CN118099745B - 一种增益稳定宽带圆极化siw漏波天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增益稳定宽带圆极化SIW漏波天线，涉及天线领域。包括：基片集成波导、金属贴片以及介质层。基片集成波导的顶面金属层上开设有多个金属槽，多个金属槽沿着基片集成波导的传播方向均匀分布，每个金属槽与基片集成波导的中轴线均具有倾斜角度且在中轴线的垂直方向上呈非对称分布。介质层布设于顶面金属层上；金属贴片依据金属槽的位置对应布设于介质层上，且金属贴片在中轴线的垂直方向上呈非对称分布。本发明使得不同频率下轴比保持圆极化条件，在较宽的频段内均可实现圆极化。在实现漏波天线频扫特性的同时，也能使得在工作频段范围内波瓣图主瓣增益峰值波动1dBi左右。从而在整体上得到更高的带宽和更稳定的增益。

Description

一种增益稳定宽带圆极化SIW漏波天线

技术领域

本发明涉及天线领域，特别是涉及一种增益稳定宽带圆极化SIW漏波天线。

背景技术

圆极化具有诸多优势，例如：抑制极化失配、减轻多径干扰以及高连接可靠性等，因此具有频扫特性的漏波天线如果能有圆极化的特性，则会在更多的应用场景中得到应用。例如：卫星通信、雷达系统抑或是能量传输系统中。而具有宽带特性的圆极化有更高的传输速率、更高抗干扰能力、更强的多径分辨能力，因此具有宽带的圆极化漏波天线被广泛研发、应用。

目前已有的圆极化漏波天线，其相对带宽较低，基本达不到20%且增益不稳定。其只能保持在一小部分的频段内实现圆极化，无法实现更高带宽和更稳定增益。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种增益稳定宽带圆极化SIW漏波天线。

本发明实施例提供一种增益稳定宽带圆极化SIW漏波天线，所述增益稳定宽带圆极化SIW漏波天线包括：基片集成波导、金属贴片以及介质层；

所述基片集成波导的顶面金属层上开设有多个金属槽，多个所述金属槽沿着所述基片集成波导的传播方向均匀分布，每个所述金属槽与所述基片集成波导的中轴线均具有倾斜角度，且在所述中轴线的垂直方向上呈非对称分布；

所述介质层布设于所述顶面金属层上；

所述金属贴片依据所述金属槽的位置，对应布设于所述介质层上，且所述金属贴片在所述中轴线的垂直方向上呈非对称分布。

可选地，所述金属贴片包括：四个子单元；

四个子单元中第一子单元与第二子单元呈对角布设，且两者相连；

四个子单元中第三子单元与第四子单元呈对角布设，且两者不相连；

所述第三子单元与所述第一子单元、所述第二子单元以及第一子单元与第二子单元彼此相连处均具有预设间距，且所述第四子单元与所述第一子单元、所述第二子单元以及第一子单元与第二子单元彼此相连处均具有所述预设间距。

可选地，四个所述子单元各自通过一个金属柱与所述顶面金属层相连，且避开所述金属槽，每个金属柱均垂直于所述金属层。

可选地，所述基片集成波导沿着自身的传播方向均匀布设两排金属柱，所述两排金属柱分别位于所述基片集成波导的垂直两边缘处且彼此平行，所述垂直两边缘处为垂直于所述传播方向的两个边缘位置；

所述两排金属柱均与所述顶面金属层的底面连接，且与所述底面垂直，所述顶面金属层的顶面布设所述介质层。

可选地，所述金属槽在长度方向上的一端远离所述两排金属柱中的一排金属柱，长度方向上的另一端靠近所述两排金属柱中的另一排金属柱，且与部分金属柱相交。

可选地，所述金属槽的宽度与所述预设间距相等或不等，且所述金属槽沿长度方向的中轴线与目标预设间距的中轴线重合或者平行；

其中，所述目标预设间距为所述第三子单元与所述第一子单元或者与所述第二子单元之间的预设间距。

可选地，每个所述金属槽与其对应的金属贴片及其金属柱构成一个磁电偶极子单元，所述磁电偶极子单元配置为产生圆极化的电磁波，每个所述金属槽均可激励两种正交的磁电偶极子模式，从而实现圆极化。

可选地，所述金属槽沿长度方向的中轴线与所述基片集成波导的中轴线具有所述倾斜角度，且所述目标预设间距的中轴线与所述基片集成波导的中轴线具有所述倾斜角度。

可选地，所述基片集成波导沿着自身的传播方向的两端，其中一端作为馈入端口，另一端作为匹配负载；

其中，所述馈入端口配置为馈入电磁波；

所述匹配负载配置为吸收多余的电磁波。

可选地，所述介质层的参数与所述基片集成波导中的介质层的参数相同，且每个所述金属槽内部由所述介质层填充。

本发明提供的增益稳定宽带圆极化SIW漏波天线，辐射单元包括：基片集成波导、金属贴片以及介质层。基片集成波导的顶面金属层上开设有多个金属槽，多个金属槽沿着基片集成波导的传播方向均匀分布，每个金属槽与基片集成波导的中轴线均具有倾斜角度，且在中轴线的垂直方向上呈非对称分布。

而介质层布设于基片集成波导的顶面金属层上；金属贴片依据金属槽的位置，对应布设于介质层上，且金属贴片在中轴线的垂直方向上呈非对称分布。也即金属贴片及其金属柱实质上是依据金属槽的位置和倾斜角度来布设的，三者一一对应构成一个磁电偶极子，因此多个金属槽与其各自对应的金属贴片及其金属柱构成多个磁电偶极子，沿着基片集成波导的传播方向布设。

金属槽和金属贴片构成磁电偶极子不是对称分布在漏波天线两端的，且金属槽的布设不垂直于电磁波传播方向，而是与中轴线具有一定的倾斜角度的。上述非对称分布、具有倾斜角度的磁电偶极子结构可以得到更好的输入匹配，减少反射波的产生，而且能使得不同频率下轴比保持圆极化条件，在较宽的频段内均可产生圆极化的电磁波，实现圆极化。

此外，将磁电偶极子加载在SIW漏波天线上，充分利用磁偶极子和电偶极子波瓣图的互补叠加原理，使得其E面和H面的辐射波瓣图几乎一致，因此对于一个磁电偶极子单元其辐射波瓣图具有优秀的一致性和稳定性。利用上述性质使得本发明在实现漏波天线频扫特性的同时，也能使得在工作频段范围内波瓣图主瓣增益峰值波动1dBi左右。从而在整体上得到更高的带宽和更稳定的增益。本发明所提增益稳定宽带圆极化SIW漏波天线具有较高的实用性。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例一种优选的增益稳定宽带圆极化SIW漏波天线的结构示意图；

图2是本发明实施例中对应图1结构的侧视图；

图3是本发明实施例中对应图1结构的左视图；

图4是本发明实施例中仅包含基片集成波导的顶面金属层3和基片集成波导的介质层42的漏波天线的局部俯视图；

图5是本发明实施例中增益稳定宽带圆极化SIW漏波天线的S11参数曲线图；

图中，1-金属贴片、2-布设于基片集成波导的顶面金属层3上的介质层、3-基片集成波导的顶面金属层、11-第一子单元、12-第二子单元、13-第三子单元、14-第四子单元、15-目标预设间距的中轴线、31-金属槽、32-金属槽31沿长度方向的中轴线、41-基片集成波导的底面金属层、42-基片集成波导的介质层、43-两排金属柱、44-基片集成波导的中轴线、101-第一子单元11与基片集成波导的顶面金属层3之间的金属柱。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，并不用于限定本发明。

发明人发现，目前已有的圆极化漏波天线，其相对带宽较低，基本达不到20%且增益不稳定。这是因为随着频率的改变，轴比会变差，且一般的辐射单元E面和H面方向图有较大差别，很难有稳定的增益。

而目前已有圆极化漏波天线实现圆极化电磁波是由U型槽和Π型微带线产生等幅相位相差九十度的电流产生的。而频率的改变会导致U型槽和Π型微带线二者之间的相位差也会随之改变，进而影响到轴比不满足圆极化要求（一般认为轴比<3dB时可认为是圆极化）。因此目前已有圆极化漏波天线只能保持在一小部分的频段内实现圆极化，带宽较低达不到20%且增益不稳定，无法实现更高带宽和更稳定增益。

针对上述问题，发明人经过大量研究和测试，创造性的提出了本发明的一种增益稳定宽带圆极化SIW（Substrate integrated waveguide，基片集成波导）漏波天线，以下对本发明所提技术方案进行详细解释和说明。

本发明的增益稳定宽带圆极化SIW漏波天线，其包括：基片集成波导、金属贴片以及介质层。其中，基片集成波导的顶面金属层上开设有多个金属槽，多个金属槽沿着基片集成波导的传播方向均匀分布，每个金属槽与基片集成波导的中轴线均具有倾斜角度，且在中轴线的垂直方向上呈非对称分布。

也即：基片集成波导自身结构中就包括两层金属层：一个顶面金属层和一个底面金属层，两个金属层之间为一个介质层。其顶面金属层有一定的厚度，但其厚度远小于基片集成波导中介质层的厚度。而在基片集成波导的顶面金属层上布设有另一介质层。即：从整体架构上来看，本发明所提增益稳定宽带圆极化SIW漏波天线有两个介质层，一个介质层是基片集成波导自身具有的介质层，另一个介质层是布设于基片集成波导的顶面金属层上的介质层。这两个介质层的参数（例如材质、介电常数、正切损耗角等）可以相同也可以不同，但优选两者参数相同，且由于金属层上开设多个金属槽，因此每个金属槽内部由介质层填充。

金属贴片布设于基片集成波导的顶面金属层上的介质层上，其需要依据金属槽的位置对应布设，且和金属槽一样，金属贴片在中轴线的垂直方向上也呈非对称分布。

金属贴片的形状可以选择任意形状，例如：三角形、四边形、圆形、多边形、非规则图形等，较优的选择为：正方形、矩形或者圆形。

金属贴片包括：四个子单元；四个子单元中第一子单元与第二子单元呈对角布设，且两者相连；四个子单元中第三子单元与第四子单元呈对角布设，且两者不相连。

第三子单元与第一子单元、第二子单元以及第一子单元与第二子单元彼此相连处均具有预设间距，且第四子单元与第一子单元、第二子单元以及第一子单元与第二子单元彼此相连处均具有预设间距。

为了更好的理解本发明所提增益稳定宽带圆极化SIW漏波天线，参照图1，示出了本发明实施例一种优选的增益稳定宽带圆极化SIW漏波天线的俯视结构示意图。图1中以正方形的金属贴片为例进行示出。金属贴片1包括四个子单元：第一子单元11、第二子单元12，两者呈对角布设且两者相连；第三子单元13与第四子单元14呈对角布设，且两者不相连。

第三子单元13与第一子单元11、第二子单元12以及第一子单元与第二子单元彼此相连处A均具有预设间距，且相同的，第四子单元14与第一子单元11、第二子单元12以及第一子单元与第二子单元彼此相连处A均具有预设间距。

四个子单元11、12、13、14各自通过一个金属柱与基片集成波导的顶面金属层相连，且避开金属槽，每个金属柱均垂直于金属层。参照图2所示的对应图1结构的左视图，参照图3所示的对应图1结构的侧视图，第一子单元11通过金属柱101与基片集成波导的顶面金属层3连接。为了图示的简洁，其余子单元的情况参照第一子单元11的情况经过简单推理即可得到，不一一标识。

布设于基片集成波导的顶面金属层3上的介质层2，基片集成波导的顶面金属层3以下部分为基片集成波导的底面金属层41和基片集成波导的介质层42构成。

基片集成波导4沿着自身的传播方向均匀布设两排金属柱43，两排金属柱43分别位于基片集成波导的垂直两边缘处且彼此平行，所谓垂直两边缘处为垂直于传播方向的两个边缘位置。这两排金属柱43均与基片集成波导的顶面金属层3的底面连接，且与基片集成波导的顶面金属层3的底面垂直，基片集成波导的顶面金属层3的顶面布设一个介质层。从整体结构上来看，有两个介质层：布设于基片集成波导的顶面金属层3上的介质层2和基片集成波导的介质层42；有两个金属层：基片集成波导的顶面金属层3和基片集成波导的底面金属层41。

参照图4所示的仅包含基片集成波导的顶面金属层3和基片集成波导的介质层42的漏波天线的局部俯视图，金属槽31（图4中为了图示的简洁，标识31指向金属槽的两个边沿线，沿着箭头方向的两个边沿线包括的部分即为金属槽31）在长度方向上的一端B远离两排金属柱中的一排金属柱43，长度方向上的另一端C靠近两排金属柱中的另一排金属柱43，且与部分金属柱相交。图4中为了体现金属槽31和金属贴片1的关系，将金属贴片1也以虚线的形式示出。

结合图1的结构，金属槽31的宽度与预设间距相等或不等（图1所示为两者不相等，金属槽31的宽度略大于预设间距），且金属槽31沿长度方向的中轴线32与目标预设间距的中轴线15重合或者平行。目标预设间距是指第三子单元13与第一子单元11或者与第二子单元12之间的预设间距，也是第四子单元14与第一子单元11或者与第二子单元12之间的预设间距。

金属槽31沿长度方向的中轴线32与基片集成波导的中轴线44具有倾斜角度，因此目标预设间距的中轴线15与基片集成波导的中轴线44具有倾斜角度。具体的倾斜角度以及金属槽31的宽度，主要根据天线带宽的需求来决定，可以按照天线带宽需求，在满足较宽的频段内均可产生圆极化的电磁波的基础上，反复调整倾斜角度以及金属槽31的宽度的数值，得到各自数值的优选值或者最优值。

每个金属槽31与其对应的金属贴片1及其金属柱构成一个磁电偶极子单元。磁电偶极子单元配置为产生圆极化的电磁波。每个金属槽31均可以激励两种正交的磁电偶极子模式，从而实现圆极化。

将磁电偶极子加载在SIW漏波天线上，充分利用磁偶极子和电偶极子波瓣图的互补叠加原理，使得其E面和H面的辐射波瓣图几乎一致，因此对于一个磁电偶极子单元，其辐射波瓣图具有优秀的一致性和稳定性。利用上述性质使得本发明所提增益稳定宽带圆极化SIW漏波天线在实现漏波天线频扫特性的同时，也能使得在工作频段范围内波瓣图主瓣增益峰值波动1dBi左右，得到更稳定的增益。更稳定增益的意义在于：在点对点通信中，当本发明所提增益稳定宽带圆极化SIW漏波天线作为信号传输方时，对信号接收方设备的要求会大大降低，因此本发明具有所提增益稳定宽带圆极化SIW漏波天线更广的应用面。

此外，金属槽31和金属贴片1及其金属柱构成磁电偶极子不是对称分布在漏波天线两端的（即基片集成波导的中轴线44不能均分磁电偶极子），且金属槽31的布设不垂直于电磁波传播方向（即金属槽31沿长度方向的中轴线32不垂直于基片集成波导的中轴线44），而是与基片集成波导的中轴线44具有一定的倾斜角度的。上述非对称分布、具有倾斜角度的磁电偶极子结构可以得到更好的输入匹配，减少反射波的产生，而且能使得不同频率下轴比保持圆极化条件（一般认为轴比<3dB时可认为是圆极化），在较宽的频段内均可产生圆极化的电磁波，实现圆极化。

对于基片集成波导来说，其沿着自身的传播方向的两端，其中一端作为馈入端口，另一端作为匹配负载；其中，馈入端口配置为馈入电磁波；匹配负载配置为吸收多余的电磁波。介质板的材质可以优选为：Rogers 5880，介质板的介电常数2.2，正切损耗角0.0009。

以下针对上述所提增益稳定宽带圆极化SIW漏波天线的性能进行模拟仿真测试，得到的结果如下：

参照图5，示出了增益稳定宽带圆极化SIW漏波天线的S11参数曲线图。横坐标为频率，单位[GHz]；纵坐标为S参数值（S（1,1）），单位[dB]。可以看出增益稳定宽带圆极化SIW漏波天线的S参数小于- 10dB，满足实际使用要求。

本发明为漏波天线，具有频散特性，意味着输入不同频率的电磁信号，其辐射波瓣图的主瓣指向也会有所不同，经仿真测试天线工作频率时的增益曲线，说明本发明所提天线具有频散特性。此外，经仿真测试天线工作频率时的增益曲线，可以得到增益稳定宽带圆极化SIW漏波天线辐射波瓣图的主瓣峰值在16dBi到17dBi之间，波动仅1dBi，具有良好的增益稳定特性。

经仿真测试天线工作频率时的轴比曲线，结合增益曲线可知：以频率33GHz时为例，其辐射波瓣的主瓣峰值处于θ=-16°处，由轴比曲线中可知，在θ=-16°时，频率为33GHz的增益曲线位于3dB以下，这是符合圆极化的需求的。最终综合S11<10dB和轴比<3dB的特征，可以得到该天线在28.5GHz到37GHz的频段内可以有效地实现圆极化，并且扫描的范围在θ=-42°到-6°之间，相对工作带宽为26.0%。从而可知：本发明所提增益稳定宽带圆极化SIW漏波天线不但有更稳定的增益，工作带宽也更高，相对传统圆极化漏波天线只能保持在一小部分的频段内实现圆极化，带宽较低达不到20%且增益不稳定来说，具有极大的进步，应用更为广泛。

综上所述，本发明的增益稳定宽带圆极化SIW漏波天线，辐射单元包括：基片集成波导、金属贴片以及介质层。基片集成波导的顶面金属上开设有多个金属槽，多个金属槽沿着基片集成波导的传播方向均匀分布，每个金属槽与基片集成波导的中轴线均具有倾斜角度，且在中轴线的垂直方向上呈非对称分布。

而介质层布设于基片集成波导的金属层上；金属贴片依据金属槽的位置，对应布设于介质层上，且金属贴片在中轴线的垂直方向上呈非对称分布。也即金属贴片及其金属柱实质上是依据金属槽的位置和倾斜角度来布设的，三者一一对应构成一个磁电偶极子，因此多个金属槽与其各自对应的金属贴片及其金属柱构成多个磁电偶极子，沿着基片集成波导的传播方向布设。

金属槽和金属贴片构成磁电偶极子不是对称分布在漏波天线两端的，且金属槽的布设不垂直于电磁波传播方向，而是与中轴线具有一定的倾斜角度的。上述非对称分布、具有倾斜角度的磁电偶极子结构可以得到更好的输入匹配，减少反射波的产生，而且能使得不同频率下轴比保持圆极化条件，在较宽的频段内均可产生圆极化的电磁波，实现圆极化。

此外，将磁电偶极子加载在SIW漏波天线上，利用磁偶极子和电偶极子波瓣图的互补叠加原理，使得其E面和H面的辐射波瓣图几乎一致，因此对于一个磁电偶极子单元，其辐射波瓣图具有优秀的一致性和稳定性。利用上述性质使得本发明在实现漏波天线频扫特性的同时，也能使得在工作频段范围内波瓣图主瓣增益峰值波动1dBi左右。从而在整体上得到更高的带宽和更稳定的增益。本发明所提增益稳定宽带圆极化SIW漏波天线具有较高的实用性。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法所固有的要素。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种增益稳定宽带圆极化SIW漏波天线，其特征在于，所述增益稳定宽带圆极化SIW漏波天线包括：基片集成波导、金属贴片以及介质层；

所述基片集成波导的顶面金属层上开设有多个金属槽，多个所述金属槽沿着所述基片集成波导的传播方向均匀分布，每个所述金属槽与所述基片集成波导的中轴线均具有倾斜角度，且在所述中轴线的垂直方向上呈非对称分布；

所述介质层布设于所述顶面金属层上；

所述金属贴片依据所述金属槽的位置，对应布设于所述介质层上，且所述金属贴片在所述中轴线的垂直方向上呈非对称分布；

其中，所述金属贴片包括：四个子单元；

四个子单元中第一子单元与第二子单元呈对角布设，且两者相连；

四个子单元中第三子单元与第四子单元呈对角布设，且两者不相连；

所述第三子单元与所述第一子单元、所述第二子单元以及第一子单元与第二子单元彼此相连处均具有预设间距，且所述第四子单元与所述第一子单元、所述第二子单元以及第一子单元与第二子单元彼此相连处均具有所述预设间距。

2.根据权利要求1所述的增益稳定宽带圆极化SIW漏波天线，其特征在于，四个所述子单元各自通过一个金属柱与所述顶面金属层相连，且避开所述金属槽，每个金属柱均垂直于所述金属层。

3.根据权利要求1所述的增益稳定宽带圆极化SIW漏波天线，其特征在于，所述基片集成波导沿着自身的传播方向均匀布设两排金属柱，所述两排金属柱分别位于所述基片集成波导的垂直两边缘处且彼此平行，所述垂直两边缘处为垂直于所述传播方向的两个边缘位置；

所述两排金属柱均与所述顶面金属层的底面连接，且与所述底面垂直，所述顶面金属层的顶面布设所述介质层。

4.根据权利要求3所述的增益稳定宽带圆极化SIW漏波天线，其特征在于，所述金属槽在长度方向上的一端远离所述两排金属柱中的一排金属柱，长度方向上的另一端靠近所述两排金属柱中的另一排金属柱，且与部分金属柱相交。

5.根据权利要求1所述的增益稳定宽带圆极化SIW漏波天线，其特征在于，所述金属槽的宽度与所述预设间距相等或不等，且所述金属槽沿长度方向的中轴线与目标预设间距的中轴线重合或者平行；

其中，所述目标预设间距为所述第三子单元与所述第一子单元或者与所述第二子单元之间的预设间距。

6.根据权利要求1所述的增益稳定宽带圆极化SIW漏波天线，其特征在于，每个所述金属槽与其对应的金属贴片及其金属柱构成一个磁电偶极子单元，每个所述金属槽均可激励两种正交的磁电偶极子模式，从而实现圆极化。

7.根据权利要求5所述的增益稳定宽带圆极化SIW漏波天线，其特征在于，所述金属槽沿长度方向的中轴线与所述基片集成波导的中轴线具有所述倾斜角度，且所述目标预设间距的中轴线与所述基片集成波导的中轴线具有所述倾斜角度。

8.根据权利要求1所述的增益稳定宽带圆极化SIW漏波天线，其特征在于，所述基片集成波导沿着自身的传播方向的两端，其中一端作为馈入端口，另一端作为匹配负载；

其中，所述馈入端口配置为馈入电磁波；

所述匹配负载配置为吸收多余的电磁波。

9.根据权利要求1所述的增益稳定宽带圆极化SIW漏波天线，其特征在于，所述介质层的参数与所述基片集成波导中的介质层的参数相同，且每个所述金属槽内部由所述介质层填充。