要求辐射计本身需要良好的频域特性或者极化特性，较低的透波反射、较高接收率、较低的副瓣、稳定有效的方向性都很必要。
本申请方案中，多个辐射缝隙单元设置排列成直线阵列，极化辐射在远场区主辐射波束的最大波束方向是由多个辐射缝隙单元在远场处的相叠加方向，不同之处在于，本申请的辐射缝隙结构采用了非同尺寸结构，通过对不同尺寸的缝隙的周期排列好处在于，可以实现更宽的扫测角度以及更好的增益效果。线性阵列中同一相位的结构参数馈电结构包括同尺寸的辐射缝隙单元，其产生的相位差为φ=
，其中L是馈线长度相位差，λg是馈电工作波长，当馈电长度不变时，调节入激电信号的变化，会导致相位差的差异；当入激信号保持稳定时，如果馈电长度发生了变化，会引起同样的相位调节效果；当周期性的变化辐射缝隙结构时，等效于转化在每个馈电缝隙上的馈线长度发生了规律性的变化，造成辐射计在远场区的主波束辐射变化。
参见附图1，本发明的一种毫米波极化探测辐射计，至少包括有四层结构，从上至下分别为覆盖层4、第一金属层1、介质基板2以及第二金属层3；附图2中可见，所述第一金属层1上设置有一排第一极化辐射单元以及另一排第二极化辐射单元，所述第一极化辐射单元以及第二极化辐射单元呈周期性规则排列；该周期性的排列规律使得辐射计的两排可以实现两种极化模式，其中，所述第一金属层1上的一排第一极化辐射单元包括有9个弯折缝隙单元7，所述9个弯折缝隙单元7为刻蚀在第一金属层1上的弯折缝隙结构，所述9个弯折缝隙单元7按照缝隙尺寸的宽度周期性进行排列，使得当辐射计馈入信号时能够产生线极化扫描电磁波；实施例中弯折缝隙单元7有三种尺寸结构，三种尺寸结构默认按照由小到大、再由大到小进行循环排列，这样排列的好处在于能够激发远场区辐射缝隙波束之间更强的叠加耦合，有效提升辐射计在毫米波段内的辐射增益，改善一般辐射阵列需要的多天线多馈入的复杂辐射结构，通过使用简单的结构实现需要的扫测效果。
覆盖层4可以是硬质介质层，也可以选择柔性薄膜，对第一金属层进行覆盖保护，选材的介电常数优选不高于2，否则可能会对辐射性能产生恶性影响；第二金属层3优选使用两翼带有裙边的金属层，裙边可以向上弯折，也可以向下进行折叠包裹填充介质层，增大了接地反射的面积，对远场的扫测角度有所裨益，有效增大目标扫测的成功率。
图2中，所述毫米波极化探测辐射计的第一金属层1上还设置有双输入端口定向耦合器单元11，该定向耦合器的输入端口21/22，分别对接所述第一极化辐射单元以及所述第二极化辐射单元；所述第一金属1上设有若干金属通孔5，若干金属通孔透过所述介质基板2连接所述第二金属层3。
图3中，该定向耦合器11包括有两个馈电输入口，输入口21与下方介质基板以及第二金属层之间形成一馈电端面，输入口22与下方介质基板以及第二金属层之间形成另一馈电端面，定向耦合器11与输入口21对应的与第一辐射单元对接的为线极化馈电微带端，定向耦合器11与输入口22对应的与第二辐射单元对接的为圆极化馈电微带端；
所述定向耦合器中设置有一菱形结构的调谐单元23，调谐单元23对两输入口之间的隔离起到提升作用，针对不同信号的选择分析，可以设置不同调谐单元结构，调谐单元优选的通过设置金属通孔规律的排列而成。
在微带馈电端口处设置矩形槽开口6，靠近第一金属层1两侧的金属通孔设置的纵向距离不超过开口6的深度。上下两排金属通孔的设置起到了传统波导两个侧壁的等效效果，通过选取适当的孔间距离，能保证从通孔间尽量少的泄露电磁波，实现在两排金属通孔内进行电磁波的良好传输效果。参见附图3中的放大图，两个相邻金属通孔的孔径距离为s，金属通孔的直径为r，传统上一般设置s <λ/5时能够取得良好的防缝隙内泄露，λ为工作波长；本申请中设置λ/12<s <λ/8，r=s/2，本实施例中优选r=0.2mm，获得较好的类似波导封闭特性，另外在制作上也能兼顾保证精度，介质基板上的通孔设置也是考虑的一个因素之一，过高的制作工艺容易导致成品良率过低，本申请优选使用LTCC材质作为介质基板，以保证制作的成品良率。
图4中可见，弯折缝隙单元7与交叉缝隙单元8在进行等效辐射场计算时，简化等效成一点辐射时，在横向上辐射缝隙单元在同一等效直线上（参见H1和H2），在纵向上，交叉缝隙单元与对应的弯折缝隙单元在同一等效直线上（参见S1、S2和S3）。纵向直线S1和S2之间的间距为h1，纵向直线S2和S3之间的间距为h2，虽然在等效模型计算时，将两种缝隙单元进行了简化等同，但是在实际实测效果时仍然需要考虑到缝隙间距以及缝隙实际大小的实时影响，缝隙间距z1、z2、y1和y2以及等效直线间距h1、h2的设置都会对电磁波辐射的相位产生影响，本申请中优选的设置hi≤zi+yi（其中i=1或2），这样能够获取比较折中的增益和扫测角度，实施例中优选z1范围为0.3-1.5mm，z2范围为0.6-2.0mm，y1范围为0.4-1.8mm，y2范围为1.0-2.2mm；两条横向直线间的间距为h3，h3的大小优选为所述第一金属层宽度的一半，或者略小于一半。
参见图5，所述弯折缝隙单元7结构类似由两个“U”型槽通过“一”字型槽进行连接，所述槽的端口部位以及外侧拐角弯折处，都使用切角弯折结构，有益于电磁波能量的衍射，提升辐射计整体增益；外侧的直角弯折，容易引起反射损耗，反射损耗是一种常见于弯折慢反射中的恶性损耗，此处设计将垂直反射角设置为45°慢反射角，有益于改善恶性反射，使得馈入激励能够良好的在弯折空间中进行过渡传输，实现较好的增益效果。从后期的测量结果来，整个反射损耗会因此降低20-30%左右，优选的还可以选择使用图6中的圆滑过渡，所起的过渡传输效果作用会进一步提升。
所述弯折缝隙单元的缝隙槽的切角弯折角度θ优选为45-60度，经测试，该范围内信号的反射损耗抑制效果较好；所述“U”型槽的外侧边长度为a，其与“U”型槽外侧底边长相等，所述“一”字槽的外侧长度也与底边长相等；所述“U”型槽相邻两侧边的距离相等，为b；所述“U”型槽的内侧边长度为c；“U”型槽端口斜切边的长度为d，斜切后剩余边长的长度为e；所述“U”型槽的非切角部分的缝隙宽度相等为f；其中f<b=c<2f<a<3f，d=
e，a=f/2+c，f=3e。本申请实施例中优选f的大小范围为0.1-0.3mm。
所述第一金属层1上的另一排第二极化辐射单元包括有9个交叉缝隙单元8，所述9个交叉缝隙单元为刻蚀在第一金属层1上的交叉缝隙结构，所述9个弯折缝隙单元8按照缝隙尺寸的宽度周期性进行排列，使得当辐射计馈入信号时能够产生圆极化扫描电磁波；实用中，圆极化波在各类的恶劣环境中的衰减较小，穿透电离层能力也比较强强，不受地球两极磁场产生的法拉第效应，安装调试简单，不用调整极化角度，接收性能也非常稳定，受到设计者的青睐。
传统的波导缝隙阵中，或者常见的智能辐射阵列中，在波导的适当位置开设十字型缝隙，实现圆极化已经较为常见，十字型缝隙切割了电流线时产生横向和纵向电流，在波导的内部形成纵向和横向的90°激励相位差，辐射波自然出现圆极化特性。
本发明中也优选采用该十字型结构特征，如图2或7中所述交叉缝隙单元为一“十”字型结构，由两条垂直平分的等宽缝隙交叉而成，所述交叉缝隙单元的缝隙宽度为m，所述交叉缝隙单元的缝隙长度为m+2n，其中n为所述“十”字型缝隙结构一枝的长度，本案实施例中优选n的结构尺寸范围为0.25-0.75mm，m=f。
参见图5，与弯折缝隙产生的线极化波类似，通过对基片集成表面的感应电流切割辐射，辐射计馈入信号时十字交叉单元能够产生圆极化扫描电磁波。本发明中的9个交叉缝隙单元8也按照缝隙尺寸的宽度周期性进行排列，实施例中交叉缝隙单元8有三种大小的尺寸结构，三种尺寸结构默认按照由小到大、再由大到小循环进行排列，这样排列的好处在于能够激发远场处辐射缝隙信号之间更强的叠加耦合，不但具有简单的增益叠加，由于毫米波天线的空间已经非常有效，通过不同尺寸缝隙的间隔也能巧妙的利用缝隙间的耦合效应抑制副瓣，有效提升辐射计在毫米波段内的辐射增益，改善一般辐射阵列需要的多天线多馈入的复杂辐射结构，单排结构能实现-15°至65°左右的扫测宽度范围，通过使用简单的结构实现需要的扫测效果。
由于辐射计在设计时高度集成，第一金属层的尺寸优化至15.79mm*4.87mm，介质基板的厚度为0.35mm，工作频段较高，范围在30-35GHz左右，在保证良好辐射增益的同时，为此通常我们通过若干金属通孔设置在辐射单元的两侧以及中间部位，参见附图3，这样的确能够很好的维持电磁信号的低损耗以及相对高增益，然而对副瓣的抑制效果有限，但是实用中非常希望辐射器能够具有良好的副瓣特性，本案中通过对金属孔的位置进行适度设置，并同时设置调节缝隙9，通过调节缝隙9将上下两排辐射缝隙单元的副瓣进行耦合牵制，上排辐射的耦合感应电流以及下排的耦合感应电流进行互相导流，副瓣电流进行移植转化，获得良好的副瓣抑制效果。添加调节缝隙后（包括用于协助过渡传导的Y型排孔结构24），副瓣增益改善至-12 dBi至-15dBi左右。所述调节缝隙9，本申请中使用了两条平行等长的矩形缝隙，该缝隙尺寸以及距离可随工作频段进行灵活设置。
参见附图8，辐射计的工作频段在30-35GHz范围内的反射系数S11可完善至-20dB甚至更好，在该毫米波工作频段内，经测试在30-32GHz范围内归一化的增益最低也可以达到近23dB，整个辐射波段内的增益效果好，并且拥有较好的驻波系数。随着从30GHz左右的频率在爬升至35GHz过程中，辐射器可以探测前后角度在-15°至65°左右的范围内目标，实现了较宽扫测范围。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种毫米波极化探测辐射计，至少包括有四层结构，从上至下分别为覆盖层、第一金属层、介质基板以及第二金属层；其特征在于，所述第一金属层上设置有上排第一极化辐射单元以及下排第二极化辐射单元，所述第一极化辐射单元以及所述第二极化辐射单元呈周期性规则的排列；
所述毫米波极化探测辐射计的第一金属层上还设置有双输入端口定向耦合器单元，该定向耦合器的输入端口分别对接所述第一极化辐射单元以及所述第二极化辐射单元；所述第一金属层上设有若干金属通孔，若干金属通孔透过所述介质基板连接所述第二金属层；
所述第一金属层上的一排第一极化辐射单元包括有9个弯折缝隙单元，所述9个弯折缝隙单元为刻蚀在第一金属层上的弯折缝隙结构，所述9个弯折缝隙单元按照缝隙尺寸的宽度周期性进行排列，辐射计馈入信号时能够产生线极化扫描电磁波；
所述弯折缝隙单元结构由两个“U”型槽通过“一”字型槽进行连接，所述槽的端口部位以及外侧拐角弯折处，都使用切角弯折结构，有益于电磁波能量的衍射，提升辐射计整体增益；
所述弯折缝隙单元的缝隙槽的切角弯折角度θ为45-60度，所述“U”型槽的外侧边长度为a，其与“U”型槽外底边长相等，所述“一”字槽的外侧长度也与该外底边长相等；所述“U”型槽相邻的两侧边之间的距离相等，距离为b；所述“U”型槽的非切角部分的缝隙宽度相等，尺寸为f；其中f<b<2f<a<3f；
所述第一金属层上的另一排第二极化辐射单元包括有9个交叉缝隙单元，所述9个交叉缝隙单元为刻蚀在第一金属层上的交叉缝隙结构，所述9个弯折缝隙单元按照缝隙尺寸的宽度周期性进行排列，辐射计馈入信号时能够产生圆极化扫描电磁波；9个弯折缝隙单元及9个交叉缝隙单元分别按照缝隙尺寸的宽度周期性进行排列，所述弯折缝隙及交叉缝隙单元分别有三种大小的尺寸结构，三种尺寸结构默认按照由小到大、再由大到小循环进行排列；激发远场处辐射缝隙信号之间更强的叠加耦合，通过不同尺寸缝隙之间的间隔设置利用缝隙之间的耦合效应抑制副瓣，单排结构实现-15°至65°的扫测宽度；
所述交叉缝隙单元为一“十”字型结构，由两条垂直平分的等宽缝隙交叉而成，所述交叉缝隙单元的缝隙宽度为m，所述交叉缝隙单元的缝隙长度为m+2n，其中n为所述“十”字型缝隙结构一枝的长度；
所述定向耦合器中设置有一菱形结构的调谐单元，调谐单元对两输入口之间的隔离起到提升作用，针对不同信号的选择分析，设置不同调谐单元结构，调谐单元的通过设置金属通孔规律的排列而成。
2.如权利要求1中所述的毫米波极化探测辐射计，其特征在于，所述第二金属层的两翼设置有裙边，该裙边向上或者向下进行弯折。
3.如权利要求1-2中任一项所述的毫米波极化探测辐射计，其特征在于，所述定向耦合器包括有两个馈电输入口，第一输入口与下方介质基板以及第二金属层之间形成一馈电端面，第二输入口与下方介质基板以及第二金属层之间形成另一馈电端面，所述定向耦合器与第一输入口对应的与第一辐射单元对接的为线极化馈电微带端，所述定向耦合器与第二输入口对应的与第二辐射单元对接的为圆极化馈电微带端。
4.如权利要求3中所述的毫米波极化探测辐射计，其特征在于，所述弯折缝隙单元的缝隙槽的切角弯折角度θ为45-60度。
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