CN116130967A - 一种有源集成毫米波siw双极化缝隙天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种有源集成毫米波SIW双极化缝隙天线，通过将两路AB类射频功率放大器与SIW双极化缝隙天线无缝级联而成，每路AB类射频功率放大器分别与SIW双极化缝隙天线直接连接，每路AB类射频功率放大器分别用于将输入其内的射频信号放大后得到放大射频信号输出至SIW双极化缝隙天线，SIW双极化缝隙天线用于将其中一路AB类射频功率放大器输出至其处的放大射频信号转换成呈+45°线极化特性的电磁波发射出去，另一路AB类射频功率放大器输出至其处的放大射频信号转换成呈‑45°线极化特性的电磁波发射出去；优点是设计过程中输入阻抗易于调节，实现双极化结构简单，整体尺寸较小，具有高集成度，还具有较低的插入损耗，能够有效改善增益和效率。

Description

一种有源集成毫米波SIW双极化缝隙天线
技术领域
本发明涉及SIW双极化缝隙天线，尤其是涉及一种有源集成毫米波SIW双极化缝隙天线。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展，有限的频谱资源已变得十分拥挤。为了获得更大的通信容量和更宽的通信频带，近年来毫米波通信应用不断涌现。发射机是毫米波雷达系统中不可或缺的一部分，射频功率放大器和天线作为发射机的关键部分，通常位于发射机的末端。由于所处位置和功能的特殊，射频功率放大器和天线性能的优劣会直接影响发射机整体性能的优劣。因此，射频功率放大器的效率和线性度的提升以及天线结构和性能的改进对提高毫米波雷达系统整体效率和发射性能有着重要意义。
传统的线性射频功率放大器(Power amplifier,PA)的工作频率很高，但相对频带较窄，一般都采用选频网络作为负载回路。线性射频功率放大器按照电流导通角的不同，主要分为甲(A)类射频功率放大器、甲乙(AB)类射频功率放大器和乙(B)类射频功率放大器这三类。A类射频功率放大器的效率低于AB类射频功率放大器和B类射频功率放大器，但其增益和线性度是几类中最好的。AB类射频功率放大器和B类射频功率放大器都能适用于大功率工作状态，B类射频功率放大器的输出功率和效率是三类中最高的。对比以上三类射频功率放大器的优缺点，AB类射频功率放大器兼容了A类射频功率放大器与B类射频功率放大器的优势，比A类射频功率放大器提高了小信号输入时的效率，随着输出功率的增大，效率也增高；同时，它的效率比以及保真度而言，都优于A类射频功率放大器和B类射频功率放大器。未来发展趋向是越来越多的采用高偏流的AB类射频功率放大器，以减少低电平信号的失真。
天线在发射机中起到发射和接收电磁波作用，天线性能的优劣会直接影响毫米波雷达系统传输信息的能力。天线拥有极化特性，且极化方式分为三种：线极化、圆极化和椭圆极化。单一的线极化天线所能承担的通信容量有限，在同一天线中集成多种极化方式能够有效减少毫米波雷达系统中的天线数量，极大地节约开发和制造成本，双极化天线因此被提出。SIW缝隙天线因具有低损耗、低剖面、易集成的特点而被广泛地应用于毫米波雷达系统。SIW双极化缝隙天线在保持SIW缝隙天线优点的基础上，集成了±45°两种正交的极化方式，具有较强的抗多径衰落的能力，非常适合应用于毫米波雷达系统。
传统的有源集成天线的设计方式是先将射频功率放大器和天线单独设计，然后将两者输入输出阻抗匹配到50Ω或者75Ω后再将两者进行级联实现。然而该设计方式中射频功率放大器和天线之间需要额外设置存在将两者输入输出阻抗匹配到50Ω或者75Ω的阻抗匹配等无源网络，不仅会使得有源集成天线集成度下降，还会产生不必要的插入损耗，从而影响有源集成天线的增益和效率。另外，由于贴片天线的平面结构容易与射频功率放大器进行集成，因此常常被研发人员用于有源集成天线的设计。但是，由于贴片天线通常采用微带侧馈的馈电形式与射频功率放大器进行有源集成，导致设计过程中其输入阻抗的调节较为困难，只能采用匹配网络与射频功率放大器进行连接，这也将导致两者级联而成的有源集成天线尺寸较大、损耗较高，难以适用于毫米波频段。而且，贴片天线实现双极化需要依赖复杂的多层结构，多层结构天线将难以与射频功率放大器进行集成设计。由此，现有的有源集成天线普遍存在尺寸大、损耗高、实现双极化方式复杂等问题。
设计一款输入阻抗易于调节，实现双极化结构简单的有源集成天线，不仅能够较大程度地减小尺寸，还能降低有源天线的插入损耗，从而改善有源集成天线的增益和效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种设计过程中输入阻抗易于调节，实现双极化结构简单，整体尺寸较小，具有高集成度，还具有较低的插入损耗，能够有效改善增益和效率的有源集成毫米波SIW双极化缝隙天线。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种有源集成毫米波SIW双极化缝隙天线，通过将两路AB类射频功率放大器与SIW双极化缝隙天线无缝级联而成，每路所述的AB类射频功率放大器分别与所述的SIW双极化缝隙天线直接连接，每路所述的AB类射频功率放大器分别用于将输入其内的射频信号放大后得到放大射频信号输出至所述的SIW双极化缝隙天线，所述的SIW双极化缝隙天线用于将其中一路AB类射频功率放大器输出至其处的放大射频信号转换成呈+45°线极化特性的电磁波发射出去，另一路AB类射频功率放大器输出至其处的放大射频信号转换成呈-45°线极化特性的电磁波发射出去。
所述的SIW双极化缝隙天线包括从上到下依次层叠的辐射层、介质基板以及馈电层，所述的辐射层包括第一金属板以及设置在所述的第一金属板上的辐射缝隙，所述的第一金属板为矩形板，其长度方向为左右方向，宽度方向为前后方向，厚度方向为上下方向，所述的辐射缝隙包括上下贯穿所述的第一金属板的四个等腰直角三角形槽，四个等腰直角三角形槽的两个底角处均倒相同圆角，将四个等腰直角三角形槽分别称为第一等腰直角三角形槽、第二等腰直角三角形槽、第三等腰直角三角形槽和第四等腰直角三角形槽，所述的第一等腰直角三角形槽和所述的第二等腰直角三角形槽呈左右对称结构，所述的第三等腰直角三角形槽和所述的第四等腰直角三角形槽呈左右对称结构，所述的第一等腰直角三角形槽和所述的第三等腰直角三角形槽呈前后对称结构，所述的第二等腰直角三角形槽和所述的第四等腰直角三角形槽呈前后对称结构，所述的第一等腰直角三角形槽、所述的第二等腰直角三角形槽、所述的第三等腰直角三角形槽和所述的第四等腰直角三角形槽的两条直角边所在侧面分别位于所述的第一金属板沿左右方向的对称平面和沿前后方向的对称平面上；所述的介质基板层叠在所述的第一金属板的下方，所述的介质基板为矩形板，所述的介质基板的前端面与所述的第一金属板的前端面上下齐平，所述的介质基板的后端面与所述的第一金属板的后端面上下齐平，所述的介质基板的左端面与所述的第一金属板的左端面上下齐平，所述的介质基板的右端面与所述的第一金属板的右端面上下齐平；所述的馈电层包括第二金属板、第一矩形馈电线和第二矩形馈电线，所述的第二金属板为矩形板，所述的第二金属板层叠在所述的介质基板的下方，所述的第二金属板的前端面与所述的介质基板的前端面上下齐平，所述的第二金属板的后端面与所述的介质基板的后端面上下齐平，所述的第二金属板的左端面与所述的介质基板的左端面上下齐平，所述的第二金属板的右端面位于所述的介质基板的右端面所在平面的左侧，所述的第二金属板上开设有从其右端面开始向左延伸的四个矩形槽，四个矩形槽均上下贯穿所述的第二金属板且按照从前到后顺序间隔分布，将四个矩形槽从前到后依次称为第一矩形槽、第二矩形槽、第三矩形槽和第四矩形槽，所述的第一矩形槽的左后角、所述的第二矩形槽的左前角、所述的第三矩形槽的左后角和所述的第四矩形槽的左前角均倒相同的圆角，所述的第一矩形槽和所述的第四矩形槽相对于所述的第二金属板沿左右方向的对称平面前后对称，所述的第二矩形槽和所述的第三矩形槽相对于所述的第二金属板沿左右方向的对称平面前后对称，所述的第一矩形槽如果向后平移能够与所述的第三矩形槽完全重合，所述的第二矩形槽如果向后平移能够与所述的第四矩形槽完全重合，将所述的第二金属板在所述的第一矩形槽和所述的第二矩形槽之间的部分称为第一连接块，将所述的第二金属板在所述的第三矩形槽和和所述的第四矩形槽之间的部分称为第二连接块；所述的辐射缝隙周围设置有沿一圈分布的多个金属化圆孔，多个金属化圆孔依次贯穿所述的第一金属板和所述的介质基板，多个金属化通孔均位于所述的第二金属板的正上方，用于将所述的第一金属板与所述的第二金属板连接起来，任意一个金属化圆孔不位于所述的第一连接块、所述的第二连接块、所述的第一矩形槽、所述的第二矩形槽、所述的第三矩形槽和所述的第四矩形槽所处区域的正上方；所述的第一矩形馈电线位于所述的第一连接块的右侧，所述的第一矩形馈电线的左端面与所述的第一连接块的右端面一体成型连接，所述的第一矩形馈电线的前端面与所述的第一连接块的前端面位于同一平面，所述的第一矩形馈电线的后端面与所述的第一连接块的后端面位于同一平面，所述的第一矩形馈电线的上端面与所述的第一连接块的上端面位于同一平面，所述的第一矩形馈电线的下端面与所述的第一连接块的下端面位于同一平面，所述的第一矩形馈电线的右端面与所述的第一金属板的右端面上下对齐，所述的第二矩形馈电线位于所述的第二连接块的右侧，所述的第二矩形馈电线的左端面与所述的第二连接块的右端面一体成型连接，所述的第二矩形馈电线的前端面与所述的第二连接块的前端面位于同一平面，所述的第二矩形馈电线的后端面与所述的第二连接块的后端面位于同一平面，所述的第二矩形馈电线的上端面与所述的第二连接块的上端面位于同一平面，所述的第二矩形馈电线的下端面与所述的第二连接块的下端面位于同一平面，所述的第二矩形馈电线的右端面与所述的第一金属板的右端面上下对齐；所述的第一矩形馈电线和所述的第二矩形馈电线与两路AB类射频功率放大器一一对应连接，用于接入两路AB类射频功率放大器输出的放大射频信号，通过所述的第一矩形馈电线输入所述的SIW双极化缝隙天线的放大射频信号被转换成呈+45°线极化特性的电磁波发射出去，通过所述的第二矩形馈电线输入所述的SIW双极化缝隙天线的放大射频信号被转换成呈-45°线极化特性的电磁波发射出去；
多个金属化圆孔围成一个长方形区域，该长方形区域沿左右方向的对称面与所述的第二金属板沿左右方向的对称面位于同一平面，该长方形区域沿前后方向的对称面与所述的第二金属板沿前后方向的对称面位于同一平面，位于该长方形区域前侧、后侧和左侧的金属化圆孔均匀间隔分布。
所述的第一金属板沿左右方向的长度为9.7mm，沿前后方向的宽度为8.8mm，厚度为0.017mm，每个金属化圆孔的孔径均为0.55mm，位于所述的长方形区域前侧、后侧和左侧的金属化圆孔中，相邻两个金属化圆孔的中心间距0.9mm，每个等腰直角三角形槽的斜边的长度均为3.8mm，底角处倒圆角半径0.2mm，所述的介质基板的厚度为0.508mm，所述的第二金属板沿左右方向的长度为8.43mm，厚度为0.017mm，所述的第一矩形槽、所述的第二矩形槽、所述的第三矩形槽和所述的第四矩形槽沿左右方向的长度为0.86mm，沿前后方向的宽度为0.34mm，所述的第一矩形槽、所述的第二矩形槽、所述的第三矩形槽和所述的第四矩形槽的倒圆角半径为0.34mm，所述的第一矩形馈电线和所述的第二矩形馈电线沿左右方向的长度为1.27mm，沿前后方向的宽度为1.17mm。
每路所述的AB类射频功率放大器均包括输入电路、输入匹配网络、栅极滤波偏置电路、第一T型微带连接头、晶体管、漏极滤波偏置电路、第二T型微带连接头和第一电容，所述的输入匹配网络用于将所述的AB类射频功率放大器的源阻抗匹配至50Ω，并保证所述的晶体管在其工作频段内能稳定工作，所述的输入电路用于接入射频信号并将射频信号通过所述的输入匹配网络和所述的第一T型微带连接头传输至所述的晶体管的栅极，所述的栅极滤波偏置电路用于将外部输入其内的直流电源电压进行滤波处理得到栅极偏置电压，并通过所述的第一T型微带连接头将栅极偏置电压传输至所述的晶体管的栅极，所述的漏极滤波偏置电路用于将外部输入其内的直流电源电压进行滤波处理得到漏极偏置电压，并通过所述的第二T型微带连接头将漏极偏置电压传输至所述的晶体管的漏极，所述的晶体管在所述的栅极偏置电压和所述的漏极偏置电压驱动下能够正常工作，将输出至其处的射频信号进行放大，得到放大射频信号通过所述的第二T型微带连接头输出至所述的第一电容处，所述的第一电容用于滤除所述的放大射频信号中的直流电后，将所述的放大射频信号输出至所述的SIW双极化缝隙天线。
所述的输入电路、所述的输入匹配网络、所述的栅极滤波偏置电路和所述的漏极滤波偏置电路均具有输入端和输出端，所述的第一T型微带连接头和所述的第二T型微带连接头均具有第一连接端、第二连接端和第三连接端，所述的输入电路的输入端为所述的的AB类射频功率放大器的输入端口，用于接入外部输入的射频信号，所述的输入电路的输出端和所述的输入匹配网络的输入端连接，所述的输入匹配网络的输出端和所述的第一T型微带连接头的第一连接端连接，所述的第一T型微带连接头的第二连接端与所述的栅极滤波偏置电路的输出端连接，所述的第一T型微带连接头的第三连接端与所述的晶体管的栅极连接，所述的晶体管的漏极与所述的第二T型微带连接头的第一连接端连接，所述的晶体管的源极接地，所述的第二T型微带连接头的第二连接端与所述的漏极滤波偏置电路的输出端连接，所述的第二T型微带连接头的第三连接端与所述的第一电容的一端相连，所述的第一电容的另一端为所述的AB类射频功率放大器的输出端口，用于输出放大射频信号至所述的SIW双极化缝隙天线。
所述的输入电路包括第一微带线和第二电容，所述的第一微带线的一端为所述的输入电路的输入端，所述的第一微带线的另一端与所述的第二电容的一端连接，所述的第二电容的另一端为所述的输入电路的输出端。
所述的输入匹配网络包括第二微带线、第三微带线和第四微带线，所述的第二微带线的一端为所述的输入匹配网络的输入端，所述的第二微带线的另一端、所述的第三微带线的一端和所述的第四微带线的一端连接，所述的第三微带线的另一端开路，所述的第四微带线的另一端为所述的输入匹配网络的输出端。
所述的栅极滤波偏置电路包括第五微带线、第六微带线、第一扇形微带线和第一90°弯折微带线，所述的第五微带线的一端为所述的栅极滤波偏置电路的输入端，所述的第五微带线的另一端、所述的第一90°弯折微带线的一端和所述的第一扇形微带线的小头端连接，所述的第一扇形微带线的大头端开路，所述的第一90°弯折微带线的另一端和所述的第六微带线的一端连接，所述的第六微带线的另一端为所述的栅极滤波偏置电路的输出端，所述的第六微带线为四分之一波长线。该栅极滤波偏置电路中，第六微带线在射频微波频段的作用相当于一个大电感，起到扼流的作用，防止外部输入的射频信号对与栅极滤波偏置电路的输入端连接的外部直流电源产生干扰，第一扇形微带线起到旁路电容的所用，用于旁路电源纹波以及蹿到栅极滤波偏置电路的输入端的射频信号的隔离，保证外部直流电源能稳定供电，从而使栅极滤波偏置电路能够提供稳定的栅极偏置电压，提高晶体管在其工作频段内工作的稳定性。
所述的漏极滤波偏置电路包括第七微带线、第八微带线、第二扇形微带线和第二90°弯折微带线，所述的第七微带线的一端为所述的漏极滤波偏置电路的输入端，所述的第七微带线的另一端、所述的第二90°弯折微带线的一端和所述的第二扇形微带线的小头端连接，所述的第二扇形微带线的大头端开路，所述的第二90°弯折微带线的另一端和所述的第八微带线的一端连接，所述的第八微带线的另一端为所述的漏极滤波偏置电路的输出端，所述的第八微带线为四分之一波长线。该漏极滤波偏置电路中，第八微带线在射频微波频段的作用相当于一个大电感，起到扼流的作用，防止外部输入的射频信号对与漏极滤波偏置电路的输入端连接的直流电源产生干扰，第二扇形微带线起到旁路电容的所用，用于旁路电源纹波以及蹿到漏极滤波偏置电路的输入端的射频信号的隔离，保证外部直流电源能稳定供电，从而使漏极滤波偏置电路能够提供稳定的漏极偏置电压，提高晶体管在其工作频段内工作的稳定性。
与现有技术相比，本发明的优点在于通过将两路AB类射频功率放大器与SIW双极化缝隙天线无缝级联构成有源集成毫米波SIW双极化缝隙天线，每路AB类射频功率放大器分别与所述的SIW双极化缝隙天线直接连接，每路AB类射频功率放大器分别将输入其内的射频信号放大后得到放大射频信号输出至所述的SIW双极化缝隙天线，SIW双极化缝隙天线将其中一路AB类射频功率放大器输出至其处的放大射频信号转换成呈+45°线极化特性的电磁波发射出去，另一路AB类射频功率放大器输出至其处的放大射频信号转换成呈-45°线极化特性的电磁波发射出去，由此实现双极化特性，本发明通过SIW双极化缝隙天线取代现有的贴片天线与AB类射频功率放大器直接连接实现有源集成毫米波SIW双极化缝隙天线，两路AB类射频功率放大器的输出阻抗与SIW双极化缝隙天线的输入阻抗直接匹配，不需要在SIW双极化缝隙天线与AB类射频功率放大器之间设置额外的匹配网络，克服了由于贴片天线导致的尺寸大、损耗高、实现双极化方式复杂等问题，不仅设计过程中输入阻抗易于调节，实现双极化结构简单，较大程度地减小了整体尺寸，具有高集成度，还降低了插入损耗，从而有效改善了增益和效率。
附图说明
图1为本发明的一种有源集成毫米波SIW双极化缝隙天线的原理图；
图2为本发明的一种有源集成毫米波SIW双极化缝隙天线的SIW双极化缝隙天线的暴裂图；
图3为本发明的一种有源集成毫米波SIW双极化缝隙天线的正视图；
图4为本发明的一种有源集成毫米波SIW双极化缝隙天线的底视图；
图5为本发明的一种有源集成毫米波SIW双极化缝隙天线的AB类射频功率放大器的原理框图；
图6为本发明的一种有源集成毫米波SIW双极化缝隙天线的AB类射频功率放大器的电路图；
图7为本发明的一种有源集成毫米波SIW双极化缝隙天线的EIRP值实测与仿真曲线图；
图8为本发明的一种有源集成毫米波SIW双极化缝隙天线的PAE值实测与仿真曲线图；
图9为本发明的一种有源集成毫米波SIW双极化缝隙天线的测试辐射方向图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例一：如图1所示，一种有源集成毫米波SIW双极化缝隙天线，通过将两路AB类射频功率放大器与SIW双极化缝隙天线无缝级联而成，每路AB类射频功率放大器分别与SIW双极化缝隙天线直接连接，每路AB类射频功率放大器分别用于将输入其内的射频信号放大后得到放大射频信号输出至SIW双极化缝隙天线，SIW双极化缝隙天线用于将其中一路AB类射频功率放大器输出至其处的放大射频信号转换成呈+45°线极化特性的电磁波发射出去，另一路AB类射频功率放大器输出至其处的放大射频信号转换成呈-45°线极化特性的电磁波发射出去。
实施例二：本实施例与实施例一基本相同，区别在于：
如图2至图4所示，本实施例中，SIW双极化缝隙天线包括从上到下依次层叠的辐射层1、介质基板2以及馈电层3，辐射层1包括第一金属板4以及设置在第一金属板4上的辐射缝隙，第一金属板4为矩形板，其长度方向为左右方向，宽度方向为前后方向，厚度方向为上下方向，辐射缝隙包括上下贯穿第一金属板4的四个等腰直角三角形槽，四个等腰直角三角形槽相互连通，四个等腰直角三角形槽的两个底角处均倒相同圆角，将四个等腰直角三角形槽分别称为第一等腰直角三角形槽5、第二等腰直角三角形槽6、第三等腰直角三角形槽7和第四等腰直角三角形槽8，第一等腰直角三角形槽5和第二等腰直角三角形槽6呈左右对称结构，第三等腰直角三角形槽7和第四等腰直角三角形槽8呈左右对称结构，第一等腰直角三角形槽5和第三等腰直角三角形槽7呈前后对称结构，第二等腰直角三角形槽6和第四等腰直角三角形槽8呈前后对称结构，第一等腰直角三角形槽5、第二等腰直角三角形槽6、第三等腰直角三角形槽7和第四等腰直角三角形槽8的两条直角边所在侧面分别位于第一金属板4沿左右方向的对称平面和沿前后方向的对称平面上；介质基板2层叠在第一金属板4的下方，介质基板2为矩形板，介质基板2采用Rogers4350B(εr＝3.66,h＝0.508mm)材料，介质基板2的前端面与第一金属板4的前端面上下齐平，介质基板2的后端面与第一金属板4的后端面上下齐平，介质基板2的左端面与第一金属板4的左端面上下齐平，介质基板2的右端面与第一金属板4的右端面上下齐平；馈电层3包括第二金属板9、第一矩形馈电线10和第二矩形馈电线11，第二金属板9为矩形板，第二金属板9层叠在介质基板2的下方，第二金属板9的前端面与介质基板2的前端面上下齐平，第二金属板9的后端面与介质基板2的后端面上下齐平，第二金属板9的左端面与介质基板2的左端面上下齐平，第二金属板9的右端面位于介质基板2的右端面所在平面的左侧，第二金属板9上开设有从其右端面开始向左延伸的四个矩形槽，四个矩形槽均上下贯穿第二金属板9且按照从前到后顺序间隔分布，将四个矩形槽从前到后依次称为第一矩形槽12、第二矩形槽13、第三矩形槽14和第四矩形槽15，第一矩形槽12的左后角、第二矩形槽13的左前角、第三矩形槽14的左后角和第四矩形槽15的左前角均倒相同的圆角，第一矩形槽12和第四矩形槽15相对于第二金属板9沿左右方向的对称平面前后对称，第二矩形槽13和第三矩形槽14相对于第二金属板9沿左右方向的对称平面前后对称，第一矩形槽12如果向后平移能够与第三矩形槽14完全重合，第二矩形槽13如果向后平移能够与第四矩形槽15完全重合，将第二金属板9在第一矩形槽12和第二矩形槽13之间的部分称为第一连接块16，将第二金属板9在第三矩形槽14和和第四矩形槽15之间的部分称为第二连接块17；辐射缝隙周围设置有沿一圈分布的多个金属化圆孔18，多个金属化圆孔18依次贯穿第一金属板4和介质基板2，多个金属化圆孔18均位于第二金属板9的正上方，用于将第一金属板4与第二金属板9连接起来，任意一个金属化圆孔18不位于第一连接块16、第二连接块17、第一矩形槽12、第二矩形槽13、第三矩形槽14和第四矩形槽15所处区域的正上方；第一矩形馈电线10位于第一连接块16的右侧，第一矩形馈电线10的左端面与第一连接块16的右端面一体成型连接，第一矩形馈电线10的前端面与第一连接块16的前端面位于同一平面，第一矩形馈电线10的后端面与第一连接块16的后端面位于同一平面，第一矩形馈电线10的上端面与第一连接块16的上端面位于同一平面，第一矩形馈电线10的下端面与第一连接块16的下端面位于同一平面，第一矩形馈电线10的右端面与第一金属板4的右端面上下对齐，第二矩形馈电线11位于第二连接块17的右侧，第二矩形馈电线11的左端面与第二连接块17的右端面一体成型连接，第二矩形馈电线11的前端面与第二连接块17的前端面位于同一平面，第二矩形馈电线11的后端面与第二连接块17的后端面位于同一平面，第二矩形馈电线11的上端面与第二连接块17的上端面位于同一平面，第二矩形馈电线11的下端面与第二连接块17的下端面位于同一平面，第二矩形馈电线11的右端面与第一金属板4的右端面上下对齐；第一矩形馈电线10和第二矩形馈电线11与两路AB类射频功率放大器一一对应连接，用于接入两路AB类射频功率放大器输出的放大射频信号，通过第一矩形馈电线10输入SIW双极化缝隙天线的放大射频信号被转换成呈+45°线极化特性的电磁波发射出去，通过第二矩形馈电线11输入SIW双极化缝隙天线的放大射频信号被转换成呈-45°线极化特性的电磁波发射出去；
本实施例中，多个金属化圆孔18围成一个长方形区域19，该长方形区域19沿左右方向的对称面与第二金属板9沿左右方向的对称面位于同一平面，该长方形区域19沿前后方向的对称面与第二金属板9沿前后方向的对称面位于同一平面，位于该长方形区域19前侧、后侧和左侧的金属化圆孔18均匀间隔分布。
本实施例中，第一金属板4沿左右方向的长度为9.7mm，沿前后方向的宽度为8.8mm，厚度为0.017mm，每个金属化圆孔18的孔径均为0.55mm，位于长方形区域19前侧、后侧和左侧的金属化圆孔18中，相邻两个金属化圆孔18的中心间距0.9mm，每个等腰直角三角形槽的斜边的长度均为3.8mm，底角处倒圆角半径0.2mm，介质基板2的厚度为0.508mm，第二金属板9沿左右方向的长度为8.43mm，厚度为0.017mm，第一矩形槽12、第二矩形槽13、第三矩形槽14和第四矩形槽15沿左右方向的长度为0.86mm，沿前后方向的宽度为0.34mm，第一矩形槽12、第二矩形槽13、第三矩形槽14和第四矩形槽15的倒圆角半径为0.34mm，第一矩形馈电线10和第二矩形馈电线11沿左右方向的长度为1.27mm，沿前后方向的宽度为1.17mm。
本实施例中，SIW双极化缝隙天线的工作原理为：当第一矩形馈电线10和第二矩形馈电线11与两路AB类射频功率放大器一一对应连接时，与第一矩形馈电线10连接的AB类射频功率放大器输出的放大射频信号，通过第一矩形馈电线10输入SIW双极化缝隙天线中，被转换成呈+45°线极化特性的电磁波发射出去，与第二矩形馈电线11连接的AB类射频功率放大器输出的放大射频信号，通过第二矩形馈电线11输入SIW双极化缝隙天线中，被转换成呈-45°线极化特性的电磁波发射出去；输入SIW双极化缝隙天线的放大射频信号的能量被集中于由第一金属板4中位于长方形区域部分以及第二金属板9中位于长方形区域正下方部分形成的结构所处区域中，该区域为SIW谐振腔，SIW谐振腔内产生谐振于24GHz的电磁波，并通过第一金属板4的辐射缝隙辐射出去。由此，SIW双极化缝隙天线只能通过第一金属板4的辐射缝隙辐射电磁波，而不会造成能量泄露，实现了低损耗，同时，通过在第一金属板4上开设辐射缝隙来实现电磁波的辐射，结构简单且易于加工，实现了较低的制造成本。
实施例三：本实施例与实施例二基本相同，区别在于：
如图5所示，本实施例中，每路AB类射频功率放大器均包括输入电路、输入匹配网络、栅极滤波偏置电路、第一T型微带连接头Tee1、晶体管PA1、漏极滤波偏置电路、第二T型微带连接头Tee2和第一电容C1，输入匹配网络用于将AB类射频功率放大器的源阻抗匹配至50Ω，并保证晶体管PA1在其工作频段内能稳定工作，输入电路用于接入射频信号并将射频信号通过输入匹配网络和第一T型微带连接头Tee1传输至晶体管PA1的栅极，栅极滤波偏置电路用于将外部输入其内的直流电源电压进行滤波处理得到栅极偏置电压，并通过第一T型微带连接头Tee1将栅极偏置电压传输至晶体管PA1的栅极，漏极滤波偏置电路用于将外部输入其内的直流电源电压进行滤波处理得到漏极偏置电压，并通过第二T型微带连接头Tee2将漏极偏置电压传输至晶体管PA1的漏极，晶体管PA1在栅极偏置电压和漏极偏置电压驱动下能够正常工作，将输出至其处的射频信号进行放大，得到放大射频信号通过第二T型微带连接头Tee2输出至第一电容C1处，第一电容C1用于滤除放大射频信号中的直流电后，将放大射频信号输出至SIW双极化缝隙天线。
本实施例中，输入电路、输入匹配网络、栅极滤波偏置电路和漏极滤波偏置电路均具有输入端和输出端，第一T型微带连接头Tee1和第二T型微带连接头Tee2均具有第一连接端、第二连接端和第三连接端，输入电路的输入端为的AB类射频功率放大器的输入端口，用于接入外部输入的射频信号，输入电路的输出端和输入匹配网络的输入端连接，输入匹配网络的输出端和第一T型微带连接头Tee1的第一连接端连接，第一T型微带连接头Tee1的第二连接端与栅极滤波偏置电路的输出端连接，第一T型微带连接头Tee1的第三连接端与晶体管PA1的栅极连接，晶体管PA1的漏极与第二T型微带连接头Tee2的第一连接端连接，晶体管PA1的源极接地，第二T型微带连接头Tee2的第二连接端与漏极滤波偏置电路的输出端连接，第二T型微带连接头Tee2的第三连接端与第一电容C1的一端相连，第一电容C1的另一端为AB类射频功率放大器的输出端口，用于输出放大射频信号至SIW双极化缝隙天线。
如图6所示，本实施例中，输入电路包括第一微带线TL1和第二电容C2，第一微带线TL1的一端为输入电路的输入端，第一微带线TL1的另一端与第二电容C2的一端连接，第二电容C2的另一端为输入电路的输出端。
如图6所示，本实施例中，输入匹配网络包括第二微带线TL2、第三微带线TL3和第四微带线TL4，第二微带线TL2的一端为输入匹配网络的输入端，第二微带线TL2的另一端、第三微带线TL3的一端和第四微带线TL4的一端连接，第三微带线TL3的另一端开路，第四微带线TL4的另一端为输入匹配网络的输出端。
如图6所示，本实施例中，栅极滤波偏置电路包括第五微带线TL5、第六微带线TL6、第一扇形微带线Stub1和第一90°弯折微带线Curve1，第五微带线TL5的一端为栅极滤波偏置电路的输入端，第五微带线TL5的另一端、第一90°弯折微带线Curve1的一端和第一扇形微带线Stub1的小头端连接，第一扇形微带线Stub1的大头端开路，第一90°弯折微带线Curve1的另一端和第六微带线TL6的一端连接，第六微带线TL6的另一端为栅极滤波偏置电路的输出端，第六微带线TL6为四分之一波长线。
如图6所示，本实施例中，漏极滤波偏置电路包括第七微带线TL7、第八微带线TL8、第二扇形微带线Stub2和第二90°弯折微带线Curve2，第七微带线TL7的一端为漏极滤波偏置电路的输入端，第七微带线TL7的另一端、第二90°弯折微带线Curve2的一端和第二扇形微带线Stub2的小头端连接，第二扇形微带线Stub2的大头端开路，第二90°弯折微带线Curve2的另一端和第八微带线TL8的一端连接，第八微带线TL8的另一端为漏极滤波偏置电路的输出端，第八微带线TL8为四分之一波长线。
本实施例中，AB类射频功率放大器的工作原理为：将栅极滤波偏置电路与外部直流电源连接，漏极滤波偏置电路与外部直流电源连接，栅极滤波偏置电路为晶体管PA1提供栅极偏置电压，漏极滤波偏置电路为晶体管PA1提供漏极偏置电压，以确保晶体管PA1的正常工作；当外部射频信号经过输入电路、输入匹配网络和第一T型微带连接头Tee1到达晶体管PA1的栅极时，晶体管PA1将射频信号放大并在其漏极输出放大射频信号。放大射频信号经过第二T型微带连接头Tee2和第一电容C1输出至SIW双极化缝隙天线。其中，栅极滤波偏置电路和漏极滤波偏置电路同时起到扼流的作用，防止外部输入的射频信号对与与其连接的外部直流电源产生干扰，保证输出的栅极偏置电压和漏极偏置电压的准确度。输入电路起到接入外部射频信号的作用，输入匹配网络负责射频信号的传输匹配作用，能够有效减小射频信号的损耗，提高电路增益。晶体管PA1负责对射频信号进行线性放大，维持高保真的同时实现较高的效率。第二T型微带连接头Tee2和第一电容C1负责引导放大射频信号滤波输出的作用。
为验证本发明的一种有源集成毫米波SIW双极化缝隙天线的性能，在HFSS和ADS仿真软件中对实施例三的有源集成毫米波SIW双极化缝隙天线进行仿真，其中EIRP值实测与仿真曲线图如图7所示，PAE值实测与仿真曲线图如图8所示，任意一路AB类射频功率放大器的输入端测试辐射方向图如图9所示。
分析图7可知：本发明的有源集成毫米波SIW双极化缝隙天线的仿真和测试EIRP值均在中心工作频率24GHz时达到最大值，分别为36.6dB和36.2dB。仿真EIRP值在23.8-24.2GHz的频带范围内均大于34.2dB，测试EIRP值在23.8-24.2GHz的频带范围内均大于34dB。由此可知，在所需工作频带内，本发明的有源集成毫米波SIW双极化缝隙天线具有较优的EIRP值，以及较好的EIRP稳定性。
图8中，Port1(即端口1)表示和第一矩形馈电线10连接的一路AB类射频功率放大器用于接入射频信号的输入端，Port2(即端口2)表示和第二矩形馈电线11连接的一路AB类射频功率放大器用于接入射频信号的输入端。分析图8可知：本发明的有源集成毫米波SIW双极化缝隙天线的仿真PAE值在24GHz时达到最大值，为43％。端口1和端口2的测试PAE值均在24GHz时达到最大值，分别为28.4％和26.8％。仿真PAE值在23.8-24.2GHz的频带范围内均大于24％，端口1和端口2的测试PAE值在频带范围内均大于15％。由此可知，在所需的工作频带内，本发明的有源集成毫米波SIW双极化缝隙天线具有良好的PAE值。
由于两路AB类射频功率放大器的输入端测试辐射方向图相同，所欲图9仅提供了其中一路AB类射频功率放大器的输入端测试辐射方向图。分析图9可知：本发明的有源集成毫米波SIW双极化缝隙天线中，两路AB类射频功率放大器的输入端的E平面和H平面辐射图在左右对称轴上实现最大增益，并且波束关于左右对称轴相对对称。两路AB类射频功率放大器的输入端产生的波束宽度约为60°。由此可知，本发明的有源集成毫米波SIW双极化缝隙天线在中心频率下具有较宽的波束宽度。
综上所述，本发明的有源集成毫米波SIW双极化缝隙天线不但设计过程中输入阻抗易于调节，实现双极化结构简单，整体尺寸较小，具有高集成度，还具有较低的插入损耗，能够有效改善增益和效率，在毫米波无线通信系统中具有广泛的应用前景。

Claims (10)

1.一种有源集成毫米波SIW双极化缝隙天线，其特征在于通过将两路AB类射频功率放大器与SIW双极化缝隙天线无缝级联而成，每路所述的AB类射频功率放大器分别与所述的SIW双极化缝隙天线直接连接，每路所述的AB类射频功率放大器分别用于将输入其内的射频信号放大后得到放大射频信号输出至所述的SIW双极化缝隙天线，所述的SIW双极化缝隙天线用于将其中一路AB类射频功率放大器输出至其处的放大射频信号转换成呈+45°线极化特性的电磁波发射出去，另一路AB类射频功率放大器输出至其处的放大射频信号转换成呈-45°线极化特性的电磁波发射出去。
2.根据权利要求1所述的一种有源集成毫米波SIW双极化缝隙天线，其特征在于所述的SIW双极化缝隙天线包括从上到下依次层叠的辐射层、介质基板以及馈电层，所述的辐射层包括第一金属板以及设置在所述的第一金属板上的辐射缝隙，所述的第一金属板为矩形板，其长度方向为左右方向，宽度方向为前后方向，厚度方向为上下方向，所述的辐射缝隙包括上下贯穿所述的第一金属板的四个等腰直角三角形槽，四个等腰直角三角形槽的两个底角处均倒相同圆角，将四个等腰直角三角形槽分别称为第一等腰直角三角形槽、第二等腰直角三角形槽、第三等腰直角三角形槽和第四等腰直角三角形槽，所述的第一等腰直角三角形槽和所述的第二等腰直角三角形槽呈左右对称结构，所述的第三等腰直角三角形槽和所述的第四等腰直角三角形槽呈左右对称结构，所述的第一等腰直角三角形槽和所述的第三等腰直角三角形槽呈前后对称结构，所述的第二等腰直角三角形槽和所述的第四等腰直角三角形槽呈前后对称结构，所述的第一等腰直角三角形槽、所述的第二等腰直角三角形槽、所述的第三等腰直角三角形槽和所述的第四等腰直角三角形槽的两条直角边所在侧面分别位于所述的第一金属板沿左右方向的对称平面和沿前后方向的对称平面上；
所述的介质基板层叠在所述的第一金属板的下方，所述的介质基板为矩形板，所述的介质基板的前端面与所述的第一金属板的前端面上下齐平，所述的介质基板的后端面与所述的第一金属板的后端面上下齐平，所述的介质基板的左端面与所述的第一金属板的左端面上下齐平，所述的介质基板的右端面与所述的第一金属板的右端面上下齐平；
所述的馈电层包括第二金属板、第一矩形馈电线和第二矩形馈电线，所述的第二金属板为矩形板，所述的第二金属板层叠在所述的介质基板的下方，所述的第二金属板的前端面与所述的介质基板的前端面上下齐平，所述的第二金属板的后端面与所述的介质基板的后端面上下齐平，所述的第二金属板的左端面与所述的介质基板的左端面上下齐平，所述的第二金属板的右端面位于所述的介质基板的右端面所在平面的左侧，所述的所述的第二金属板上开设有从其右端面开始向左延伸的四个矩形槽，四个矩形槽均上下贯穿所述的第二金属板且按照从前到后顺序间隔分布，将四个矩形槽从前到后依次称为第一矩形槽、第二矩形槽、第三矩形槽和第四矩形槽，所述的第一矩形槽的左后角、所述的第二矩形槽的左前角、所述的第三矩形槽的左后角和所述的第四矩形槽的左前角均倒相同的圆角，所述的第一矩形槽和所述的第四矩形槽相对于所述的第二金属板沿左右方向的对称平面前后对称，所述的第二矩形槽和所述的第三矩形槽相对于所述的第二金属板沿左右方向的对称平面前后对称，所述的第一矩形槽如果向后平移能够与所述的第三矩形槽完全重合，所述的第二矩形槽如果向后平移能够与所述的第四矩形槽完全重合，将所述的第二金属板在所述的第一矩形槽和所述的第二矩形槽之间的部分称为第一连接块，将所述的第二金属板在所述的第三矩形槽和和所述的第四矩形槽之间的部分称为第二连接块；所述的辐射缝隙周围设置有沿一圈分布的多个金属化圆孔，多个金属化圆孔依次贯穿所述的第一金属板和所述的介质基板，多个金属化通孔均位于所述的第二金属板的正上方，用于将所述的第一金属板与所述的第二金属板连接起来，任意一个金属化圆孔不位于所述的第一连接块、所述的第二连接块、所述的第一矩形槽、所述的第二矩形槽、所述的第三矩形槽和所述的第四矩形槽所处区域的正上方；所述的第一矩形馈电线位于所述的第一连接块的右侧，所述的第一矩形馈电线的左端面与所述的第一连接块的右端面一体成型连接，所述的第一矩形馈电线的前端面与所述的第一连接块的前端面位于同一平面，所述的第一矩形馈电线的后端面与所述的第一连接块的后端面位于同一平面，所述的第一矩形馈电线的上端面与所述的第一连接块的上端面位于同一平面，所述的第一矩形馈电线的下端面与所述的第一连接块的下端面位于同一平面，所述的第一矩形馈电线的右端面与所述的第一金属板的右端面上下对齐，所述的第二矩形馈电线位于所述的第二连接块的右侧，所述的第二矩形馈电线的左端面与所述的第二连接块的右端面一体成型连接，所述的第二矩形馈电线的前端面与所述的第二连接块的前端面位于同一平面，所述的第二矩形馈电线的后端面与所述的第二连接块的后端面位于同一平面，所述的第二矩形馈电线的上端面与所述的第二连接块的上端面位于同一平面，所述的第二矩形馈电线的下端面与所述的第二连接块的下端面位于同一平面，所述的第二矩形馈电线的右端面与所述的第一金属板的右端面上下对齐；所述的第一矩形馈电线和所述的第二矩形馈电线与两路AB类射频功率放大器一一对应连接，用于接入两路AB类射频功率放大器输出的放大射频信号，通过所述的第一矩形馈电线输入所述的SIW双极化缝隙天线的放大射频信号被转换成呈+45°线极化特性的电磁波发射出去，通过所述的第二矩形馈电线输入所述的SIW双极化缝隙天线的放大射频信号被转换成呈-45°线极化特性的电磁波发射出去。
3.根据权利要求2所述的一种有源集成毫米波SIW双极化缝隙天线，其特征在于多个金属化圆孔围成一个长方形区域，该长方形区域沿左右方向的对称面与所述的第二金属板沿左右方向的对称面位于同一平面，该长方形区域沿前后方向的对称面与所述的第二金属板沿前后方向的对称面位于同一平面，位于该长方形区域前侧、后侧和左侧的金属化圆孔均匀间隔分布。
4.根据权利要求3所述的一种有源集成毫米波SIW双极化缝隙天线，其特征在于所述的第一金属板沿左右方向的长度为9.7mm，沿前后方向的宽度为8.8mm，厚度为0.017mm，每个金属化圆孔的孔径均为0.55mm，位于所述的长方形区域前侧、后侧和左侧的金属化圆孔中，相邻两个金属化圆孔的中心间距0.9mm，每个等腰直角三角形槽的斜边的长度均为3.8mm，底角处倒圆角半径0.2mm，所述的介质基板的厚度为0.508mm，所述的第二金属板沿左右方向的长度为8.43mm，厚度为0.017mm，所述的第一矩形槽、所述的第二矩形槽、所述的第三矩形槽和所述的第四矩形槽沿左右方向的长度为0.86mm，沿前后方向的宽度为0.34mm，所述的第一矩形槽、所述的第二矩形槽、所述的第三矩形槽和所述的第四矩形槽的倒圆角半径为0.34mm，所述的第一矩形馈电线和所述的第二矩形馈电线沿左右方向的长度为1.27mm，沿前后方向的宽度为1.17mm。
5.根据权利要求1所述的一种有源集成毫米波SIW双极化缝隙天线，其特征在于每路所述的AB类射频功率放大器均包括输入电路、输入匹配网络、栅极滤波偏置电路、第一T型微带连接头、晶体管、漏极滤波偏置电路、第二T型微带连接头和第一电容，所述的输入匹配网络用于将所述的AB类射频功率放大器的源阻抗匹配至50Ω，并保证所述的晶体管在其工作频段内能稳定工作，所述的输入电路用于接入射频信号并将射频信号通过所述的输入匹配网络和所述的第一T型微带连接头传输至所述的晶体管的栅极，所述的栅极滤波偏置电路用于将外部输入其内的直流电源电压进行滤波处理得到栅极偏置电压，并通过所述的第一T型微带连接头将栅极偏置电压传输至所述的晶体管的栅极，所述的漏极滤波偏置电路用于将外部输入其内的直流电源电压进行滤波处理得到漏极偏置电压，并通过所述的第二T型微带连接头将漏极偏置电压传输至所述的晶体管的漏极，所述的晶体管在所述的栅极偏置电压和所述的漏极偏置电压驱动下能够正常工作，将输出至其处的射频信号进行放大，得到放大射频信号通过所述的第二T型微带连接头输出至所述的第一电容处，所述的第一电容用于滤除所述的放大射频信号中的直流电后，将所述的放大射频信号输出至所述的SIW双极化缝隙天线。
6.根据权利要求5所述的一种有源集成毫米波SIW双极化缝隙天线，其特征在于所述的输入电路、所述的输入匹配网络、所述的栅极滤波偏置电路和所述的漏极滤波偏置电路均具有输入端和输出端，所述的第一T型微带连接头和所述的第二T型微带连接头均具有第一连接端、第二连接端和第三连接端，所述的输入电路的输入端为所述的的AB类射频功率放大器的输入端口，用于接入外部输入的射频信号，所述的输入电路的输出端和所述的输入匹配网络的输入端连接，所述的输入匹配网络的输出端和所述的第一T型微带连接头的第一连接端连接，所述的第一T型微带连接头的第二连接端与所述的栅极滤波偏置电路的输出端连接，所述的第一T型微带连接头的第三连接端与所述的晶体管的栅极连接，所述的晶体管的漏极与所述的第二T型微带连接头的第一连接端连接，所述的晶体管的源极接地，所述的第二T型微带连接头的第二连接端与所述的漏极滤波偏置电路的输出端连接，所述的第二T型微带连接头的第三连接端与所述的第一电容的一端相连，所述的第一电容的另一端为所述的AB类射频功率放大器的输出端口，用于输出放大射频信号至所述的SIW双极化缝隙天线。
7.根据权利要求6所述的一种有源集成毫米波SIW双极化缝隙天线，其特征在于所述的输入电路包括第一微带线和第二电容，所述的第一微带线的一端为所述的输入电路的输入端，所述的第一微带线的另一端与所述的第二电容的一端连接，所述的第二电容的另一端为所述的输入电路的输出端。
8.根据权利要求6所述的一种有源集成毫米波SIW双极化缝隙天线，其特征在于所述的输入匹配网络包括第二微带线、第三微带线和第四微带线，所述的第二微带线的一端为所述的输入匹配网络的输入端，所述的第二微带线的另一端、所述的第三微带线的一端和所述的第四微带线的一端连接，所述的第三微带线的另一端开路，所述的第四微带线的另一端为所述的输入匹配网络的输出端。
9.根据权利要求6所述的一种有源集成毫米波SIW双极化缝隙天线，其特征在于所述的栅极滤波偏置电路包括第五微带线、第六微带线、第一扇形微带线和第一90°弯折微带线，所述的第五微带线的一端为所述的栅极滤波偏置电路的输入端，所述的第五微带线的另一端、所述的第一90°弯折微带线的一端和所述的第一扇形微带线的小头端连接，所述的第一扇形微带线的大头端开路，所述的第一90°弯折微带线的另一端和所述的第六微带线的一端连接，所述的第六微带线的另一端为所述的栅极滤波偏置电路的输出端，所述的第六微带线为四分之一波长线。
10.根据权利要求6所述的一种有源集成毫米波SIW双极化缝隙天线，其特征在于所述的漏极滤波偏置电路包括第七微带线、第八微带线、第二扇形微带线和第二90°弯折微带线，所述的第七微带线的一端为所述的漏极滤波偏置电路的输入端，所述的第七微带线的另一端、所述的第二90°弯折微带线的一端和所述的第二扇形微带线的小头端连接，所述的第二扇形微带线的大头端开路，所述的第二90°弯折微带线的另一端和所述的第八微带线的一端连接，所述的第八微带线的另一端为所述的漏极滤波偏置电路的输出端，所述的第八微带线为四分之一波长线。
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