CN108767441B - 基于单层基片集成波导的全并联缝隙阵列天线 - Google Patents

Abstract

基于单层基片集成波导的全并联缝隙阵列天线，涉及波导缝隙天线。设有下层基片集成波导层和上层含有周期性空气腔的金属栅格层；所述基片集成波导层和金属栅格层通过辐射缝隙连接，基片集成波导层集成由级联的T形功率分配器组成的馈电网络，入射电磁波从天线输入端进入基片集成波导层并经过由级联的T形功率分配器组成的馈电网络到达各辐射缝隙，再经过金属栅格层中的空气腔，最终辐射到外部空间。

Description

基于单层基片集成波导的全并联缝隙阵列天线

技术领域

本发明涉及波导缝隙天线，尤其是涉及基于单层基片集成波导的全并联缝隙阵列天线。

背景技术

波导缝隙天线具有介质损耗和辐射损耗的特点，所以具有高效率、结构紧凑、功率容量高等性能，易于实现宽频段、高增益、低副瓣性能，广泛应用于航空航天和雷达通信系统等。

常见的缝隙有开在波导的窄边上的倾斜缝隙，开在波导宽上边的横向缝隙和纵向缝隙，还有开在波导宽边中央的倾斜缝隙。其中在窄壁上开的斜缝和宽壁上开的纵缝等效于传输线上的并联导纳，宽壁上开横缝和中央开的斜缝等效于传输线上串联阻抗。

从阵元间距的角度，波导缝隙阵列可分为两种形式：谐振式缝隙阵和非谐振式缝隙阵([1]校焕庆，西安电子科技大学，波导缝隙阵列天线分析与设计)。谐振式阵列又称为驻波阵，阵元间距等于二分之一导波波长，串联阵元数量增大时，由于长线效应([2]MakoToAndo,Yasuhiro TsunemiTsu,Miao Zhang,Jiro Hirokawa and Shusuke Fujii,“ReducTion of Long Line EffecTs in Single-Layer SloTTed Waveguide Arrays WiThan Embedded ParTially CorporaTe Feed,”IEEE Trans.AnTennas Propag.,Vol.58,no.7,pp.2275-2280,Jul.2010)的影响，天线性能的频率响应变化大、带宽窄，只适合设计实现小规模阵列；非谐振式缝隙阵列又称为行波阵，间距不等于二分之一导波波长，

对于波导天线，为了改善带宽，目前有多种方法：一种采用较宽的辐射缝隙，但是容易造成交叉极化的恶化；另一种是降低辐射波导高度，但是将提升波导的金属损耗从而直接降低天线效率；也可用脊波导代替传统的矩形波导，但是会大幅增加天线设计和加工难度。

对于空气波导来说，一般改善带宽的方法是将天线分为两层，下层的馈电网络及上层的辐射部分。下层馈电波导通过耦合缝隙将能量耦合到上层的辐射波导中，对于一定规模的阵列来说，耦合缝隙的数量越多，上层串联的缝隙也就越少，带宽也相对更宽。与谐振式阵列相比非谐振阵列带宽相对较宽。

目前的研究中，有学者将底部的耦合缝隙数目提高到了阵列规模的1/4，即每个耦合缝隙馈电给一个上层的背腔形2×2子阵结构([3]Y.Miura,J.Hirokawa,M.Ando,Y.Shibuya,and G.Yoshida,“Double-Layer Full-CorporaTe-Feed Hollow-WaveguideSloT Array AnTenna in The 60-GHz Band,”IEEE Trans.AnTennas Propag.,vol.59,no.8,pp.2844–2854,Aug.2011；[4]U.Zaman and P.-S.Kildal,“Wide-band sloT anTennaarrays wiTh single-layer corporaTe-feed neTwork in ridge gap waveguideTechnology,”IEEE Trans.AnTennas Propag.,vol.62,no.6,pp.2992–3001,Jun.2014；[5]F.Xu,Z.N.Chen,X.Qing,andW.Hong,“BandwidTh enhancemenT for a 60GHz subsTraTeinTegraTed waveguide fed caviTy array anTenna on LTCC,”IEEE Trans.AnTennasPropagaT.,vol.59,no.3,pp.826–832,2011)，由于不大于一个自由空间波长的阵元间距要求和波导单模传输尺寸要求的互斥性条件限制，这种带2×2子阵结构天线的带宽成为空气波导能达到的最优带宽。虽然并联结构易于实现幅度相位的分配，但是由于2×2子阵中4个缝隙是同幅同相激励，所以不能实现连续的幅度分布。

同轴线中由于传输TEM模式，所以不存在截止波长，这样如果要用扁平同轴波导实现全并联的阵列天线([6]MakoTo Sano,Jiro Hirokawa,MakoToAndo,“Single-LayerCorporaTe-Feed SloTArray in The 60-GHz Band Using Hollow RecTangular CoaxialLines”IEEE Trans.AnTennas Propag.,vol.62,no.10,pp.5068-5076OcT.2014)，其尺寸的要求仅仅限于降低传输损耗和提高功率容量上，在目前的研究中，有研究者实现了基于扁平同轴的全并联波导缝隙阵天线，但是扁平同轴的加工工艺复杂，同轴的轴心固定等问题限制了天线的整体特性。使得天线的带宽性能未能得到良好的改善。但是这种单层结构大大降低了波导的剖面尺寸，对天线的小型化方面有很大的突破。

基片集成波导(SIW)作为一种新型波导形式，它利用一排打在介质上的金属通孔代替传统波导的金属壁，可以把电磁波限制在一定的空间范围内向前传播。基片集成波导(SIW)集合微带线和矩形波导的种种优点于一身，易集成、效率高。和传统矩形波导相比，基片集成波导(SIW)的结构更为紧凑，重量轻、体积小，而且具有和矩形波导相似的传播特性，缺点是略微增加了金属损耗和介质损耗，但是仍然可以在毫米波频段实现较高的天线效率和品质因数。这使得它在目前的天线设计中越来越受到重视，基片集成波导(SIW)构成的电路和天线在设计完成后，可以通过调整金属通孔的大小来根据设计调节其性能，其调试相比于矩形波导也更加方便。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有波导缝隙阵列天线的不足，提供基于单层基片集成波导的全并联缝隙阵列天线。

本发明设有下层基片集成波导层和上层含有周期性空气腔的金属栅格层；所述基片集成波导层和金属栅格层通过辐射缝隙连接，基片集成波导层集成由级联的T形功率分配器组成的馈电网络，入射电磁波从天线输入端进入基片集成波导层并经过由级联的T形功率分配器组成的馈电网络到达各辐射缝隙，再经过金属栅格层中的空气腔，最终辐射到外部空间。

所述馈电网络的各个输出端口直接与各个辐射缝隙相连接。

所述金属栅格层的底面可设有至少2条扼流槽，从而高效抑制由于上层金属栅格层和下层基片集成波导(SIW)层之间的缝隙造成的表面波影响和漏波损耗。

所述辐射缝隙可设有金属柱，通过增加谐振点进一步拓宽了辐射单元的匹配带宽和辐射带宽。

所述基片集成波导层具有较高的介电常数和极低的损耗角，能够在降低介质损耗的同时大大缩短所需馈电波导的宽度，并通过公用金属柱，在单层基片集成波导中巧妙地布置了馈电网络，从而实现全并联、低剖面、易加工的天线结构。并且馈电网络的各个输出端口直接与各个辐射缝隙相连接，这使得每个辐射缝隙的激励幅度与相位均可自由控制，易于实现低副瓣或特殊波束赋形，并保持了并联馈电天线良好的宽频带特性。

本发明采用中心背馈式馈电，电磁波通过位于基片集成波导(SIW)层中心的耦合缝隙从标准波导进入基片集成波导层，即进入了馈电网络，馈电网络采用的是级联的T型功率分配器，由结构的对称性确保了从馈电点到每个辐射缝隙的馈线长度相等、相位相等，进而确保了天线的宽频带特性。

本发明的天线整体采用行波激励，上层金属栅格层的结构拥有周期排列的空气腔，每个空气腔的中心对应了一个处在其正下方的辐射缝隙的中心，空气腔的存在抑制相邻缝隙间耦合效应，大幅改善了辐射缝隙以及天线整体的匹配带宽和辐射带宽。所述基于单层基片集成波导(SIW)的全并联缝隙阵列天线的上层金属栅格层可使用数控机床等工业加工后通过螺丝简单和下层基片集成波导(SIW)层固定在一起，无需层压或焊接等特殊工艺处理，大幅降低天线的加工难度和成本。在此基础上，在金属栅格底面增置多条扼流槽，从而高效抑制由于上层金属栅格层和下层基片集成波导(SIW)层之间的缝隙造成的表面波影响和漏波损耗。

本发明的每个辐射缝隙处都增加一个感性金属柱，通过增加谐振点进一步拓宽了辐射单元的匹配带宽和辐射带宽。

本发明设计时，可在入口处采用V波段标准波导中心背馈式馈电，通过耦合缝隙将能量耦合到基片集成波导中，馈送至每一个辐射缝隙。

根据天线馈电网络和阵元排列的周期性，将阵列天线整体分割为两种子阵的连接，包括T形功率分配器和2×2辐射子阵；独立设计T形功率分配器和2×2辐射子阵以降低大规模天线设计的复杂度，具体设计如下：

1)确定馈电网络所需T形功率分配器的参数：通过在主波导内外加的一组金属柱调节T形功率分配器的反射。确定T形功率分配器的基本参数。采用若干个级联的T形功率分配器实现所需的馈电网络，从入口处开始，前几级T形功率分配器由于结构简单，可以单独设计。

2)2×2辐射子阵的设计：最后两级T形功率分配器由于结构紧凑，相邻缝隙间的电尺寸较小，高次模的影响不能忽略，原参数无法满足复杂模式下的低反射要求。根据天线馈电网络和阵元排列的周期性，可以将最后两级T形功率分配器分离出来，加上辐射缝隙和空气腔体，外部使用两对周期结构以模拟相邻缝隙之间的耦合影响，步骤如下：

(1)对于结构相对紧凑的最后两级，以T形功率分配器的参数作为H形子阵的原始参数，不加缝隙时候微调匹配金属柱的参数，使得馈电部分的反射尽可能的小。

(2)馈电的终端为1×1的子阵，在缝隙的下方加入金属柱，改善辐射部分的带宽，调节金属柱的位置和偏移量，优化天线的带宽。

(3)在辐射缝隙上方添置空气腔，从而在有效抑制相邻缝隙间耦合效应的同时，调节缝隙尺寸和偏移量，空气腔的长度、宽度、高度使得谐振点均匀的分布在整个频段内，以获得最大的辐射带宽。

(4)以步骤(1)的参数作为馈电网络的初始参数，在距离每个馈电网络的终端约1/4波导波长处加入辐射缝隙，在辐射缝隙上方添置空气腔。缝隙和空气腔的初始参数见步骤(2)，微调馈电网络和辐射单元的参数继续优化反射。

最终天线由金属栅格层与基片集成波导(SIW)层两部分通过螺丝简单固定组装而成，这两者之间可能由于结合不紧密而存在空气缝隙，为了有效降低此缝隙导致的漏波损耗和表面波造成的口径分布紊乱，将在金属栅格层上进一步导入多条扼流槽结构。具体仿真时：将金属栅格层抬高后，在两层之间添加空气层来模拟连接时的不紧密情况，在金属栅格层底侧挖出扼流槽，调节扼流槽的尺寸抵消空气层的影响。

附图说明

图1是本发明实施例的剖视图。

图2是本发明实施例的侧视图。

图3是本发明实施例的俯视透视图。

图4是本发明实施例的中心背馈部分俯视图。

图5是本发明实施例的中心背馈部分三维图。

图6是本发明实施例的基片集成波导(SIW)层T形结的结构俯视图。

图7是本发明实施例的基片集成波导(SIW)层H形结的结构俯视图。

图8是本发明实施例的1×1子阵的俯视图。

图9是本发明实施例的1×1子阵的三维图。

图10是本发明实施例的全并联馈电部分的俯视图(虚线为其中一条馈电路径)。

图11是本发明实施例的金属栅格层的俯视图。

图12是本发明实施例的金属栅格层的仰视图。

图13是有无空气腔对单层基片集成波导(SIW)的全并联缝隙阵列天线的2×2子阵天线带宽的影响。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

本实施例为一种基于单层基片集成波导(SIW)的全并联缝隙阵列天线。选用16×16阵元结构，该阵列天线工作在V波段，采用中心频率为61.5GHz的中心背馈式馈电。

参见图1～3，该16×16天线由下层的基片集成波导层2(厚度h＝0.762mm)和上层含有周期性空气腔4的金属栅格层3(厚度为t_c＝1.24mm)组成，基片集成波导层和金属栅格层通过辐射缝隙5(厚度t＝35um)连接，所述下层的基片集成波导层集成了由级联的T形功率分配器组成的馈电网络。入射电磁波从天线输入端1进入基片集成波导层2，经过由级联的T形功率分配器组成的馈电网络到达各辐射缝隙5，之后经过金属栅格层中的空气腔4，最终辐射到外部空间。

在本实施例中，采用一种单层基片集成波导(SIW)的全并联缝隙阵列天线的设计方法，使用HFSS仿真软件对该波导缝隙阵列天线进行设计和仿真分析。具体设计步骤如下：

参见图2，入口处采用V波段标准波导馈电，通过耦合缝隙将能量耦合到基片集成波导中，馈送至每一个辐射缝隙。参见图4和5，耦合缝隙长为w_fa＝1.35mm,宽度l_fa＝2.73mm。

根据天线馈电网络和阵元排列的周期性，将阵列天线整体分割为两种子阵的连接，包括T形功率分配器和2×2辐射子阵；独立设计T形功率分配器和2×2辐射子阵以降低大规模天线设计的复杂度。

1)确定馈电网络所需T形功率分配器的参数：通过外加的一组金属柱调节T形功率分配器的反射。确定T形功率分配器的基本参数。参见图6和7，其中窗口宽度w_t＝1.74mm，金属柱偏移量o_t＝0.86mm。确定T形功率分配器的基本参数。采用若干个级联的T形功率分配器实现所需的馈电网络，参见图10，其中一条馈电路径如虚线所示。从入口处开始，前几级T形功率分配器由于结构简单，可以单独设计。

2)2×2辐射子阵的设计：最后两级T形功率分配器由于结构紧凑，相邻缝隙间的电尺寸较小，高次模的影响不能忽略，原参数无法满足复杂模式下的低反射要求。根据天线的馈电网络和阵元排列的周期性，可以将最后两级T形功率分配器分离出来，加上辐射缝隙和空气腔体，外部使用两对周期结构以模拟相邻缝隙之间的耦合影响。步骤如下：

(1)参见图6和7，对于结构相对紧凑的最后两级，以T形功率分配器的参数(w_t，os_t)作为子阵原始参数，不加缝隙时候微调匹配金属柱的参数，使得馈电部分的反射尽可能的小。图中调谐金属柱的偏移量分别为o_h1＝0.68mm,o_h2＝0.38mm,H形结的窗口宽度为w_h1＝1.7mm,w_h2＝1.88mm。

(2)参见图8和9，馈电的终端为1×1的子阵，在缝隙的下方加入金属柱，改善辐射部分的带宽，调节金属柱的位置和偏移量l＝0.35mm，优化天线的带宽。

(3)参见图13，在辐射缝隙上方的金属栅格层拥有周期的空气腔结构，每个空气腔的中心与其下方的缝隙中心重合，从而在有效抑制相邻缝隙间耦合效应的同时，调节缝隙尺寸和偏移量，空气腔的长度、宽度、高度使得在一定的带宽范围内，缝隙和腔体产生的等效阻抗约等于波导的特性阻抗，使得谐振点均匀的分布在整个频段内，以获得最大的辐射带宽。辐射部分有无空气腔的影响见图13，优化后空气腔的长度l_c＝1.24mm、宽度w_c＝2.19mm、高度t_c＝3.52mm。

(4)以步骤(1)的参数作为馈电网络的初始参数，在距每个馈电网络的终端约1/4波导波长处加入辐射缝隙，在辐射缝隙上方添置空气腔。缝隙和空气腔的初始参数见步骤(2)，微调馈电网络和辐射单元的参数继续优化反射。

参见图11和12，最终天线由金属栅格层与基片集成波导(SIW)层两部分通过螺丝6简单固定组装而成，这两者之间可能由于结合不紧密而存在空气缝隙，为了有效降低此缝隙导致的漏波损耗和表面波造成的口径分布紊乱，将在金属栅格层和下层基于基片集成波导的馈电网络层的接触面上进一步导入多条扼流槽结构。具体仿真时：将金属栅格层抬高后，在两层之间添加空气层来模拟连接时的不紧密情况，在金属栅格层底侧挖出扼流槽，调节扼流槽的尺寸抵消空气层的影响。计算和仿真结果显示扼流槽深度和宽度为1mm时，可以抵消空气缝隙的影响。

Claims (2)

1.基于单层基片集成波导的全并联缝隙阵列天线，其特征在于设有下层基片集成波导层和上层含有周期性空气腔的金属栅格层；所述基片集成波导层和金属栅格层通过辐射缝隙连接，基片集成波导层集成由级联的T形功率分配器组成的馈电网络，入射电磁波从天线输入端进入基片集成波导层并经过由级联的T形功率分配器组成的馈电网络到达各辐射缝隙，再经过金属栅格层中的空气腔，最终辐射到外部空间；每个空气腔的中心对应一个处在其正下方的辐射缝隙的中心；

所述金属栅格层的底面设有至少2条扼流槽；

馈电网络为单层结构，基片集成波导层的上表面均匀的分布着16×16个矩形辐射缝隙，从馈电入口到每个矩形辐射缝隙均经过了7级T形功率分配器，从入口到每个辐射缝隙的路径长度相同。

2.如权利要求1所述基于单层基片集成波导的全并联缝隙阵列天线，其特征在于：在馈电层每条馈电路径的终端，和矩形缝隙相对的位置上引入了金属柱。

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