CN113285217B - W波段微同轴天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及天线领域，具体是W波段微同轴天线，其包括背板，背板周圈垂直设置电壁，背板一侧设置立柱的一端，立柱另一端设置辐射板，辐射板上设置固定杆的一端，背板上贯穿开设固定孔，背板的另一侧设置固定罩，固定罩一侧开口，固定罩上设置开窗，固定杆的另一端伸出固定孔并位于固定罩内，固定杆的另一端端面朝向固定罩的开口。本发明的的工作频点在W波段，这个频段下，相对带宽较小，工作波长很短，因此大大减小了器件和系统的体积和重量，在一定程度上可以缩短传输路径长度。毫米波可以在固定罩和固定杆组成的馈电端口上以超低损耗传输，并且馈电端口具有很好的反射系数，对提高馈电性能和集成起到有效作用。
Description
技术领域
本发明涉及天线领域，具体是W波段微同轴天线。
背景技术
装备的信息化水平直接决定了战争各方的力量对比。得益于高分辨、强定向、大宽带等特性，毫米波高端/太赫兹电子系统在大容量通信、高性能雷达、高精度制导等领域具有非常广阔的应用前景。目前基于传统的平面混合电路或基于机械加工波导的集成技术，在体积、集成度、损耗等多方面具有难以克服的缺陷，严重制约了高性能毫米波高端/太赫兹装备的发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题是毫米波/太赫兹器件体积大，为了解决该问题，本发明提供W波段微同轴天线，其体积小，能够在宽频带范围内实现高效率辐射。
本发明的内容为W波段微同轴天线，包括背板，背板周圈垂直设置电壁，背板一侧设置立柱的一端，立柱另一端设置辐射板，辐射板上设置固定杆的一端，背板上贯穿开设固定孔，背板的另一侧设置固定罩，固定罩一侧开口，所述固定罩另一侧上设置开窗，固定杆的另一端伸出固定孔并位于固定罩内，固定杆的所述另一端的端面朝向固定罩的所述开窗。
进一步地，所述的辐射板与背板平行。
进一步地，所述的辐射板与电壁位于背板的同侧。
进一步地，所述的辐射板背离背板的侧面与电壁背离背板的端面位于同一平面。
进一步地，所述的立柱为两个，固定杆位于两个立柱之间。
进一步地，所述的背板、辐射板和固定孔均为矩形。
进一步地，所述的辐射板的宽度d1为1.02mm，辐射板的长度d2为1.35mm，电壁的内壁宽度d3为1.4mm，电壁的内壁长度d4为1.8mm，电壁的外壁宽度d5为1.6mm，电壁的外壁长度d6为2mm。
进一步地，所述的固定罩的长度d7为0.5mm，固定罩的厚度d8为0.4mm。
进一步地，所述的固定杆为L形，固定杆的长端与辐射板连接，固定杆的短端伸出固定孔。
进一步地，所述的背板、电壁、立柱、辐射板、固定杆和固定罩的材质均为铜。
本发明的有益效果是，本发明的的工作频点在W波段，这个频段下，相对带宽较小，工作波长很短，因此大大减小了器件和系统的体积和重量，在一定程度上可以缩短传输路径长度，同时波传输受到传输结构物理尺寸的限制也会减弱。毫米波可以在固定罩和固定杆组成的馈电端口上以超低损耗传输，并且馈电端口具有很好的反射系数，对提高馈电性能和集成起到有效作用。
附图说明
附图1为本发明的结构示意图；
附图2为图1的后视图；
附图3为图2的俯视图；
附图4为沿图2的A-A线剖视图；
附图5为沿图3的B-B线剖视图；
附图6为本发明反射系数仿真结果图；
附图7为本发明增益仿真结果图；
附图8为本发明增益测试结果图；
附图9为本发明等效阻抗仿真结果图，图中加粗的线条即为本发明等效阻抗仿真结果；
附图10为本发明各向三维辐射图；
附图11为本发明的E面(左)与H面(右)方向图在频率90GHz时的仿真结果图；
附图12为本发明的E面(左)与H面(右)方向图在频率94GHz时的仿真结果图；
附图13为本发明的E面(左)与H面(右)方向图在频率98GHz时的仿真结果图；
附图14为本发明的E面(左)与H面(右)方向图在频率90GHz时的实测结果图；
附图15为本发明的E面(左)与H面(右)方向图在频率94GHz时的实测结果图；
附图16为本发明的E面(左)与H面(右)方向图在频率98GHz时的实测结果图。
在图中，1、背板 2、电壁 3、立柱 4、辐射板 5、固定杆 6、固定孔 7、固定罩。
具体实施方式
如附图1-5所示，W波段微同轴天线，包括背板1，背板1周圈垂直设置电壁2，背板1一侧设置立柱3的一端，立柱3另一端设置辐射板4，辐射板4上设置固定杆5的一端，背板1上贯穿开设固定孔6，背板1的另一侧设置固定罩7，固定罩7一侧开口，固定罩7另一侧上设置开窗，固定杆5的另一端伸出固定孔6并位于固定罩7内，且该另一端的端面朝向固定罩7的开窗，以构成固定杆5和固定罩7同轴，固定罩7和固定杆5组成馈电端口。辐射板4与背板1之间存在空气。上述结构具有小型化和低剖面的特点，是实现天线单元三维集成和更为复杂网络的重要前提。上述所有部件均为金属材质，本发明的工作频点在W波段，这个频段下，相对带宽较小，工作波长很短，因此大大减小了器件和系统的体积和重量，在一定程度上可以缩短传输路径长度，同时波传输受到传输结构物理尺寸的限制也会减弱。本发明通过将微同轴天线的馈电端口相对于微同轴水平方向的传输路径调整到竖直方向，信号经过固定杆5构成的阻抗变换过渡后，传输至辐射板4上进行辐射。辐射板4利用立柱3进行支撑，确保了稳定可靠性。为了增大毫米波传播与空气的接触面积，减少介质损耗，固定罩7经过周期性开窗后，进一步提高了空气填充性，最大限度排除了衬底损耗对传输性能的影响，由此可以进一步减小其传输损耗。毫米波可以在固定罩7和固定杆5组成的馈电端口上以超低损耗传输，并且馈电端口具有很好的反射系数，对提高馈电性能和集成起到有效作用。与传统波导结构比较，本发明的体积可缩减至1/100以内，满足未来射频微波系统的更高需求，同时具备半导体工艺可批产特性，在系统级电路集成、相控阵雷达、太赫兹功率合成、高性能T/R微系统、相控阵天线、太赫兹收发微系统、5G收发链路等方面具有广阔的应用前景。本发明的高可靠、高集成特性，在弹载、星际通信、空间探测等领域将发挥重大作用。
所述的辐射板4与背板1平行。
所述的辐射板4与电壁2位于背板1的同侧。整个结构被电壁2环绕，电壁2设置在背板1的正面，这样可以减少天线辐射面的边界效应和耦合效应，使波束得以收敛，减小了波束畸变，提高了增益和辐射特性。同时，它可以将信号沿竖直方向辐射，同时将经过背板1反射回来的波屏蔽限制在辐射方向上，以保证天线方向图的稳定和低副瓣性。
所述的辐射板4背离背板1的侧面与电壁2背离背板1的端面位于同一平面。
所述的立柱3为两个，固定杆5位于两个立柱3之间。两个立柱3能够进一步为辐射板4提供支撑，进一步确保了稳定可靠性。
所述的背板1、辐射板4和固定孔6均为矩形。
所述的辐射板4的宽度d1为1.02mm，辐射板4的长度d2为1.35mm，电壁2的内壁宽度d3为1.4mm，电壁2的内壁长度d4为1.8mm，电壁2的外壁宽度d5为1.6mm，电壁2的外壁长度d6为2mm。
所述的固定罩7的长度d7为0.5mm，固定罩7的厚度d8为0.4mm。
电壁2的外壁高度d9为0.5mm，固定罩7的开窗高度d10为0.3mm，固定罩7的开窗长度d11为0.4mm，固定杆5的宽度d12为0.18mm，固定杆5的厚度d13为0.1mm，背板1与辐射板4的间距d14为0.3mm。
所述的固定杆5为L形，固定杆5的长端与辐射板4连接，固定杆5的短端伸出固定孔6。本发明是在晶圆片上生长的，总体高度有要求，所以固定杆5要做一个拐角，形成L形。另外，因为测试的时候需要用探针，如果直上直下就比较难进行测试操作的。L形也是为了做一个辐射面到L形拐角的一个反射，使得天线辐射不至于出现尾瓣。这种结构能够降低探针测试难度和尾瓣辐射，提高端射面增益。
所述的背板1、电壁2、立柱3、辐射板4、固定杆5和固定罩7的材质均为铜。
本发明是在晶圆片上生长的，是在半导体的晶体材料如Si和GaAs的圆片上，采用一系列精细工艺，在垂直方向逐层或渐变式生成，再经过切割工艺，将每一个生成的器件从圆片上分离并实际应用。这种方式可以保证本发明在每一批次都可以达到很好的一致性，这样对于W波段在体积方面求小求轻，性能方面求可靠免调试的要求上是至关重要的。另外，采用微细加工技术逐层累加的加工方法使得晶圆级微同轴的生成技术可以满足高效、稳定、可批产的关键要求。本发明采用半导体加工方式晶圆级批量加工，采用微机械工艺替代原有机加工方式制作同轴和波导结构，采用晶圆级批量加工代替原焊接组装方式，颠覆了原有的毫米波/太赫兹系统组装模式，实现加工精度和一致性数量级提升，提升毫米波/太赫兹电路性能的同时，大幅降低系统装配难度。本发明采用相同工艺，对微同轴传输线、天线及天线阵列进行逐步递进式的建模和仿真优化，设计和加工均一次完成，在电磁性能、热、结构全方面大幅提升了毫米波/太赫兹系统的设计、仿真精度。项目具有颠覆性，主要表现在小型化、高密度的布线方式；具有超宽带、高频低损耗特性的信号传输结构；此外，系统散热好，大幅提升高频大功率信号的合成效率。另外，在制作微同轴天线单元过程中，基于铜基3D微同轴的射频器件采用半导体加工方式晶圆级批量加工，代替金属波导结构采用机加工方式逐个焊接组装方式，实现加工精度和一致性数量级提升。微同轴晶圆及其加工工艺流程显示出微同轴技术分层增材式的加工方式，可以实现复杂的系统三维集成。
由附图6所示，本发明在带宽约8GHz内，反射系数均小于-10dB，从电路匹配和信号驻波的角度来看，可以基本满足可加工的要求。
由附图7所示，本发明的增益在端射点处约为7.35dBi，指标与等口径的喇叭天线接近，效率也远优于传统贴片天线。
由附图8所示，本发明在工作频带内满足大于7dBi的性能指标，并且在8GHz带宽范围内，天线单元的增益平坦度为0.25dB，一致性较好，达到指标要求。增益的测量值和仿真值之间存在一些差异，这是因为测量时由于测试器件、线缆引入的误差所造成的。
由附图9所示，在90-98GHz范围内，本发明等效阻抗只有实部部分，Zs≈49.93Ω，可视为50Ω，实现了较好的阻抗匹配。
由附图10所示，本发明对于任意方位角时，表现出等均匀的辐射分布，较以往W波段高分辨成像技术的窄波束特点，本发明中的W波段天线单元具备波束角大的性能，在该频段内已经达到了较优的效果。
由附图11-13所示，由于频带较宽，本发明选取主要频点90GHz、94GHz、98GHz三个频点作为性能参数仿真及后续测试的对应频点。本发明的H面方向图，由于辐射单元的不对称性，也表现出不对称。
由附图14-16所示，方向图3dB波束角E面大于70°、H面大于85°。本发明的波束宽度实测值和仿真结果基本相符。因此，本发明表现出很好的辐射特性，并且在8GHz的范围内，实现了基本不受频率影响的等均匀的E面辐射分布。
表1是3dB波束宽度vs.频率仿真实测对照表。
表1(单位：度)
从90GHz到98GHz，中心频率94GHz的8GHz带宽内，本发明采用3D微同轴结构替代平面传输结构实现相同尺度器件互连，一体化集成微型元件，插损、集成度、带宽、等全面大幅提升。
本发明由铜和填充在其中的空气组成，因此容性的损耗被最小化，导体和介质损耗极低。基于上述传输结构，微同轴天线可以很好地与系统进行集成。为了实现宽带特性，天线增益会被削弱，这两者之间是相互矛盾的关系，在设计过程中需要综合考虑。为了实现在中心频率94GHz，带宽8GHz的范围内的毫米波宽带天线匹配和辐射性能，兼顾天线设计中理想导体背板1加载提高的增益不宜太高的情况，因而确定天线的辐射板4与背板1之间的距离d14为中心频点波长的四分之一，可以实现入射波和反射波同一时刻在波峰处形成叠加。但当频率增高，天线和背板1导体间距为半波长时，即：
其中，hsub为辐射板4与背板1之间的距离d14。此时，正向辐射的电磁波恰好和经过背板1导体反射后的电磁波发生干涉叠加的现象，虽然此时两者幅度近似，然而相位差相差π后的，使得入射波和反射波相互抵消，表现在天线方向图时，会在该处出现一个传输零点，也就是带宽的频率上限。从等效电路的角度看，在添加背板1对电磁波进行反射时，天线端口的等效电抗jXH(XH为高频端等效电抗)，当辐射板4和导体背板1之间的距离hsub达到了2/λ，使得输入端口电抗值为零，电路可以看作短路，对应点即驻波无穷大值的谐振点。因此，为了抑制这种短路效应，提高天线的工作带宽，实现等效阻抗的匹配，对于毫米波天线来说至关重要。
Claims (10)
1.W波段微同轴天线，其特征在于：包括背板(1)，背板(1)周圈垂直设置电壁(2)，背板(1)一侧设置立柱(3)的一端，立柱(3)另一端设置辐射板(4)，背板(1)上贯穿开设固定孔(6)，背板(1)的另一侧设置固定罩(7)，固定罩(7)一侧开口，所述固定罩(7)另一侧上设置开窗，固定杆(5)的一端固定设置于辐射板(4)上以传输信号，所述固定杆(5)的另一端伸出固定孔(6)并位于固定罩(7)内，固定杆(5)的所述另一端的端面朝向固定罩(7)的所述开窗，固定杆(5)和固定罩(7)同轴共同组成馈电端口。
2.如权利要求1所述的W波段微同轴天线，其特征在于：所述的辐射板(4)与背板(1)平行。
3.如权利要求2所述的W波段微同轴天线，其特征在于：所述的辐射板(4)与电壁(2)位于背板(1)的同侧。
4.如权利要求3所述的W波段微同轴天线，其特征在于：所述的辐射板(4)背离背板(1)的侧面与电壁(2)背离背板(1)的端面位于同一平面。
5.如权利要求1所述的W波段微同轴天线，其特征在于：所述的立柱(3)为两个，固定杆(5)位于两个立柱(3)之间。
6.如权利要求1所述的W波段微同轴天线，其特征在于：所述的背板(1)、辐射板(4)和固定孔(6)均为矩形。
7.如权利要求6所述的W波段微同轴天线，其特征在于：所述的辐射板(4)的宽度d1为1.02mm，辐射板(4)的长度d2为1.35mm，电壁(2)的内壁宽度d3为1.4mm，电壁(2)的内壁长度d4为1.8mm，电壁(2)的外壁宽度d5为1.6mm，电壁(2)的外壁长度d6为2mm。
8.如权利要求1所述的W波段微同轴天线，其特征在于：所述的固定罩(7)的长度d7为0.5mm，固定罩(7)的厚度d8为0.4mm。
9.如权利要求1所述的W波段微同轴天线，其特征在于：所述的固定杆(5)为L形，固定杆(5)的长端与辐射板(4)连接，固定杆(5)的短端伸出固定孔(6)。
10.如权利要求1-9任意一项所述的W波段微同轴天线，其特征在于：所述的背板(1)、电壁(2)、立柱(3)、辐射板(4)、固定杆(5)和固定罩(7)的材质均为铜。
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