CN201946751U

CN201946751U - 基于半模基片集成波导的布拉格缝隙阵列天线

Info

Publication number: CN201946751U
Application number: CN2010202913492U
Authority: CN
Inventors: 洪伟; 赖清华; 蒯振起
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2010-08-11
Filing date: 2010-08-11
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2020-08-11

Abstract

基于半模基片集成波导的布拉格缝隙阵列天线为了实现一种在结构上，尺寸小、轮廓低、重量轻、易共性，在性能上，高增益、高辐射效率、能够有效抑制栅瓣，该天线包括具有周期性横向缝隙(11)的上表面金属层(1)、具有金属化通孔(21)的中间介质层(2)、底面金属层(3)；其中，上表面金属层(1)上的周期性横向缝隙(11)垂直该阵列天线的长度方向排列，在上表面金属层(1)的一端即半模基片集成波导始端设有梯形微带阻抗变换器(12)，梯形微带阻抗变换器(12)的外端设有均匀50Ω微带馈线(13)，金属化通孔(21)沿该阵列天线的长度方向排列，在没有梯形微带阻抗变换器(12)的一端即半模基片集成波导终端，金属化通孔直角转向排列至上表面金属层(1)的边沿，即终端则用一排金属化通孔短路。

Description

基于半模基片集成波导的布拉格缝隙阵列天线

技术领域

半模基片集成波导馈电的Bragg(布拉格)缝隙阵列天线是一种谐振式缝隙阵列天线，适用于点对点、远距离通信的微波毫米波天馈系统。

背景技术

谐振式缝隙阵列天线，具有辐射效率高，增益高，波束指向固定等优点，因而常用于构建远距离、点对点通信的天馈系统。从结构来看，此类天线通常是由在终端短路的(立体的或平面的)波导金属壁上有规律地蚀刻细长缝隙切割表面电流而构成的。根据对极化的要求，缝隙走向可以是沿波导延伸方向(即纵向)、沿波导横截面方向(即横向)或45°方向。其中，横向缝隙主要应用于要求电场极化方向与天线延伸方向一致的情形，例如天线要求水平摆放且电场要求水平极化。电场极化方向通常根据天线用途来决定，而天线摆放方向则通常受限于安装平台的形状和尺寸。

辐射单元为横向缝隙的缝隙阵列天线面临的一个难题是如何抑制栅瓣。以空气填充的矩形波导馈电的缝隙阵列天线为例，为了实现各单元同相激励，相邻横向缝隙间距取为对应于中心频率的一个波导波长，而此波长大于对应的真空波长，因此，该阵列天线在工作频段内很可能会产生栅瓣。常用的消除栅瓣的方法有两种：一是向空气波导填充介质，二是辐射单元改用紧靠在一起的平行双缝隙。基于平面基片集成波导馈电的缝隙阵列天线即是第一种方法的成功范例。这种天线不仅消除了栅瓣，同时有效地降低了天线的轮廓和重量，使其便于集成和共性。同时，由于基片集成波导传输特性类似于同尺寸的介质填充矩形波导，因此矩形波导缝隙阵列天线的设计方法可以方便地应用于设计基片集成波导缝隙阵列天线，加之天线实物可以利用成熟的PCB生产加工而得，所以这种新型平面阵列天线的设计和加工成本都大为降低。但是，在有些场合，基片集成波导缝隙阵列天线横向尺寸仍显过大，不便于安装在较小的平台上。

因此，人们一直致力于研制在结构上，尺寸小、轮廓低、重量轻、易共性，在性能上，高增益、高辐射效率、能够有效抑制栅瓣的谐振式横向缝隙阵列天线。

发明内容

技术问题：本实用新型的目的为了实现一种在结构上，尺寸小、轮廓低、重量轻、易共性，在性能上，高增益、高辐射效率、能够有效抑制栅瓣的基于半模基片集成波导的布拉格缝隙阵列天线，，这类天线能够应用于远距离、点对点通信的天馈系统。

技术方案：基于半模基片集成波导的Bragg缝隙阵列天线是由在一段终端短路的半模基片集成波导的金属上表面周期性蚀刻小间距横向缝隙而构成的，其中缝隙间距约为中心频率对应的一个波导波长。设计时，首先根据天线工作频段，选择合适的介质基片材料和厚度，设计合理的半模基片集成波导宽度，以保证天线工作于波导的低损耗区(即最佳工作频段)。然后，根据对天线工作频段，计算选取合适的缝隙间距以及最末一条横向缝隙到波导终端短路面的距离。其次，根据对副瓣电平及增益的要求，计算选取合适的缝隙长度。最后，优化设计天线与均匀半模基片集成波导之间的阻抗匹配网络，以保证天线具有较宽的工作带宽，并接收到较高的输入功率。

本实用新型的基于半模基片集成波导的Bragg缝隙阵列天线包括具有周期性横向缝隙的上表面金属层、具有金属化通孔的中间介质层、底面金属层；其中，上表面金属层上的周期性横向缝隙垂直该阵列天线的长度方向排列，在上表面金属层的一端即半模基片集成波导始端设有梯形微带阻抗变换器，梯形微带阻抗变换器的外端设有均匀50Ω微带馈线，金属化通孔沿该阵列天线的长度方向排列，在没有梯形微带阻抗变换器的一端即半模基片集成波导终端，金属化通孔直角转向排列至上表面金属层的边沿，即终端则用一排金属化通孔短路。

周期性横向缝隙的缝隙单元的间距D为最低工作频率对应的真空中波长的1/8-1/2，缝隙单元的长度l₁为半模基片集成波导宽度w的1/10-4/5，缝隙单元的宽度w₁为最低工作频率对应的真空中波长的1/20-1/15，金属化通孔的直径d为1/8-1/10波导宽度w，金属化通孔的间距s为通孔直径d的3/2。

所述的周期性横向缝隙中的第一条横向缝隙长度可调，用以实现缝隙阵列与波导馈线的阻抗匹配，其余缝隙长度相等；相邻缝隙间距为一个波导波长，最末一条横向缝隙距离波导短路终端约为半个波导波长。

有益效果：1)首次利用半模基片集成波导技术成功设计了Bragg缝隙阵列天线。该发明在保持了常见谐振式缝隙阵列天线的辐射性能的同时，给天线引入一些突出的优点。例如有效地抑制了栅瓣，更易于集成，易于共性设计等。2)本实用新型的另一个突出特点是阵列形式为周期分布的横向缝隙(即Bragg栅)，结构简单，便于设计和加工。

基于半模基片集成波导的Bragg缝隙阵列天线具有特点主要有以下几点：

1)在设计频段内，具有较高增益，较高辐射效率，波束指向变化较小。

2)有效抑制栅瓣。

3)结构简单，设计简单。

4)天线轮廓低、重量轻、易集成、易共性。

4)成本低。可以使用成熟的PCB加工工艺制作。

附图说明

图1半模基片集成波导Bragg缝隙阵列天线结构3D图；图2是顶视图。

图3反射系数(测试结果)，

图4a、b、c、d是E面和H面辐射方向图(测试结果)，

图5增益随频率的变化(测试结果)。

图中有：

上表面金属层1、中间介质层2、底面金属层3；

w-半模基片集成波导的宽度 l₁-缝隙单元的长度

l-阵列天线的长度 D-缝隙单元的间距(即周期)

s-金属化通孔的间距 l₂-第一条横向缝隙的长度

d-金属化通孔的直径 l_t-第一条横向缝隙到波导口的距离

w₁-缝隙单元的宽度 l₃-最末一条横向缝隙到波导短路面的距离

具体实施方式

本实用新型的基于半模基片集成波导的布拉格缝隙阵列天线包括具有周期性横向缝隙11的上表面金属层1、具有金属化通孔21的中间介质层2、底面金属层3；其中，上表面金属层1上的周期性横向缝隙11垂直该阵列天线的长度方向排列，在上表面金属层1的一端即半模基片集成波导始端设有梯形微带阻抗变换器12，梯形微带阻抗变换器12的外端设有均匀50Ω微带馈线13，金属化通孔21沿该阵列天线的长度方向排列，在没有梯形微带阻抗变换器12的一端即半模基片集成波导终端，金属化通孔直角转向排列至上表面金属层1的边沿，即终端则用一排金属化通孔短路。

周期性横向缝隙11的缝隙单元的间距D为最低工作频率对应的真空中波长的1/8-1/2，缝隙单元的长度l₁为半模基片集成波导宽度w的1/10-4/5，缝隙单元的宽度w₁为最低工作频率对应的真空中波长的1/20-1/15。

金属化通孔的直径d为1/8-1/10波导宽度w，金属化通孔的间距s为通孔直径d的3/2。所述的周期性横向缝隙11中的第一条横向缝隙长度可调，用以实现缝隙阵列与波导馈线的阻抗匹配，其余缝隙长度相等；相邻缝隙间距为一个波导波长，最末一条横向缝隙距离波导短路终端约为半个波导波长。

1.该阵列天线为一平面结构，建立在上下表面敷铜的介质基片上，如图1所示。

2.根据天线工作频段，选取合适的介质基片厚度和相对介电常数。

3.设计合理的半模基片集成波导宽度w，以保证天线工作于波导的单模工作频段内，同时又远离波导的截止频率。

4.根据对天线辐射特性的要求，如副瓣电平、半功率波瓣宽度、辐射效率等，计算口径分布。

5.系统分析缝隙间距D对波导波长的影响，得出描述波导波长随间距D的变化相关曲线。

6.根据工作频率，利用步骤5中得到曲线选定合适缝隙间距D，而后根据安装平台的尺寸、波瓣宽度等要求，选择合适的天线尺寸即缝隙数目。

7.优化设计缝隙的长度l₁，以实现步骤4中所需的要求的口径分布。

8.优化设计梯形微带阻抗变换器以及第一条缝隙的尺寸和位置，以实现阵列天线与微带馈线的良好匹配。

9.图4的辐射方向图显示，E面主瓣指向随频率变化较为缓慢，波瓣宽度小，副瓣电平低于-18dB。图5显示，天线增益较高，中心频率附近达到17.0dB，在工作带宽内高于14.0dB。

实施实例：

我们设计了一条谐振于32.5GHz的半模基片集成波导Bragg缝隙阵列天线。基片介质材料为Rogers5880，其厚度为0.254mm，相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009。天线结构尺寸表1所示。

表1半模基片集成波导周期性漏波天线结构尺寸(单位：mm)

参数	w	l	w₁	l₁	l₂
						数值	2.50	99.75	0.30	1.50	1.24
参数	l_t	D	s	d	l₃
						数值	1.80	5.0	0.6	0.5	2.95

终端短路的半模基片集成波导内存在的是驻波。通过在波导上表面金属层蚀刻一列等间距排列、尺寸相等的横向窄缝隙，切割表面电流，实现微波能量向空间辐射。由于基片介质的作用，波导波长已经小于对应频率上的真空波长，再加之周期性分布的横向窄缝隙的作用(慢波结构)，波导波长被进一步压缩，所以当横向缝隙以一个波导波长的间距排列时，本实用新型不但可以实现各辐射单元同相激励，实现高增益，而且还能够有效地抑制栅瓣的出现。最末一条缝隙距离波导短路面约为半个波导波长，以使得各条缝隙能够切割最大表面电流，实现高辐射效率。调节第一条缝隙的长度及其距离波导口的距离，以及优化设计梯形微带阻抗变换器，可以实现阵列天线与馈线较好的阻抗匹配，实现高的辐射效率。

Claims

1.一种基于半模基片集成波导的布拉格缝隙阵列天线，其特征为：该天线包括具有周期性横向缝隙(11)的上表面金属层(1)、具有金属化通孔(21)的中间介质层(2)、底面金属层(3)；其中，上表面金属层(1)上的周期性横向缝隙(11)垂直该阵列天线的长度方向排列，在上表面金属层(1)的一端即半模基片集成波导始端设有梯形微带阻抗变换器(12)，梯形微带阻抗变换器(12)的外端设有均匀50Ω微带馈线(13)，金属化通孔(21)沿该阵列天线的长度方向排列，在没有梯形微带阻抗变换器(12)的一端即半模基片集成波导终端，金属化通孔直角转向排列至上表面金属层(1)的边沿，即终端则用一排金属化通孔短路。

2.根据权利要求1所述的基于半模基片集成波导的布拉格缝隙阵列天线，其特征为：周期性横向缝隙(11)的缝隙单元的间距D为最低工作频率对应的真空中波长的1/8-1/2，缝隙单元的长度l₁为半模基片集成波导宽度w的1/10-4/5，缝隙单元的宽度w₁为最低工作频率对应的真空中波长的1/20-1/15。

3.根据权利要求1所述的基于半模基片集成波导的布拉格缝隙阵列天线，其特征为：金属化通孔的直径d为1/8-1/10波导宽度w，金属化通孔的间距s为通孔直径d的3/2。

4.根据权利要求1所述的基于半模基片集成波导的布拉格缝隙阵列天线，其特征在于所述的周期性横向缝隙(11)中的第一条横向缝隙长度可调，用以实现缝隙阵列与波导馈线的阻抗匹配，其余缝隙长度相等；相邻缝隙间距为一个波导波长，最末一条横向缝隙距离波导短路终端约为半个波导波长。