CN110212295A - 一种产生准贝塞尔波束的缝隙阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种产生准贝塞尔波束的缝隙阵天线，包括下金属覆铜层、介质基板层及上金属覆铜层，介质基板层内开设若干金属化通孔以形成基片集成波导，上金属覆铜层上开设有垂直贯穿上金属覆铜层的若干缝隙，横向上相邻两个天线横向缝隙之间的横向间距各不相同，以调制生成准贝塞尔波束所需的相位分布，本发明提出一种产生准贝塞尔波束的缝隙阵天线，可以实现准贝塞尔波束的频率扫描并且具备高集成能力，突破了传统准贝塞尔波束天线无法扫描的难题。

Description

一种产生准贝塞尔波束的缝隙阵天线

技术领域

本发明属于电磁波波束成型领域，具体涉及到一种产生准贝塞尔波束的缝隙阵天线。

背景技术

具备非衍射波束形成能力的近场在天线微波成像、短程安全通信、无线功率传输、扫雷等方面具有广泛的应用前景，如贝塞尔波束、X波、Bowtie波束等。

在这些非衍射波束中，最常用的是贝塞尔波束。贝塞尔波束具有聚束传播的特性，能以无衍射方式传播相当一段距离。它在一个较长距离内具有良好的横向分辨率，其电磁能量可以良好地沿直线分布，且仅限于中心传播轴附近。理想贝塞尔波束可以认为是沿锥面分布的等相位平面波叠加在传播轴上，波束长度为无限远。理想贝塞尔光束需要无限大的能量以及无限大的天线口径，而基于有限的天线口径和有限能量可以形成在有限距离内波束能量无衍射传输的波束被称为准贝塞尔波束，在实际应用中得到了广泛的研究。

在微波和毫米波频段生成准贝塞尔波束的方法可以分为两类：1)非平面式辐射器和2)平面式辐射器。非平面辐射结构适用于大口径辐射面的设计，如透镜式，由于其体积较大，且需要额外的馈电结构，整体集成困难，给实际应用带来不便。相比之下，基于PCB技术的平面聚焦天线阵可以克服这些缺点。然而，在大多数现有的平面准贝塞尔波束生成中，所需的相位和振幅分布是通过中心径向馈电的径向拓扑来实现的。该方案的传播方向通常是垂直天线口径面，不能实现波束控制与扫描。该方案的径向馈电方式将会导致天线的极化控制困难，在生成线极化时会有很大的极化损耗。此外，这种利用同轴探头等结构实现中心馈电的方案难以与其他电路集成，不适用于高频应用。近年来得到广泛应用的基片集成波导，不仅具有波导结构的低插损和低泄漏辐射特性，还具有微带线的高集成度特性，并且具备易加工低成本的优势，为毫米波或更高频缝隙阵近场聚焦聚束天线提供了良好的设计载体。本发明基于基片集成波导技术，提出了一款具备频率扫描能力的准贝塞尔波束漏波缝隙阵天线。

发明内容

本发明目的在于克服传统准贝塞尔波束生成天线中波束不能扫描、极化损耗高、集成度差等困难。首先，计算天线口径面生成贝塞尔波束所需的全息相位分布，接着通过对整个阵面的缝隙位置调制，满足所需的全息相位分布，改变入射波的波前，合成所需景深的准贝塞尔波束。其次，设计了一种输出端振幅呈锥削分布的无源波束分配网络，并将其与整个缝隙阵列集成一起，在整个阵列口径面上产生所需的锥削振幅分布。最后，实现了具备频率扫描能力的准贝塞尔波束缝隙阵天线。

为实现含上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种产生准贝塞尔波束的缝隙阵天线，包括从下至上依次层叠的下金属覆铜层1、介质基板层2及上金属覆铜层3，该天线关于中心线4对称，中心线4的延伸方向为横向，其垂直方向为纵向；所述介质基板层2内有横向上从左向右依次相连的窄间距单排横向金属化通孔线列21、若干段单排弯折金属化通孔线列22、宽间距单排横向金属化通孔线列23，其中单排弯折金属化通孔线列22至少包括一个扩口段221和一个缩口段222，扩口段221从左向右与中心线4夹角依次增大；缩口段222与中心线4的夹角小于扩口段221与中心线4的夹角，宽间距单排横向金属化通孔线列23与多列横向双排金属化通孔线列24的最外侧金属化通孔相连，所述列的方向为纵向；上述每排金属化通孔线列均包括若干金属化通孔，每个金属化通孔均贯穿下金属覆铜层1和上金属覆铜层3，所述相邻两列横向双排金属化通孔线列24之间距离均相同，构成基片集成波导结构；所述上金属覆铜层3上开设有垂直贯穿上金属覆铜层3的多列天线横向缝隙5，所述每列天线横向缝隙5均由若干个沿相邻横向双排金属化通孔线列中心线6上下交替排布的辐射缝隙组成；横向上相邻两个天线横向缝隙5之间的横向间距各不相同，以调制生成准贝塞尔波束所需的相位分布，所述下金属覆铜层1为天线提供金属地。

作为优选方式，横向上相邻两个天线横向缝隙5之间的横向间距各不相同，以调制生成准贝塞尔波束所需的所需相位分布，其位置满足：

其中(x_ij,y_ij)为缝隙第i列第j个缝隙的位置坐标，其中坐标原点为阵面中心，y₀为每排缝隙阵馈口起点参考位置，k₀为自由空间中的波数，为贝塞尔波束聚束角，为第i列缝隙阵的馈口输入相位，N^*是非零的正整数。

作为优选方式，整个天线口径面在纵向上共有26列天线横向缝隙5，每列横向缝隙5由20根沿相邻横向双排金属化通孔线列中心线6上下交替排布的辐射缝隙组成。

本发明的有益效果在于：

(1)：本发明提出一种产生准贝塞尔波束的缝隙阵天线，可以实现准贝塞尔波束的频率扫描并且具备高集成能力，突破了传统准贝塞尔波束天线无法扫描的难题。

(2)：本发明通过对缝隙位置进行调制，从而实现准贝塞尔波束生成中二维天线阵口径相位的精确补偿。

(3)：本发明设计了一种输出端振幅呈锥削分布的无源波束分配网络，并将其与整个缝隙阵列集成，在整个阵列口径面上产生所需的锥形振幅分布。

附图说明

图1为本发明产生准贝塞尔波束的缝隙阵天线的侧视图。

图2(a)为本发明产生准贝塞尔波束的缝隙阵天线的结构示意图。

图2(b)为图2(a)中用于显示横向双排金属化通孔线列和横向缝隙的局部放大图。

图3为本发明的产生准贝塞尔波束的缝隙阵天线二维阵面结构示意图。

图4为实施例中产生准贝塞尔波束的缝隙阵天线的扫描性能仿真结果图。

1为下金属覆铜层，2为介质基板层，21为窄间距单排横向金属化通孔线列、22为单排弯折金属化通孔线列、221为扩口段、222为缩口段、23为宽间距单排横向金属化通孔线列，24为横向双排金属化通孔线列，3为上金属覆铜层，4为中心线，5为天线横向缝隙，6为相邻横向双排金属化通孔线列中心线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1

本实施例中提供一个产生准贝塞尔波束的缝隙阵天线。

一种产生准贝塞尔波束的缝隙阵天线，包括从下至上依次层叠的下金属覆铜层1、介质基板层2及上金属覆铜层3，该天线关于中心线4对称，中心线4的延伸方向为横向，其垂直方向为纵向；所述介质基板层2内有横向上从左向右依次相连的窄间距单排横向金属化通孔线列21、若干段单排弯折金属化通孔线列22、宽间距单排横向金属化通孔线列23，其中单排弯折金属化通孔线列22至少包括一个扩口段221和一个缩口段222，扩口段221从左向右与中心线4夹角依次增大；缩口段222与中心线4的夹角小于扩口段221与中心线4的夹角，宽间距单排横向金属化通孔线列23与多列横向双排金属化通孔线列24的最外侧金属化通孔相连，所述列的方向为纵向；上述每排金属化通孔线列均包括若干金属化通孔，每个金属化通孔均贯穿下金属覆铜层1和上金属覆铜层3，所述相邻两列横向双排金属化通孔线列24之间距离均相同，构成基片集成波导结构；所述上金属覆铜层3上开设有垂直贯穿上金属覆铜层3的多列天线横向缝隙5，所述每列天线横向缝隙5均由若干个沿相邻横向双排金属化通孔线列24的中心线6上下交替排布的辐射缝隙组成；横向上相邻两个天线横向缝隙5之间的横向间距各不相同，以调制生成准贝塞尔波束所需的相位分布，所述下金属覆铜层1为天线提供金属地。

横向上相邻两个天线横向缝隙5之间的横向间距各不相同，以调制生成准贝塞尔波束所需的所需相位分布，其位置满足：

其中(x_ij,y_ij)为缝隙第i列第j个缝隙的位置坐标，其中坐标原点为阵面中心，y₀为每排缝隙阵馈口起点参考位置，k₀为自由空间中的波数，为贝塞尔波束聚束角，为第i列缝隙阵的馈口输入相位，N^*是非零的正整数。

整个天线口径面在纵向上共有26列天线横向缝隙5，每列横向缝隙5由20根沿相邻横向双排金属化通孔线列中心线6上下交替排布的辐射缝隙组成。

实施例2

本实施例提供一种产生准贝塞尔波束的缝隙阵天线的具体设计步骤：

S1：根据所需准贝塞尔波束所需最大景深Z_max确定天线阵面全息相位分布

图3给出了产生准贝塞尔波束的缝隙阵天线的结构示意图，阵列位于xoy平面上。类似于透镜类准贝塞尔波束生成，非衍射光束的最大景深Z_max可由公式(1)得到：

其中为贝塞尔波束聚束倾角，D为天线辐射口径大小。景深Z_max应小于天线近场距离2D²/λ，且贝塞尔波束应满足波束聚束倾角的正弦值应远小于1，因此波束聚束倾角的范围满足式(2)：

其中λ为自由空间中波长。

为了生成贝塞尔波束，二维天线阵面的口径相位应该满足式(3)，本发明中称之为全息相位分布：

其中(x_ij,y_ij)为缝隙第i列第j个缝隙的位置坐标，其中坐标原点为阵面中心，k为自由空间中的波数。

S2：调制二维基片集成波导漏波缝隙阵天线的缝隙分布

在上一步中计算所得的二维阵面口径的全息相位可以通过调制缝隙单元在二维阵面上的位置来实现。产生准贝塞尔波束的缝隙阵天线的结构示意图如图3所示，首先要满足生成贝塞尔波束所需的全息相位分布，其次整个天线口面幅度分布需要满足锥削分布，具体地：

1)：二维天线阵面口径相位需要满足方程(3)。

2)：幅度分布以阵面中心向周围呈现锥削分布。

条件一用来确定缝隙位置，图2给出了产生准贝塞尔波束的缝隙阵天线的缝隙位置分布图，横向上相邻两个天线横向缝隙5之间的横向间距各不相同，以调制产生该拓扑下公式(1)的相位分布；条件二用来确定各缝隙的其余参数，缝隙偏离中心线的大小决定其辐射量大小，因为根据条件二可以综合各个相邻横向双排金属化通孔线列中心线6的大小，最终使其幅度分布呈现锥削分布。综合条件一和条件二就可以得到产生准贝塞尔波束的缝隙阵天线的最终参数。

图2给出了产生准贝塞尔波束的缝隙阵天线的整体图。结构窄间距单排横向金属化通孔线列21、单排弯折金属化通孔线列22和宽间距单排横向金属化通孔线列23组成无源馈电网络，用以实现输出端的锥形振幅分布。26列横向间距各不相同的天线横向缝隙5通过调制位置生成贝塞尔波束所需相位，同时单列缝隙阵天线幅度分布呈现锥削分布，最终无源馈电网络与26列横向缝隙阵相连，在整个阵列口径面上实现所需的锥形振幅分布。单列缝隙阵天线为漏波结构，最终产生准贝塞尔波束的缝隙阵可以实现准贝塞尔波束的频率扫描并且具备高集成能力，可以突破传统准贝塞尔波束天线无法扫描的难题。图4给出了实施例的贝塞尔波束缝隙阵天线频扫的仿真结果，当天线阵的馈电相位不变，馈电频率在34GHz到36GHz内变化时，准贝塞尔波束在yoz平面实现一定角度的扫描。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (3)

1.一种产生准贝塞尔波束的缝隙阵天线，其特征在于：包括从下至上依次层叠的下金属覆铜层(1)、介质基板层(2)及上金属覆铜层(3)，该天线关于中心线(4)对称，中心线(4)的延伸方向为横向，其垂直方向为纵向；所述介质基板层(2)内有横向上从左向右依次相连的窄间距单排横向金属化通孔线列(21)、若干段单排弯折金属化通孔线列(22)、宽间距单排横向金属化通孔线列(23)，其中单排弯折金属化通孔线列(22)至少包括一个扩口段(221)和一个缩口段(222)，扩口段(221)从左向右与中心线(4)夹角依次增大；缩口段(222)与中心线(4)的夹角小于扩口段(221)与中心线(4)的夹角，宽间距单排横向金属化通孔线列(23)与多列横向双排金属化通孔线列(24)的最外侧金属化通孔相连，所述列的方向为纵向；上述每排金属化通孔线列均包括若干金属化通孔，每个金属化通孔均贯穿下金属覆铜层(1)和上金属覆铜层(3)，所述相邻两列横向双排金属化通孔线列(24)之间距离均相同，构成基片集成波导结构；所述上金属覆铜层(3)上开设有垂直贯穿上金属覆铜层(3)的多列天线横向缝隙(5)，所述每列天线横向缝隙(5)均由若干个沿相邻横向双排金属化通孔线列中心线(6)上下交替排布的辐射缝隙组成；横向上相邻两个天线横向缝隙(5)之间的横向间距各不相同，以调制生成准贝塞尔波束所需的相位分布，所述下金属覆铜层(1)为天线提供金属地。

2.根据权利要求1所述的一种产生准贝塞尔波束的缝隙阵天线，其特征在于：横向上相邻两个天线横向缝隙(5)之间的横向间距各不相同，以调制生成准贝塞尔波束所需的所需相位分布，其位置满足：

其中(x_ij,y_ij)为缝隙第i列第j个缝隙的位置坐标，其中坐标原点为阵面中心，y₀为每排缝隙阵馈口起点参考位置，k₀为自由空间中的波数，为准贝塞尔波束聚束角，为第i列缝隙阵的馈口输入相位，N^*是非零的正整数。

3.根据权利要求1所述的一种产生准贝塞尔波束的缝隙阵天线，其特征在于：整个天线口径面在纵向上共有26列天线横向缝隙(5)，每列横向缝隙(5)由20根沿相邻横向双排金属化通孔线列中心线(6)上下交替排布的辐射缝隙组成。