基于基片集成波導(dǎo)諧振腔的平面緊湊型縫隙天線陣列的制作方法

本發(fā)明涉及一種基于基片集成波導(dǎo)諧振腔的平面緊湊型縫隙天線陣列，屬于微波技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的迅速發(fā)展和應(yīng)用，對通信系統(tǒng)的小型化、集成化和高性能化提出了更高的要求。天線是通信系統(tǒng)中一個很重要的組成部分，其性能的好壞，會直接影響到整個系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。傳統(tǒng)的背腔縫隙天線具有體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和成本高等缺點，因此需要去設(shè)計重量輕、成本低和易于與平面電路集成的低剖面高增益縫隙天線。

為了減小天線體積，降低加工成本，提高天線輻射效率，提出了一種基于等邊三角形諧振腔的平面縫隙單元天線，在保留了傳統(tǒng)背腔縫隙天線優(yōu)點的基礎(chǔ)上，天線厚度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)背腔縫隙天線，結(jié)構(gòu)更簡單，易于和平面電路集成。該單元天線和矩形或圓形諧振腔相比，在面積和工作模式相同的條件下，有著更高的輻射效率，結(jié)構(gòu)更加緊湊，方便布局。因此，基于單元天線結(jié)構(gòu)，合理設(shè)計饋電網(wǎng)絡(luò)，組成結(jié)構(gòu)緊湊的陣列天線。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提出基于基片集成波導(dǎo)諧振腔的平面緊湊型縫隙天線陣列，在保留傳統(tǒng)背腔縫隙天線優(yōu)點的基礎(chǔ)上，要大大減小天線體積，簡化天線結(jié)構(gòu)，降低天線成本和集成復(fù)雜度。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

本發(fā)明提供一種基于基片集成波導(dǎo)諧振腔的平面緊湊型縫隙天線陣列，包括設(shè)置在介質(zhì)板上的四個等邊三角形背腔單元天線，四個等邊三角形背腔單元天線成交指狀排列分布；每個所述等邊三角形背腔單元天線包括設(shè)置在介質(zhì)板上的等邊三角形基片集成波導(dǎo)諧振腔、設(shè)置在等邊三角形基片集成波導(dǎo)諧振腔上表面金屬層的中心處的矩形縫隙以及設(shè)置在介質(zhì)板下表面的用于饋電的接地共面波導(dǎo)，其中，接地共面波導(dǎo)從等邊三角形基片集成波導(dǎo)諧振腔的一邊接入等邊三角形基片集成波導(dǎo)諧振腔，且等邊三角形基片集成波導(dǎo)諧振腔上表面的矩形縫隙平行于前述接地共面波導(dǎo)接入等邊三角形基片集成波導(dǎo)諧振腔的接入邊；介質(zhì)板的下表面還設(shè)置有由微帶線構(gòu)成的饋電網(wǎng)絡(luò)，微帶線分別與四個接地共面波導(dǎo)的中心導(dǎo)帶連接。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述微帶線兩側(cè)的介質(zhì)板上未設(shè)置金屬層。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，每個所述接地共面波導(dǎo)的中心導(dǎo)帶均與矩形縫隙垂直。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，四個等邊三角形背腔單元天線之間存在間隙。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述由微帶線構(gòu)成的饋電網(wǎng)絡(luò)包括三個三端口的等功率分配器。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，每個所述矩形縫隙的長度均為半個諧振波長。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述介質(zhì)板的厚度遠(yuǎn)小于介質(zhì)波長。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，每個所述等邊三角形基片集成波導(dǎo)諧振腔由分別設(shè)置在介質(zhì)板上、下表面的金屬層以及設(shè)置在介質(zhì)板上的三排首尾相接的金屬化通孔構(gòu)成。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述金屬化通孔的直徑大于金屬化通孔間距的二分之一且小于波導(dǎo)工作波長的十分之一。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述四條矩形縫隙不在同一直線上。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：在保留了傳統(tǒng)背腔縫隙天線高輻射性能優(yōu)點基礎(chǔ)上，本發(fā)明中的單元天線結(jié)構(gòu)簡單、成本低且更易于和平面電路集成。與矩形或者圓形諧振腔天線相比，等邊三角形諧振腔有著方便布局、結(jié)構(gòu)緊湊的有點，并且在面積和工作模式相同的條件下，等邊三角形諧振腔天線有著更高的輻射效率。通過合理設(shè)計饋電網(wǎng)絡(luò)，基于單元結(jié)構(gòu)，提出了結(jié)構(gòu)緊湊的錯位線陣。該陣列天線的有較高的輻射效率、旁瓣低、方向性強(qiáng)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明天線陣列的結(jié)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)圖。

圖2是本發(fā)明中單元天線的三維結(jié)構(gòu)圖。

圖3是本發(fā)明中單元天線的俯視圖。

圖4是本發(fā)明中單元天線的仰視圖。

圖5是本發(fā)明中天線陣列的饋電網(wǎng)絡(luò)。

其中，1-矩形縫隙，2-上層金屬層，3-金屬通孔，4-微帶線，5-接地共面波導(dǎo)，6-下層金屬層，7-介質(zhì)板。

圖6是本發(fā)明中單元天線實施例的仿真電場等值線分布圖。

圖7是本發(fā)明中單元天線實施例的仿真和測量的s參數(shù)圖。

圖8是本發(fā)明中單元天線實施例的仿真e面增益方向圖。

圖9是本發(fā)明中單元天線實施例的仿真h面增益方向圖。

圖10是本發(fā)明中天線陣列實施例的仿真電場等值線分布圖。

圖11是本發(fā)明中天線陣列實施例的仿真和測量的s參數(shù)圖。

圖12是本發(fā)明中天線陣列實施例的仿真e面增益方向圖。

圖13是本發(fā)明中天線陣列實施例的仿真h面增益方向圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明：

本發(fā)明公開了一種基于基片集成波導(dǎo)諧振腔的平面緊湊型縫隙天線陣列，由四個等邊三角形背腔單元天線構(gòu)成。單元天線是通過在等邊三角形基片集成波導(dǎo)諧振腔上表面中心區(qū)域開槽，并由介質(zhì)板下表面上的接地共面波導(dǎo)進(jìn)行饋電。三角形基片集成波導(dǎo)諧振腔是通過在上下表面為金屬的介質(zhì)上打三排首尾相接的金屬通孔來實現(xiàn)的，當(dāng)諧振腔工作模式為時，電場變化最劇烈的區(qū)域在腔體中心處，因此將矩形縫隙開在三角形腔中心處，這樣縫隙上便會產(chǎn)生位移電流，電磁波被輻射出去。和矩形或圓形諧振腔相比，等邊三角諧振腔有著方便布局，結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點，并且在面積和工作模式相同的條件下，有著更高的輻射效率。因此，通過合理設(shè)計饋電網(wǎng)絡(luò)，組成了1*4的錯位天線陣。該陣列天線保留了傳統(tǒng)背腔縫隙天線輻射性能好的優(yōu)點：方向性強(qiáng)、旁瓣低。同時整個天線，包括輻射結(jié)構(gòu)、饋電結(jié)構(gòu)和背腔完全制作在單層介質(zhì)板上，大大減小了加工復(fù)雜度，降低了加工成本，也讓平面電路集成變得更加容易。

本發(fā)明提供一種基于基片集成波導(dǎo)諧振腔的平面緊湊型縫隙天線陣列，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。本發(fā)明的天線陣列包括設(shè)置在介質(zhì)板上的四個等邊三角形背腔單元天線，四個等邊三角形背腔單元天線成交指狀排列分布。如圖2至圖4所示，每個所述等邊三角形背腔單元天線包括設(shè)置在介質(zhì)板上的等邊三角形基片集成波導(dǎo)諧振腔、設(shè)置在等邊三角形基片集成波導(dǎo)諧振腔上表面金屬層的中心處的矩形縫隙以及設(shè)置在介質(zhì)板下表面的用于饋電的接地共面波導(dǎo)，其中，接地共面波導(dǎo)從等邊三角形基片集成波導(dǎo)諧振腔的一邊接入等邊三角形基片集成波導(dǎo)諧振腔，且等邊三角形基片集成波導(dǎo)諧振腔上表面的矩形縫隙平行于前述接地共面波導(dǎo)接入等邊三角形基片集成波導(dǎo)諧振腔的接入邊；其中，等邊三角形基片集成波導(dǎo)諧振腔是由分別設(shè)置在介質(zhì)板上、下表面的金屬層以及設(shè)置在介質(zhì)板上的三排首尾相接的金屬化通孔構(gòu)成。本發(fā)明中，相鄰單元天線的放置方式相反，矩形縫隙作為輻射縫隙，輻射縫隙不在同一直線上，但相鄰兩縫隙的垂直間距較小，形成錯位線陣。

介質(zhì)板的下表面還設(shè)置有由微帶線構(gòu)成的饋電網(wǎng)絡(luò)，微帶線分別與四個接地共面波導(dǎo)的中心導(dǎo)帶連接。由微帶線構(gòu)成的饋電網(wǎng)絡(luò)包括三個三端口的等功率分配器，如圖5所示，端口port2和端口port3輸出電流的相位相同，端口port4和端口port5輸出電流的相位相同，且端口port2、3和端口port2、4的電流相位差為180度。

為了使能量泄露被抑制到幾乎可以忽略的程度，等邊三角形基片集成波導(dǎo)諧振腔的金屬化通孔直徑大于金屬化通孔間距的二分之一且小于波導(dǎo)工作波長的十分之一，且介質(zhì)板的厚度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于介質(zhì)波長。矩形輻射縫隙位于諧振腔體上層金屬層的中心，平行于一排金屬通孔，長度約為介質(zhì)波長的二分之一，這樣才能保證天線在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的情況下，有著更好的輻射效率。

接地共面波導(dǎo)位于下層金屬層，垂直于矩形輻射縫隙。為滿足阻抗匹配要求，可通過調(diào)節(jié)共面波導(dǎo)伸入腔體的長度，以達(dá)到降低反射系數(shù)的目的。為了方便測量，接地共面波導(dǎo)的中心導(dǎo)帶和等寬的微帶線相連。對于等邊三角形基片集成波導(dǎo)諧振腔，電場變化最劇烈的區(qū)域位于諧振腔邊緣，在矩形輻射縫隙中會產(chǎn)生垂直于縫隙的電場，電磁波便被輻射出去。

利用三維電磁仿真軟件對所提出的單元天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，可得到如圖6所示的介質(zhì)板中電場等值線的分布圖，可以看出，天線的工作模式為te120模，從圖7可以看出，天線仿真的工作中心頻率為12.1ghz，-10db阻抗帶寬為150mhz，在工作帶寬內(nèi)，天線的仿真回波損耗最低達(dá)到-33.9db，所以滿足阻抗匹配要求。當(dāng)天線工作在8.25ghz時，e面和h面的主極化和交叉極化的遠(yuǎn)場輻射方向圖分別如圖8和圖9表示，可以看出，在-40度到40度之間，天線兩輻射面的主極化方向圖幾乎一致，天線兩個切面的交叉極化都處于非常低的水平，天線的輻射性能較好，輻射效率高。仿真得到的e面和h面的半功率波束寬度分別為114度和81度。

和矩形或圓形諧振腔相比，等邊三角諧振腔有著方便布局，結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點，并且在面積和工作模式相同的條件下，有著更高的輻射效率。因此，通過合理設(shè)計饋電網(wǎng)絡(luò)，組成了1*4的錯位天線陣。介質(zhì)板中電場等值線的分布如圖10所示，可以看出，4個輻射縫隙上產(chǎn)生的橫向電流方向相同。從圖11可以看出，在工作帶寬內(nèi)，陣列天線仿真的中心工作頻率為12.13ghz，-10db阻抗帶寬為160mhz，回波損耗最低達(dá)到-30.3db，阻抗匹配性能較好。另外陣列天線隨工作頻率變化的仿真增益也繪制在圖10中，結(jié)果表明在以中心工作頻率為中心的小范圍頻段內(nèi)，陣列天線獲得了較高的增益，仿真最大增益值為10.88db，是在12.13ghz頻點實現(xiàn)的。天線工作在諧振頻率時，e面和h面的主極化和交叉極化的遠(yuǎn)場輻射方向圖分別如圖11和圖12表示，可以看出，天線兩個切面的交叉極化都處于非常低的水平。不難發(fā)現(xiàn)該陣列天線e面上的主極化方向圖和陣元e面上的主極化方向圖變化趨勢大體上一致，這是由于陣元間距非常小，可以近似認(rèn)為該陣列天線的陣元排布在同一條直線上，即在ox方向只存在一個陣元。另外，從天線h面方向圖可以看出，第一旁瓣要比主瓣低12db左右，該陣列天線保留了傳統(tǒng)背腔縫隙天線輻射性能好的優(yōu)點，同時方向性強(qiáng)，且旁瓣低。

除此之外，整個平面緊湊型縫隙天線陣列，包括輻射結(jié)構(gòu)、饋電結(jié)構(gòu)和背腔單元完全制作在單層介質(zhì)板上，大大減小了加工復(fù)雜度，降低了加工成本，也讓平面電路集成變得更加容易。

以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。