CN102856651A

CN102856651A - 毫米波圆柱面共形基片集成波导缝隙阵列天线

Info

Publication number: CN102856651A
Application number: CN2012103696843A
Authority: CN
Inventors: 邵丽; 袁桂山; 董小春; 杜春雷; 史浩飞; 张为国
Original assignee: Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology of CAS
Current assignee: Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology of CAS
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2013-01-02

Abstract

本发明实施例公开了毫米波圆柱面共形基片集成波导缝隙阵列天线，包括利用同一介质基片制作的天线阵列面与馈电网络，介质基板贴合于金属圆柱体上，其中：天线阵列面包括N个基片集成波导缝隙天线子阵；馈电网络包括N个传输臂，N个传输臂与N个基片集成波导缝隙天线子阵一一对应相连，任一传输臂所传输的信号与其他传输臂所传输的信号等幅但不同相。在本发明实施例中，利用基片集成波导技术将天线阵列面与馈电网络集成于同一块介质基片中，而介质基片的接地层紧贴金属圆柱，实现了天线在毫米波波段的共形。同时，馈电网络中的等幅不同相功分器可使圆柱形天线阵列面的电磁特性接近于平面天线阵列面。

Description

毫米波圆柱面共形基片集成波导缝隙阵列天线

技术领域

本发明属于共形天线技术领域，更具体的，涉及毫米波共形圆柱基片集成波导缝隙阵列天线。

背景技术

共形天线指同某一规定形状的表面相共形的天线或阵列。一般地，共形天线与平面、圆柱面、球面等共形，其辐射单元安装在平滑弯曲的物体表面或集成在物体之中。

毫米波波长处于红外与微波之间，与红外相比，利用大气窗口传播时的衰减小，受自然光和热辐射源影响小；与微波相比，其探测目标精度更高。因此，研发毫米波共形天线成为一种热门。基片集成波导(Substrate IntegratedWaveguides-SIW)技术是近年来提出的一种可以集成于介质基片中的具有低插损和低辐射等特性的新型波导结构，它是通过在上下底面为金属层的低损耗介质基片上，开周期性金属化通孔阵列实现的，具有类似于矩形金属波导的传输特性和介于传统填充介质的矩形金属波导与微带线之间的低插损耗。这为毫米波共形天线的研发提供了契机。

发明内容

本发明实施例目的在于提供毫米波共形圆柱基片集成波导缝隙阵列天线。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

一种毫米波圆柱面共形基片集成波导缝隙阵列天线，包括利用同一介质基片制作的天线阵列面与馈电网络，所述介质基板贴合于金属圆柱体上，并且，所述介质基板的接地层与所述金属圆柱体相接触，其中：

所述天线阵列面包括N个基片集成波导缝隙天线子阵，所述N为不小于1的正整数；

所述馈电网络包括N个传输臂，所述N个传输臂与所述N个基片集成波导缝隙天线子阵一一对应相连，任一传输臂所传输的信号与其他传输臂所传输的信号等幅但不同相。

由上可知，在本发明实施例所提供的技术方案中，利用基片集成波导技术将天线阵列面与馈电网络集成于同一块介质基片中，而介质基片的接地层紧贴金属圆柱，实现了上述天线阵列面与金属圆柱的圆柱面共形，进而实现了天线在毫米波波段的共形。同时，馈电网络中的等幅不同相功分器可补偿柱面圆周上不同位置的子阵列到设想平面上引起的空间波程差，使圆柱形天线阵列面的电磁特性接近于平面天线阵列面。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1a为本发明实施例提供的毫米波圆柱面共形基片集成波导缝隙阵列天线结构示意图；

图1b为本发明实施例提供的基片集成波导缝隙天线子阵结构示意图；

图2为本发明实施例提供的馈电网络结构示意图；

图3a为本发明实施例提供的呈级联式排布的等幅不同相功分器结构示意图；

图3b为本发明实施例提供的单个等幅不同相功分器结构示意图；

图3c为本发明实施例提供的毫米波圆柱面共形基片集成波导缝隙阵列天线轴对称性示意图；

图3d为本发明实施例提供的馈电网络另一结构示意图；

图4a为本发明实施例提供的馈电网络中的等幅同相功分器结构示意图；

图4b为本发明实施例提供的馈电网络中的移相器结构示意图；

图5a为本发明实施例提供的电磁波信号在等长不等宽移相器中的传输路径示意图；

图5b为本发明实施例提供的不等宽示意图。

具体实施方式

为了引用和清楚起见，下文中使用的技术名词的说明、简写或缩写总结如下：

缝隙天线：在波导或空腔谐振器上开出一个或数个缝隙以辐射或接收电磁波的天线，是无突出部的平面天线。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例目的在于提供一种毫米波圆柱面共形基片集成波导缝隙阵列天线。参见图1a，上述毫米波圆柱面共形基片集成波导缝隙阵列天线包括利用同一介质基片1制作的天线阵列面2与馈电网络5，介质基板1贴合于金属圆柱体上的柱面3上，并且，介质基板1的接地层与金属圆柱体相接触（本实施例采用的介质基板1是双面覆铜的PCB板）。

工程上一般是使用螺丝将上述介质基板1与金属圆柱体固定在一起，在螺丝拧紧时，介质基板的下层接地层便与金属圆柱体紧密接触，进而使整个介质基板1贴合于金属圆柱体上的柱面3上。

其中：

天线阵列面包括N个基片集成波导缝隙天线子阵，N为不小于1的正整数。

参见图1b，每一基片集成波导缝隙天线子阵6包括至少一个基片集成波导缝隙单元7。每一基片集成波导缝隙天线子阵6还具有短路端601和馈电端口602。

具体的，本实施例基片集成波导缝隙单元7是在介质基板1一个面上加工出的缝隙。加工出的缝隙可为纵向缝隙（参见图1b）、横向缝隙或斜缝隙，其中以纵向缝隙的辐射最强，因此优选的，上述基片集成波导缝隙单元7具体为基片集成波导纵向缝隙。

上述纵向方向即为图1中柱面3的轴向方向，而横向方向为水平方向。也可以将纵向方向视为Y轴，横向方向视为X轴。如无特殊声明，本文后续的纵向、横向均遵从同一XY坐标系。

在本发明实施例所提供的技术方案中，利用基片集成波导技术将天线阵列面2与馈电网络5集成于同一块介质基片1中，而介质基片1的接地层紧贴金属圆柱，实现了上述天线阵列面2与金属圆柱的圆柱面3共形，进而实现了天线在毫米波波段的共形。同时，馈电网络5中的等幅不同相功分器可补偿柱面圆周上不同位置的子阵列到设想平面上引起的空间波程差，使圆柱形天线阵列面的电磁特性接近于平面天线阵列面。

在本发明其他实施例中，仍请参见图1b，上述基片集成波导缝隙天线子阵6为泰勒分布谐振式排列。

泰勒分布谐振式排列是将各基片集成波导缝隙单元7（纵向缝隙）的激励功率按泰勒分布设置。这样可压窄H面方向图的波瓣宽度，有效地提高了方向性。与此同时，上述基片集成波导缝隙天线子阵6可沿圆周方向分布组成天线阵列面2，这些沿圆周方向分布的基片集成波导缝隙天线子阵6被馈入等幅不同相的信号，这样可对柱面天线阵列进行相位补偿以防止E面主瓣展宽，从而可进一步提高了天线方向性。

仍请参见图1b，在本发明其他实施例中，在基片集成波导缝隙天线子阵6中，至少存在两类基片集成波导纵向缝隙，这两类基片集成波导纵向缝隙的缝宽不相同（也即宽缝、窄缝混合排列）。

需要说明的是，基片集成波导纵向缝隙的缝宽与其上工作的功率容量成正比，因此，采用宽缝和窄缝混合排列的结构，可增加天线的带宽。

进一步的，如采用泰勒分布谐振式，上述缝宽不同的基片集成波导纵向缝隙是以位于中心的基片集成波导纵向缝隙为对称点，各个基片集成波导纵向缝隙的缝宽依次渐变减小。各基片集成波导纵向缝隙的功率容量大小可以通过离散泰勒分布阵列的公式求得。

下面，将对馈电网络的结构进行详细介绍。

参见图2，馈电网络5包括N个传输臂10（在图2中用括号括起来的两个圆点就是传输臂10的边界），这N个传输臂10与前述N个基片集成波导缝隙天线子阵一一对应相连，任一传输臂所传输的信号与其他传输臂所传输的信号等幅但不同相。

需要指出的是，由于传输臂是基片集成波导，而基片集成波导缝隙天线子阵的馈电端口也是基片集成波导，因此传输臂与基片集成波导缝隙天线子阵可以直拉相连。

参见图3a和图3b，馈电网络可包括呈级联式排布的等幅不同相功分器4（单个等幅不同相功分器结构可参见图3b），其中，第一级包括一个等幅不同相功分器4，最后一级包括M个等幅不同相功分器4，并且，这M个等幅不同相功分器共具有N个传输臂(M为正整数并且不小于N)。

参见图3c，整个天线沿虚线301呈轴对称性。为实现上述轴对称性，参见图3d，馈电网络5可由一个等幅同相功分器51与上述呈级联的等幅不同相功分器构成。

进一步的，参见图4a和图4b，上述等幅不同相功分器可包括等幅同相功分器8和移相器9。

上述等幅同相功分器8和移相器9为基片集成波导，并可集成一体。

更具体的，上述等幅同相功分器3为3dB等幅同相功分器，而移相器9为等长不等宽移相器（等长不等宽移相器也是通过在介质基板上开周期性金属化通孔阵列形成的）。

下面对等长不等宽移相器进行详细说明，参见图5a，在图5a中，使用虚线箭头表示两个电磁波信号的传输路径，这两电磁波分别从P处至A处和B处。所谓的等长就是不同路径的电磁波信号的传输路径相等，也即AP=BP。上述电磁波信号在传输时，是束缚在波导中的。图5a中的黑色圆点是感性金属过孔，两排金属过孔组成波导的两个臂，从而将电磁波束缚在两个臂之间。图5a中，电磁波信号由P处至A处所经过的波导的臂宽要小于由P处至B处所经过的波导的臂宽，所谓的不等宽就是如图5b所示的宽度不等。

针对孔中物探的钻孔雷达成像系统的要求，在具体实施时，设计了共形于半径为45mm的圆柱钻杆、以94GHz为中心频率的32*48基片集成波导缝隙阵列天线（32是E面阵列数，48是H面阵元数），经过计算机仿真计算，结果为E面和H面方向图的3dB波束分别为3.2度和3.8度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种毫米波圆柱面共形基片集成波导缝隙阵列天线，其特征在于，包括利用同一介质基片制作的天线阵列面与馈电网络，所述介质基板贴合于金属圆柱体上，并且，所述介质基板的接地层与所述金属圆柱体相接触，其中：

2.根据权利要求1所述的圆柱面共形基片集成波导缝隙阵列天线，其特征在于，所述基片集成波导缝隙天线子阵为泰勒分布谐振式排列。

3.根据权利要求2所述的圆柱面共形基片集成波导缝隙阵列天线，其特征在于，所述基片集成波导缝隙天线子阵包括至少一个基片集成波导缝隙单元。

4.根据权利要求3所述的圆柱面共形基片集成波导缝隙阵列天线，其特征在于，所述基片集成波导缝隙单元具体为基片集成波导纵向缝隙。

5.根据权利要求4所述的圆柱面共形基片集成波导缝隙阵列天线，其特征在于，在一个基片集成波导缝隙天线子阵中至少存在两类基片集成波导纵向缝隙，这两类基片集成波导纵向缝隙的缝宽不相同。

6.根据权利要求5所述的圆柱面共形基片集成波导缝隙阵列天线，其特征在于，在一个基片集成波导缝隙天线子阵中，以位于中心的基片集成波导纵向缝隙为对称点，各基片集成波导纵向缝隙的缝宽依次渐变减小。

7.根据权利要求1-6任一项所述的圆柱面共形基片集成波导缝隙阵列天线，其特征在于，所述馈电网络包括呈级联式排布的等幅不同相功分器，其中，第一级包括一个等幅不同相功分器，最后一级包括M个等幅不同相功分器，并且，所述M个等幅不同相功分器共具有所述N个传输臂，所述M为正整数并且不小于所述N。

8.根据权利要求7所述的圆柱面共形基片集成波导缝隙阵列天线，其特征在于，所述等幅不同相功分器包括等幅同相功分器和移相器。

9.根据权利要求8所述的圆柱面共形基片集成波导缝隙阵列天线，其特征在于，所述移相器与所述等幅同相功分器集成一体。

10.根据权利要求8所述的圆柱面共形基片集成波导缝隙阵列天线，其特征在于，所述等幅同相功分器具体为3dB等幅同相功分器，所述移相器具体为等长不等宽移相器。