CN109643852B - 端射圆极化基片集成波导喇叭天线及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本公开描述了一种端射圆极化(circularly polarized，CP)基片集成波导(substrate integrated waveguide，SIW)喇叭天线及其制造。所述天线包括输入部，用于从源接收射频(radio frequency，RF)波；以及从所述输入部延伸出的体，用于从所述输入部接收所述RF波，所述体包括多个辐射单元，所述多个辐射单元被配置用于在远场中辐射圆极化(CP)波，其中所述多个辐射单元的开口沿平面电介质基片的边缘放置，并且其中所述喇叭天线为平面形式。

Description

端射圆极化基片集成波导喇叭天线及其制造方法

相关申请

本申请涉及2016年10月28日提交的、申请号为62/414,433、名称为“平面端射圆极化基片集成波导喇叭天线”的美国临时申请，并且涉及2017年6月19日提交的、申请号为15/627,158、名称为“单层端射圆极化基片集成波导喇叭天线”的美国专利申请，其通过引用被并入本文。

技术领域

本发明涉及天线，尤其涉及单层端射圆极化基片集成波导喇叭天线。

背景技术

三维喇叭天线通常用于多种应用，例如通信系统、雷达、成像以及射电天文学。在这些应用中，喇叭天线既可用作独立天线，也可作为与其关联的反射器天线的馈线。三维喇叭天线通常笨重昂贵，并且难以与系统或设备的其它组件集成。

圆极化(Circularly polarized，CP)天线通常用于卫星和移动通信系统。相较于线性极化天线，CP天线具有某些优点。例如，CP天线对天线轴向旋转较不敏感并且具有较少的延迟扩展。平面CP天线通常是宽边结构。同样，大多数CP天线具有复杂的馈电网络以及多层基片拓扑，这增加了天线的总体成本以及尺寸。

发明内容

本公开描述了一种在基片层上的单层端射CP基片集成波导喇叭天线，在一些配置中，可以减小天线的整体尺寸和集成天线的成本。在示例性实施例中，天线包括多个辐射单元，用于在远场生成CP波。喇叭天线集成在基片层中并且基本是平面的。由于喇叭天线基本为平面形式，这使得喇叭天线能够集成到涉及基片集成电路(substrate integratedcircuit，SIC)的应用中。同样，喇叭天线的辐射单元的数量是可扩展的，以实现潜在的更高增益。

根据一方面，提供了一种端射圆极化(circularly polarized，CP)基片集成波导(substrate integrated waveguide，SIW)喇叭天线，其包括输入部，用于从源接收射频(radio frequency，RF)波；以及从所述输入部延伸出的体，用于从所述输入部接收所述RF波，所述体包括多个辐射单元，所述多个辐射单元被配置用于在远场中辐射CP波，其中所述多个辐射单元的开口沿平面电介质基片的边缘放置，并且其中所述喇叭天线为平面形式。

根据一方面，提供了一种端射圆极化(circularly polarized，CP)基片集成波导(substrate integrated waveguide，SIW)喇叭天线，其包括输入部，用于从源接收射频(radio frequency，RF)波；以及从所述输入部延伸出并且包括多个辐射单元的体，所述多个辐射单元用于从所述输入部接收所述RF波并且从各辐射单元开口辐射相应的RF波，所述多个辐射单元包括用于辐射第一线极化波的第一辐射单元以及用于辐射第二线极化波的第二辐射单元，其中在第一和第二辐射单元各自的辐射单元开口处，第一线极化波和第二线极化波具有基本相同的幅度，基本90°的相位差以及极化方向基本+/-90°的差异，其中所述输入部和所述体由平面电介质基片形成，所述平面电介质基片在其相对侧涂覆有平面导电层，两个导电侧壁电连接所述平面导电层，并且其中所述辐射单元开口沿所述基片的边缘放置。

根据另一方面，提供了一种端射圆极化(circularly polarized，CP)基片集成波导(substrate integrated waveguide，SIW)喇叭天线，其包括输入部，用于从源接收射频(radio frequency，RF)波；从所述输入部延伸出并且包括多个辐射单元的体，所述多个辐射单元用于从所述输入部接收RF波并且从各辐射单元开口辐射相应的RF波，所述多个辐射单元包括用于辐射垂直极化波的第一辐射单元和用于辐射水平极化波的第二辐射单元，其中所述垂直极化波和所述水平极化波具有基本相同的幅度，并且其中所述垂直极化波和所述水平极化波具有基本90°的相位差；并且所述输入部和所述体由平面电介质基片形成，所述平面电介质基片在其相对侧涂覆有平面导电层，所述辐射单元开口沿所述基片的边缘放置。

可选地，在前述任一方面中，所述多个辐射单元从各辐射单元开口辐射相应的RF波，所述多个辐射单元包括用于辐射第一线极化波的第一辐射单元和用于辐射第二线极化波的第二辐射单元，其中在所述第一和第二辐射单元各自的辐射单元开口处，所述第一线极化波和第二线极化波具有基本相同的幅度，基本90°的相位差以及极化方向基本+/-90°的差异。

可选地，在任何前述方面中，所述第一线极化波是垂直极化波。

可选地，在任何前述方面中，所述第二线极化波是水平极化波。

可选地，在任何前述方面中，所述第一和第二辐射单元中的至少一个是对极线性渐变缝隙天线(antipodal linearly tapered slot antenna，ALTSA)。

可选地，在任何前述方面中，所述第一辐射单元与所述第二辐射单元相邻。

可选地，在任何前述方面中，所述输入部和所述体由所述平面电介质基片形成，所述平面电介质基片在其相对侧由平面导电层包围并且两个导电侧壁电连接所述平面导电层。

根据一方面，提供了一种在具有正面和背面的基片上制造端射圆极化(circularly polarized，CP)喇叭天线的方法，所述方法包括用正面导电层覆盖所述基片的所述正面；用背面导电层覆盖所述基片的所述背面；形成用于电连接所述正面导电层和所述背面导电层的导电侧壁；通过切割或蚀刻穿过所述正面导电层、所述基片和所述背面导电层形成多个通道；以及通过金属化每个所述通道的两个表面形成导电分隔壁，其中顶部和底部导电层、所述导电侧壁、所述导电分隔壁和所述基片形成包括多个辐射单元的喇叭天线，其中所述多个辐射单元在远场中辐射圆极化波，并且其中所述喇叭天线为平面形式。

根据一方面，提供了一种端射圆极化(circularly polarized，CP)基片集成波导(substrate integrated waveguide，SIW)喇叭天线，其包括输入部，用于从源接收射频(radio frequency，RF)波；以及从所述输入部延伸出的体，用于从所述输入部接收RF波，所述体包括多个辐射单元，所述多个辐射单元被配置用于在远场中辐射CP波，其中所述多个辐射单元的开口沿平面电介质基片的边缘放置，并且其中所述喇叭天线为平面形式。

可选地，在任何前述方面中，所述多个辐射单元从各辐射单元开口辐射相应的RF波。所述多个辐射单元包括用于辐射第一线极化波的第一辐射单元以及用于辐射第二线极化波的第二辐射单元。在所述第一和第二辐射单元各自的辐射单元开口处，所述第一线极化波和所述第二线极化波具有基本相同的幅度，基本90°的相位差以及极化方向基本+/-90°的差异。

可选地，在任何前述方面中，所述第一线极化波是垂直极化波。

可选地，在任何前述方面中，所述第二线极化波是水平极化波。

可选地，在任何前述方面中，所述辐射单元是副喇叭。

可选地，在任何前述方面中，所述第一和第二辐射单元中的至少一个是对极线性渐变缝隙天线(antipodal linearly tapered slot antenna，ALTSA)。

可选地，在任何前述方面中，所述天线还包括电耦合到所述输入部的微带馈送器，并且所述微带馈送器接收并将所述RF波馈送到所述输入部。

可选地，在任何前述方面中，所述输入部是SIW直结构。

可选地，在任何前述方面中，所述多个辐射单元通过用金属壁分割所述体形成。

可选地，在任何前述方面中，所述多个辐射单元通过用金属通孔阵列分割所述体形成。

可选地，在任何前述方面中，所述多个辐射单元为奇数个。

可选地，在任何前述方面中，由所述第一线极化波和所述第二线极化波形成的圆极化波以左旋向或方向旋转。

可选地，在任何前述方面中，由所述垂直极化波和所述水平极化波形成的圆极化波以右旋向或方向旋转。

可选地，在任何前述方面中，所述各辐射单元开口中的每个的宽度比所述辐射单元所要辐射的RF波的0.5λ大，并且λ是所述RF波在中心工作频率下的波长。

可选地，在任何前述方面中，所述基片具有约0.12λ的厚度，并且λ是在中心工作频率下的RF波的波长。

可选地，在任何前述方面中，所述辐射单元包括中心辐射单元，并且其它辐射单元相对于所述中心辐射单元对称布置。

可选地，在任何前述方面中，所述中心辐射单元辐射水平极化波。

可选地，在任何前述方面中，所述中心辐射单元辐射垂直极化波。

可选地，在任何前述方面中，所述喇叭天线的所述轴比小于或等于3dB。

可选地，在任何前述方面中，所述第一辐射单元与所述第二辐射单元相邻。

可选地，在任何前述方面中，所述输入部和所述体由所述平面电介质基片形成，所述平面电介质基片在其相对侧由平面导电层包围并且两个导电侧壁电连接所述平面导电层。

根据一方面，提供了一种在具有正面和背面的基片上制造端射圆极化(circularly polarized，CP)喇叭天线的方法。所述方法包括用正面导电层覆盖所述基片的所述正面；用背面导电层覆盖所述基片的所述背面；形成用于电连接所述正面导电层和所述背面导电层的导电侧壁；通过切割或蚀刻穿过所述正面导电层、所述基片和所述背面导电层形成多个通道；以及通过金属化每个所述通道的两个表面形成导电分隔壁。顶部和底部导电层、所述导电侧壁、所述导电分隔壁和所述基片形成包括多个辐射单元的喇叭天线。所述多个辐射单元在远场中辐射圆极化波，并且其中所述喇叭天线为平面形式。

根据一方面，提供了一种在具有正面和背面的基片上制造端射圆极化(circularly polarized，CP)喇叭天线的方法。所述方法包括用正面导电层覆盖所述基片的所述正面；用背面导电层覆盖所述基片的所述背面；通过切割或蚀刻穿过所述正面导电层、所述基片和所述背面导电层形成多个通道；以及通过金属化每个所述通道的两个表面形成导电侧壁，其中顶部和底部导电层、所述导电侧壁和所述基片形成包括多个辐射单元的喇叭天线，其中所述多个辐射单元在远场中辐射圆极化波，并且其中所述喇叭天线为平面形式。

可选地，在任何前述方面中，至少一个辐射单元是对极线性渐变缝隙天线(antipodal linearly tapered slot antenna，ALTSA)。

可选地，在任何前述方面中，所述方法还包括调整导电分隔壁的部分的位置和形状。

附图说明

现将通过举例的方式参照示出了本公开的示例性实施例的附图，并且其中：

图1是根据示例性实施例的示例性单层端射CP基片集成波导(substrateintegrated waveguide，SIW)喇叭天线的俯视图；

图2是图1的示例性单层端射CP SIW喇叭天线的侧视图；

图3是图1的示例性单层端射CP SIW喇叭天线的前端视图；以及

图4是示出了图1的示例性单层端射CP SIW喇叭天线的功率分配图。

不同附图中可能使用了相似的附图标记来表示相似的部件。

具体实施方式

下面详细讨论示例性实施例的结构、形状和制造。所讨论的具体示例仅仅是形成和使用本发明实施例的具体方式的说明，并不限制本发明的范围。

图1-3示出了示例性单层端射CP SIW喇叭天线100(“喇叭天线100”)。基片集成波导(Substrate integrated waveguide，SIW)是类似集成波导的结构。

如图1-3所示，喇叭天线100包括单个集成基片层103。只要喇叭天线100为平面形式并且包括单个集成基片层，喇叭天线100的形状和结构可以变化。

在一些示例性实施例中，喇叭天线100包括金属顶层101a和金属底层101b(图2)，和两个金属侧壁114。金属顶层101a、金属底层101b和两个金属侧壁114将电介质基片103的层包围其中。两个金属侧壁114与金属顶层101a和金属底层101b电连接。两个金属侧壁114可以由两排金属通孔阵列、嵌入电介质基片103中的两排金属化圆柱体或槽，或两个金属壁形成。

金属顶层101a、金属底层101b、两个金属侧壁114和基片103的层形成SIW，在该SIW中，射频(radio frequency，RF)波向天线开口105传播，其中基片103是暴露的并且没有覆盖任何金属层或金属壁。

如图1所示，喇叭天线100包括在SIW的第一端的输入部104和在SIW的第二端的天线开口105(图3)，和在第一和第二端之间的体106。体106耦合到输入部104和天线开口105，用于将RF波从输入部104传播到天线开口105。输入部104起波导的作用，其可以是SIW直线结构，用于从源接收输入RF波，例如，同轴电缆或波导。在一些示例中，导电的微带馈送器102设置在基片103的相对侧以将输入RF波连接到输入部104。微带馈送器102在现有RF电路与喇叭天线100之间提供接口。微带馈送器102电耦合到喇叭天线100的输入部104，使得由微带馈送器102接收的RF波能够以很少或没有损失地被馈送进输入部104。

由于SIW中的RF波的传播特性与矩形波导相似，输入部104的宽度Wi满足波导的单模传输条件，即，输入部104的宽度Wi允许特定模的且频率高于阈值频率(“截止频率”)的RF波以最小的衰减在该波导内传播。频率低于截止频率的RF波将被衰减，并且不在波导内传播。

RF波可以是TE_n0(横向电)模，例如TE₁₀模。在一个示例中，TE₁₀模是喇叭天线100的主模，其截止频率是：

其中，f_c是以Hz为单位的波导截止频率，c是波导内的光速，以米每秒为单位，a是波导的内部尺寸，以米为单位。例如，输入部104的a＝W_i，使得可以通过SIW发送频率高于截止频率f_c的RF波。

在一些示例中，截止波长λ_c可以与截止频率f_c互换地使用。截止波长是在波导中传播的最大波长，并且λ_c＝c/f_c。

在示例性实施例中，为了在YZ平面中得到期望的波束宽度，基片103具有大约0.12λ的厚度，其中λ是喇叭天线100的中心工作频率下的波长并且λ<＝λ_c。基片103越厚，YZ平面中的波束越窄。天线开口105在Z轴方向上的高度基本由基片103的厚度决定。通常开口105的面积由天线开口105的高度和宽度决定。开口105的面积越大，喇叭天线100的增益越高。

在天线开口105处，喇叭天线100内传播的RF波辐射到自由空间。开口105在X轴方向上的总宽度W_ah(图3)等于或大于W_i。

喇叭天线100的体106是输入部104与开口105之间的部分。体106将RF波外扩为波束，准备要在天线开口105辐射的RF波，并且调整由喇叭天线100的多个辐射单元辐射的线极化波的相位差。在示例中，体106包括外扩部107和输出部108。外扩部107是引导RF波到波束的扩口喇叭形SIW。输出部108是用于准备要在天线开口105辐射的波束并且用于调整线极化波的相位差的SIW。

喇叭天线100的体106包括多个辐射单元。在图1的示例中，喇叭天线100的体106包括三个辐射单元，例如，副喇叭110a、110b和110c。在示例中，多个辐射单元并排地布置并且沿着X轴彼此之间基本平行。

辐射单元110a、110b和110c可以通过将基片103分割为多个部并且在两个侧壁114之间增加另外的金属分隔壁120(例如金属通孔阵列或金属壁)形成于体106上。例如，图1中的辐射单元110a、110b和110c通过将喇叭天线100的体106分割为具有金属分隔壁120的多个辐射单元形成。在图1的示例中，金属分隔壁120、侧壁114和分隔壁120之间的顶部和底部金属层的部分，和其中包围的基片部分形成为RF波在喇叭天线100内传播的三个子波导或三个辐射单元110a、110b和110c。

在一些示例中，在两个侧壁114之间形成奇数个金属分隔壁120，例如1、3或5等，以将喇叭天线100的体106分割为偶数个辐射单元，例如2、4或6等。例如，在两个侧壁114的中间形成金属分隔壁120，以将体106大致等分为两个辐射单元。在其它示例中，在两个侧壁114之间形成偶数个金属分隔壁120，例如2、4或6等，以将体106分割为奇数个辐射单元，例如3、5或7等。例如，四个金属分隔壁120可以放置在两个侧壁114之间，并且在这种情况下，喇叭天线100包括五个辐射单元。在偶数个分隔壁120的情况下，金属分隔壁120的相对位置、结构和形状可以布置成相对于开口105的轴a₀基本对称。

图1中的金属分隔壁120可以形成在两个间隔开的金属壁上。在这种情况下，金属分隔壁120包括两个间隔开的金属壁。每个金属分隔壁120形成辐射单元的侧金属壁。可选地，金属分隔壁120是由两个相邻辐射单元共享的单个金属壁。

在图1的示例中，每个辐射单元110a、110b和110c分别具有开口105a、105b和105c。开口105a、105b和105c沿基片103的边缘布置(参见图3)。边缘没有覆盖任何金属墙或层。辐射单元的开口105a、105b和105c的宽度分别为W_sa、W_sb和W_sc，并且W_sa、W_sb和W_sc中的每个大于要由辐射单元110a，110b和110c辐射的RF波的0.5λ。同样，W_sa、W_sb和W_sc中的每个大于中心频率的截止波长。

总宽度W_ah＝W_sa+W_sb+W_sc。对于给定的W_ah，喇叭天线100的理论增益是确定的。如图1所示，天线开口105的宽度W_ah由两个侧壁114的相对位置限定，并且喇叭天线100的体106内的金属分隔壁120的相对位置限定辐射单元110a、110b和110c的开口105a、105b、105c的宽度W_sa、W_sb和W_sc。如上所述，基片103的厚度限定辐射单元110a、110b和110c的开口105a、105b、105c的高度。

图1中的喇叭天线100被配置用于辐射圆极化波。圆极化指的是电磁波的极化状态，其中波的电场矢量在每个点具有恒定大小，并且波的方向在垂直于传播方向的平面中以恒定速率随时间旋转。为了生成CP波，从喇叭天线100的辐射单元辐射的波满足以下条件：

1)两个辐射单元的开口处的RF波的电场极化方向基本正交以获得3dB轴比(axialratio，AR)宽的波束宽度；

2)两个辐射单元的开口处的正交RF波在远场区域的幅度基本相同；以及

3)两个辐射单元的开口处的正交RF波在远场区域的相位差基本为90度。

在示例中，输入到喇叭天线100内并且在其内传播的RF波是TE₁₀模，并且RF波是垂直极化波(“垂直波”)。在TE₁₀模中，电场横向于传播方向并且不存在纵向电场。TE₁₀表示一个半波图案，即，1/2λ横跨波导的宽度，并且没有半波图案横跨波导的高度。

在图1的实施例中，喇叭天线100包括两种类型的辐射单元：一种辐射水平极化波(“水平波”)，即，在远场中看，RF波的电场极化平行于基片103；另一种辐射垂直波，即，在远场中看，RF波的电场极化垂直于基片103。垂直和水平极化波是线极化波的示例。

在图1的示例中，辐射单元110a辐射水平波(“水平辐射单元”)，起到生成水平波的水平天线的作用。在图1的示例中，辐射单元110a是对极线性渐变缝隙天线(antipodallinearly tapered slot antenna，ALTSA)单元。水平辐射单元110a也可以是生成水平波的平面天线，例如，包括渐变缝隙天线、维瓦尔第天线、平面八木天线或平面对数周期偶极天线。

在图1中，辐射单元110a包括形成于金属顶层101a上的顶部渐变翼112a和形成于金属底层101b上的底部渐变翼112b。底部渐变翼120b被基片103遮蔽并且用虚线示出。顶部渐变翼112a连接到辐射单元110a的顶部金属层101a，并且底部渐变翼112b连接到辐射单元110a的底部金属层101b。在示例中，喇叭天线100的每个渐变翼112a和112b具有渐变尖端。可以通过蚀刻或切割辐射单元110a的金属层的相关部分形成渐变尖端以形成ALTSA单元。顶部和底部渐变翼112a和112b朝向相对的分隔壁120线性地外扩。利用辐射单元110a的与基片103平行的渐变翼112a和112b，辐射单元110a中的RF波的极化方向在开口105b处逐渐旋转约90度。换句话说，辐射单元110a的RF波从喇叭天线100的输入部104处的垂直波旋转到在开口105b处基本水平的波。

在一些示例性实施例中，图1中的渐变翼112a和112b相对于辐射单元110a的轴a₀彼此之间基本对称。喇叭天线100可以包括不止一个ALTSA单元，并且每个ALTSA单元具有两个渐变翼和一个轴。在示例中，相对于ALTSA单元的轴，一个渐变翼相对于另一个渐变翼基本对称。

在图1的示例中，如果输入RF波是TE₁₀模，辐射单元110b和110c不改变TE₁₀模的RF波的极化方向并且辐射垂直波(“垂直辐射单元”)。每个辐射单元110b和110c起到生成垂直波的垂直天线的作用。

喇叭天线100包括至少一个水平辐射单元和一个垂直辐射单元。在图1的示例中，喇叭天线100的体106包括一个水平辐射单元110a以及两个垂直辐射单元110b和110c。两个垂直辐射单元110b和110c可以布置在水平辐射单元110a的两侧并且相对于喇叭天线100的辐射单元110a的轴a₀基本对称。在一些示例中，辐射单元110a被配置为垂直辐射单元，并且辐射单元110b和110c可以被配置为水平辐射单元并且相对于轴a₀对称布置。在一些示例性实施例中，喇叭天线100的辐射单元被布置为使得对于每两个相邻的辐射单元，一个辐射单元辐射垂直波，而另一辐射单元辐射水平波的。在另一个示例中，天线100的轴比小于或等于3dB。

在一些示例中，喇叭天线100包括两种类型的辐射单元：第一类型的辐射单元，例如辐射单元110a，在第一类型辐射单元110a的开口105a处将输入RF波的极化方向从初始极化方向θ旋转到第一角度θ₁，和第二类型的辐射单元，例如110b或110c，在第二类型辐射单元的开口105b或105c处将输入RF波的极化方向从初始极化方向θ旋转到第二角度θ₂，使得极化方向θ₁与θ₂之间的差(θ₁-θ₂)基本为+/-90°。例如，当输入RF波为TE₁₀模时，在第一类型辐射单元110a的开口105a处，第一类型辐射单元将输入RF波从垂直波(θ＝90°)旋转到具有极化方向θ₁(θ₁＝0°)的线极化波，并且在第二类型辐射单元110b或110c的开口105b或105c处，第二类型辐射单元将输入RF波从垂直波旋转到具有极化方向θ₂(θ₂＝90°)的线极化波，并且极化方向θ₁与θ₂之间的差基本为+/-90°。

通过控制辐射单元的开口宽度，可以调整从喇叭天线100的辐射单元辐射的RF波的振幅基本相同。在TE₁₀模的示例中，在喇叭天线100的开口105的中心轴处，RF波具有最高的波输入功率或振幅。在图1的示例中，中心轴与辐射单元110a的a₀相同。在天线100的体中的输入TE₁₀模RF波的输入功率或振幅在远离天线100的中心轴a₀方向的空间中逐渐减小。这样，如果辐射单元的开口宽度相同，与侧面的辐射单元110b和110c相比，位于中心的辐射单元110a通常接收更高的输入功率或具有更高振幅的RF波。由于辐射单元110b和110c相对于辐射单元110a的轴a₀对称，辐射单元110b和110c的开口宽度基本相同，即，W_sb＝W_sc。辐射单元的开口大小越宽，辐射单元接收的功率越大。开口的宽度可以通过侧壁114和120的相对位置调整。下面将参考图4进一步讨论保持从不同极化辐射单元辐射的波的振幅相同的原理。

为了在远场生成基本90度的相位差，可以通过调整辐射单元的侧壁114和/或分隔壁120之间的距离控制辐射单元中的RF波的相位。如果辐射单元的两个侧壁之间的距离变得更窄，在辐射单元内传播的波的相位的速度将更快。通过调整辐射单元的侧壁之间的距离，可以在两个不同的极化辐射单元各自的开口处，实现从两个不同极化辐射单元辐射的两个不同极化波之间的90度相位差。例如，借助诸如CST微波工作室(CST MicrowaveSTUDIO)的仿真软件，响应于辐射单元的侧壁114和120之间的距离变化，可以观察辐射单元的开口处的RF波的相位，因此可以确定所需的距离。在从两个不同的辐射单元辐射的两个不同极化波之间生成90度相位差的原理将在下面参照图4进一步讨论。

在另一个实施例中，通过进一步修正辐射单元的侧壁114和/或120的部分可以进一步调整从辐射单元辐射的RF波的相位。例如，可以进一步挖出辐射单元一侧上的侧壁114或分隔壁120的部分，使得侧壁的部分与和相应侧壁的相应部分之间的距离变得更窄。这样，只有从特定辐射单元辐射的波的相位被改变，而从相邻辐射单元辐射的波的相位不受影响。如图1所示，可以进一步将分隔壁120刻入到用于xyz区域的辐射单元110c中，并且可以进一步将侧壁114刻入到用于uvw区域的辐射单元110c中。在这种情况下，只有从辐射单元110c辐射的波的相位被改变，而辐射单元110a的分隔壁120不受影响。这样，从辐射单元110a辐射的RF波的相位不受影响。

同样，为了辐射CP波，由喇叭天线100的多个垂直辐射单元和水平辐射单元生成的两个辐射图案，即，从辐射单元110a和110b，与从辐射单元110c辐射的波的形状基本相同，特别是在辐射图案的主瓣中。

在示例中，为了在远场中辐射CP波，如果从远场看RF波，由垂直辐射单元和水平辐射单元生成的RF波的两个相位中心重合。例如，如果波由奇数个辐射单元生成，RF波的相位中心一致。当辐射单元的数量是奇数时，喇叭天线100表现更好。对于奇数个辐射单元，在远场中，从垂直辐射单元辐射的垂直极化波的相位中心点与水平辐射单元辐射的水平波的相位中心点重合。

CP波可以以左旋向或右旋向旋转。图1中辐射单元110a的渐变翼112a和112b的布置产生以左旋向旋转的CP波。交换图1中辐射单元110a的两个渐变翼112a和112b的位置，则会改变CP波的旋向。在图1的示例中，如果渐变翼112a在底部并且渐变翼112b在顶部，CP波将以右旋向旋转。

除了限定辐射单元110a、110b和110c的开口宽度W_sa、W_sb和W_sc，金属分隔壁120的相对位置与这些辐射单元的功率比相关。如图1所示，喇叭天线100的体106可以包括外扩部107和输出部108，体106与侧壁114和120一起将RF波的初始输入功率P₀分割成三部分：辐射单元110a中的P_a、辐射单元110b中的P_b、辐射单元110c中的P_c。

参考图4。用于生成主模TE₁₀(TE_n0的示例)的水平RF波的水平辐射单元110a的输入功率与用于生成主模TE₁₀的垂直RF波的辐射单元110b和110c的输入功率之间的关系可以在下面的等式(1)中推知。对于主模TE₁₀，体106的接收功率P₀表示为：

其中h是基片103的厚度，a是辐射单元110a、110b和110c的开口处的外扩部107的宽度，如虚线所示。E₀是辐射单元110a、110b和110c的开口处的电场的最大值。Z是自由空间中的基片103的波阻抗，对此

其中μ和ε分别是基片103的磁导率和介电常数。

体106被分为辐射单元110a、110b和110c，并且P_a是辐射单元110a的输入功率(图1和4中的P_a)，其中

其中a_0h是辐射单元110a的开口宽度。辐射单元110b的输入功率P_b(图1中的P_b)是

辐射单元110c的输入功率P_c(图1中的P_c)与P_b相同。从(1)和(3)我们有

令S_h为在远场区域中来自辐射单元110a的辐射波的功率通量的密度，S_h表示为

其中r是从喇叭天线100到远场区域的距离，G_h是辐射单元110a的功率增益，并且

是辐射单元110a的归一化方向性。θ(见图4)和

是辐射的RF波的空间角度。

辐射单元110b和110c辐射垂直极化波并且起到二元天线阵列的作用。令S_v为远场区域中辐射单元110b和110c的功率通量的密度，并且S_v可以如下推导：

其中，在G_v是辐射单元110b或110c的功率增益，并且

是辐射单元110b或110c的归一化方向性。k是自由空间中的波数，a_h(图3中的W_sa)是辐射单元110a的开口宽度，并且a_v(图3中的W_sb和W_sc)是侧面的辐射单元110b或110c的开口宽度。

因为辐射单元110a、110b和110c在端射方向上达到最大辐射，即，沿喇叭天线100的轴a₀，当θ＝0和

时，

和

为1。作为CP波，当θ＝0和

时，S_h和S_v应该是相同的。基于等式(6)和(7)，它给出

P_aG_h＝4P_bG_v (8)

将(3)和(5)带入(8)，得出

因此，通过适当地选择辐射单元110a、110b和110c的开口处的外扩部107的宽度(a)，辐射单元110a(a_0h)的开口宽度、辐射单元110a(G_h)的功率增益以及辐射单元110b和110c(G_v)，S_h和S_v能够基本相同。

如上所述，在生成CP波的所有条件都满足的情况下，在相对于喇叭天线100的轴a₀的空间角度处，辐射图案的主瓣范围内的S_h和S_v基本相同。因此，可以在宽空间角度θ范围上生成圆极化波。在相对于喇叭天线100的轴a₀的空间角度处，辐射图案的主瓣范围内的S_h和S_v基本相同。因此，可以为CP喇叭天线100的设计定义目标函数，其为Min|S_h-S_v|。基于等式(3)至(8)，目标函数可以按如下重写：

目标函数(10)考虑XZ和YZ平面的空间角度θ和

的跨度。如上所述，如果开口在平面内较宽，在该平面内生成的波束较窄。在图1的喇叭天线100的示例中，YZ平面中的辐射单元110a、110b和110c的开口比XZ平面中的窄。这样，辐射单元110b和110c均在YZ平面上具有比在XZ平面上更宽的波束。辐射单元110b和110c有效地形成两元件阵列以使XZ平面上的波束变窄。从远场起，由于辐射单元的个数为奇数，中心辐射单元110a以及两个辐射单元110b和110c的阵列沿喇叭天线100的辐射单元110a的开口的轴a₀具有相同的相位中心。

除了来自辐射单元110a、110b和110c的RF波的幅度基本相等之外，可以在工作频率范围(例如24GHz)上实现90度的相位差。沿着辐射单元110b和110a的长度的相位差可以按如下写为：

其中，如图4所示，I_v是波在传播常数β_ν下在辐射单元110b和110c内传播的距离；并且I_h是波在传播常数β_h下在辐射单元110a内传播的距离。β_ν和β_h由各辐射单元110a、110b和110c中的基片103的介质确定。为了生成圆极化的RF波，辐射单元110a和110b之间或者辐射单元110a和110c之间的相位差基本为90度(90°)，因此

这样，通过适当地选择基片103的介质和各辐射单元的长度，可以实现垂直和水平辐射单元之间基本90度(90°)的相位差。

另一方面，当工作频率改变时，相位差变化的速度应保持尽可能小，以使相位差对波的频率变化不敏感。由于

以及

相位差变化的速度能够通过下式表达：

基于等式(15)和(12)，相对于频率的相位差变化的速度能够按如下推导：

其中参数λ_gv是辐射单元110b和110c中的平均引导波长，λ_gh是辐射单元110a中的平均引导波长，并且n是整数。

实际上，如果第一项的n的绝对值足够大，等式(16)右侧的第二项将小于第一项。因此，为了保持相位差变化的速度尽可能小并且保持90度相位差，n的绝对值应尽可能小。例如，n＝0。

如上所述，侧壁114和分隔壁120限定了辐射单元110a、110b和110c的形状。同样地，侧壁114和120的相对位置与从辐射单元辐射的波的相位和振幅有关。为了保持中心辐射单元110a和侧面的辐射单元110b和110c的辐射图案尽可能相似，可以使用商业或定制的软件包确定侧壁114和120的期望形状和位置，基于等式(8)和(14)仿真从辐射单元辐射的波。如上所述，通过仿真结果，可以进一步用例如，如上所述，辐射单元110c的挖出部分xyz和uvw，来调整侧壁的相对位置或宽度。

使用SIW技术，可以通过使用低成本标准技术的印刷电路板(printed circuitboard，PCB)设计过程或通过使用其它制造技术制造喇叭天线100来设计和实现大规模基片集成电路(large-scale substrate integrated circuit，SIC)。同样地，H平面SIW喇叭天线，例如，对极线性渐变缝隙天线(antipodal linearly tapered slot antenna，ALTSA)，通常用于SIC相关应用。

例如，喇叭天线100可以在电介质基片103例如，印刷电路板(printed circuitboard，PCB)上制造。基片103具有顶侧和底侧。基片103的顶侧和底侧可以覆盖导电层，例如分别为顶部金属层101a和底部金属层101b。在一实施例中，金属层可以是铜板。在另一实施例中，导电层可以例如通过3D金属印刷机印刷或涂覆在基片103上。可以使用工具例如激光，根据侧壁114和120的仿真位置和形状切割顶部金属层101a、基片103和底部金属层101b以形成通道，其限定了喇叭天线100和各辐射单元110a、110b和110c的形状。用金属通孔阵列技术或金属壁技术金属化通道的相关左侧和右侧，以形成金属侧壁114和分隔壁120。这样，喇叭天线100的每个辐射单元110a、110b和110c，都与金属层101a和101b的相关部分、基片103、以及相关的侧壁114和分隔壁120形成波导。未被任何金属层覆盖的基片103的边缘提供了辐射单元110a、110b和110c的开口105a、105b、105c。可以通过蚀刻或切割相关辐射单元的金属层的相关部分形成ALTSA单元的渐变翼，例如喇叭天线100的112a和112b，从而形成用于旋转RF波的极化方向的一个或多个ALTSA单元。可以借助市售软件确定切掉的金属层的相关部分。不切除在ALTSA单元的金属层的相关部分之间的基片103的部分，以保持ALTSA辐射单元的金属层之间的介质属性不变。形成喇叭天线100的步骤的顺序仅仅是说明性的而非限制性的，并且可以修改。

利用SIW技术，喇叭天线100可以形成在基片103的一个层上。同样地，因为SIW的所有元件都在单层基片103上，故更容易制造SIW，并且可以减小喇叭天线100的整体尺寸和成本。此外，由于喇叭天线100基本为平面形式，这使得喇叭天线100能够集成在涉及基片集成电路(substrate integrated circuit，SIC)的应用中。同样地，可以增加喇叭天线100的辐射单元的数量以实现潜在的更高增益。

喇叭天线的性能

通过选择适当类型的辐射单元，例如ALTSA辐射单元，即使基片103的层具有0.12λ的厚度，也可实现喇叭天线100的更高增益。在至少一些应用中，仿真结果已经表明，喇叭天线100在24GHz中心频率处具有高增益。根据仿真结果，具有ALTSA作为水平辐射单元的喇叭天线100在22.5GHz至25.5GHz之间的大部分处具有8dB的增益。另一方面，如果用电流环或偶极子作为水平辐射单元，天线的增益将降低，例如，约2dB。

喇叭天线100具有良好的与收发器的输出阻抗匹配的阻抗。根据仿真结果，在22.5GHz至25.5GHz的大部频率范围内，喇叭天线100具有等于或基本小于-10dB的散射参数S_RX-Rx。

喇叭天线100生成频率范围为23.7GHz至25.15GHz的CP波。根据仿真结果，喇叭天线100在23.7GHz至25.15GHz的频率范围内具有小于或等于3dB的轴比。

同样地，喇叭天线100具有良好的方向性。根据仿真结果，喇叭天线100的功率密度集中在约-30°至30°的垂直平面(ZY平面)中，喇叭天线100的功率密度集中在约-15°到15°的水平面(XZ平面)中。

本公开可以在不脱离权利要求的主题的情况下以其它特定形式来实施。所描述的示例性实施例在所有方面都被认为仅仅是说明性的而非限制性的。来自一个或多个上述实施例的选定特征可以被组合以创建未明确描述的替代实施例，适于这样组合的特征在本公开的范围内是可理解的。

所公开的范围内的所有值和子范围也被公开。而且，尽管这里公开和示出的系统、设备和过程可以包括特定数量的元件/组件，系统、设备和组件可以被修改以包括额外的或更少的这种元件/组件。例如，尽管所公开的任何元件/组件可以被引用为单数，但是本文公开的实施例可以被修改为包括多个这样的元件/组件。此处描述的主题旨在涵盖和包含技术上的所有适当变化。

Claims (21)

1.一种端射圆极化CP基片集成波导SIW喇叭天线，包括：

输入部，用于从源接收射频RF波；以及

从所述输入部延伸出的体，用于从所述输入部接收所述RF波，所述体包括多个辐射单元，所述多个辐射单元被配置用于在远场中辐射圆极化CP波，

其中所述多个辐射单元的开口沿平面电介质基片的边缘放置，并且其中所述喇叭天线为平面形式；

其中所述多个辐射单元包括用于辐射第一线极化波的至少一个第一辐射单元，以及用于辐射第二线极化波的至少一个第二辐射单元，并且其中所述至少一个第一辐射单元和所述至少一个第二辐射单元中的至少两个是对极线性渐变缝隙天线ALTSA。

2.根据权利要求1所述的天线，其中所述多个辐射单元从各辐射单元开口辐射相应的RF波，并且其中在所述第一以及第二辐射单元各自的辐射单元开口处，所述第一线极化波以及所述第二线极化波具有基本相同的幅度，基本90°的相位差以及极化方向基本+/-90°的差异。

3.根据权利要求2所述的天线，其中所述第一线极化波是垂直极化波。

4.根据权利要求2所述的天线，其中所述第二线极化波是水平极化波。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的天线，其中所述辐射单元是副喇叭。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的天线，还包括电耦合到所述输入部的微带馈送器，所述微带馈送器接收所述RF波并将所述RF波馈送到所述输入部。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的天线，其中所述输入部是SIW直结构。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的天线，其中所述多个辐射单元通过用金属壁分割所述体形成。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的天线，其中所述多个辐射单元通过用金属通孔阵列分割所述体形成。

10.根据权利要求1至4中任一项所述的天线，其中所述多个辐射单元为奇数个。

11.根据权利要求2、3或4所述的天线，其中由所述第一线极化波和所述第二线极化波形成的圆极化波以左旋向旋转。

12.根据权利要求1至4中任一项所述的天线，其中所述各辐射单元开口中的每个的宽度比所述辐射单元所要辐射的RF波的0.5λ大，并且其中λ是所述RF波在中心工作频率下的波长。

13.根据权利要求1至4中任一项所述的天线，其中所述基片具有0.12λ的厚度，并且其中λ是所述RF波在中心工作频率下的波长。

14.根据权利要求10所述的天线，其中所述辐射单元包括中心辐射单元，并且其它辐射单元相对于所述中心辐射单元对称布置。

15.根据权利要求14所述的天线，其中所述中心辐射单元辐射水平极化波。

16.根据权利要求14所述的天线，其中所述中心辐射单元辐射垂直极化波。

17.根据权利要求1至4中任一项所述的天线，其中所述喇叭天线的轴比小于或等于3dB。

18.根据权利要求2、3或4所述的天线，其中所述第一辐射单元与所述第二辐射单元相邻。

19.根据权利要求1至4中任一项所述的天线，其中所述输入部和所述体由所述平面电介质基片形成，所述平面电介质基片在其相对侧由平面导电层包围并且两个导电侧壁电连接所述平面导电层。

20.一种在具有正面和背面的基片上制造端射圆极化CP喇叭天线的方法，包括：

用正面导电层覆盖所述基片的所述正面；

用背面导电层覆盖所述基片的所述背面；

形成用于电连接所述正面导电层和所述背面导电层的导电侧壁；

通过切割或蚀刻穿过所述正面导电层、所述基片和所述背面导电层形成多个通道；以及

通过金属化每个所述通道的两个表面形成导电分隔壁，其中顶部和底部导电层、所述导电侧壁、所述导电分隔壁和所述基片形成包括多个辐射单元的所述喇叭天线，其中所述多个辐射单元在远场中辐射圆极化波，并且其中所述喇叭天线为平面形式；

其中所述多个辐射单元包括用于辐射第一线极化波的至少一个第一辐射单元，以及用于辐射第二线极化波的至少一个第二辐射单元，并且其中所述至少一个第一辐射单元和所述至少一个第二辐射单元中的至少两个是对极线性渐变缝隙天线ALTSA。

21.根据权利要求20所述的方法，还包括调整导电分隔壁的部分的位置和形状。

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