CN114709621A - 一种单层基片集成波导单脉冲天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单层基片集成波导单脉冲天线，包括：顶层金属层、中间介质基板和金属底板，顶层金属层上设有辐射缝隙、和端口和差端口，介质基板上设有基片集成波导腔，基片集成波导腔包括第一金属过孔、第二金属过孔、和功分器和差功分器；辐射缝隙呈泰勒分布，和端口和差端口分别设置于天线两端，在y轴方向错位四分之一的波长；第一金属过孔构成波导壁，第二金属过孔用于对基片集成波导腔进行阻抗匹配，和功分器和差功分器分别用于将和端口和差端口激励的电磁波馈至各行辐射缝隙，并分别形成和波束和差波束。本发明的单脉冲天线结构简单紧凑、效率高、易集成，简化了单脉冲天线的设计。

Description

一种单层基片集成波导单脉冲天线
技术领域
本发明涉及天线技术，具体涉及一种单层基片集成波导单脉冲天线，可应用于X波段微波雷达追踪、探测、通讯等用途。
背景技术
单脉冲天线是一种同时从和差信道接收/发射信号的天线，广泛应用于雷达和卫星系统中来跟踪目标。通常来说，单脉冲天线主要由两部分组成：单脉冲网络和辐射部分。其中单脉冲网络主要用来产生和差信号，而后者负责辐射。
传统的卡塞格伦抛物面反射单脉冲天线或由金属波导馈电的单脉冲喇叭天线，虽然能够达到良好的性能，但其对应的单脉冲网络通常非常复杂和笨重，不仅体积大，而且成本较高。近年来，基片集成波导和微带线等平面结构以其低损耗、低成本和制作简单等优点被广泛应用于单脉冲天线的研究当中。然而微带线、带状线在馈电时，其本身会与辐射部分产生互耦，并且产生的杂散辐射不可避免的会对天线方向图产生一定影响。而基片集成波导是一种具有类似波导性质的结构，通过在印刷有金属层的介质衬底上蚀刻金属化通孔，利用其对电磁波进行约束，避免了馈电结构对方向图的影响，具有剖面低、小型化和低杂散辐射等优点。
在先前的研究中，研究者们提出了多种具有高增益和低零点深度等优异性能的平面单脉冲天线阵列。但是大多数设计都存在馈电网络复杂、天线剖面高等问题。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种新型的单层基片集成波导单脉冲天线。
技术方案：本发明的一种单层基片集成波导单脉冲天线，由上至下依次包括：顶层金属层、中间介质基板和金属底板，顶层金属层上设有辐射缝隙、和端口和差端口，中间介质基板上设有基片集成波导腔，基片集成波导腔包括第一金属过孔、第二金属过孔、和功分器和差功分器；辐射缝隙有2N*M个，呈泰勒分布，N和M均为自然数；和端口和差端口分别设置于天线两端，且差端口在y轴方向相对于和端口错位四分之一的波长；第一金属过孔构成波导壁，第二金属过孔用于对基片集成波导腔进行阻抗匹配，差功分器将电磁波等幅不等相的馈至各行辐射缝隙，使前N行辐射缝隙与后N行辐射缝隙的电场相位相差180°，形成差波束；和功分器将电磁波等幅等相的馈至各行辐射缝隙，各行辐射缝隙相位均一致，形成和波束。
优选的，辐射缝隙被蚀刻在顶层金属层上，同一行内相邻辐射缝隙在x轴上的距离相同，取值范围为13mm至17mm；同一行内相邻辐射缝隙在y轴上的高度差相同，取值范围在0.4mm至1mm之间。其中同一行内相邻辐射缝隙在x方向距离取13.6mm、y方向高度差取0.6mm时，阻抗匹配和方向图最佳。
优选的，差端口相对于和端口向下或向上位移取值范围为6～8mm，当位移为7.2mm时，该天线的阻抗匹配和方向图最佳。
优选的，第一金属过孔的直径R和相邻两个第一金属过孔的距离d之间的范围关系为：R<d<2R，0.05<d/中心频率波长<0.25；第二金属过孔的孔径范围为：0.5mm-1mm。
优选的，介质基板采用相对介电常数为3.55，损耗角正切为0.0027的Rogers4003C材料，厚度为1.524mm。
优选的，顶层金属层和金属底板均采用厚度为0.035mm的金属铜。
有益效果：与现有技术相比，本发明天线馈电方式简单，和差端口和辐射缝隙处于同一层，仅用单层介质基板和两层金属便形成稳定的和差波束。本发明天线在保持高辐射效率的同时，具有低剖面、易集成以及低成本等优点。
附图说明
图1为本发明天线结构示意图，其中(a)为主视图，(b)为侧视图；
图2为本发明天线和(S11)差(S22)端口和隔离度(S21)的S参数图；
图3为本发明天线的和波束方向图；
图4为本发明天线的差波束方向图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1中(a)和(b)所示，一种单层基片集成波导单脉冲天线，由上至下依次包括：顶层金属层5、中间介质基板7和金属底板10，顶层金属层上设有辐射缝隙4、和端口2和差端口6，中间介质基板上设有基片集成波导腔，基片集成波导腔包括第一金属过孔1、第二金属过孔3、和功分器8和差功分器9；辐射缝隙有2N*M个，呈泰勒分布，N和M均为自然数；和端口和差端口分别设置于天线两端，差端口相对和端口向y轴正向或负向位移四分之一波长，第一金属过孔构成波导壁，用于束缚电磁波并进行传输；第二金属过孔用于对基片集成波导腔进行阻抗匹配，优化天线的阻抗带宽；和功分器和差功分器由第一金属过孔和第二金属过孔组成，差功分器将电磁波等幅不等相的馈至各行辐射缝隙，使前N行辐射缝隙与后N行辐射缝隙的电场相位相差180°，形成差波束；和功分器将电磁波等幅等相的馈至各行辐射缝隙，各行辐射缝隙相位均一致，形成和波束。
本实施例中，辐射缝隙4被蚀刻在顶层金属层5上，辐射缝隙有16个，分为4行4列，辐射缝隙呈泰勒分布以降低天线方向图的旁瓣。同一行内的相邻辐射缝隙在x轴上的距离为13.6mm，在y轴上的高度差为0.6mm。
其中，差端口6相对于和端口2向下位移7.2mm，相当于引入天线工作频段电磁波波长的四分之一，使得第一行和第二行中辐射缝隙所处的基片集成波导腔内的相位与第三和第四行的相位相差180°，形成差波束。而当和端口2工作时，电磁波通过和功分器8被等幅等相的馈至四行辐射缝隙，此时四行辐射缝隙所处的基片集成波导腔内不存在相位差，形成和波束。
第一金属过孔构成波导壁，用于束缚电磁波并进行传输；第二金属过孔的作用是对基片集成波导腔进行阻抗匹配，等效于电感，对腔体内的电场分布进行调节，优化天线的阻抗带宽。
介质基板7采用相对介电常数为3.55，损耗角正切为0.0027的Rogers 4003C材料，厚度为1.524mm；顶层金属层5和金属底板10均采用厚度为0.035mm的金属铜。
上述一种单层基片集成波导单脉冲天线的辐射方法为：
激励差端口后，差功分器将电磁波等幅不等相的馈至各行辐射缝隙，使第一行和第二行辐射缝隙与第三行和第四行辐射缝隙的电场相位相差180°，形成差波束；
激励和端口后，和功分器将电磁波等幅等相的馈至各行辐射缝隙，各行辐射缝隙相位均一致，形成和波束；实现天线辐射。
图2为本发明天线和差波束的S参数曲线，可以看出本发明天线的和差端口工作频段一致，属于X波段，且两个端口的隔离度较高。
图3为本发明天线和波束的方向图，零点波束增益最高达到14.9dBi，实现了天线的高增益，此时天线辐射能力最佳。
图4为本发明天线差波束的方向图，零深低于-30dB，跟踪误差大大降低。
本发明的一种单层基片集成波导单脉冲天线，属于天线技术领域。这种新型的单层基片集成波导单脉冲天线利用了基片集成波导组成了单脉冲天线所需的和差功分器，并且将和差端口与辐射缝隙设置在顶层金属上，大大降低了天线的剖面。本发明的单脉冲天线在保持高辐射效率的同时，具有高增益、低零深、隔离度高等优点，极大地简化了单脉冲天线馈电网络的设计。

Claims (6)

1.一种单层基片集成波导单脉冲天线，其特征在于，由上至下依次包括：顶层金属层、中间介质基板和金属底板，顶层金属层上设有辐射缝隙、和端口和差端口，中间介质基板上设有基片集成波导腔，基片集成波导腔包括第一金属过孔、第二金属过孔、和功分器和差功分器；辐射缝隙有2N*M个，呈泰勒分布，N和M均为自然数；和端口和差端口分别设置于天线两端，且差端口在y轴方向相对于和端口错位四分之一的波长；第一金属过孔构成波导壁，第二金属过孔用于对基片集成波导腔进行阻抗匹配，差功分器将电磁波等幅不等相的馈至各行辐射缝隙，使前N行辐射缝隙与后N行辐射缝隙的电场相位相差180°，形成差波束；和功分器将电磁波等幅等相的馈至各行辐射缝隙，各行辐射缝隙相位均一致，形成和波束。
2.根据权利要求1所述的一种单层基片集成波导单脉冲天线，其特征在于，辐射缝隙被蚀刻在顶层金属层上，同一行内相邻辐射缝隙在x轴上的距离间隔相同，取值范围为13mm～17mm；同一行内相邻辐射缝隙在y轴上的高度差相同，取值范围为0.4mm～1mm。
3.根据权利要求1所述的一种单层基片集成波导单脉冲天线，其特征在于，差端口相对于和端口向下或向上位移7.2mm。
4.根据权利要求1所述的一种单层基片集成波导单脉冲天线，其特征在于，第一金属过孔的直径R和相邻两个第一金属过孔的距离d之间的范围关系为：R<d<2R，0.05<d/中心频率波长<0.25；第二金属过孔的孔径范围为：0.5mm-1mm。
5.根据权利要求1所述的一种单层基片集成波导单脉冲天线，其特征在于，介质基板采用相对介电常数为3.55，损耗角正切为0.0027的Rogers 4003C材料，厚度为1.524mm。
6.根据权利要求1所述的一种单层基片集成波导单脉冲天线，其特征在于，顶层金属层和金属底板均采用厚度为0.035mm的金属铜。
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