CN110504546A - 一种基于基片集成波导的高次模单脉冲天线 - Google Patents

一种基于基片集成波导的高次模单脉冲天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于基片集成波导的高次模单脉冲天线，由上至下依次设有馈电网络、上层介质基板和基片集成波导腔，馈电网络包括分别设置于天线两端的差端口网络和和端口网络，基片集成波导腔通过“田”字型第一金属过孔分为四个独立对称的子波导腔，差端口网络和和端口网络分别对应两个子波导腔，并分别对应一列第二金属过孔；差端口网络相对应的子波导腔内形成180度相位差，从而得到差波束；和端口网络相对应的子波导腔内得到和波束。本发明的单脉冲天线具有结构简单、辐射效率高、剖面低的优点，极大的简化了单脉冲天线的馈电网络设计。

Description

一种基于基片集成波导的高次模单脉冲天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种基于基片集成波导的高次模单脉冲天线。可应用于X波段微波雷达、天文观察、通讯等用途。
背景技术
单脉冲天线是在第二次世界大战后出现，并在五六十年代迅速发展起来的一种精密跟踪天线。单脉冲天线能够同时提供多个波束，利用单个脉冲回波形成探测目标距离并进行距离跟踪的和波束，以及探测目标的角信息并进行角跟踪的差波束。当目标位置发生改变，则差波束接收的信号由弱变强。因此，可根据差信号变化情况来驱动伺服机构，使天线在方位或者俯仰方向上转动直到和波束的最大值方向对准目标，从而实现目标的跟踪。
基片集成波导是一种具有类似波导性质的结构，其实现方式是在上下表面均印刷有金属层的介质衬底上加载金属化通孔，利用金属化过孔实现对电磁波的约束功能，可以相当于波导结构中的侧壁，因此可以等效为填充介质的传统金属波导。一方面，这样的结构形式具有类似于传统金属波导的高品质因数、低插入损耗、高功率容量等优势，同时又实现了小型化、低剖面、成本低廉、易于平面微波电路集成，突破了传统金属波导的应用限制。
传统的单脉冲天线形式有很多，例如，反射面天线、金属波导缝隙阵列天线、透镜天线等等，这些天线结构虽然有着优异的性能和良好的机械结构强度，但是存在结构复杂，体积大、重量重、成本高等缺点。有很多研究者在减小单脉冲天线复杂程度和降低成本方面做了大量工作。如利用微带天线阵列形式来获得单脉冲天线的低剖面和低成本特性，但是微带阵列形式的天线其馈电网络和单脉冲天线的和差器不可避免的分布在众多阵列单元之间，这导致辐射泄露问题和馈电网络与辐射单元之间的互耦问题，对整个天线的性能会产生影响。同时还会增加其设计的复杂度。
介质基片集成波导阵列天线有低损耗和低泄漏辐射等优势，但是现有的基于基片集成波导的单脉冲天线，都存在着馈电网络复杂、口径效率底下等问题。
发明内容
发明目的：克服上述现有技术存在的不足，提供一种新型的基于基片集成波导的高次模单脉冲天线。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于基片集成波导的高次模单脉冲天线，由上至下依次设有馈电网络、上层介质基板和基片集成波导腔，馈电网络包括分别设置于天线两端的差端口网络和和端口网络，基片集成波导腔通过“田”字型第一金属过孔分为四个独立对称的子波导腔，差端口网络和和端口网络分别对应两个子波导腔，并分别对应一列第二金属过孔；差端口网络相对应的子波导腔内形成180度相位差，从而得到差波束；和端口网络相对应的子波导腔内得到和波束。
可选的，差端口网络包括异向设置的第一微带线和第二微带线，和端口网络包括同向设置的第三微带线和第四微带线，第一微带线和第二微带线由端口向内依次均包括第一子微带线、第二子微带线和第三子微带线，且第一微带线和第二微带线相对应的各段尺寸相同，第三微带线和第四微带线分别包括第四子微带线、第五子微带线和第六子微带线，且第三和第四微带线相对应的各段尺寸相同；且第一微带线至第四微带线分别对应一个子波导腔。
可选的，基片集成波导腔包括由上至下依次设置的中间层金属板、底层介质基板和金属底板，中间层金属板上设有若干辐射缝隙和四条馈电缝隙，其中四条馈电缝隙分别位于四个子波导腔内，并分别与差端口网络和和端口网络的第一至第四微带线的末端垂直设置。
可选的，辐射缝隙呈一维泰勒分布，相邻缝隙在y轴上的高度差为2mm。
可选的，底层介质基板采用相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.00009的RogersRT5880材料，厚度为0.785mm；中间层金属板和金属底板均采用铜材质，厚度为0.035mm。
可选的，上层介质基板采用相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.00009的RogersRT5880材料，厚度为0.785mm。
可选的，微带馈线采用铜材质，厚度为0.035mm。
有益效果：与现有技术相比，本发明天线的馈电结构简单，利用TEn0(n为偶数)模特有的电场分布所设计的单脉冲天线显著缩减了馈电网络和和差器占用的面积，能够大幅度减少天线口径的尺寸，增加口径效率。
本发明天线属于驻波天线，驻波天线的窄带特性具有滤波效果，可以抑制干扰频率。其次，其滤波特性可以使得雷达系统中节省相应的滤波器件，滤波器是有一定插损的，这可以改善系统的损耗性能。本发明天线具有窄带滤波特性的同时，还保持了低剖面、低成本、易于与平面电路集成等优点。
附图说明
图1为本发明的主视图以及侧视图；
图2为本发明天线和波束的S参数图；
图3为本发明天线差波束的S参数图；
图4为本发明天线和波束工作频点的辐射方向图；
图5为本发明天线差波束工作频点的辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，一种基于基片集成波导的高次模单脉冲天线，由上至下依次包括：馈电网络1、上层介质基板2以及基片集成波导腔。基片集成波导腔由上至下依次由中间层金属板3、底层介质基板4以及金属底板5构成。辐射缝隙9以及馈电缝隙6开设在中间层金属板3上，第一金属过孔7和第二金属过孔8贯穿整个基片集成波导腔。
馈电网络包括分别设置于天线两端的差端口网络(图1右侧端口网络)和和端口网络(图1左侧端口网络)，基片集成波导腔通过“田”字型第一金属过孔7被分为四个独立对称的子波导腔，差端口网络和和端口网络分别对应两个子波导腔，并分别对应一列第二金属过孔8；差端口网络相对应的子波导腔内形成180度相位差，从而得到差波束；和端口网络相对应的子波导腔内得到和波束。
差端口网络包括异向设置的第一微带线10和第二微带线11，和端口网络包括同向设置的第三微带线12和第四微带线13，第一微带线和第二微带线由端口向内依次均包括第一子微带线、第二子微带线和第三子微带线，且第一微带线和第二微带线相对应的各段尺寸相同，第三微带线和第四微带线分别包括第四子微带线、第五子微带线和第六子微带线，且第三和第四微带线相对应的各段尺寸相同；且第一微带线至第四微带线分别对应一个子波导腔。
其中，四条馈电缝隙分别位于四个子波导腔内，并分别与差端口网络和和端口网络的第一至第四微带线的末端垂直设置。
能量沿着馈电网络1传输，到达馈电缝隙6上方时，通过缝隙耦合馈电的方式，馈入下层的基片集成波导腔，并在腔内形成TEn0模(n为偶数)。再通过辐射缝隙9，将能量辐射到自由空间。
第一金属过孔7的作用是将基片集成波导腔分成四个子腔，提升了和差端口之间的隔离度。
第二金属过孔8的作用是对基片集成波导腔进行阻抗匹配，它的作用等效于电感，对腔内电场分布进行调节。
馈电缝隙6的数量对应馈电网络1的末端，且馈电网络1的末端和馈电缝隙垂直设置。
辐射缝隙9的数量为m(m为4的倍数)，且辐射缝隙呈泰勒分布，相邻缝隙在y轴上的高度差为2mm，泰勒分布的辐射缝隙可以降低天线的副瓣。
底层介质基板和上层介质基板均采用相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.00009的RogersRT5880材料，厚度为0.785mm；微带馈线、中间层金属板和金属底板均采用铜材质，厚度为0.035mm。
馈电网络1的差端口网络是由一对异向的第一微带线10和第二微带线11组成，当第一和第二微带线异向时，对应的馈电缝隙6横截面处的电矢量分布也会异向，从而可以在各自的基片集成波导腔内得到对称的电场分布。再结合TEn0(n为偶数)模自身的电场分布特性，Ten0模的电场分布中，相邻的电场涡旋存在180度的相位差，又因为差端口控制的基片集成波导腔内电场分布是对称的，此时相应的基片集成波导腔内构成180度相位差，从而在天线的远场区得到差波束。同理，和端口网络由一对同向的第三微带线12和第四微带线13组成，对应的馈电缝隙6横截面的电矢量分布也会同向，从而可以在和端口控制的基片集成波导腔内得到相同的电场分布，此时的基片集成波导腔内不存在相位差，从而在天线的远场区得到和波束。
辐射缝隙9开设在中间层金属板3上，此时整个基片集成波导腔变成了一个驻波天线。驻波天线属于窄带天线，也就是天线的工作带宽很窄，在天线收发的过程中不容易受到带外杂波的影响，因此驻波天线的窄带特性具有滤波效果，可以抑制干扰频率。其次，其滤波特性可以使得雷达系统中节省相应的滤波器件，滤波器件有插损，这可以改善系统的损耗性能。
馈电网络1结构简单，显著缩减了馈电网络和和差器占用的面积，能够缩减天线口径的尺寸，提高口径效率。
图2为本发明天线和波束的S参数曲线，可以看出天线的和波束工作在X波段，是一个窄带天线。
图3为本发明天线差波束的S参数曲线，可以看出天线的和波束工作在X波段，是一个窄带天线。
图4为本发明天线和波束工作频点的辐射方向图，可以看出天线在该频点得到了一个标准的和波束，零点增益达到14.2dBi。
图5为本发明天线差波束工作频点的辐射方向图，可以看出天线在该频点得到了一个标准的差波束，零深达到-26dB。
本发明的一种基于基片集成波导的高次模单脉冲天线，属于天线技术领域。本发明天线包括：顶层微带线馈电网络、中间层介质以及底层的基片集成波导腔，馈电缝隙和辐射缝隙开设在基片集成波导腔的顶层金属板上。这种新型的高次模单脉冲天线利用了基片集成波导腔中TEn0(n为偶数)模特有的电场分布，通过组合两种微带线朝向的方式，构成了单脉冲天线所需的和差网络。本发明的单脉冲天线具有结构简单、辐射效率高、剖面低的优点，极大的简化了单脉冲天线的馈电网络设计。

Claims (7)

1.一种基于基片集成波导的高次模单脉冲天线，其特征在于：由上至下依次设有馈电网络、上层介质基板和基片集成波导腔，馈电网络包括分别设置于天线两端的差端口网络和和端口网络，基片集成波导腔通过“田”字型第一金属过孔分为四个独立对称的子波导腔，差端口网络和和端口网络分别对应两个子波导腔，并分别对应一列第二金属过孔；差端口网络相对应的子波导腔内形成180度相位差，从而得到差波束；和端口网络相对应的子波导腔内得到和波束。
2.根据权利要求1所述的一种基于基片集成波导的高次模单脉冲天线，其特征在于：差端口网络包括异向设置的第一微带线和第二微带线，和端口网络包括同向设置的第三微带线和第四微带线，第一微带线和第二微带线由端口向内依次均包括第一子微带线、第二子微带线和第三子微带线，且第一微带线和第二微带线相对应的各段尺寸相同，第三微带线和第四微带线分别包括第四子微带线、第五子微带线和第六子微带线，且第三和第四微带线相对应的各段尺寸相同；且第一微带线至第四微带线分别对应一个子波导腔。
3.根据权利要求1所述的一种基于基片集成波导的高次模单脉冲天线，其特征在于：基片集成波导腔包括由上至下依次设置的中间层金属板、底层介质基板和金属底板，中间层金属板上设有若干辐射缝隙和四条馈电缝隙，其中四条馈电缝隙分别位于四个子波导腔内，并分别与差端口网络和和端口网络的第一至第四微带线的末端垂直设置。
4.根据权利要求3所述的一种基于基片集成波导的高次模单脉冲天线，其特征在于：辐射缝隙呈一维泰勒分布，相邻缝隙在y轴上的高度差为2mm。
5.根据权利要求3所述的一种基于基片集成波导的高次模单脉冲天线，其特征在于：底层介质基板采用相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.00009的RogersRT5880材料，厚度为0.785mm；中间层金属板和金属底板均采用铜材质，厚度为0.035mm。
6.根据权利要求1所述的一种基于基片集成波导的高次模单脉冲天线，其特征在于：上层介质基板采用相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.00009的RogersRT5880材料，厚度为0.785mm。
7.根据权利要求1所述的一种基于基片集成波导的高次模单脉冲天线，其特征在于：微带馈线采用铜材质，厚度为0.035mm。
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