CN113328266A - 一种基片集成波导天线阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基片集成波导天线阵列，包括天线阵列辐射组件和馈电组件组成，馈电组件位于介质基板的下表面，天线阵列辐射组件位于介质基板的上表面，天线阵列辐射组件包括若干天线单元，天线单元包括SIW缝隙天线和超表面，超表面位于SIW缝隙天线正上方，超表面分为主单元和寄生单元，主单元位于SIW缝隙天线的正上方，寄生单元位于相邻两个主单元的中心。具有天线性能的完整性和稳定性高的特点。

Description

一种基片集成波导天线阵列
技术领域
本发明属于天线与电磁波传播技术领域，涉及一种基片集成波导天线阵列。
背景技术
伴随着SIW(基片集成波导)技术的发展，基于SIW的天线技术也引起了大家的关注，许多基于SIW的新型天线单元纷纷被提出。它们中有的将SIW作为辐射波导，有的将SIW作为馈电方式，另外还有将SIW作为背腔或口径的。而在实际使用中，为了提高天线增益和控制方向图形状，甚至于调制天线极化方向，往往需要用多个天线单元组成阵列天线。SIW天线兼具平面天线和波导天线的优点，是两者的完美组合，研究前景可期。基于SIW的缝隙阵列天线，近些年得到了广泛的研究和应用。SIW宽边纵缝阵列天线是其中最重要而设计难度又较大的一种形式，它通过调节(按一定规则排列的)缝隙的长度和偏置来控制天线口径面的幅度和相位分布，从而实现低副瓣和高增益设计。2005年，Yan和Hong等人利用等效模型和传统波导缝隙阵列设计方法，首次实现了一个4×4单元的SIW宽边纵缝阵列天线。SIW缝隙阵在成本、尺寸、集成度和波瓣控制能力等上展现出优势，因而引起了大家广泛关注。在2012年，Cheng和Hong等人在Ka波段的工作基础上，更是实现了W波段16×16单元脉冲缝隙阵。
基片集成波导缝隙天线(SIW-SA)通过在SIW的金属表面刻蚀横向辐射缝隙，切割表面电流从而实现能量向自由空间的辐射，因其性能高、体积小、重量轻、易集成、易组阵等优点被广泛应用于毫米波天线设计，成为毫米波通信系统极具前景的设计平台。
发明内容
本发明的目的是提供一种基片集成波导天线阵列，具有天线性能的完整性和稳定性高的特点。
本发明所采用的技术方案是，一种基片集成波导天线阵列，包括天线阵列辐射组件和馈电组件组成，馈电组件位于介质基板的下表面，天线阵列辐射组件位于介质基板的上表面，天线阵列辐射组件包括若干天线单元，天线单元包括SIW缝隙天线和超表面，超表面位于SIW缝隙天线正上方，超表面分为主单元和寄生单元，主单元位于SIW缝隙天线的正上方，寄生单元位于相邻两个主单元的中心。
本发明的特点还在于：
天线单元结构由两层介质板和三层金属层组成，两层电介质板的中间是空气层。
介质板采用介电常数为3.66的RO4350。
天线单元为8个，8个天线单元沿X轴排列在介质基板上。
馈电组件为微带线到SIW的渐变结构，微带线到SIW的渐变结构由梯形馈电巴伦组成，馈电巴伦的底部与50ΩSMA转接头相连。
馈电组件由三个SIWT型连接器和四个SIWY型连接器组成，SIWT型连接器与SIWY型连接器的输出相等。
超表面覆盖介质基板的顶部表面。
本发明的有益效果是：本发明一种基片集成波导天线阵列，具有天线性能的完整性和稳定性高的特点。通过对辐射缝隙进行稀疏化，达到了抑制耦合的目的，最终带宽展宽，副瓣降低、工作带宽增加了210MHz，通过引入由主辐射贴片和和寄生贴片组成的复合超构表面，天线单元的工作带宽和增益得到了进一步提升。
附图说明
图1是本发明一种基片集成波导天线阵列的天线单元的进化图；
图2是本发明一种基片集成波导天线阵列的天线单元结构图；
图3是本发明一种基片集成波导天线阵列中宽边纵缝线阵及其等效电路图；
图4是本发明一种基片集成波导天线阵列中SIW宽边纵缝稀疏阵列天线及其等效电路图；
图5是本发明一种基片集成波导天线阵列中原始单元与稀疏化单元电流图对比(10GHz)；
图6是本发明一种基片集成波导天线阵列中不同天线单元|S11|进化图；
图7是本发明一种基片集成波导天线阵列中不同天线单元10GHz主辐射方向增益进化图；
图8是本发明一种基片集成波导天线阵列中不同天线单元增益进化图；
图9是本发明一种基片集成波导天线阵列中Lslot1随频率变化曲线(a)s11(b)辐射方向图；
图10是本发明一种基片集成波导天线阵列中offset1随频率变化曲线(a)s11(b)辐射方向图；
图11是本发明一种基片集成波导天线阵列中Wslot随频率变化曲线(a)s11(b)辐射方向图；
图12是本发明一种基片集成波导天线阵列中是Hair随频率变化曲线(a)s11(b)辐射方向图；
图13是本发明一种基片集成波导天线阵列中是Lp2随频率变化曲线(a)s11(b)辐射方向图；
图14是本发明一种基片集成波导天线阵列中是Nr随频率变化曲线(a)s11(b)辐射方向图；
图15是本发明一种基片集成波导天线阵列中是天线阵列结构图；
图16是本发明一种基片集成波导天线阵列中馈电网络结构示意图；
图17是本发明一种基片集成波导天线阵列中1×8馈电网络仿真结果；
图18是本发明一种基片集成波导天线阵列中天线阵列实物照片和测试环境图；
图19是本发明一种基片集成波导天线阵列中天线阵列仿真和实测结果(a)s11(b)增益；
图20是本发明一种基片集成波导天线阵列中天线阵列在(a)(c)E-面，(b)(d)H-面仿真和实测方向图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种基片集成波导天线阵列，包括天线阵列辐射组件和馈电组件组成，馈电组件位于介质基板的下表面，天线阵列辐射组件位于介质基板的上表面，天线阵列辐射组件包括若干天线单元，天线单元包括SIW缝隙天线和超表面，超表面位于SIW缝隙天线正上方，超表面分为主单元和寄生单元，主单元位于SIW缝隙天线的正上方，寄生单元位于相邻两个主单元的中心。天线单元结构由两层介质板和三层金属层组成，两层电介质板的中间是空气层。介质板采用介电常数为3.66的RO4350。天线单元为8个，8个天线单元沿X轴排列在介质基板上。馈电组件为微带线到SIW的渐变结构，微带线到SIW的渐变结构由梯形馈电巴伦组成，馈电巴伦的底部与50ΩSMA转接头相连。馈电组件由三个SIWT型连接器和四个SIWY型连接器组成，SIWT型连接器与SIWY型连接器的输出相等。超表面覆盖介质基板的顶部表面。
本发明一种基片集成波导天线阵列的原理为：
单元
图2为本发明一种基片集成波导天线阵列的上部结构面天线单元的展开图及各部分的详细说明。天线单元由SIW缝隙天线和超表面结构组成。SIW由bottomsubstrate(底介质基板)和分别刻蚀在正反面的slotplate(缝隙层)和底板面组成，并且由介质板左侧的输入端口进行馈电，8个间距为λg的纵向窄缝刻蚀在slotplate上，形成典型的单层SIW天线结构。介质版上下表面金属化涂层通过两排平行直径的Dsiw，间距Psiw金属化通孔连接从而形成一个封闭的平面导波结构。8个纵向窄缝每两个为一组，一共4组。图1所示为相邻两缝组合的位置及展开方案。在中心线一侧分布两个距离为λg，长度为Lslot1和Lslot2的槽，其偏移值分别为offset1和offset2。众所周知，经典的SIW缝隙天线一般由间距为λg/2的缝隙组成，分布在中心两侧。本发明一种基片集成波导天线阵列这种不同的设计被称为稀疏化。通过减少槽元的数量，简化了设计，提高了性能，降低了加工成本和工艺要求。
超表面结构位于SIW缝隙天线正上方，由覆盖顶部介质板表面的超构表面组成。如图2所示，超表面分为LP1长度的主单元和LP2长度的寄生单元。主单元位于SIW缝隙的正上方，以提高天线增益。寄生单元位于两个主单元的中心，用于调节匹配和提高天线的整体性能。该天线单元结构由两层介质板和三层金属层组成。介质板采用介电常数为3.66的RO4350。在两层电介质板的中间是一层厚度为Hair的空气层。为了说明分析的正确性，给出了天线单元设计过程的演变，如图1所示。单元1是一个典型的16个单位SIW垂直缝隙天线,缝隙之间的距离λg/2,通过稀疏化处理,减少缝隙数量,优化缝隙和偏移量,我们得到了单元2,单元2的基础上,引入了主辐射结构,每个主辐射单元位于缝隙的正上方，形成了单元3。最后，通过将寄生单元加载到主单元之间，进一步优化参数，形成所设计的天线单元，即单元4。
首先，分析SIW天线稀疏性的特性。与传统的矩形金属波导相比，一方面SIW的厚度非常薄，这直接导致了较长的缝隙谐振长度。SIW(TE10模式)导波波长较短，λg约在0.65～1.75λ0之间。这些结果大大增强了槽间的内外耦合，因此必须考虑高阶模态的影响，这对低旁瓣的设计尤为重要。SIW缝隙稀疏阵列天线通过减少缝隙单元的数量，增加了相似缝隙之间的距离，减少了缝隙之间的耦合，提高了性能，简化了设计，降低了加工成本和工艺要求。
在SIW缝隙阵列天线的设计流程中，先根据方向图要求(例如增益、主瓣宽度、旁瓣电平等)选定口径分布及阵列大小，并由尺寸大小、阻抗带宽和波束指向确定缝隙的布局和馈电方式。其中的关键步骤是如何确定各缝隙的尺寸和位置，进而实现所要求的口径分布。首先根据口径分布计算各缝隙“等效辐射导纳的分布”；其次，分析缝隙辐射单元的等效导纳与其尺寸和位置(偏置)的关系，从而根据“等效辐射导纳的分布”选定缝隙的尺寸和偏置。对缝隙等效导纳特性进行分析是阵列天线设计的首要步骤，当SIW宽边纵缝的偏置选择适中时，传输线内缝隙两边的前后向散射波具有对称性，此时，其等效为传输线上的并联导纳。以SIW纵向缝隙为例，利用矩量法分析缝隙特性，通过仿真或测试的散射参数，计算缝隙的等效归一化导纳值。
N元波导缝隙阵列及其等效电路图如图3所示，波导谐振阵列输波比(SWR)与辐射缝隙的数量N及带宽B之间的关系式如下：
Figure BDA0003000057410000071
Figure BDA0003000057410000072
其中谐振阵列的带宽将随着阵元数目的增加而降低，SIW缝隙谐振阵列也具有类似的特性。当设计一个具有窄波束、低副瓣、高增益等特性的高性能阵列时，阵列单元的数目一般较大，而随着阵元数目的增加，阵列边缘处缝隙的辐射导纳将会进一步减小，导致偏置减小，阵列的辐射特性变差(偏置很小时，辐射特性对偏置量非常敏感)，加工成品率下降。
本发明一种基片集成波导天线阵列对这一问题，提出了SIW缝隙阵列天线稀疏化的处理方案。如图4所示，原有的16元SIW缝隙线阵经过我们的稀疏化处理后，缝隙个数缩减了一半，并且进一步优化了缝隙的分布。可以预测，8×8SIW缝隙稀疏阵列的缝隙数量比传统的8×16阵列减少了一半。在相似的辐射特性和匹配条件下，稀疏阵列的带宽将会扩大，缝隙偏移量也会增加。只要所设计的SIW传输线满足缝隙阵列不出现栅板的条件，稀疏化处理后的SIW缝隙阵列将具有可比拟传统缝隙阵列的辐射特性，而且缝隙的偏置量会增倍，带宽也将扩展，同时简化设计流程，降低加工成本。
稀疏化处理后的SIW缝隙阵列，其缝隙的分布以及调控特性都会发生变化。根据传输线理论，当两端口距离缝隙中心为半波长时，输入端反射系数S11与等效导纳Y和传输线特性导纳G0满足如下关系。
Figure BDA0003000057410000081
根据简化的电路模型，缝隙单元等效并联导纳可表达为
Figure BDA0003000057410000082
首先固定缝隙的偏置，对缝隙长度进行扫描，获得其在所需工作频率处的谐振长度，而利用上式计算得到的导纳即为考虑了互耦的有源谐振电导。然后合理设置缝隙的偏置，使得缝隙口径的电场分布对称，通过改变和变换参数，获得一系列谐振长度和有源谐振电导。最后利用互耦环境缝隙设计参数，按泰勒分布设计优化8元稀疏阵各缝隙的偏置和尺寸，完成设计。将原始缝隙数量减少一半，缝隙间距增加近一倍。同时，外部耦合和内部高阶模对缝隙谐振特性的影响也大大减小。这允许考虑通过忽略耦合对Elliott迭代设计过程的影响来简化设计过程。需要强调的是，即使采用严格的Elliott迭代设计方法，也大大降低了设计难度和迭代时间。
为了进一步说明稀疏化对缝隙间的耦合抑制作用。图5给出了单元1和单元2中部分单元的表面电流对比图，其中(a)单元1，(b)单元2，通过减少缝隙数量和增加相邻缝隙的间距。间隙之间的电流强度大大降低，耦合降低，起到了抑制耦合的目的。
单元1到单元4的参数对比图如图6-8所示。从图6可以看出，通过对缝隙稀疏化设计，单元1的阻抗带宽从1.07GHz(9.19-10.26GHz)增加到单元2的1.28GHz(8.96-10.24GHz)，带宽增加了210MHz(2.3％)。在10GHz时，主辐射方向(z轴)的增益增加了1.09dBi，副瓣从-12.8dBi减小到-14.9dBi，如图7所示。同时，在整个工作频段范围内，单元2的增益性能相对于单元1有一定程度的提高，如图8所示，最大增益提高1.12dB(9.45GHz)，最小增益提高0.39dB(9.95GHz)。
同时，超表面的加载显著提高了天线性能。从图6-8可以看出，单元2通过加载超表面结构进化到单元3，阻抗带宽从1.28GHz(8.96-10.24GHz)增加到1.4GHz(8.66-10.06GHz)，带宽增加120MHz(1.6％)。在10GHz时，主辐射方向(z轴)的增益增加了2.22dBi。副瓣从-14.9dBi下降到-17.1dBi，如图7所示。同时，与单元2相比，单元3在整个工作波段范围内的增益性能都有一定程度的提高。如图8所示，增益提升的最大值为2.65dBi(9.05GHz)，最小增益为0.3dBi(9.9GHz)。
从图6可以看出，在10-11GHz范围内，天线的阻抗性能明显恶化。为了优化高频带的阻抗特性，增加带宽，我们在相邻超表面元件的中间引入了寄生结构，即单元4。从图中看出。天线从单元3进化到单元4时，阻抗带宽从1.4GHz(8.66～10.06GHz)增加到1.91GHz(8.61～10.52GHz)，带宽增加了510MHz(5.1％)，总工作带宽为20.0％。10GHz时，主辐射方向(z轴)的增益增加了0.12dBi，副瓣从-17.1dBi下降到-18.2dBi，如图7所示。同时，在整个工作频段范围内，单元4的增益性能并没有明显优于单元3，如图8所示，增益提升的最大值为0.41dB(9.7GHz)，最小为0.17dB(8.95GHz)。由此可见，寄生贴片对高频阻抗匹配具有显著的调节作用。经过天线单元的演化设计，得到了最终的天线单元结构，即单元4，为下一步阵列设计奠定了基础。
许多参数对天线性能有明显影响。通过对这些参数的研究和分析，可以简化天线设计过程，提高设计效率。首先，对单元2进行分析。从图9可以看出，随着槽长Lslot1的增加，低频端阻抗性能提高，旁瓣减小，因此最终选择Lslot1＝10.8mm。图10为缝隙偏移量offset1的变化曲线。可以看出，随着offset1的增加，阻抗特性逐渐恶化，副瓣在0.4-0.6mm范围内急剧上升，充分说明了缝隙偏移量非常小，辐射特性对偏移量非常敏感。值得注意的是，Lslot2和offset2的参数更改性能与Lslot1和offset1相似。图11为缝隙Wslot的变化曲线，得到类似于offset1的结论，即Wslot对天线性能的影响比较敏感，需要选择较小的Wslot，即Wslot＝0.4mm。
接下来，我们分析了单元4的参数，即提出的天线。图12为空气层厚度Hair的变化曲线。可以看出，随着Hair的增加，阻抗性能变好，工作带宽增加，主瓣基本保持不变，第四个旁瓣有一定程度的增加。考虑到所有因素，选择Hair＝2mm。寄生贴片单元总长度LP2的变化曲线如图13所示。可以清楚地看到，随着LP2的增加，高频波段的阻抗匹配特性变好，带宽增加，模式主瓣基本保持不变。这充分证实了寄生贴片对高频阻抗性能的影响。图14为寄生贴片单元数量的Nr变化曲线。可见，Nr对整个频带具有阻抗调节作用。值得一提的是，Np的性能与Nr相似。
阵列设计
图15给出了8单元的天线阵列。阵列的整体尺寸为225×104mm2，天线阵列由辐射部分和馈电网络两部分组成。辐射部分由单元4发展而来，8个单元沿X轴排列，中心间距Du，构成阵列的主体部分。1分8馈电网络为阵列提供等幅和相位的输入信号。微带线到SIW的渐变结构为整个阵列天线结构馈电，这个结构由梯形馈电巴伦组成，馈电巴伦的底部与50ΩSMA转接头相连。阵列馈电网络由三个SIWT型连接器和四个SIWY型连接器组成，输出相等，如图16所示。位于转角处的金属化通孔Pd2,Pd5,Pd8,Pd3,Pd6,Pd9,用于调整匹配。而耦合孔Pd1,Pd4和Pd7，被用来获得与位于中心的振幅相同的方向。馈电网络和超表面设计在同一介质基片上。优化后的孔坐标如图16所示。图17展示了分功器网络的性能，其中，(a)为S-参数幅度，(b)为相位，可以看出工作带宽为8.09-11.59GHz。端口2到端口9的传输系数的模拟性能也如图17所示。可以看出，它们在工作频段具有几乎相同的幅值和相位，这充分保证了工作频段内天线阵单元之间将获得相同的功率输入。
加工测试
对本发明一种基片集成波导天线阵列进行了制作和测试，验证了设计的正确性。图18展示了天线阵原型和测量环境的照片。采用AV3672B矢量网络分析仪和标准暗室对天线阵列进行测量。图19为阵列天线仿真与实测S11及增益对比图。天线的仿真带宽为8.75-10.82GHz(21.2％)。在工作频段，增益从15.33dBi逐渐增加到21.61dBi(10.5GHz)，然后继续下降。实测带宽为8.88-10.62GHz(17.8％)，增益从15.5dBi逐渐增大到21dBi(10.5GHz)，然后继续减小。结果表明:仿真结果与实测结果吻合较好，仿真结果和实测结果之间的差距是由于测量环境误差、SMA接头焊接过程误差和加工误差造成的。馈电网络的影响阵列的S11带宽阵列带宽比单元的带宽要宽。
图20显示了H面和E面辐射图的测量和仿真结果，包括9.5GHz和10.5GHz两个不同频率，其中为(a)(b)9.5GHz，(c)(d)为10.5GHz。如图20(a)(c)所示，E平面天线阵列在9.5GHz和10.5GHz时的主瓣宽度分别为21°和20°。第一个旁瓣为-20.3dBi和-16.4dBi。从图(b)和图(d)可以看出，在9.5GHz和10.5GHzH平面的天线阵主瓣宽度均为30°。第一个旁瓣为-14.1dBi和-14.3dBi。仿真结果与实测结果吻合较好。本发明一种基片集成波导天线阵列与以往其他天线的对比如表1所示。很明显，在保持天线尺寸的同时，工作频带和增益都有一定程度的提高。
表1与其他天线对比表
Figure BDA0003000057410000121
本发明一种基片集成波导天线阵列，具有天线性能的完整性和稳定性高的特点。通过对辐射缝隙进行稀疏化，达到了抑制耦合的目的，最终带宽展宽，副瓣降低、工作带宽增加了210MHz，通过引入由主辐射贴片和和寄生贴片组成的复合超构表面，天线单元的工作带宽和增益得到了进一步提升。

Claims (7)

1.一种基片集成波导天线阵列，其特征在于，包括天线阵列辐射组件和馈电组件组成，所述馈电组件位于介质基板的下表面，所述天线阵列辐射组件位于介质基板的上表面，所述天线阵列辐射组件包括若干天线单元，所述天线单元包括SIW缝隙天线和超表面，所述超表面位于SIW缝隙天线正上方，所述超表面分为主单元和寄生单元，所述主单元位于SIW缝隙天线的正上方，所述寄生单元位于相邻两个主单元的中心。
2.如权利要求1所述的一种基片集成波导天线阵列，其特征在于，所述天线单元结构由两层介质板和三层金属层组成，两层所述电介质板的中间是空气层。
3.如权利要求2所述的一种基片集成波导天线阵列，其特征在于，所述介质板采用介电常数为3.66的RO4350。
4.如权利要求1所述的一种基片集成波导天线阵列，其特征在于，所述天线单元为8个，8个所述天线单元沿X轴排列在介质基板上。
5.如权利要求1所述的一种基片集成波导天线阵列，其特征在于，所述馈电组件为微带线到SIW的渐变结构，所述微带线到SIW的渐变结构由梯形馈电巴伦组成，所述馈电巴伦的底部与50ΩSMA转接头相连。
6.如权利要求1所述的一种基片集成波导天线阵列，其特征在于，所述馈电组件由三个SIWT型连接器和四个SIWY型连接器组成，所述SIWT型连接器与SIWY型连接器的输出相等。
7.如权利要求1所述的一种基片集成波导天线阵列，其特征在于，所述超表面覆盖介质基板的顶部表面。
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