CN114024135A - 多模式加载行波的基片集成波导涡旋电磁波天线 - Google Patents
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Abstract
一种多模式加载行波的基片集成波导涡旋电磁波天线，为环形基片集成波导结构，包括：由上而下依次设置的上层介质板、金属地层、下层介质基板，其中：上层介质基板上设有至少两个同圆心的多环嵌套的环形谐振腔作为辐射结构，下层介质基板上设有对应各个天线的90°混合耦合器作为馈电结构。本天线各个辐射模式传播方向轴相同；结构简单，只需要两层PCB介质板且不需要复杂的中间介质板的金属盲孔和金属图案；带有90°混合耦合器，不需要具有特定相位差的两路输入信号来激励起涡旋电磁波工作模式，对外部信号的输入端口只需要具有50欧姆的传输线特征阻抗即可。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种微波通信领域的技术，具体是一种多模式加载行波的基片集成波导涡旋电磁波天线。
背景技术
现有的多模式涡旋电磁波天线由两个环形半模基片集成波导谐振腔组成。其缺陷包括：1.可辐射的涡旋电磁波的模式数共有四个，模式数总数较少，存在着可以进一步提升的空间；2.天线的不同模式的涡旋电磁波的空间辐射特性尤其是主瓣波束方向不一致，在空间中引起除涡旋电磁波模式数外的新的模式间特性差异，破坏不同涡旋电磁波模式间的正交性，使得多模式涡旋电磁波应用出现问题；3.馈电结构使用探针激励馈电，部分天线设计还需要在馈电探针的通孔周围设计接地屏蔽通孔，带来设计的复杂度和加工难度；4.需要具有特定相位差的两个信号同时输入天线才能激励起涡旋电磁波辐射，给系统中其他部分的设计带来难度；5.其他设计中具有辐射多个模式的涡旋电磁波能力的天线的馈电网络由于占用几何面积较大，需要多层介质板才能完成多个模式的馈电，由此带来跨层馈电结构设计和加工的难度和成本的上升。
由于涡旋电磁波需要传输截面内环形的相位变化，因此需要天线具有环形相位变化的辐射结构，对天线的设计要求较高；因此涡旋电磁波天线相对平面电磁波天线具有更高设计难度。现有的涡旋电磁波天线辐射的模式较少，无法实现多模式同时工作。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种多模式加载行波的基片集成波导涡旋电磁波天线，具有八个涡旋电磁波模式的辐射能力，多个模式的辐射特性类似、主瓣波束方向一致、传播方向轴相同；结构简单，只需要两层PCB介质板且不需要复杂的中间介质板的金属盲孔和金属图案且带有90°混合耦合器，不需要具有特定相位差的两路输入信号来激励起涡旋电磁波工作模式，对外部信号的输入端口只需要具有50欧姆的传输线特征阻抗即可。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种多模式加载行波的基片集成波导涡旋电磁波天线，为环形基片集成波导结构，包括：由上而下依次设置的上层介质板、金属地层、下层介质基板，其中：上层介质基板上设有至少两个同圆心的多环嵌套的环形谐振腔作为辐射结构，下层介质基板上设有对应各个天线的90°混合耦合器作为馈电结构。
所述的环形基片集成波导结构是指：环形谐振腔的上表面设有用于控制辐射特性的辐射槽，即通过其数量和尺寸实现辐射特性，相比半模基片集成波导提高了设计自由度、克服了其内部场直接耦合至空间中的辐射方式的不足。
所述的多环嵌套是指：四个辐射八个模式涡旋电磁波的环形阵列结构，其中内圈的圆环对应为辐射模式数绝对值较小的涡旋电磁波的环形谐振腔，外圈的圆环对应为辐射模式数较大的涡旋电磁波的环形谐振腔，每个环形谐振腔的上表面均设有辐射槽。
所述的四个环形谐振腔的半径大小用于控制各自的辐射涡旋电磁波在空间中辐射方向图的主瓣方向，每个圆环辐射正负两个模式的涡旋电磁波模式，由内到外依次是辐射模式±1、模式±2、模式±3、模式±4的环形谐振腔。
所述的金属地层上对应馈电结构的位置设有相应的馈电槽，该馈电槽为矩形结构，通过槽耦合方式进行馈电。
所述的环形谐振腔在特定的激励下产生环形的行波谐振场，从而给设置于波导宽边即基片集成波导的上表面的槽产生环形线性相位变化的激励，在空间中辐射出特定模式的涡旋电磁波。
所述的馈电结构根据与待辐射的模式数的环形相位变化来确定馈电点的位置即空间上的水平方位角的角度差以激励起行波。
技术效果
本发明通过多环嵌套的内部加载行波的基片集成波导环形谐振腔开槽天线，使用多环嵌套来辐射八个模式；相较于现有涡旋电磁波天线，本发明能够辐射的涡旋电磁波的模式数多，各个模式的主瓣波束方向一致且传播方向轴一致；同时天线具有简单的结构：两层PCB介质板、简单的馈电网络和矩形槽耦合馈电形式；此外天线使用了90°混合耦合器作为馈电网络，降低了对于输入信号要求，有利于降低系统中其他组成部件的复杂度。
附图说明
图1为本发明天线的整体结构图；
图2为天线的分层透视图；
图中：上层介质板1、金属地层2、下层介质基板3、模式±1馈电槽101、模式+1端口102、模式-1端口103、模式±1馈电网络104、模式±1环形谐振腔105、模式±2馈电槽201、模式+2端口202、模式-2端口203、模式±2馈电网络204、模式±2环形谐振腔205、模式±3馈电槽301、模式+3端口302、模式-3端口303、模式±3馈电网络304、模式±3环形谐振腔305、模式±4馈电槽401、模式+4端口402、模式-4端口403、模式±4馈电网络404、模式±4环形谐振腔405；
图3为天线的俯视图和底视图与相关的结构参数示意图；
图4为四个端口同时输入信号时环形谐振腔内部的场点的幅度和相位的仿真结果示意图；
图5为天线加工成品图；
图6为天线进行S参数测试与增益方向图测试示意图；
图7为天线的各个工作模式的实测和仿真端口反射系数和隔离系数示意图；
图8天线各个工作模式的实测和仿真增益和辐射方向图；
图9为传播方向轴截面内场的相位分布情况示意图。
具体实施方式
如图1和图2所示，为本实施例涉及一种八模式加载行波的基片集成波导涡旋电磁波天线，其工作频率为10GHz，位于X波段，具体包括：由上而下依次设置的上层介质板1、金属地层2、下层介质基板3、由内而外依次设置于上层介质板1上的模式±1环形谐振腔105、模式±2环形谐振腔205、模式±3环形谐振腔305、模式±4环形谐振腔405、设置于金属地层2上的模式±1馈电槽101、模式±2馈电槽201、模式±3馈电槽301、模式±4馈电槽401以及设置于下层介质基板3上的模式+1端口102、模式-1端口103、模式±1馈电网络104、模式+2端口202、模式-2端口203、模式±2馈电网络204、模式+3端口302、模式-3端口303、模式±3馈电网络304、模式+4端口402、模式-4端口403、模式±4馈电网络404。
所述的上层介质板1和下层介质基板3在图中显示为透明结构，以方便显示下层的印刷电路走线。(所述的透明设置是为了图中展示方便，在实际产品中并不是透明结构。此处可能引起疑义，请修改或删除此句子)
本实施例以辐射模式+3为例简要阐述天线的工作原理，辐射其他模式的工作原理与之类似。在其他输入端口均端接50欧姆匹配负载的条件下，射频信号从模式+3端口输入天线。输入的射频信号首先进入由一个90°混合耦合器构成的模式±3馈电网络，在混合耦合器两路输出端产生具有+90°相位差的两路射频信号，两路射频信号经过微带线传播至模式±3馈电槽下方。传输至模式±3馈电槽下方的两路射频信号通过模式±3馈电槽耦合至位于上层介质板的基片集成波导环形谐振腔中。通过单个馈电槽耦合至环形谐振腔内的射频信号将会在谐振腔内激励起驻波谐振场，两个具有+90°相位差的射频信号通过各自馈电槽激励起的驻波谐振场的叠加将会是行波谐振场，环绕谐振腔一周其内部场的相位变化为+6π。这样的行波谐振场将会在基片集成波导环形谐振腔的上表面的上的辐射槽组成的阵列上产生相同的环形相位变化的激励，从而在空间中辐射出模式数为+3的涡旋电磁波。
如图4所示，为使用全波仿真软件HFSS对天线进行仿真分析时，在模式-1、-2、+3、+4四个端口同时输入相同幅度的信号而剩余其他端口均端接50欧姆匹配负载时，天线环形谐振腔内部的场的幅度和相位的仿真结果。如图所示，环形谐振腔内部环形的环形相位变化，值得注意的是，模式-1、-2的相位增加方向与模式+3、+4相反。
如图可见，本实施例的谐振腔、辐射槽的工作状态满足设计要求；对于其端口特性，在下文中的S参数测试中验证了馈电网络设计的合理性，说明了工作状态和效果分析；对于天线的整体辐射特性，天线辐射方向图的测试结果和仿真结果验证了辐射涡旋电磁波，验证了实施例中所述辐射机构的设计合理性，说明了其工作状态和效果分析。
如图3所示，为本实施例天线的几何结构参数，其变量含义与名称取值在表1中列出。
表1天线尺寸参数符号和数值，以下数据仅为说明整体尺寸，其设计数值均可以通过前述理论或仿真设计软件优化得到。
本实施例涉及上述天线的制备方法，通过PCB印刷电路板技术，采用F4BMX220介质基板材料；在频率10GHz处，其相对介电常数εr＝2.2，相对误差小于±2％，损耗角正切≤0.001。两层介质板之间的半固化片使用FR4系列的粘接材料，厚度为0.15mm，相对介电常数εr＝4.4。每层介质基板上下表面的印刷金属图案材料为铜，表面工艺使用沉锡、抗氧化。
如图5所示，为本实施例制备得到的成品天线，使用如图6所示的Keysight E5071C矢量网络分析仪对其S参数进行测试，对于八模式涡旋电磁波天线，由于矢量网络分析仪测量端口数量的限制，同时测量同两个涡旋电磁波模式数绝对值的正负两个模式共四个端口的S参数。对于其他模式四个端口则悬空处理，由于这些端口与测试端口之间具有40dB以上的隔离度，因此其悬空与连接匹配负载对测试结果的影响不大。
本实施例进一步使用微波暗室内的紧缩场天线方向图测试系统，对天线的增益进行了测试，即利用抛物线反射面，将发射喇叭发出近似球面波转化为准平面波，照射在待测天线上，来模拟远区场的照射。通过计算机设备控制旋转台的伺服机构进行旋转，同时使用矢量网络分析仪记录各个角度下的待测天线对于平面波的响应，即可得到天线的辐射方向图。在图中，发射喇叭位于右下角，反射面位于左半部分。
如图7所示，为本实施例天线的S参数测试结果与仿真结果的对比。测试结果与仿真结果在曲线变化趋势上基本一致，但是存在一定的频率偏移与幅度差异。这样的差异可能是由金属通孔的加工误差、材料介电常数的误差等原因导致的。观察天线的各个工作模式的实测端口反射系数，可以发现，模式±1的工作频带覆盖9.8GHz至10.1GHz，其带宽约为0.3GHz；模式±2的工作频带为9.8GHz至10.18GHz，其带宽约为0.38GHz；模式±3的工作频带为9.8GHz至10.2GHz，带宽约为0.4GHz；模式±4的工作频带为9.8GHz至10.15GHz，其带宽约为0.35GHz。观察天线各个工作模式的实测端口隔离系数，可以发现各个模式的谐振频率都在10.04GHz附近，其带宽约为0.01GHz。同时仿真及实测中，天线不同模式数之间即模式±1至±2、±3、±4之间的端口隔离、模式±2至±1、±3、±4之间的端口隔离模式±3至±1、±2、±4之间的端口隔离模式±4至±1、±2、±3之间的端口隔离，均小于-40dB，具有良好的隔离度。
如图8所示，为本实施例涉及的天线的仿真和实测辐射方向图。模式±1主瓣增益为2.82dB，位置为θ＝28°；对于模式±2主瓣增益为2.9dB，位置为θ＝34°，模式±3主瓣增益为3.2dB，位置为θ＝24.5°；对于模式±4最大增益为4.2dB，位置为θ＝24.2°，天线的各个工作模式的主瓣波束方向基本一致，满足了设计的目标和要求。
通过观察辐射场在传播方向轴截面内相位分布情况，可以考察其辐射涡旋电磁波的性能和特性。如图9所示，分别为：模式+1端口激励、模式+2端口激励、模式+3端口激励和模式+4端口激励，四种情况下在z＝30mm位置处，使用仿真软件HFSS进行全波仿真后，得到的传播方向轴截面内场的相位分布情况。在图中可以发现，在模式+1端口激励的条件下，天线会在空间中辐射出模式+1的涡旋电磁波，其相位分布呈现出环形相位变化，空间中环绕传输方向轴的圆环上都呈现出2π的相位变化。模式+2端口激励的条件下，天线会在空间中辐射出模式+2的涡旋电磁波，其相位分布呈现出环绕传输方向轴的圆环上的4π的相位变化。模式+3端口激励的条件下，天线会在空间中辐射出模式+3的涡旋电磁波，其相位分布呈现出环绕传输方向轴的圆环上的6π的相位变化。模式+4端口激励的条件下，天线会在空间中辐射出模式+4的涡旋电磁波，其相位分布呈现出环绕传输方向轴的圆环上的8π的相位变化。模式-1端口激励的情况与模式+1端口激励的情况类似，只是相位分布旋转方向相反；模式-2端口激励与模式+2端口激励、模式-3端口激励与模式+3端口激励、模式-4端口激励与模式+4端口激励的类似性也满足相同的规律。此外还以可以发现，天线的相位奇异点也就是螺旋相位的中心店都是截面的中心位置，这可以说明这些模式的传播方向轴是一致的。从辐射场的幅度和相位分布情况基本验证了天线辐射涡旋电磁波的性能。
综上所述，本天线能够在X波段10GHz附近的特定频带内辐射出涡旋电磁波，天线的具有良好的阻抗带宽和模式间端口隔离度，各个工作模式的主瓣基本一致且传播方向轴相同。天线引入了90°混合耦合器，不需要输入信号具有特定的相位差。同时具有结构简单的优点，易于加工、测试和应用。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (8)
1.一种多模式加载行波的基片集成波导涡旋电磁波天线，其特征在于，为环形基片集成波导结构，包括：由上而下依次设置的上层介质板、金属地层、下层介质基板，其中：上层介质基板上设有至少两个同圆心的多环嵌套的环形谐振腔作为辐射结构，下层介质基板上设有对应各个天线的90°混合耦合器作为馈电结构。
2.根据权利要求1所述的多模式加载行波的基片集成波导涡旋电磁波天线，其特征是，所述的环形基片集成波导结构是指：环形谐振腔的上表面设有用于控制辐射特性的辐射槽，即通过其数量和尺寸实现辐射特性。
3.根据权利要求1或2所述的多模式加载行波的基片集成波导涡旋电磁波天线，其特征是，所述的多环嵌套是指：二至四个辐射八个模式涡旋电磁波的环形阵列结构，其中内圈的圆环对应为辐射模式数绝对值较小的涡旋电磁波的环形谐振腔，外圈的圆环对应为辐射模式数较大的涡旋电磁波的环形谐振腔，每个环形谐振腔的上表面均设有辐射槽。
4.根据权利要求3所述的多模式加载行波的基片集成波导涡旋电磁波天线，其特征是，所述的环形谐振腔的半径大小用于控制各自的辐射涡旋电磁波在空间中辐射方向图的主瓣方向，每个圆环辐射正负两个模式的涡旋电磁波模式。
5.根据权利要求1所述的多模式加载行波的基片集成波导涡旋电磁波天线，其特征是，所述的金属地层上对应馈电结构的位置设有相应的馈电槽，该馈电槽为矩形结构，通过槽耦合方式进行馈电。
6.根据权利要求1所述的多模式加载行波的基片集成波导涡旋电磁波天线，其特征是，所述的环形谐振腔在特定的激励下产生环形的行波谐振场，从而给设置于波导宽边即基片集成波导的上表面的槽产生环形线性相位变化的激励，在空间中辐射出特定模式的涡旋电磁波。
7.根据权利要求1所述的多模式加载行波的基片集成波导涡旋电磁波天线，其特征是，所述的馈电结构根据与待辐射的模式数的环形相位变化来确定馈电点的位置即空间上的水平方位角的角度差以激励起行波。
8.根据权利要求1～7中任一所述的多模式加载行波的基片集成波导涡旋电磁波天线，其特征是，具体包括：由上而下依次设置的上层介质板、金属地层、下层介质基板、由内而外依次设置于上层介质板上的模式±1环形谐振腔、模式±2环形谐振腔、模式±3环形谐振腔、模式±4环形谐振腔、设置于金属地层上的模式±1馈电槽、模式±2馈电槽、模式±3馈电槽、模式±4馈电槽以及设置于下层介质基板上的模式+1端口、模式-1端口、模式±1馈电网络、模式+2端口、模式-2端口、模式±2馈电网络、模式+3端口、模式-3端口、模式±3馈电网络、模式+4端口、模式-4端口、模式±4馈电网络。
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