CN113745817A - 一种基于siw技术的高隔离双频段极化可重构天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于SIW技术的高隔离双频段极化可重构天线，包括有馈电层结构、辐射层结构、扇形枝节直流偏置结构，辐射层结构通过银浆对齐的粘接在馈电层结构的上方，用于实现天线直流偏置的扇形枝节直流偏置结构设置在馈电层结构上，馈电层结构包括由若干第一金属通孔和分别位于馈电层结构上、下两端的上、下层金属地板构成的基片集成波导馈电层金属腔体，上层金属地板上开设有极化可重构缝隙，辐射层结构包括由贯穿辐射层结构的若干第二金属通孔构成的基片集成波导辐射层金属腔体；本发明的天线具有双频带、高隔离、定向辐射、极化可重构的优势。

Description

一种基于SIW技术的高隔离双频段极化可重构天线
技术领域
本发明涉及极化可重构天线技术领域，具体为一种基于SIW技术的高隔离双频段极化可重构天线。
背景技术
随着无线通信的快速发展，发展小型化、多功能、集成化的天线单元对于丰富无线通信探测设备的功能很有必要。极化分集技术可以大大的提升频带的利用率，降低多径效应，越来越受到关注。目前实现极化可重构的方式主要有三类。一类是在地板的缝隙槽上加入射频器件，实现天线极化状态的改变；一类是通过改变馈电网络实现天线不同线极化以及圆极化的可重构；一类则是在天线的辐射体上加射频开关，直接改变天线的辐射结构，从而改变天线的表面电流分布实现天线极化状态的切换。然而目前大多数极化可重构天线的研究集中在单频段，鲜有涉及双频和多频段的报道。目前所报道的双频段极化可重构天线存在交叉极化较大、前后比较差、带宽太窄等问题。
发明内容
本发明的目的就是提供一种基于SIW技术的高隔离双频段极化可重构天线，它能够在两个频段内实现稳定的定向辐射，在两个频段内可以实现±45°线极化可重构，且应用于相控阵阵列时具有高隔离的特性和稳定的方向图。
本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，它包括有馈电层结构、辐射层结构、扇形枝节直流偏置结构；
所述的辐射层结构通过银浆对齐的粘接在馈电层结构的上方，用于实现天线直流偏置的扇形枝节直流偏置结构设置在所述馈电层结构上；
所述馈电层结构包括贯穿所述馈电层结构的若干第一金属通孔，以及分别位于馈电层结构上、下两端的上层金属地板和下层金属地板，若干第一金属通孔与上层金属地板和下层金属地板形成基片集成波导馈电层金属腔体，所述上层金属地板上开设有极化可重构缝隙；
所述辐射层结构包括贯穿所述辐射层结构的若干第二金属通孔，以及Ku频段方形辐射贴片和X频段十字形辐射贴片，若干第二金属通孔构成基片集成波导辐射层金属腔体。
进一步，所述辐射层结构包括由上至下逐层贴设的上层辐射介质基板、下层辐射介质基板；
所述上层辐射介质基板的上表面贴设有第一环形金属垫片和Ku频段方形辐射贴片，所述上层辐射介质基板的下表面贴设有第二形金属垫片和X频段十字形辐射贴片，所述Ku频段方形辐射贴片位于所述第一环形金属垫片内，所述X频段十字形辐射贴片位于所述第二形金属垫片内；
所述辐射层结构上还开设有贯穿上层辐射介质基板和下层辐射介质基板的若干第二金属通孔，若干第二金属通孔沿所述第一环形金属垫片和第二形金属垫片环形设置，若干第二金属通孔形成基片集成波导辐射层金属腔体。
进一步，所述X频段十字形贴片的两条边长度均为4mm、宽均为1.8mm；
所述Ku频段方形贴片的长、宽均为1mm；
所述上层辐射介质基板和下层辐射介质基板厚度均为1.524mm，材料为ArlonAD450，其相对介电常数为4.5，损耗角正切为0.0035；
第二金属通孔的半径为0.3mm，金属通孔的间距为1.2mm。
进一步，所述馈电层结构包括由上至下逐层设置的上层馈电介质基板、中层馈电介质基板、下层馈电介质基板，所述上层金属地板贴设在所述上层馈电介质基板上表面，所述下层金属接地板贴设在所述下层馈电介质基板的下表面；
所述馈电层结构上开设有贯穿所述上层馈电介质基板、中层馈电介质基板、下层馈电介质基板的若干第一金属通孔，若干第一金属通孔按矩形环状设置，所述第一金属通孔的上、下端分别与上层金属地板和下层金属接地板连接，若干第一金属通孔与上层金属地板、下层金属接地板形成基片集成波导馈电层金属腔体；
所述下层馈电介质基板的上表面贴设有带状线，所述带状线位于所述基片集成波导馈电层金属腔体外的一端与SMP连接器连接，沿所述SMP连接器与带状线连接点设置有半圆形的类同轴结构，所述类同轴结构包括贯穿所述上层馈电介质基板、中层馈电介质基板、下层馈电介质基板的若干第三金属通孔，所述第三金属通孔的上、下端分别与上层金属地板和下层金属接地板连接；
所述上层金属地板上开设有极化可重构缝隙组件，所述极化可重构缝隙组件位于所述基片集成波导馈电层金属腔体内侧。
进一步，所述极化可重构缝隙组件包括十字正交放置的﹢45°极化耦合缝隙和-45°极化耦合缝隙，以及顶点分别与﹢45°极化耦合缝隙和-45°极化耦合缝隙的四个端点连接的矩形环状缝隙；
所述矩形环槽缝隙将所述上层金属地板分割为内部金属地板和外部金属地板，所述﹢45°极化耦合缝隙和-45°极化耦合缝隙将内部金属地板分割为四块相同的三角形金属地板；
所述极化可重构缝隙组件中还安装有若干用于保持上层金属地板对于射频信号完整性的电容，所述﹢45°极化耦合缝隙和-45°极化耦合缝隙中还分别安装有两个用于通断控制不同的耦合缝隙工作进而实现天线极化可重构的PIN管。
进一步，所述上层馈电介质基板和中层馈电介质基板的厚度均为0.254mm，材料均为Rogers R04350B，其相对介电常数为3.66，损耗角正切为0.004；
所述下层馈电介质基板的厚度为0.762mm，材料为Arlon AD450，其相对介电常数为4.5，损耗角正切为0.0035；
所述第一金属通孔的半径为0.2mm，间距为0.7mm；
所述第三金属通孔的半径为0.2mm；
所述电容为390pf。
进一步，所述扇形枝节直流偏置结构包括四根直流偏置金属柱、四个扇形枝节结构、两根引流柱；
四个直流偏置金属柱的上端分别与四个三角形金属地板连接，四个直流偏置金属柱的下端分别与设置在所述中层馈电介质基板上的四个扇形枝节结构连接；
对角设置的两个直流偏置金属柱为一组，其中一组直流偏置金属柱通过两根引流柱引至中层馈电介质基板的下表面。
进一步，所述下层辐射介质基板重心处开设有方形空腔，所述SMP连接器与带状线连接点上方的上层馈电介质基板和中层馈电介质基板上均开设有避让孔。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
1、本发明的天线单元具有双频带、高隔离、定向辐射、极化可重构的优势。
2、本发明带状线通过激励可重构的十字形交叉槽缝结构进而耦合激励双层贴片，两个频段内实现了天线的良好的定向辐射和±45°线极化状态切换。
3、本发明引入的SIW腔体结构可以提升天线单元的隔离性能、抑制表面波、增强天线的定向辐射能力，使得天线单元应用于相控阵时保持稳定的辐射。
4、本发明机械结构稳定、结构简单，天线单元在相控阵雷达方面具有应用价值。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。
附图说明
本发明的附图说明如下。
图1为本发明双频极化可重构天线的展开轴测视图。
图2为本发明双频极化可重构天线的正式图。
图3为本发明辐射层结构的结构示意图。
图4本发明馈电层结构的结构示意图。
图5本发明极化可重构缝隙组件的俯视图。
图6扇形枝节直流偏置结构的结构示意图。
图7发明天线在X频段的±45°极化状态下的阻抗曲线和增益曲线。
图8明天线在Ku频段的±45°极化状态下的阻抗曲线和增益曲线。
图中：1-馈电层结构；2-辐射层结构；3-扇形枝节直流偏置结构；4-上层馈电介质基板；5-中层馈电介质基板；6-下层馈电介质基板；7-上层辐射介质基板；8-下层辐射介质基板；9-上层金属地板；10-避让孔；11-带状线；12-类同轴结构；13-下层金属接地板；14-基片集成波导馈电层金属腔体；15-Ku频段方形贴片；16-X频段十字形辐射贴片；17-第一环形金属垫片；18-第二形金属垫片；19-方形空腔；20-基片集成波导辐射层金属腔体；21-PIN管；22-电容；23-SMP连接器；24-直流偏置金属柱；25-扇形枝节结构；26-引流柱；27-极化可重构缝隙组件；28-第一金属通孔；29-第二金属通孔；30-第三金属通孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
如图1-图6示的一种基于SIW技术的高隔离双频段极化可重构天线，其特征在于，包括有馈电层结构1、辐射层结构2、扇形枝节直流偏置结构3；
所述的辐射层结构2通过银浆对齐的粘接在馈电层结构1的上方，用于实现天线直流偏置的扇形枝节直流偏置结构3设置在所述馈电层结构1上；
所述馈电层结构1包括贯穿所述馈电层结构1的若干第一金属通孔28，以及分别位于馈电层结构1上、下两端的上层金属地板9和下层金属地板13，若干第一金属通孔28与上层金属地板9和下层金属地板13形成基片集成波导馈电层金属腔体14，所述上层金属地板9上开设有极化可重构缝隙23；29
所述辐射层结构2包括贯穿所述辐射层结构2的若干第二金属通孔29，以及Ku频段方形辐射贴片15和X频段十字形辐射贴片16，若干第二金属通孔29构成基片集成波导辐射层金属腔体20。
作为本发明的一种实施例，所述辐射层结构2包括由上至下逐层贴设的上层辐射介质基板7、下层辐射介质基板8；
所述上层辐射介质基板7的上表面贴设有第一环形金属垫片17和Ku频段方形辐射贴片15，所述上层辐射介质基板7的下表面贴设有第二形金属垫片18和X频段十字形辐射贴片16，所述Ku频段方形辐射贴片15位于所述第一环形金属垫片17内，所述X频段十字形辐射贴片16位于所述第二形金属垫片18内；
所述辐射层结构2上还开设有贯穿上层辐射介质基板7和下层辐射介质基板8的若干第二金属通孔29，若干第二金属通孔29沿所述第一环形金属垫片17和第二形金属垫片18环形设置，若干第二金属通孔29形成基片集成波导辐射层金属腔体20。
在本发明实例中，设置第一环形金属垫片17和第二形金属垫片18方便于第二金属通孔29的一体化加工。
作为本发明的一种实施例，所述X频段十字形贴片16的两条边长度均为4mm、宽均为1.8mm；
所述Ku频段方形贴片15的长、宽均为1mm；
所述上层辐射介质基板7和下层辐射介质基板8厚度均为1.524mm，材料为ArlonAD450，其相对介电常数为4.5，损耗角正切为0.0035；
第二金属通孔29的半径为0.3mm，金属通孔的间距为1.2mm。
作为本发明的一种实施例，所述馈电层结构1包括由上至下逐层设置的上层馈电介质基板4、中层馈电介质基板5、下层馈电介质基板6，所述上层金属地板9贴设在所述上层馈电介质基板4上表面，所述下层金属接地板13贴设在所述下层馈电介质基板6的下表面；
所述馈电层结构1上开设有贯穿所述上层馈电介质基板4、中层馈电介质基板5、下层馈电介质基板6的若干第一金属通孔28，若干第一金属通孔28按矩形环状设置，所述第一金属通孔28的上、下端分别与上层金属地板9和下层金属接地板13连接，若干第一金属通孔28与上层金属地板9、下层金属接地板13形成基片集成波导馈电层金属腔体14；
所述下层馈电介质基板6的上表面贴设有带状线11，所述带状线11位于所述基片集成波导馈电层金属腔体14外的一端与SMP连接器23连接，沿所述SMP连接器23与带状线11连接点设置有半圆形的类同轴结构12，所述类同轴结构12包括贯穿所述上层馈电介质基板4、中层馈电介质基板5、下层馈电介质基板6的若干第三金属通孔30，所述第三金属通孔30的上、下端分别与上层金属地板9和下层金属接地板13连接；
所述上层金属地板9上开设有极化可重构缝隙组件27，所述极化可重构缝隙组件27位于所述基片集成波导馈电层金属腔体14内侧。
作为本发明的一种实施例，所述极化可重构缝隙组件27包括十字正交放置的﹢45°极化耦合缝隙和-45°极化耦合缝隙，以及顶点分别与﹢45°极化耦合缝隙和-45°极化耦合缝隙的四个端点连接的矩形环状缝隙；
所述矩形环槽缝隙将所述上层金属地板9分割为内部金属地板和外部金属地板，所述﹢45°极化耦合缝隙和-45°极化耦合缝隙将内部金属地板分割为四块相同的三角形金属地板；
所述极化可重构缝隙组件27中还安装有若干用于保持上层金属地板9对于射频信号完整性的电容22，所述﹢45°极化耦合缝隙和-45°极化耦合缝隙中还分别安装有两个用于通断控制不同的耦合缝隙工作进而实现天线极化可重构的PIN管21。
作为本发明的一种实施例，所述上层馈电介质基板4和中层馈电介质基板5的厚度均为0.254mm，材料均为Rogers R04350B，其相对介电常数为3.66，损耗角正切为0.004；
所述下层馈电介质基板6的厚度为0.762mm，材料为Arlon AD450，其相对介电常数为4.5，损耗角正切为0.0035；
所述第二金属通孔29的半径为0.2mm，间距为0.7mm；
所述第三金属通孔25的半径为0.2mm；
所述电容22的数量为16个，型号为390pf。
作为本发明的一种实施例，所述扇形枝节直流偏置结构3包括四根直流偏置金属柱24、四个扇形枝节结构25、两根引流柱26；
四个直流偏置金属柱24的上端分别与四个三角形金属地板连接，四个直流偏置金属柱24的下端分别与设置在所述中层馈电介质基板5上的四个扇形枝节结构25连接；
对角设置的两个直流偏置金属柱24为一组，其中一组直流偏置金属柱24通过两根引流柱26引至中层馈电介质基板5的下表面。
在本发明实施例中，将其中一组直流偏置金属柱24连接扇形枝节后通过两个引流柱26引至中层馈电介质基板5的下表面，从而在两个不同的平面形成直流偏置线路，防止线路出现交叉。
作为本发明的一种实施例，所述下层辐射介质基板8重心处开设有方形空腔19，所述SMP连接器23与带状线11连接点上方的上层馈电介质基板4和中层馈电介质基板5上均开设有避让孔10。
在本发明实施例中，在馈电层结构1中设计了合适大小的空腔19，为下方上层金属地板9上的射频器件预留了安装空间，设置避让孔10便于将SMP连接器23的内导体和带状线11从上方进行点焊连接。
使用HFSS18.0对所述高隔离双频段极化可重构天线的S参数、辐射方向等特性参数进行仿真分析，其分析结果如下：
如图7示，为本发明天线在X频段的±45°两种极化状态的(|S11|)及增益随频率变化的曲线图，仿真结果显示，当天线|S11|<-10dB时，天线X频段的-45°极化状态的阻抗带宽为范围11.2-11.81GHz，频带内增益约为8.04-8.89dBi，天线X频段的﹢45°极化状态的阻抗带宽为范围11.23-11.87GHz，频带内增益约为8.1-8.93dBi。
如图8示，为本发明天线在X频段的±45°两种极化状态的(|S11|)及增益随频率变化的曲线图，仿真结果显示，当天线|S11|<-10dB时，天线Ku频段的-45°极化状态的阻抗带宽为范围14.97-15.58GHz，频带内增益为4.76-6.74dBi，天线Ku频段的﹢45°极化状态的阻抗带宽为范围15.0-15.61GHz，频带内增益为4.78-6.77dBi。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于SIW技术的高隔离双频段极化可重构天线，其特征在于，包括有馈电层结构(1)、辐射层结构(2)、扇形枝节直流偏置结构(3)；
所述的辐射层结构(2)通过银浆对齐的粘接在馈电层结构(1)的上方，用于实现天线直流偏置的扇形枝节直流偏置结构(3)设置在所述馈电层结构(1)上；
所述馈电层结构(1)包括贯穿所述馈电层结构(1)的若干第一金属通孔(28)，以及分别位于馈电层结构(1)上、下两端的上层金属地板(9)和下层金属地板(13)，若干第一金属通孔(28)与上层金属地板(9)和下层金属地板(13)形成基片集成波导馈电层金属腔体(14)，所述上层金属地板(9)上开设有极化可重构缝隙(23)；
所述辐射层结构(2)包括贯穿所述辐射层结构(2)的若干第二金属通孔(29)，以及Ku频段方形辐射贴片(15)和X频段十字形辐射贴片(16)，若干第二金属通孔(29)构成基片集成波导辐射层金属腔体(20)。
2.如权利要求1所述的一种基于SIW技术的高隔离双频段极化可重构天线，其特征在于，所述辐射层结构(2)包括由上至下逐层贴设的上层辐射介质基板(7)、下层辐射介质基板(8)；
所述上层辐射介质基板(7)的上表面贴设有第一环形金属垫片(17)和Ku频段方形辐射贴片(15)，所述上层辐射介质基板(7)的下表面贴设有第二形金属垫片(18)和X频段十字形辐射贴片(16)，所述Ku频段方形辐射贴片(15)位于所述第一环形金属垫片(17)内，所述X频段十字形辐射贴片(16)位于所述第二形金属垫片(18)内；
所述辐射层结构(2)上还开设有贯穿上层辐射介质基板(7)和下层辐射介质基板(8)的若干第二金属通孔(29)，若干第二金属通孔(29)沿所述第一环形金属垫片(17)和第二形金属垫片(18)环形设置，若干第二金属通孔(29)形成基片集成波导辐射层金属腔体(20)。
3.如权利要求2所述的一种基于SIW技术的高隔离双频段极化可重构天线，其特征在于，所述X频段十字形贴片(16)的两条边长度均为4mm、宽均为1.8mm；
所述Ku频段方形贴片(15)的长、宽均为1mm；
所述上层辐射介质基板(7)和下层辐射介质基板(8)厚度均为1.524mm，材料为ArlonAD450，其相对介电常数为4.5，损耗角正切为0.0035；
第二金属通孔(29)的半径为0.3mm，金属通孔的间距为1.2mm。
4.如权利要求1所述的一种基于SIW技术的高隔离双频段极化可重构天线，其特征在于，所述馈电层结构(1)包括由上至下逐层设置的上层馈电介质基板(4)、中层馈电介质基板(5)、下层馈电介质基板(6)，所述上层金属地板(9)贴设在所述上层馈电介质基板(4)上表面，所述下层金属接地板(13)贴设在所述下层馈电介质基板(6)的下表面；
所述馈电层结构(1)上开设有贯穿所述上层馈电介质基板(4)、中层馈电介质基板(5)、下层馈电介质基板(6)的若干第一金属通孔(28)，若干第一金属通孔(28)按矩形环状设置，所述第一金属通孔(28)的上、下端分别与上层金属地板(9)和下层金属接地板(13)连接，若干第一金属通孔(28)与上层金属地板(9)、下层金属接地板(13)形成基片集成波导馈电层金属腔体(14)；
所述下层馈电介质基板(6)的上表面贴设有带状线(11)，所述带状线(11)位于所述基片集成波导馈电层金属腔体(14)外的一端与SMP连接器(23)连接，沿所述SMP连接器(23)与带状线(11)连接点设置有半圆形的类同轴结构(12)，所述类同轴结构(12)包括贯穿所述上层馈电介质基板(4)、中层馈电介质基板(5)、下层馈电介质基板(6)的若干第三金属通孔(30)，所述第三金属通孔(30)的上、下端分别与上层金属地板(9)和下层金属接地板(13)连接；
所述上层金属地板(9)上开设有极化可重构缝隙组件(27)，所述极化可重构缝隙组件(27)位于所述基片集成波导馈电层金属腔体(14)内侧。
5.如权利要求4所述的一种基于SIW技术的高隔离双频段极化可重构天线，其特征在于，所述极化可重构缝隙组件(27)包括十字正交放置的﹢45°极化耦合缝隙和-45°极化耦合缝隙，以及顶点分别与﹢45°极化耦合缝隙和-45°极化耦合缝隙的四个端点连接的矩形环状缝隙；
所述矩形环槽缝隙将所述上层金属地板(9)分割为内部金属地板和外部金属地板，所述﹢45°极化耦合缝隙和-45°极化耦合缝隙将内部金属地板分割为四块相同的三角形金属地板；
所述极化可重构缝隙组件(27)中还安装有若干用于保持上层金属地板(9)对于射频信号完整性的电容(22)，所述﹢45°极化耦合缝隙和-45°极化耦合缝隙中还分别安装有两个用于通断控制不同的耦合缝隙工作进而实现天线极化可重构的PIN管(21)。
6.如权利要求4所述的一种基于SIW技术的高隔离双频段极化可重构天线，其特征在于，所述上层馈电介质基板(4)和中层馈电介质基板(5)的厚度均为0.254mm，材料均为Rogers R04350B，其相对介电常数为3.66，损耗角正切为0.004；
所述下层馈电介质基板(6)的厚度为0.762mm，材料为Arlon AD450，其相对介电常数为4.5，损耗角正切为0.0035；
所述第二金属通孔(29)的半径为0.2mm，间距为0.7mm；
所述第三金属通孔(25)的半径为0.2mm；
所述电容(22)为390pf。
7.如权利要求5所述的一种基于SIW技术的高隔离双频段极化可重构天线，其特征在于，所述扇形枝节直流偏置结构(3)包括四根直流偏置金属柱(24)、四个扇形枝节结构(25)、两根引流柱(26)；
四个直流偏置金属柱(24)的上端分别与四个三角形金属地板连接，四个直流偏置金属柱(24)的下端分别与设置在所述中层馈电介质基板(5)上的四个扇形枝节结构(25)连接；
对角设置的两个直流偏置金属柱(24)为一组，其中一组直流偏置金属柱(24)通过两根引流柱(26)引至中层馈电介质基板(5)的下表面。
8.如权利要求2或4所述的一种基于SIW技术的高隔离双频段极化可重构天线，其特征在于，所述下层辐射介质基板(8)重心处开设有方形空腔(19)，所述SMP连接器(23)与带状线(11)连接点上方的上层馈电介质基板(4)和中层馈电介质基板(5)上均开设有避让孔(10)。
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