CN207602784U - 一种基片集成波导缝隙馈电的线型阵列天线及平面阵列天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基片集成波导缝隙馈电的线型阵列天线和平面阵列天线，其中线型阵列天线包含辐射单元和馈电网络两个部分，辐射单元采用平面贴片固定在馈电网络上部；馈电网络为线型基片集成波导结构，包括具有信号输入端的信号传输通道，在信号传输通道的末端进行封闭形成短路面；在形成基片集成波导的中间金属层上开设沿信号传输方向排列的一排矩形槽；顶部金属层为圆形贴片，该圆形贴片包括两个半圆贴片和连接两个半圆贴片的细微带线；馈电网络的矩形槽位于两个半圆贴片之间。本实用新型采用的圆形贴片结构在工作原理上，一个该圆形贴片在电场方向上可以等效成三个有效的缝隙辐射源，可以更有效的压窄E面波束宽度，从而达到提高天线增益的效果。

Description

一种基片集成波导缝隙馈电的线型阵列天线及平面阵列天线

技术领域

本实用新型涉及电子领域，尤其涉及一种基片集成波导缝隙馈电的阵列天线。

背景技术

随着社会的进步和技术的发展，对于实现电子系统高性能、小型化的需求日益迫切。阵列天线在通信、导航、雷达、探测等诸多领域的电子系统里面有着广泛的应用，能够实现高性能，小型化的阵列天线结构必然能带来良好的经济效益和社会效益。

具有较高增益的单个天线单元在大型阵列应用里面十分具有吸引力。当前，无论是车载雷达还是毫米波通信系统中，毫米波阵列天线都将被广泛采用，针对毫米波阵列天线的研究也被大范围的开展。作为关键性器件，毫米波阵列天线的各个方面的性能，例如尺寸、增益、工作贷款等都将对整个毫米波系统的架构、性能等产生重要的影响。

之前已公开的相关毫米波天线在具体的应用中还存在如下一个或多个问题：

1、组阵困难，较难形成大规模高增益的天线阵；

2、馈电网络复杂，由馈电网络引入的损耗过大；

3、馈电网络所占面积较大，整个天线结构不够紧凑；

4、天线的带宽比较窄；

5、在需要相控扫描或采用多波束架构的系统应用中，较高增益和较大的扫描范围存在一定的矛盾，很难做到兼顾。

因此，当前毫米波阵列天线还存在以上问题亟待解决。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，而提供一种尺寸更小、增益更大且带宽更宽的一种基片集成波导缝隙馈电的线型阵列天线及平面阵列天线。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：

一种基片集成波导缝隙馈电的线型阵列天线，包含辐射单元和馈电网络两个部分，所述辐射单元采用平面贴片固定在所述馈电网络上部；所述辐射单元包括顶部金属层和第一层介质基片；所述馈电网络采用基片集成波导，包括中间金属层、第二层介质基片及底部金属层；其特征在于：

所述馈电网络为线型基片集成波导结构，包括具有信号输入端的信号传输通道，在信号传输通道的末端进行封闭形成短路面；在形成基片集成波导的中间金属层上开设沿信号传输方向排列的一排矩形槽，相邻两个矩形槽中心间的距离为一个波导波长，所有矩形槽均位于基片集成波导沿纵向中心线的同一侧，离短路面最近的一个矩形槽与短路面的距离为四分之一波导波长的整数倍；

所述顶部金属层为圆形贴片，该圆形贴片包括两个半圆贴片和连接两个半圆贴片的细微带线；

所述馈电网络的矩形槽位于两个半圆贴片之间，所述细微带线与所述矩形槽正交且矩形槽与细微带线的中心重合；所述馈电网络通过矩形槽将基片集成波导中传播的能量向外辐射激励所述的圆形贴片。

所述信号传输通道由两排平行的贯通介质基片的金属化通孔或金属化槽形成，两排平行的贯通介质基片的金属化通孔或金属化槽的一端为信号输入端，在两排平行的贯通介质基片的金属化通孔或金属化槽采用一排贯通介质基片的金属化孔或金属化槽密闭，形成短路结构。

在所述半圆贴片中还设置有一矩形开口，在该矩形开口内居中设置所述细微带线，在所述矩形开口内细微带线的两侧分别形成平行的矩形槽。

所述基片集成波导馈电网络中的每个矩形槽的长度以及其偏离基片集成波导纵向中心线的距离根据每个圆形贴片需要获得的激励幅度确定，每个圆形贴片需要获得的激励幅度依据完成阵列设计目标而采用的幅度分布来确定。

辐射单元和馈电网络采用多层印制电路板工艺实现。

一种基片集成波导缝隙馈电的平面阵列天线，其特征在于，采用上述任一所述的线型阵列天线作为子阵，沿着横向进行组阵形成平面阵列，每个子阵的输入端口连接横向组阵的馈电网络的输出端口。

横向组阵的馈电网络的结构采用基片集成波导或微带形式。

本实用新型提供的一种阵列天线，采用多层印制电路板工艺实现，辐射单元与馈电网络采用堆叠式的结构，可以实现阵列天线结构的紧凑，同时，基片集成波导线型的简单馈电结构可以有效地减低由馈电网络引入的损耗，而且可以容易的利用相应的线阵组成较大规模的面阵，设计出高增益的毫米波阵列天线；此外，单个辐射单元可以在不过大增加口径尺寸的情况下得到较高增益，从而在扫描阵列或多波束阵列的使用中可以尽量同时兼顾增益和扫描范围。除此之外，整个天线拥有较宽的带宽。

与现有技术相比，本实用新型中采用的圆形贴片因为工作在更高的模式下，其电尺寸（电尺寸即实际尺寸比上工作波长）比普通的圆形贴片电尺寸要大，同时线阵采用了一个波导波长（传统波导缝隙阵天线或者基片集成波导缝隙阵天线一般缝隙间隔为半个波导波长）作为激励圆形贴片分缝隙中心之间的距离，因此在线阵的组阵方向上，一半的阵元数目便可以得到与传统结构相近波束宽度。同时，本实用新型采用的圆形贴片结构在工作原理上，一个该圆形贴片在电场方向上可以等效成三个有效的缝隙辐射源，而传统的贴片一般等效成两个有效的缝隙辐射源，因此可以更有效的压窄E面波束宽度，从而达到提高天线增益的效果。在本实用新型中细窄馈线两侧引入槽结构，可以通过改变槽的尺寸来有效调节整个天线的阻抗，从而实现阻抗匹配。除此之外，与其他采用缝隙馈电的阵列天线设计相比，采用基片集成波导纵向缝隙缝隙馈电圆形贴片的馈电方式，可以方便地根据实际应用所需的副瓣电平要求和主瓣波束要求综合出所需的激励幅度分布，然后通过控制基片集成波导馈电网络中的每个矩形槽的长度以及其偏离基片集成波导纵向中心线的距离，以此来使得每个圆形贴片的获得的激励幅度满足上述所需的阵列幅度分布要求，进而降低整个阵列天线的副瓣，同时可以实现更加紧凑的阵列天线结构，并且可以有效的将阵列规模向横向扩展。还有，馈电网络使用基片集成波导结构，可以降低馈电网络引起的损耗，整个天线拥有较宽的带宽。

附图说明

图1 本实用新型提供的阵列天线多层结构示意图；

图2 本实用新型提供的基片集成波导缝隙馈电的阵列天线示意图；

图3 本实用新型提供的基片集成波导缝隙馈电的阵列天线辐射单元示意图；

图4本实用新型提供的基片集成波导缝隙馈电的阵列天线辐射馈电网络示意图；

图5 本实用新型提供的基片集成波导缝隙馈电的阵列天线进行面阵组阵的示意图；

图6本实用新型提供的基片集成波导缝隙馈电的阵列天线一个4×8单元事例结构示意图；

图7 本实用新型提供的基片集成波导缝隙馈电的阵列天线1×8单元事例的|S₁₁|实验结果；

图8 本实用新型提供的基片集成波导缝隙馈电的阵列天线1×8单元事例的增益的实验结果；

图9 本实用新型提供的基片集成波导缝隙馈电的阵列天线1×8单元事例的E面方向图实验结果；

图10 本实用新型提供的基片集成波导缝隙馈电的阵列天线1×8单元事例的H面方向图实验结果。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，都属于本实用新型保护的范围。

请参照附图1-附图5，一种基片集成波导缝隙馈电的阵列天线，包含辐射单元和馈电网络两个部分，辐射单元采用平面贴片形式，馈电网络采用基片集成波导的形式；总体结构采用多层印制电路板工艺实现，辐射单元和馈电网路不在同一层介质基片上实现，层次结构上包含两层介质基片，三层金属层，一个粘贴介质层，从上至下分别为顶部金属层1、第一层介质基片2、粘贴介质层3、中间金属层4、第二层介质基片5、底部金属层6；辐射单元处于顶部金属层1，采用圆形金属贴片15的形式，馈电网络从底部激励每个圆形贴片的中心部位；基片集成波导馈电网络中为线型结构，由中间金属层4、第二层介质基片5、底部金属层6和盲孔10构成，所有盲孔均采用结构7。信号从一端口进入，另一端口采用一排金属化孔密闭，形成短路面8。在基片集成波导顶部金属层也就是整个结构的中间金属层上开矩形槽9，通过矩形槽9将基片集成波导中传播的能量向外辐射，以此激励位于顶层的圆形贴片15；位于基片集成波导顶部金属层上的矩形槽9均为纵向矩形槽，即槽沿着电磁场在基片集成波导中的传播方向排列，每相邻两个矩形槽中心间的纵向距离为一个波导波长，所有矩形槽9均位于基片集成波导沿纵向中心线13的同一侧，离金属化通孔形成的短路面8最近的一个矩形槽与短路面8的距离为四分之一波导波长的整数倍；每个位于基片集成波导顶部金属层也就是整个结构中间金属层上的矩形槽9激励一个位于顶部金属层的圆形贴片15。圆形贴片15上面挖掉了两个矩形槽，使得整个圆形贴片结构看上去像两个半圆形贴片中心通过一根细微带线11相连的结构，其中激励的矩形槽9与细微带线11的中心重合，位置上正交；为了获得良好的阻抗匹配效果，在圆形贴片中紧邻中间细微带线的两侧还可以分别挖掉两个矩形槽，使得形成类似于共面波导的结构12；如附图6所示，还可以方便地将前面所述的沿线型排布的阵列作为子阵14，沿着横向进行组阵形成平面阵列，每个子阵14的输入端口连接横向组阵的馈电网络的输出端口，横向组阵的馈电网络的结构可以采用基片集成波导，微带等多种形式。

为了验证本实用新型提供的阵列天线的真实性和可靠性，特在W波段制作了一个1×8线性阵列的事例和一个4×8面阵(附图6)进行验证。相关实验结果如附图7-附图10所示，其中，附图7的结果显示，该事例天线的阻抗带宽的仿真值和测试值比较吻合，证明了其具有较宽的阻抗带宽；附图8的结果显示，该事例天线的增益的仿真值和测试值比较吻合，且其具有较宽的3dB增益带宽，仿真的天线效率也比较高；附图9和附图10的结果显示，该事例天线的仿真和测试方向图非常吻合，同时交叉极化也比较低。因此，从附图7-附图10的实验结果可以验证本实用新型提出的相关结构的正确性与有效性。

以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基片集成波导缝隙馈电的线型阵列天线，包含辐射单元和馈电网络两个部分，所述辐射单元采用平面贴片固定在所述馈电网络上部；所述辐射单元包括顶部金属层和第一层介质基片；所述馈电网络采用基片集成波导，包括中间金属层、第二层介质基片及底部金属层；其特征在于：

所述馈电网络为直线型基片集成波导结构，包括具有信号输入端的信号传输通道，在信号传输通道的末端进行封闭形成短路面；在形成基片集成波导的中间金属层上开设沿信号传输方向排列的一排矩形槽，相邻两个矩形槽中心间的距离为一个波导波长，所有矩形槽均位于基片集成波导沿纵向中心线的同一侧，离短路面最近的一个矩形槽与短路面的距离为四分之一波导波长的整数倍；

所述顶部金属层为圆形贴片，该圆形贴片包括两个半圆贴片和连接两个半圆贴片的细微带线；

所述馈电网络的矩形槽位于两个半圆贴片之间，所述细微带线与所述矩形槽正交且矩形槽与细微带线的中心重合；所述馈电网络通过矩形槽将基片集成波导中传播的能量向外辐射激励所述的圆形贴片。

2.如权利要求1所述的基片集成波导缝隙馈电的线型阵列天线，其特征在于，所述信号传输通道由两排平行的贯通介质基片的金属化通孔或金属化槽形成，两排平行的贯通介质基片的金属化通孔或金属化槽的一端为信号输入端，在两排平行的贯通介质基片的金属化通孔或金属化槽采用一排贯通介质基片的金属化孔或金属化槽密闭，形成短路结构。

3.如权利要求1所述的基片集成波导缝隙馈电的线型阵列天线，其特征在于，在所述半圆贴片中还设置有一矩形开口，在该矩形开口内居中设置所述细微带线，在所述矩形开口内细微带线的两侧分别形成平行的矩形槽。

4.如权利要求1所述的基片集成波导缝隙馈电的线型阵列天线，其特征在于，所述基片集成波导馈电网络中的每个矩形槽的长度以及其偏离基片集成波导纵向中心线的距离根据每个圆形贴片需要获得的激励幅度确定，每个圆形贴片需要获得的激励幅度依据完成阵列设计目标而采用的幅度分布来确定。

5.如权利要求1所述的基片集成波导缝隙馈电的线型阵列天线，其特征在于，辐射单元和馈电网络采用多层印制电路板工艺实现。

6.一种基片集成波导缝隙馈电的平面阵列天线，其特征在于，采用权利要求1-5任一所述的线型阵列天线作为子阵，沿着横向进行组阵形成平面阵列，每个子阵的输入端口连接横向组阵的馈电网络的输出端口。

7.根据权利要求6所述的平面阵列天线，其特征在于，横向组阵的馈电网络的结构采用基片集成波导、微带或其他平面功率分配结构的形式。