CN108987911B - 一种基于siw的毫米波波束赋形微带阵列天线及设计方法 - Google Patents

一种基于siw的毫米波波束赋形微带阵列天线及设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于毫米波微带阵列天线技术领域，公开了一种基于SIW的毫米波波束赋形微带阵列天线及设计方法；微带辐射层位于毫米波波束赋形微带阵列天线的上层介质基板的上表面，SIW馈电网络层位于毫米波波束赋形微带阵列天线的下层介质基板上，使用切比雪夫综合和锥形微带渐变线实现单侧串馈微带阵列，串馈微带阵列之间由隔离带分隔开；使用差分进化优化算法对方向图进行波束赋形，SIW馈电网络层的上表面开宽边横缝，SIW的馈电网络层由SIW‑缝隙‑微带线耦合结构、SIW功分器、SIW移相器和锥形SIW‑微带线转换器构成。本发明实现既不等幅又不同相馈电，实现微带阵列天线特定的赋形波束，解决传统的同相馈电很难具备赋形波束方向图的难题。

Description

一种基于SIW的毫米波波束赋形微带阵列天线及设计方法
技术领域
本发明属于毫米波微带阵列天线技术领域，尤其涉及一种基于SIW的毫米波波束赋形微带阵列天线及设计方法。
背景技术
目前，微带阵列天线在移动通信、卫星通信、广播、雷达、导航、车载设备、安防、电子对抗及射电天文等系统中有广泛应用。在微带天线的多种馈电形式中，耦合馈电能够实现较宽的天线带宽，并且由于馈电网络和辐射贴片相分离，使得馈电网络的设计也相对自由，其中，波导缝隙耦合馈电是微带阵列天线常用的一种馈电方式。具有代表性的是李进杰设计的一种波导缝隙耦合馈电微带天线阵，该天线工作在X波段，辐射层是串联馈电的微带贴片单元子阵，在矩形波导的上表面开宽边纵缝，通过缝隙将能量耦合到微带子阵上，耦合电流的相位相同，幅度为泰勒分布，馈电网络实现不等幅同相馈电，加权幅度使得天线的副瓣有效降低，得到的天线具有很强的方向性和较低副瓣电平。近年来，基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide，SIW)成为研究的热门方向，一般工作在高频频段，其传输特性与传统的矩形波导相类似，具有体积小、重量轻、低剖面、易与平面电路集成和易加工等优点。特别是在矩形波导缝隙耦合馈电微带天线中，由于矩形波导过大的体积造成了不容易与平面电路集成的现状，因此，使用基片集成波导来设计缝隙耦合馈电网络成为很好的选择。现有技术是Julien Hautcoeur和Khelifa Hettak等人提出用SIW对微带天线进行馈电，该天线阵列的上层是天线辐射层，以菱形贴片作为辐射单元；下层是SIW馈电网络层，在SIW上表面开宽边纵缝，缝隙间距为一个导波长，偏置位置一致，馈电网络是等幅同相馈电，该天线有效验证了SIW缝隙耦合馈电方法的正确性。
综上所述，目前的波导缝隙耦合馈电微带天线馈电网络一般使用不等幅同相馈电或等幅同相馈电，馈电网络未能实现既不等幅又不同相馈电，存在对微带阵列天线进行波束赋形时馈电网络设计较为复杂等问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于SIW的毫米波波束赋形微带阵列天线及设计方法。
本发明是这样实现的，一种基于SIW的毫米波波束赋形微带阵列天线，所述基于SIW的毫米波波束赋形微带阵列天线包括：上层介质基板、下层介质基板；
微带辐射层位于上层介质基板的上表面，SIW馈电网络层位于下层介质基板上；
微带辐射层排列多个串馈微带阵列，串馈微带阵列之间由隔离带分隔开；
进一步，所述串馈微带阵列选用边馈微带矩形贴片作为天线单元；每列串馈微带阵列周围增加金属隔离带和金属化通孔，最边缘的微带贴片与金属隔离带相连，并且金属化通孔把贴片与接地板相连接。
SIW馈电网络层上表面开有宽边横缝，能量通过缝隙耦合到微带线上，缝隙与短路面相距二分之一个SIW导波长，微带线位于缝隙的上方，并且与缝隙垂直；
进一步，所述SIW馈电网络层的结构包括：锥形SIW-微带线转换器、SIW功分器、SIW移相器和SIW-缝隙-微带线耦合结构，各结构依次相连；
进一步，上层介质基板的串馈微带阵列以缝隙为中心对称分布，露出SIW馈电网络层的锥形SIW-微带线转换器，微带线端口是阵列天线的馈电接口。
本发明的另一目的在于提供一种所述基于SIW的毫米波波束赋形微带阵列天线的设计方法，所述基于SIW的毫米波波束赋形微带阵列天线的设计方法包括：
(1)采用差分进化优化算法对微带阵列天线进行波束赋形，得到所需激励电流的幅度和相位分布；
(2)SIW馈电网络首先通过锥形SIW-微带转换结构对SIW进行馈电，经过SIW功分器和移相器得到阵列要求的幅度分布和相位分布；经过SIW的宽边横缝将能量耦合到串馈阵的微带线上，对微带天线进行激励。
综上所述，本发明的微带阵列天线实现俯仰面波束指向θ＝31°左右，增益大于14dB，副瓣电平小于-9dB，满足特定的赋形波束要求，具有良好的辐射性能。本发明以SIW缝隙耦合馈电实现具有赋形波束的微带阵列天线，SIW馈电网络实现既不等幅又不同相馈电，实现微带阵列天线特定的赋形波束，解决传统的同相馈电很难具备赋形波束方向图的难题，解决波束赋形微带阵列天线的馈电网络设计比较困难的问题。而且本发明的微带串馈阵列和馈电网络可以在印刷板上加工制作，天线的结构简单，质量轻，成本低廉。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于SIW的毫米波波束赋形微带阵列天线结构示意图；
图2是本发明实施例提供的串馈微带阵列示意图；
图3是本发明实施例提供的SIW-缝隙-微带线耦合结构示意图；
图4是本发明实施例提供的SIW馈电网络示意图；
图5是本发明实施例提供的|S11|实测结果与仿真结果对比图；
图6是本发明实施例提供的阵列天线方向图实测结果与仿真结果对比图；
图中：1、微带辐射层；2、SIW馈电网络层；3、串馈微带阵列；4、隔离带；5、基片集成波导；6、宽边横缝；7、锥形SIW-微带线转换器；8、SIW功分器；9、SIW移相器。
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，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提出采用微带串馈线与SIW缝隙耦合馈电组合馈电的微带阵列天线。阵列天线在方位面对应的一维阵列设计中，采用边馈微带矩形贴片作为天线单元，采用切比雪夫综合得到满足副瓣电平要求的阵元幅度分布，以锥形微带渐变线与普通微带传输线组合的馈线形式，实现单侧串馈微带阵列的馈电幅度分配及阻抗匹配。采用差分进化优化算法对方向图进行波束赋形，得到子阵的馈电幅度及相位分布，采用基于SIW的馈电网络实现既不等幅又不同相的电流分布，进而得到赋形波束。
下面结合附图对本发明的应用原理做详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的基于SIW的毫米波波束赋形微带阵列天线包括：微带辐射层1、SIW馈电网络层2、串馈微带阵列3、隔离带4、基片集成波导5、宽边横缝6。
微带辐射层1位于毫米波波束赋形微带阵列天线的上层介质基板的上表面，SIW馈电网络层2位于毫米波波束赋形微带阵列天线的下层介质基板上，SIW馈电网络层2上表面开有宽边横缝6，微带辐射层1的含有多个微带串馈阵列3，微带串馈阵列3之间由隔离带4分隔开。
如图4所示，SIW馈电网络层2包括宽边横缝6、锥形SIW-微带线转换器7、SIW功分器8、SIW移相器9。
本发明实施例提供的基于SIW的毫米波波束赋形微带阵列天线的设计方法包括：
(1)采用差分进化优化算法对微带阵列天线进行波束赋形，得到所需激励电流的幅度和相位分布；
(2)通过锥形SIW-微带转换结构对SIW进行馈电，经过SIW功分器和移相器得到阵列要求的幅度分布和相位分布；经过SIW的宽边横缝将能量耦合到串馈阵的微带线上，对微带天线进行激励。
本发明实施例提供的基于SIW的毫米波波束赋形微带阵列天线的设计方法在馈电网络的设计过程中，由于SIW终端短路且缝隙破坏了SIW表面的场结构，使得SIW移相器相位改变的同时会影响幅度分布，协调优化移相器和功分器，使得耦合量的幅度分布和相位分布都达到要求。
下面结合附图对本发明的应用原理做详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的基于SIW的毫米波波束赋形微带阵列天线由两层介质基板构成，微带辐射层1位于上层介质基板的上表面，SIW馈电网络层2位于下层介质基板上，在SIW馈电网络层2的上表面开宽边横缝6，通过缝隙将能量耦合到微带线上，进而激励串馈微带阵列3。两层介质基板的宽度相等，下层介质基板的长度比上层介质基板的长度要长。上层介质基板的串馈微带阵列以缝隙为中心对称分布，露出SIW馈电网络层的锥形SIW-微带线转换器，微带线端口是阵列天线的馈电接口。
如图2所示，本发明实施例提供的微带串馈阵列示意图，选用边馈微带矩形贴片作为天线单元，采用切比雪夫综合得到满足副瓣电平要求的阵元幅度分布，采用串联馈电和锥形微带渐变线的方法来对各个辐射单元进行激励。并且，每列串馈微带阵列周围增加了金属隔离带和金属化通孔，最边缘的微带贴片与金属隔离带相连，并且金属化通孔把贴片与接地板相连接。金属隔离带通过金属化通孔与地板相连，可以减小微带子阵之间相互耦合的影响，并且能够降低介质基板上的表面波。同时，整齐排列的金属化通孔构成四个空腔，使能量在微带贴片上尽可能多地进行辐射，减小介质损耗。
如图3所示，本发明实施例提供的SIW-缝隙-微带线耦合结构示意图，在基片集成波导5的上表面开宽边横缝，缝隙与短路面相距二分之一个SIW导波长，微带线位于缝隙的上方，并且与缝隙垂直，能量通过SIW上的缝隙耦合到微带线上，从而对微带阵列进行激励，形成辐射方向图。
当SIW馈电网络的的幅度和相位分布按照表1所示取值时，得到满足预期的赋形波束方向图。
表1激励电流的幅度和相位分布
参数变量 激励幅度 激励相位(deg)
I<sub>1</sub> 0.5261 0.0000
I<sub>2</sub> 1.0000 132.0009
I<sub>3</sub> 0.7106 -120.9982
I<sub>4</sub> 0.2652 -25.0028
下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。
如图5所示，本发明实施例提供的|S11|实测结果与仿真结果对比图。微带阵列天线工作在毫米波频段，在工作频带24GHz～24.3GHz内，|S11|均小于-10dB，与仿真结果相比，实测的|S11|取得最小值的频点有所下移，但整体趋势基本一致。
如图6所示，本发明实施例提供的阵列天线方向图实测结果与仿真结果对比图。微带阵列天线实测俯仰面方向图的最大波束指向为θ＝31°，副瓣电平为-10dB，俯仰面半功率波瓣宽度为35°，实测结果与仿真结果基本吻合，具备预期的赋形波束特征。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于SIW的毫米波波束赋形微带阵列天线，其特征在于，所述基于SIW的毫米波波束赋形微带阵列天线包括：
上层介质基板、下层介质基板；
微带辐射层位于上层介质基板的上表面，SIW馈电网络层位于下层介质基板上；
微带辐射层含有多个串馈微带阵列，每个串馈微带阵列以宽边横缝为中心对称分布，采用切比雪夫综合结合锥形微带渐变线实现单侧串馈微带阵列，串馈微带阵列之间由隔离带分隔开；
所述SIW馈电网络层包括SIW-缝隙-微带线耦合结构、SIW功分器、SIW移相器、锥形SIW-微带线转换器，各结构依次连接；
其中SIW-缝隙-微带线耦合结构包括SIW馈电网络层上表面的多个宽边横缝；
宽边横缝与短路面相距二分之一个SIW导波长，微带线位于宽边横缝的上方，并且与宽边横缝垂直；通过宽边横缝将能量耦合到微带线上，激励串馈微带阵列；
采用差分进化优化算法进行波束赋形，SIW馈电网络实现既不等幅又不同相馈电。
2.如权利要求1所述的基于SIW的毫米波波束赋形微带阵列天线，其特征在于，所述串馈微带阵列选用边馈微带矩形贴片作为天线单元；每个串馈微带阵列周围具有金属隔离带和第一金属化通孔，金属隔离带通过第一金属化通孔与接地板相连，最边缘的微带矩形贴片与金属隔离带相连，并且第二金属化通孔把最边缘的微带矩形贴片与接地板相连接。
3.一种如权利要求1所述基于SIW的毫米波波束赋形微带阵列天线的设计方法，其特征在于，所述基于SIW的毫米波波束赋形微带阵列天线的设计方法包括：
（1）采用差分进化优化算法对微带阵列天线进行波束赋形，得到所需激励电流的幅度和相位分布；
（2）SIW馈电网络首先通过锥形SIW-微带线转换器对SIW进行馈电，经过SIW功分器和移相器得到阵列要求的幅度分布和相位分布；经过SIW的宽边横缝将能量耦合到串馈微带阵列的微带天线上，对微带阵列天线进行激励。
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