CN114171909A - 一种siw圆极化单脉冲天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种SIW圆极化单脉冲天线，属于天线领域，解决了现有技术中不能满足机载或便携等平台上对设备轻量化的问题。所述天线包括：PCB印制板和SMP连接器，所述PCB印制板为三层，从下至上每层PCB印制板依次设置有：单脉冲和差馈电网络、基片集成波导缝隙阵列以及切角贴片天线；外部接口通过所述SMP连接器向所述单脉冲和差馈电网络馈电；所述单脉冲和差馈电网络通过该层PCB印制板上的能量通孔向上一层PCB印制板上的基片集成波导缝隙阵列传输能量；所述基片集成波导缝隙阵列将能量耦合至上一层PCB印制板上的切角贴片天线，通过所述切角贴片天线实现能量辐射。实现了满足机载，便携等平台上对设备加工精度高、轻量化等要求的SIW圆极化单脉冲天线。

Description

一种SIW圆极化单脉冲天线

技术领域

本发明涉及天线领域，尤其涉及一种SIW圆极化单脉冲天线。

背景技术

随着雷达技术的发展，市场对通信容量，通信效率的要求越来越高，5G等高频段通信技术得到广泛关注。传统金属波导缝隙阵列天线具有效率高，损耗低，容量高等优点，在高频段通信技术中得到广泛应用，但由于其结构复杂，重量重，体积大，金属波导缝隙对机械加工精度要求极高，加工制造复杂，由此带来的加工成本较高；在某些产品上应用并不方便，例如，因波导缝隙阵列天线采用金属材质加工，重量重，对很多机载，便携设备上应用及其不利，同时，不适应电路集成化的发展趋势。

因此，现有技术中缺少一种为了满足机载，便携等平台上对设备加工精度高、轻量化等要求的SIW圆极化单脉冲天线。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种SIW圆极化单脉冲天线，用以解决现有不能满足机载或便携等平台上对设备轻量化的问题。

本发明实施例提供了一种SIW圆极化单脉冲天线，所述天线包括：

PCB印制板和SMP连接器，所述PCB印制板为三层，从下至上每层PCB印制板依次设置有：单脉冲和差馈电网络、基片集成波导缝隙阵列以及切角贴片天线；

外部接口通过所述SMP连接器向所述单脉冲和差馈电网络馈电；

所述单脉冲和差馈电网络通过PCB印制板上的能量通孔向上一层PCB印制板上的基片集成波导缝隙阵列传输能量；

所述基片集成波导缝隙阵列将能量耦合至上一层PCB印制板上的切角贴片天线，通过所述切角贴片天线实现能量辐射。

进一步地，所述基片集成波导缝隙阵列包括左右对称的两个基片集成波导缝隙子阵列；

所述每一基片集成波导缝隙子阵列中相邻两个波导缝隙错落分布在基片集成波导中心线的两侧；所述错落分布在基片集成波导缝隙阵列中心线两侧的波导缝隙使得天线方位面形成窄波束，俯仰面形成宽波束。

进一步地，所述切角贴片天线包括N对切角贴片天线单元，所述切角贴片天线单元对数N与波束宽度w满足：

d＝λ_g/2

其中，N为非零偶数，w为波束宽度，λ为天线工作波长，d为相邻两个切角贴片天线单元中心的距离，λ_g为波导波长。

进一步地，所述切角贴片天线单元为方形，并且贴片尺寸为λ/4，其中，λ为所述天线的工作波长。

进一步地，所述每对切角贴片天线单元位于每个所述波导缝隙的两侧。

进一步地，所述单脉冲和差馈电网络通过所述基片集成波导缝隙阵列给每一对所述切角贴片天线单元馈电，切角贴片单元向空间辐射，N对切角贴片天线单元在空间辐射叠加形成和差方向图。

进一步地，所述基片集成波导由多个金属通孔构成，所述多个金属通孔围绕在基片集成波导缝隙阵列外围形成一个矩形，所述两相邻金属通孔中心距离th＜λ_g/4，其中，λ_g为基片集成波导波长；

且所述两相邻金属通孔中心距离th＜8r，其中r为所述金属通孔的半径。

进一步地，所述金属通孔形成的矩形的长和宽尺寸为所述所有切角贴片天线单元形成的矩形的长和宽尺寸基础上各加λ_g/2，其中，λ_g为基片集成波导波长。

进一步地，所述单脉冲和差馈电网络通过多个金属通孔实现3dB电桥和90°移相器功能。

进一步地，还包括：

天线罩和安装底板；

所述PCB印制板与安装底板粘接；

所述SMP连接器穿过所述安装底板的过孔与所述PCB印制板上的连接器焊接点焊接；

通过胶粘方式将所述天线罩与所述安装底板粘接在一起。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

1、本发明中的SIW圆极化单脉冲天线，通过基片集成波导馈电网络进行馈电，替代传统的微带贴片功分器，可有效解决高频差损较大的问题；

2、通过切角贴片单元，实现高增益圆极化辐射单元，天线辐射效率高，具有增益高等优点；

3、本发明中SIW圆极化单脉冲天线具有低损耗，功率容量高的特性，同时又保留了PCB工艺的高一致性和易加工性；

4、本发明中通过基片集成波导缝隙阵列通过空间耦合的方式向切角贴片天线进行馈电，可以提高天线轴比和带宽；

5、本发明中SIW圆极化单脉冲天线结构形式简单，重量轻，效率高，电性能稳定，成本低，可广泛应用于机载、便携单脉冲雷达系统设备上；可以有效解决传统金属波导缝隙阵列机械加工精度低，重量重，成本高等问题。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明一个实施例所示的SIW圆极化单脉冲天线的结构示意图；

图2为本发明一个实施例所示的基片集成波导缝隙阵列的结构示意图；

图3为本发明一个实施例所示的SIW圆极化单脉冲天线方位面的窄波束示意图；

图4为本发明一个实施例所示的SIW圆极化单脉冲天线俯仰面的宽波束示意图；

图5为本发明一个实施例所示的切角贴片天线单元的结构示意图；

图6为本发明一个实施例所示的单脉冲和差馈电网络的结构示意图；

图7为本发明一个实施例所示的单脉冲和差馈电网络中3dB电桥结构示意图；

图8为本发明一个实施例所示的单脉冲和差馈电网络中90°移相器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

基片集成波导(SIW：Substrate integrated waveguide)技术是近几年提出的一种新型的基于PCB工艺的传输线结构，通过在微带线上连续排布金属化过孔来替代波导的窄边，在介质基片上实现传统金属波导传输特性；SIW具有低损耗,功率容量高的特性,同时又保留了PCB工艺的高一致性和易加工性。基于基片集成波导的缝隙阵列天线的结构优点使得它可以进行高度的集成化，基片集成波导作为功率导行，代替微带线，形成馈电网络，整个天馈系统都能容纳在单片基片中，有效地弥补了传统金属波导缝隙阵在这方面的缺点。

本发明的一个具体实施例，公开了一种SIW圆极化单脉冲天线，如图1所示，所述天线包括：

PCB印制板和SMP连接器，所述PCB印制板为三层，从下至上每层PCB印制板依次设置有：单脉冲和差馈电网络、基片集成波导缝隙阵列以及切角贴片天线；

外部接口通过所述SMP连接器向所述单脉冲和差馈电网络馈电；

所述单脉冲和差馈电网络通过PCB印制板上的能量通孔向上一层PCB印制板上的基片集成波导缝隙阵列传输能量；

所述基片集成波导缝隙阵列将能量耦合至上一层PCB印制板上的切角贴片天线，通过所述切角贴片天线实现能量辐射。

本实施例中，整个天线采用多层印刷电路板一体化设计，天线辐射体集成在一块厚度为2.276mm的PCB板内，采用PCB工艺加工，天线结构紧凑，集成度高，具有加工精度高，重量轻，成本低等优点；解决了传统金属波导缝隙阵列机械加工精度低，重量重，成本高等问题。

具体地，如图2所示，所述基片集成波导缝隙阵列包括左右对称的两个基片集成波导缝隙子阵列；所述每一基片集成波导缝隙子阵列中相邻两个波导缝隙错落分布在基片集成波导中心线的两侧；所述错落分布在基片集成波导缝隙阵列中心线两侧的波导缝隙使得天线方位面形成窄波束，俯仰面形成宽波束，更具体地，所述波束宽度作为天线方向图的一个重要参数，主要衡量方向图波束的宽度，如图3-图4所示，图3为SIW圆极化单脉冲天线方位面的窄波束示意图，图4为SIW圆极化单脉冲天线俯仰面的宽波束示意图。

具体地，天线的长度主要影响工作频段。天线的长度主要由切角贴片数量、切角贴片长度以及贴片间距构成；所述切角贴片单元为实现高增益圆极化的辐射单元；所述切角贴片天线包括N对切角贴片天线单元，所述切角贴片天线单元对数N与波束宽度w满足：

d＝λ_g/2

其中，N为非零偶数，w为波束宽度，λ为天线工作波长，d为相邻两个切角贴片天线单元中心的距离，λ_g为波导波长，a为波导宽边尺寸；可选地，本实施例中切角贴片天线单元对数N为32。

具体地，所述切角贴片天线单元为方形，并且贴片尺寸为λ/4，其中，λ为所述天线的工作波长。

更具体地，如图5所示，所述每对切角贴片天线单元位于每个所述波导缝隙的两侧，所述基片集成波导缝隙给每对切角贴片天线单元耦合馈电，能提高天线轴比特性和带宽。

具体地，所述基片集成波导由多个金属通孔形成，所述多个金属通孔围绕在基片集成波导缝隙阵列外围形成一个矩形，所述两相邻金属通孔中心距离th＜λ_g/4，其中，λ_g为基片集成波导波长；且所述两相邻金属通孔中心距离th＜8r，其中r为所述金属通孔的半径。所述金属通孔形成的矩形的长和宽尺寸为所述所有切角贴片天线单元形成的矩形的长和宽尺寸基础上各加λ_g/2，其中，λ_g为基片集成波导波长。所述所有切角贴片天线单元形成的矩形是指沿着所有切角贴片天线单元的最外侧形成的矩形，也即能够覆盖所有切角贴片天线单元的最小矩形。

具体地，金属通孔分布在中间层的PCB板上，金属通孔的直径和孔间距与基片集成波导的频率相关，两相邻金属通孔中心距离一般小于基片集成波导的四分之一波导波长，且间距小于4倍直径，满足该关系式主要是保证波导内传输能量不泄露。

具体地，如图6～图8所示，单脉冲和差馈电网络同样采用基片集成波导形式实现，实现和差波束，所述单脉冲和差馈电网络通过多个金属通孔实现3dB电桥和90°移相器功能；

具体的，如图6和图7所示，所述3dB电桥包括：第一基片集成波导、第二基片集成波导、第一侧壁、第二侧壁；

所述第一基片集成波导包括第一波导壁、第二波导壁、第三侧壁、第四侧壁，所述第二波导壁和第三侧壁连接，第一波导壁和第二波导壁形成的端口作为3dB电桥的第一端口，所述第一波导壁与第四侧壁形成的端口作为3dB电桥的第二端口，所述第三侧壁和第四侧壁之间形成具有一定宽度的空隙；

所述第二基片集成波导与第一基片集成波导共用第三侧壁和第四侧壁，并沿第三和第四侧壁所在的中心线对称；

具体的，第二集成波导包括第五波导壁、第六波导壁、第三侧壁、第四侧壁，所述第六波导壁和第三侧壁连接，第五波导壁和第六波导壁形成的端口作为3dB电桥的第三端口，所述第五波导壁与第四侧壁形成的端口作为3dB电桥的第四端口；

所述第一侧壁和第二侧壁分别设置在第一基片集成波导和第二基片集成波导内部，且对称设置在第三侧壁和第四侧壁形成的空隙两侧；

优选的，所述第一侧壁和第二侧壁长均为2.26mm，分别与第一波导壁和第五波导壁间隔0.66mm，第三侧壁和第四侧壁之间间隔5.35mm。

如图6和图8所示，所述90°移相器包括：第三基片集成波导、第四基片集成波导，第五侧壁；所述第三基片集成波导的一侧与3dB电桥的第二端口连接，所述第四基片集成波导的一侧与3dB电桥的第四端口连接，并且所述第三基片集成波导与第四基片集成波导沿3dB电桥的第四侧壁对称设置；

所述第五侧壁位于第三基片集成波导内部，且与第三基片集成波导臂间隔一定的距离。

优选的，所述第五侧壁长为9.54mm，所述第五侧壁与第三基片集成波导壁间隔0.7mm。

所述能量通孔包括第一能量通孔和第二能量通孔，所述第一能量通孔位于第四基片集成波导远离第三基片集成波导的一侧，所述第二能量通孔位于第三基片集成波导远离第四基片集成波导的一侧。

上述第一波导壁、第二波导壁、第五波导壁、第六波导壁、第一-第五侧壁、第三基片集成波导壁、第四基片集成波导壁均是采用多个金属过孔实现。

具体地，外部接口通过所述SMP连接器将第一和第二输入信号输入至所述单脉冲和差馈电网络中3dB电桥的第一端口和第三端口，第一输入信号经第二端口输出至所述第四基片集成波导，通过第一能量通孔给对应侧的基片集成波导缝隙子阵列传输能量，第二输入信号经第四端口输入至第三基片集成波导，经90°移相器后通过第二能量通孔给对应侧的基片集成波导缝隙子阵列传输能量；更具体地，所述单脉冲和差馈电网络通过PCB板上的能量通孔向所述基片集成波导缝隙阵列传输能量，所述基片集成波导缝隙阵给每一对所述切角贴片天线单元馈电，切角贴片单元向空间辐射，N对切角贴片天线单元在空间辐射叠加形成和差方向图，更具体地，PCB板中单脉冲和差馈电网络所在PCB层和基片集成波导缝隙阵列所在PCB层以能量通孔为基准对齐放置。

具体地，如图1所示，本实施例所述的SIW圆极化单脉冲天线，还包括：天线罩和安装底板；所述PCB印制板与安装底板粘接；所述SMP连接器穿过所述安装底板的过孔与所述PCB印制板上的连接器焊接点焊接，其中，连接器焊接点设置在最底层的PCB板上；通过胶粘方式将所述天线罩与所述安装底板粘接在一起。

具体地，本实施例中安装底板板和天线罩材料，根据不同的使用环境可采用其他材质进行替换。

本发明中的SIW圆极化单脉冲天线结构可以适用于任何波段，在选定波段后，根据本发明的SIW圆极化单脉冲天线结构原理，可以优化设计出具体的天线结构。

由于采用基片集成波导形式，天线具有高效率，低损耗，容量高的优点；通过仿真分析，天线轴比小于3dB，增益达到17dBi，具有很好的和差方向图，穿刺小于2％，对实物进行加工测试，测试结果与仿真吻，能够提供优良的单脉冲功能使用。

与现有技术相比，本发明中的SIW圆极化单脉冲天线，通过基片集成波导馈电网络进行馈电，替代传统的微带贴片功分器，可有效解决高频差损较大的问题；通过切角贴片单元，实现高增益圆极化辐射单元，天线辐射效率高，具有增益高等优点；本发明中SIW圆极化单脉冲天线具有低损耗，功率容量高的特性，同时又保留了PCB工艺的高一致性和易加工性；本发明中通过基片集成波导缝隙阵列通过空间耦合的方式向切角贴片天线进行馈电，可以提高天线轴比和带宽；本发明中SIW圆极化单脉冲天线结构形式简单，重量轻，效率高，电性能稳定，成本低，可广泛应用于机载、便携单脉冲雷达系统设备上；可以有效解决传统金属波导缝隙阵列机械加工精度低，重量重，成本高等问题。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种SIW圆极化单脉冲天线，其特征在于，所述天线包括：

PCB印制板和SMP连接器，所述PCB印制板为三层，从下至上每层PCB印制板依次设置有：单脉冲和差馈电网络、基片集成波导缝隙阵列以及切角贴片天线；

外部接口通过所述SMP连接器向所述单脉冲和差馈电网络馈电；

所述单脉冲和差馈电网络通过PCB印制板上的能量通孔向上一层PCB印制板上的基片集成波导缝隙阵列传输能量；

所述基片集成波导缝隙阵列将能量耦合至上一层PCB印制板上的切角贴片天线，通过所述切角贴片天线实现能量辐射。

2.根据权利要求1所述的SIW圆极化单脉冲天线，其特征在于，

所述基片集成波导缝隙阵列包括左右对称的两个基片集成波导缝隙子阵列；

所述每一基片集成波导缝隙子阵列中相邻两个波导缝隙错落分布在基片集成波导中心线的两侧；所述错落分布在基片集成波导缝隙阵列中心线两侧的波导缝隙使得天线方位面形成窄波束，俯仰面形成宽波束。

3.根据权利要求1所述的SIW圆极化单脉冲天线，其特征在于，

所述切角贴片天线包括N对切角贴片天线单元，所述切角贴片天线单元对数N与波束宽度w满足：

d＝λ_g/2

其中，N为非零偶数，w为波束宽度，λ为天线工作波长，d为相邻两个切角贴片天线单元中心的距离，λ_g为波导波长。

4.根据权利要求3所述的SIW圆极化单脉冲天线，其特征在于，

所述切角贴片天线单元为方形，并且贴片尺寸为λ/4，其中，λ为所述天线的工作波长。

5.根据权利要求2或4任一项所述的SIW圆极化单脉冲天线，其特征在于，

所述每对切角贴片天线单元位于每个所述波导缝隙的两侧。

6.根据权利要求5所述的SIW圆极化单脉冲天线，其特征在于，

所述单脉冲和差馈电网络通过所述基片集成波导缝隙阵列给每一对所述切角贴片天线单元馈电，切角贴片单元向空间辐射，N对切角贴片天线单元在空间辐射叠加形成和差方向图。

7.根据权利要求5所述的SIW圆极化单脉冲天线，其特征在于，

所述基片集成波导由多个金属通孔构成，所述多个金属通孔围绕在基片集成波导缝隙阵列外围形成一个矩形，所述两相邻金属通孔中心距离th＜λ_g/4，其中，λ_g为基片集成波导波长；

且所述两相邻金属通孔中心距离th＜8r，其中r为所述金属通孔的半径。

8.根据权利要求7所述的SIW圆极化单脉冲天线，其特征在于，

所述金属通孔形成的矩形的长和宽尺寸为所述所有切角贴片天线单元形成的矩形的长和宽尺寸基础上各加λ_g/2，其中，λ_g为基片集成波导波长。

9.根据权利要求8所述的SIW圆极化单脉冲天线，其特征在于，

所述单脉冲和差馈电网络包括：3dB电桥和90°移相器。

10.根据权利要求9所述的SIW圆极化单脉冲天线，其特征在于，还包括：

天线罩和安装底板；

所述PCB印制板与安装底板粘接；

所述SMP连接器穿过所述安装底板的过孔与所述PCB印制板上的连接器焊接点焊接；

通过胶粘方式将所述天线罩与所述安装底板粘接在一起。

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