CN110086001A - 高效率宽带双极化腔体阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效率宽带双极化腔体阵列天线，采用矩形开口波导天线作为阵列单元形式，通过带状线馈电，并以多层PCB基板的叠层结构实现双极化馈电，同时，利用带状线组成功分馈电网络将该单元结构扩展为16×4天线阵列；对功分馈电网络进行基于切比雪夫原理的加权处理，用于抑制天线副瓣电平；对天线阵列由SMA连接器进行馈电，用于提高天线的可移植性，并在馈电网络的末端设计带状线到同轴线的转换。可以满足微波系统对极化多样性的需求，可以在物理条件受限的情况下依然获得优于传统天线的电磁性能。

Description

高效率宽带双极化腔体阵列天线

技术领域

本发明涉及一种基于开口波导腔体的双极化腔体阵列天线，尤其涉及一种高效率宽带双极化腔体阵列天线。

背景技术

双极化天线阵列广泛用于各种各类微波系统，例如SAR成像系统和大规模MIMO通信或雷达系，以满足人们对极化分集不断增长的需求。微带天线阵列是一种最常见的双极化阵列天线，这是因为它具有设计方法灵活和制造工艺简单等优势，但是微带天线阵列的主要缺陷在于它们的损耗较大，特别是当阵列规模变大时，微带阵列天线的损耗往往较大，这意味着基于这种传统设计很难实现高增益和高辐射效率的阵列天线。为了进一步增强微带天线阵列的增益，人们提出了背腔加载的微带天线阵列，但是由于背腔往往具有较高的品质因数，导致加载背腔后的天线往往只能有较窄的带宽。

因此，人们又探索了其他提高天线增益方式，比如通过抑制馈线辐射，表面波损耗和介质损耗，提高天线效率。基于这种想法人们提出了一种全金属的波导馈电双极化天线阵列。通过引入空气填充的金属腔和金属馈电网络，与传统微带天线阵列相比，可以实现更高的效率和更宽的带宽。但是它们的全金属结构质量重体积大，较难在实际系统中使用。此外，在这种阵列天线的设计过程中，为了确保有足够的空间用于波导馈电网络，首先必须设计2×2子阵列。然而，子阵列内部的微结构极其复杂，为加工制造提供了挑战。受到喇叭天线的启发，腔式天线设计具有效率高，重量轻等优点。然而，其馈电结构中的夹层结构为天线装配带来了困难。另外，其馈电结构中的盲孔设计也极大抬高了加工成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效率宽带双极化腔体阵列天线。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的高效率宽带双极化腔体阵列天线，包括：

采用矩形开口波导天线作为阵列单元形式，通过带状线馈电，并以多层PCB基板的叠层结构实现双极化馈电，同时，利用带状线组成功分馈电网络将该单元结构扩展为16×4天线阵列；

对所述功分馈电网络进行基于切比雪夫原理的加权处理，用于抑制天线副瓣电平；

对所述天线阵列由SMA连接器进行馈电，用于提高天线的可移植性，并在馈电网络的末端设计带状线到同轴线的转换，且当带状线埋在多层PCB基板中时，仍设计带状线到同轴线的宽带转换结构，且通过带状线到微带再到SMA的转换结构从侧面为天线阵列。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的高效率宽带双极化腔体阵列天线，可以满足微波系统对极化多样性的需求，可以在物理条件受限的情况下依然获得优于传统天线的电磁性能。

附图说明

图1为本发明实施例的技术路线流程图。

图2为本发明实施例提供的高效率宽带双极化腔体阵列天线PCB顶层结构示意图。

图3为本发明实施例提供的高效率宽带双极化腔体阵列天线PCB水平极化馈电层结构示意图。

图4为本发明实施例提供的高效率宽带双极化腔体阵列天线PCB垂直极化馈电层结构示意图。

图5为本发明实施例提供的高效率宽带双极化腔体阵列天线PCB底层结构示意图。

图6为本发明实施例中不等幅功分器结构示意图。

图7为本发明实施例中天线辐射腔结构示意图。

图8为本发明实施例中PCB板分层结构示意图。

图9为本发明实施例中天线阵列S参数的仿真和测试结果示意图。

图10为本发明实施例中天线阵列增益和辐射效率的仿真和测试结果示意图。

图11为本发明实施例中天线阵列在中心频率处方向图的仿真和测试结果示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

本发明的高效率宽带双极化腔体阵列天线，其较佳的具体实施方式是：

包括：

采用矩形开口波导天线作为阵列单元形式，通过带状线馈电，并以多层PCB基板的叠层结构实现双极化馈电，同时，利用带状线组成功分馈电网络将该单元结构扩展为16×4天线阵列；

对所述功分馈电网络进行基于切比雪夫原理的加权处理，用于抑制天线副瓣电平；

对所述天线阵列由SMA连接器进行馈电，用于提高天线的可移植性，并在馈电网络的末端设计带状线到同轴线的转换，且当带状线埋在多层PCB基板中时，仍设计带状线到同轴线的宽带转换结构，且通过带状线到微带再到SMA的转换结构从侧面为天线阵列。

所述阵列单元的介质基板材料为TLY-5Z，介电常数为2.2，损耗角为0.0007。

所述天线阵列的激励结构采用探针激励，两个不同极化的激励结构分置于第二和第四层，所述激励结构均为差分馈电，馈电线路采用带状线形式，其中第一和第三层为第二层的地，第三和第五层为第四层的地，第七层为极化隔离反射板；

对于第二层激励的波而言，第七层为反射面，对于第四层激励的波而言，第八层为其真正的反射面；

所述激励探针放置在距离反射器四分之一的波导波长位置上，并利用7层基板来分离反射器及其相应的探针；

通过通孔连接第一层，第三层，第五层，第六层，第七层和第八层金属，并等效地形成金属壁，金属壁包围7层基板的一部分以形成介质加载的矩形开口波导。

矩形开口波导的主模式TE10的输入阻抗与填充介质的介电常数ε和磁导率μ按下式(1)所示：

其中ω是角频率，a是波导孔径的边长；

所述阵列单元的介质填充部分的波导孔径尺寸w2小于(w1-2×b1)，b1为金属腔壁的厚度，w1为孔径的长度，(w1-2×b1)足够大至避免截断最低频率，w1足够小至避免在最高频率处出现栅瓣，PCB基板的高度超过波导波长的四分之一。

所述的阵列单元的两个输入端口根据公式(2)和(3)实现匹配：

其中k的平方等于输出端口二的功率与输出端口一的功率之比，Zij是每一段线的特性阻抗。

现代微波系统对天线的需求已经不仅限于电磁特性(增益、极化方式、带宽等)，还需综合考量体积，重量，加工成本等等需求。

本发明的高效率宽带双极化腔体阵列天线，是基于双极化高增益高效率的宽带阵列天线设计方案，以满足微波系统对极化多样性的需求。本发明提供的方案主要解决的是在多个约束条件下，天线辐射结构和馈电结构的设计和优化问题，可以在物理条件受限的情况下依然获得优于传统天线的电磁性能。

本发明的具体设计思路：

首先要根据前期对现行多极化微波系统需求的调研结果,确定下合适的天线设计指标。再根据设计指标进行天线单元和阵列的设计。为实现在限定口面下的口面效率的最大化，采用矩形开口波导天线作为阵列单元形式。通过带状线馈电，并以叠层结构实现双极化馈电。天线单元优化设计完成后，利用带状线组成功分馈电网络将该单元结构扩展为16×4天线阵列。为抑制天线副瓣电平，基于切比雪夫原理，对功分馈电网络进行加权。为了提高天线的可移植性，天线阵列需要由SMA连接器进行馈电，因此需要在馈电网络的末端实现带状线到同轴线的转换。另外，当带状线埋在多层PCB中时，信号也通常需要通过带状线到同轴线的过渡结构馈入，即仍需设计带状线到同轴线的宽带转换结构。天线设计全部完成并通过仿真验证后，联系生产厂家进行加工制作，并需在微波暗室中进行测试，以验证是否到达设计指标要求。整个研究的技术路线可以由图1表示：

为满足宽带高增益的需求，传统微带天线由于其较低的带宽和辐射效率而不再适用。因此，需要设计新的天线单元结构。类比于喇叭天线，开口波导天线也有宽带高增益特性，而且开口波导天线可以密铺组阵从而提高阵列天线的口面效率。除口面效率外，馈电效率也是决定天线增益的主要因素。在确保天线馈电良好匹配的情况下，需要尽可能减少馈线上的损耗，因此选用损耗角较小的介质基板材料TLY-5Z(介电常数为2.2，损耗角为0.0007)。

激励结构类似喇叭天线的探针激励。两个不同极化的激励结构分置于第二和第四层，如图3,4所示。为了进一步确保极化隔离，激励结构均为差分馈电。馈电线路采用带状线形式，其中第一和第三层为第二层的地，第三和第五层为第四层的地。第七层为极化隔离反射板，对于第二层激励的波而言，第七层为反射面，对于第四层激励的波而言，第七层几乎无任何影响，第八层才为其真正的反射面。这样设计的原因在于探针激励的位置应位于距反射面四分之一导波长处，而第二和第四层显然位于不同位置，因此其相应的反射面也应该位于不同的位置。

激励探针必须放置在距离反射器四分之一的波导波长位置上，这意味着在设计中介质基板需要适当的高度，因此利用7层基板来分离反射器及其相应的探针。

通过通孔连接第一层，第三层，第五层，第六层，第七层和第八层金属，并等效地形成金属壁。金属壁包围7层基板的一部分以形成介质加载的开口波导。开口波导的主模式(TE10)的输入阻抗与填充介质的介电常数(ε)和磁导率(μ)有关，如式(1)所示：

其中ω是角频率，a是波导孔径的边长。为了在空气填充的上部开口波导和介质填充的下部开口波导之间实现良好的阻抗匹配，根据公式(1)，介质填充部分的波导孔径尺寸(w2)必须小于(w1-2×b1)。。由于金属壁不连续，因此无法通过方程式精确计算输入阻抗。因此，需要仔细调整w2。同时，(w1-2×b1)必须足够大以避免截断最低频率，而w1必须足够小以避免在最高频率处出现栅瓣。探针的长度(lh和lv)也都是决定阻抗匹配性能的重要参数。高度h1对天线性能的影响相对较小，但较高的金属腔可以抑制天线阵列中单元之间的耦合

基于以上分析，该天线单元的设计过程可归纳如下：

1.根据工作频带，选择合适金属腔壁的厚度(b1)和孔径的长度(w1)。

2.金属腔的高度可以由对单元间耦合和阵列重量的折衷决定。

3.PCB的高度需要超过波导波长的四分之一，以激励起两个极化波，并根据PCB的高度来确定层量。

4.调整关键参数(dl，w2，lh和lv)以优化S参数(反射系数和极化隔离度)。

如图3所示，采用基于切比雪夫原理的带状线馈电网络为一个由前文所述的单元组成的16×4天线阵列。由于高旁瓣通常会降低SAR成像系统中接收信号的SNR(信噪比)，因此在这项工作中对馈电网络进行了加权设计以抑制天线旁瓣。为了在所有天线单元之间实现所需的功率分配，需要使用不等幅功分器来够成馈电网络。不等幅功分器结构如图4所示。其中每一段的电长度均为四分之一波导波长。虽然不可能实现3端口的同时匹配，但输入端口可以根据公式(2)和(3)实现完美匹配。

其中k的平方等于输出端口二的功率与输出端口一的功率之比。Zij是每一段线的特性阻抗。

需要通过SMA连接器为天线阵列馈电。因此，在馈电网络的末端，需要带状线到同轴的过渡结构。由于带状线埋在PCB中，因此设计了通过带状线到微带再到SMA的转换结构从侧面为天线阵列。

本发明的优点和积极效果：

1.将腔体天线作为辐射结构，而馈电结构采用支持传统PCB工艺的带状线网络，从而极大降低了天线体积和重量，从而使得其适合于各类机载或者星载系统。

2.采用叠层结构实现双极化馈电，并使用差分馈电探针以极大降低极化隔离度使得全极化天线阵列可以工作在更加紧凑的结构内。

3.矩形腔体天线密铺排列可以实现最大化的口面利用率，同时通过对馈电线路拓扑结构的优化设计，进一步降低馈电损耗，从而实现天线的高效辐射和高增益。

具体实施例：

通过权衡小型化和高增益的要求，我们设计了16*4的天线阵列。为满足天线阵列对低副瓣的要求，对整个天线馈电线路做切比雪夫加权。由于天线1dB增益带宽较宽，此处不应采用串馈网格，而应采用并馈网络。天线的整体结构如图2-8所示。天线整体共有7层介质板，介质板间采用PP片FR-28进行粘连，其分层结构示意图如图7所示。采用电磁全波仿真软件HFSS对天线结构进行仿真优化，主要标为VSWR和副瓣电平。并不以天线增益为优化目标的原因在于，馈电损耗和天线口径一定的情况下，天线增益几乎完全由副瓣天平和VSWR所决定。副瓣电平和驻波比越低，增益越低，反之亦然。极化隔离度也是个重要指标，但是当采用差分馈电时只要保持两探针的馈电相位差为180度，极化隔离度将远大于要求的-25dB，因此极化隔离度不是主要考虑的优化目标。S参数的仿真和测试结果如图9所示。增益和辐射效率的测试结果如图10所示。方向图测试和仿真结构如图11所示。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种高效率宽带双极化腔体阵列天线，其特征在于，包括：

采用矩形开口波导天线作为阵列单元形式，通过带状线馈电，并以多层PCB基板的叠层结构实现双极化馈电，同时，利用带状线组成功分馈电网络将该单元结构扩展为16×4天线阵列；

对所述功分馈电网络进行基于切比雪夫原理的加权处理，用于抑制天线副瓣电平；

对所述天线阵列由SMA连接器进行馈电，用于提高天线的可移植性，并在馈电网络的末端设计带状线到同轴线的转换，且当带状线埋在多层PCB基板中时，仍设计带状线到同轴线的宽带转换结构，且通过带状线到微带再到SMA的转换结构从侧面为天线阵列。

2.根据权利要求1所述的高效率宽带双极化腔体阵列天线，其特征在于，所述阵列单元的介质基板材料为TLY-5Z，介电常数为2.2，损耗角为0.0007。

3.根据权利要求2所述的高效率宽带双极化腔体阵列天线，其特征在于，所述天线阵列的激励结构采用探针激励，两个不同极化的激励结构分置于第二和第四层，所述激励结构均为差分馈电，馈电线路采用带状线形式，其中第一和第三层为第二层的地，第三和第五层为第四层的地，第七层为极化隔离反射板；

对于第二层激励的波而言，第七层为反射面，对于第四层激励的波而言，第八层为其真正的反射面；

所述激励探针放置在距离反射器四分之一的波导波长位置上，并利用7层基板来分离反射器及其相应的探针；

通过通孔连接第一层，第三层，第五层，第六层，第七层和第八层金属，并等效地形成金属壁，金属壁包围7层基板的一部分以形成介质加载的矩形开口波导。

4.根据权利要求3所述的高效率宽带双极化腔体阵列天线，其特征在于，矩形开口波导的主模式TE10的输入阻抗与填充介质的介电常数ε和磁导率μ按下式(1)所示：

其中ω是角频率，a是波导孔径的边长；

所述阵列单元的介质填充部分的波导孔径尺寸w2小于(w1-2×b1)，b1为金属腔壁的厚度，w1为孔径的长度，(w1-2×b1)足够大至避免截断最低频率，w1足够小至避免在最高频率处出现栅瓣，PCB基板的高度超过波导波长的四分之一。

5.根据权利要求4所述的高效率宽带双极化腔体阵列天线，其特征在于，所述的阵列单元的两个输入端口根据公式(2)和(3)实现匹配：

其中k的平方等于输出端口二的功率与输出端口一的功率之比，Zij是每一段线的特性阻抗。