CN110635230A

CN110635230A - 基于sicl谐振腔圆环缝隙和印刷振子的非对称双极化天线装置

Info

Publication number: CN110635230A
Application number: CN201810658157.1A
Authority: CN
Inventors: 宋立众; 孙正鼐; 邵仙鹤; 王静; 刘晓亮
Original assignee: Harbin Institute of Technology Weihai
Current assignee: Harbin Institute of Technology Weihai
Priority date: 2018-06-25
Filing date: 2018-06-25
Publication date: 2019-12-31

Abstract

本发明涉及双极化天线制造技术领域，具体的说是一种基于SICL谐振腔圆环缝隙和印刷振子的非对称双极化天线装置，其特征在于设有介质集成同轴线谐振腔体圆环形辐射缝隙和印刷单极子，二者之间为在垂直方向采用空气隙隔离，两个双极化端口均由印刷电路技术实现，其中采用介质集成同轴线谐振腔加载圆环形缝隙构成一个极化端口，采用小型化印刷矩形单极子天线作为与之正交的极化端口，两个极化端口之间是非对称的，但在空间形成正交的辐射场，可产生双极化的工作模式，本发明设计的双极化天线结构简单，成本较低。本发明适用于双极化雷达、通信系统等场合，具有平台的适应性和较广泛的应用领域。

Description

基于SICL谐振腔圆环缝隙和印刷振子的非对称双极化天线装置

技术领域：

本发明涉及双极化天线制造技术领域，具体的说是一种基于SICL谐振腔圆环缝隙和印刷振子的非对称双极化天线装置。

背景技术：

在双极化天线的具体类型中，根据辐射机理，双极化天线可分为双极化振子天线、双极化口面天线、双极化缝隙天线和双极化微带天线等。根据馈电方式的不同，双极化天线又可以分为同轴馈电双极化天线、微带馈电双极化天线、波导馈电双极化天线、电磁耦合馈电双极化天线等。喇叭天线由于其多功能性、简单性和好的辐射性能，在微波测量、雷达和探测系统中有广泛的应用。脊喇叭天线增益高，阻抗低，体积小，易于和传输线连接，适合用在雷达、电子对抗设备以及微波电子器件中。

国外在轨或在研星载合成孔径雷达，其中SIR-C、RadarsatII、Terra-X和ESA L-SAR都采用了双极化固态有源相控阵天线，实现全极位能力。微带和波导缝隙天线阵各有应用，通常C波段以下采用微带天线阵，而C波段以上波导缝隙天线仍具有较大优势，这是由微带线和波导传输线自身特性所决定的，比较典型的是加拿大C波段Radarsat-I，后续型号RadarsatIl则密原来的集中馈电波导缝隙阵改为微带有源相控阵。而德国的Terra-X天线工作在X波段，辐射阵采用镀银CFRP双极化波导缝隙阵，中心频率9.65GHz，带宽150MHz，高分辨时300MHz。根据计算，对于该方案所采用的16单元波导缝隙阵，带宽设计已达其极限值。SAR系统需要更宽工作带宽时，相对来说微带天线比较容易实现，而对于波导缝隙阵就需要复杂的结构，带来加工难度和成本的提高。

在国外，双极化天线也获得了深入研究和广泛应用。双极化的研究内容涵盖了双极化微带天线、宽带和超宽带双极化天线、双极化介质谐振器天线、双极化背腔式天线、双极化喇叭天线、双极化缝隙天线、双极化单极子天线和双极化透镜天线等领域。

缝隙天线是在金属体表面开缝，所开缝隙必须截断金属壁表面电流，表面电流的一部分绕过缝隙，而另一部分以位移电流的形式沿原方向流过缝隙，位移电流的电力线将向外空间辐射。缝隙天线可以看成是由许多缝隙元组成的。缝隙的辐射原理可以通过一个理想开缝天线模型加以说明，将缝隙等效为一个磁振子天线，认为它是具有磁流源的天线，利用对偶性原理，磁振子的辐射可以通过电振子的辐射来类比。缝隙波导阵列天线具有主瓣宽度窄、交叉极化电平低等优异特性，是一种重要的微波天线可广泛应用于雷达和通信系统中。但是金属波导的体积大、重量很重、造价昂贵，而且加工完成后还需要通过调谐修正误差。而将传统的矩形波导缝隙天线的设计概念移植到基片集成传输线上同样可以形成缝隙天线阵列，并且获得足够的增益和较小的旁瓣电平。金属底面上的缝辐射器能向基片上下两个方向同时辐射电磁能量，在实际应用中，由于电路布局的原因，天线常常需要安装在某个平台之上。向下辐射的电磁波可能会影响系统中其它组件的性能，同时反射回来的电磁波对天线本身也会有影响。因此当需要天线单向辐射时，通常在缝的后面加一个金属腔或者反射壁来抑制向下辐射的电磁波，从而解决电磁兼容问题。背腔天线一般由一个金属腔体和激励源组成，而中间的激励源和背腔的形状可以有多种形式。关于背腔天线的研究从二十世纪五十年代开始，目前在各微波频段利用背腔天线已实现线极化、圆极化、双极化等形式的天线单元或阵列。在用背腔天线实现圆极化的设计中一般情况为由背腔的激励源形成圆极化，背腔的作用为稳定方向图，抑制后瓣辐射，提高天线增益。腔体可以认为是一个谐振腔，可以通过分析腔内的本征模求得腔内电场分布。但是相对于一般的封闭式的谐振腔，腔体天线有着独特的性质，例如有能量辐射、腔内电场扰动、谐振频率偏移和模式谱变窄等。

基片集成同轴线(Substrate Integrated Coaxial Line，SICL)技术是一种将传统意义上的同轴线平面化的技术。SICL与传统同轴线一样是一种屏蔽的、非色散的TEM导波结构。它表现出与传统同轴线相同的特性，即带宽宽、损耗小、Q值高、尺寸小，所以非常适合高速宽带互连应用。基片集成同轴线(SICL)结合了同轴线和平面传输线的优点，它可以用简单、廉价的PCB、CMOS、MEMS甚至薄膜电路等工艺实现，方便集成到宽带微波系统中。SICL的第一阶高次模是TE₁₀模，由于中间导体并不影响TE₁₀模的场特性。SICL的单模工作带宽可以通过调整两排金属化孔的距离来控制，这就可以实现比同尺寸的类似SIW的平面结构宽的多的带宽。关于基片集成同轴线(SICL)的研究，目前处于起步阶段。同轴线由于其内外导体分布在不同层上，中间有介质层，所以，SICL的内导体无法布在PCB的表层。微波电路为了便于焊接接头或者接插仪器测试，要求将微带布在PCB的表面上。因此，微带到SICL的过渡无法采用共面形式，只能采用异面形式。为了达到比较好的耦合性能，可采用缝隙或小孔耦合，要求缝隙或者小孔两端都要形成自然的过渡，尽可能少的出现不连续性结构。

发明内容：

本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出了一种基于SICL谐振腔圆环缝隙和印刷振子的非对称双极化天线装置。

本发明可以通过以下措施达到：

一种基于SICL谐振腔圆环缝隙和印刷振子的非对称双极化天线装置，其特征在于设有介质集成同轴线谐振腔体圆环形辐射缝隙和印刷单极子，二者之间为在垂直方向采用空气隙隔离，两个双极化端口均由印刷电路技术实现，其中采用介质集成同轴线谐振腔加载圆环形缝隙构成一个极化端口，采用小型化印刷矩形单极子天线作为与之正交的极化端口，两个极化端口之间是非对称的，但在空间形成正交的辐射场，可产生双极化的工作模式。

本发明中基于介质集成同轴线的腔体缝隙天线构成非对称双极化天线的一个极化端口，腔体圆环形缝隙可等效为一个圆环形磁流在辐射，在远场区，它辐射一个近似线极化的电磁场，与印刷单极子天线的辐射场正好形成极化正交关系。

本发明中印刷振子天线放置于SICL谐振腔环形缝隙天线的上方，在印刷单极子的馈电微带线输出端，为了获得良好的输出电压驻波比，引入一个宽带渐变式阻抗匹配端，在输出端获得50欧姆的阻抗，以便于和同轴线连接。

综上所述，本发明提出了一种采用SICL谐振器表面开槽的圆环形缝隙天线和印刷单极子天线组合式的非对称双极化天线装置，产生两个正交辐射场的天线辐射器分别为基于介质集成同轴线谐振器腔体的圆环形缝隙天线辐射器和印刷单极子天线；两个极化端口的天线辐射器类型不同，馈电方式灵活，工程上易于实现两极化端口隔离度和交叉极化电平的调节，且印刷单极子天线具有较宽的阻抗带宽；整个非对称双极化的天线均由印刷电路技术加工和制作，精度容易控制，且可实现尺寸上的减缩。本发明设计的双极化天线结构简单，成本较低。本发明适用于双极化雷达、通信系统等场合，具有平台的适应性和较广泛的应用领域。

附图说明：

附图1是传统圆环缝隙天线的结构示意图。

附图2是圆环缝隙及其坐标系。

附图3是矩形微带振子天线的结构示意图。

附图4是典型的SICL结构图。

附图5是本发明的结构模型。

附图6是本发明中基于SICL谐振腔的圆环缝隙天线结构示意图。

附图7是本发明中介质集成同轴线腔体内部结构图。

附图8是本发明中印刷单极子天线的结构示意图。

附图9是本发明实施例中端口1的电压驻波比仿真结果。

附图10是本发明实施例中端口2的电压驻波比仿真结果。

附图11是本发明实施例中端口1和2之间隔离度的仿真结果。

附图12是本发明实施例中基于SICL腔体圆环缝隙和印刷单极子的双极化天线在中心频率处的辐射特性仿真结果。

附图13是本发明实施例中基于SICL腔体圆环缝隙和印刷单极子的双极化天线在低频处的辐射特性仿真结果。

附图14是本发明实施例中基于SICL腔体圆环缝隙和印刷单极子的双极化天线在高频处的辐射特性仿真结果。

附图标记：1为介质集成同轴线的腔体，2为介质集成同轴线腔体的圆环缝隙；3为印刷单极子天线单元部分，4为基于介质集成同轴线的金属地板，5为介质集成同轴线的金属过孔阵列，6为介质集成同轴线的介质基板，7为介质集成同轴线的中心导体带条，8为介质集成同轴线腔体馈电位置。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明提出了一种基于介质集成同轴线谐振腔体圆环形缝隙和印刷单极子组合的非对称结构双极化天线装置方案。设计的双极化天线由介质集成同轴线谐振腔体圆环形辐射缝隙和印刷单极子合而成，二者之间为在垂直方向采用空气隙隔离，两个双极化端口均由印刷电路技术实现。采用新型介质集成同轴线谐振腔加载圆环形缝隙构成一个极化端口，采用小型化印刷矩形单极子天线作为与之正交的极化端口，两个极化端口之间是非对称的，但是它们在空间形成正交的辐射场，可产生双极化的工作模式。本发明设计的双极化天线的两个极化端口的辐射机理不同，它们都方便设计成小型化的模式，便于构成小型化的双极化单元，减少了双极化天线的设计难度；由于单极子天线采用印刷结构，金属辐射器对SICL圆环形缝隙的影响不是很大，合理控制两个极化端口之间的位置和结构参数，可实现对两个极化单口之间的隔离度的控制，实现预期的交叉极化电平；由于可实现双极化天线单元的小型化，因此该天线适合于组成相控阵天线阵列、MIMO阵列等阵列形式。本发明中研究基于介质集成同轴线谐振腔体圆环形缝隙和印刷单极子组合的非对称结构双极化天线装置适合应用于雷达、通信、导航等系统中，作为双极化天线传感器装置，具有较为重要的实际应用价值。

本发明设计了一种基于介质集成同轴线谐振腔体圆环形缝隙和印刷单极子组合的非对称结构双极化天线装置，本天线装置引入非对称端口结构的双极化天线设计方案，基本思想是设计一种基于印刷电路结构的双极化天线装置，两个极化端口采用不同类型的天线辐射器，它们的辐射机理不同，各自在远场空间形成一种极化方式的电磁场结构，二者产生的电磁场极化互相正交，实现正交双极化通道，可以辐射和感知电磁波的两个正交极化分量，为全极化电子系统提供良好的正交极化基。在本发明中，一个极化端口是圆环缝隙天线辐射器，可近似等效为圆环形磁流的辐射；另一个极化端口是印刷单极子辐射器，可看成是电流源的辐射，因此，二者属于不同的类型的天线辐射器，它们在远区的辐射场是不同的，辐射场功率方向图方面会略有差异，但是在主辐射方向上满足电磁场的正交要求；本发明采用非对称的方案设计双极化天线，两个极化辐射器在垂直方向上带有空气间隙，控制两个极化端口的间隔距离，同时优化设计两个极化辐射器的几何结构参数，可实现要求的极化端口隔离度以及单个极化辐射器的交叉极化电平；非对称双极化天线的设计相对于传统对称双极化设计过程得到简化，结构设计更为灵活，设计的可控性得到加强。

本发明设计的非对称双极化天线由介质集成同轴线谐振器腔体圆环形缝隙天线和印刷单极子天线组成，两个极化辐射器为不同类型的天线类型，但是它们均采用印刷电路技术实现，都是平面型结构。介质集成同轴线谐振器腔体圆环形缝隙天线和印刷单极子天线都可采用小型化设计，组成组合式的双极化单元，可用于双极化天线阵列等场合。

背腔天线一般由一个金属腔体和激励源组成，而中间的激励源和背腔的形状可以有多种形式。目前在各微波频段利用背腔天线已实现线极化、圆极化、双极化等形式的天线单元或阵列。背腔的作用为稳定方向图，抑制后瓣辐射，提高天线增益。随着无线通信的迅速发展，通信系统对天线的要求越来越高。缝隙天线拥有结构简单，辐射效率高等优点。相较于普通的微带贴片天线，缝隙天线有更宽的阻抗带宽和轴比带宽，小的制作误差对性能影响不是很敏感，重要的是容易与无线通信系统终端集成。环形缝隙天线的电磁辐射场符合巴比特互补原则，可以有效降低天线总尺寸。圆极化天线拥有可降低多径效应等特点，可以在全平面内实现信号的传输，而线极化天线只能在一个平面内进行传输。为了提高通信质量，圆极化天线在无线通信、雷达系统以及导航系统等领域得到了普遍的应用。传统圆环缝隙天线是在介质基板的接地面上蚀刻一个网环形缝隙，在基板的另一面用50欧姆开路微带线馈电，结构如图1所示，其中环缝半径决定天线的谐振频率，通过调整微带线终端与环缝中心的相对位置以及环缝宽度可以得到最佳匹配。圆环缝隙及其坐标系如图2所示。理论上，在无限大导电平板上的环形缝隙，可看成是面磁流的环形分布，可表示为

式中：E_a是口面电场；n是垂直于口面的单位矢量。环缝天线的远场方向图根据电矢量位法计算求得，假设接地面无限大，不考虑边沿绕射场的影响，远区电场的E_θ和E_φ分量可按两种情况分别求出。窄缝情况Ⅰ：即ω＜＜ω₀，且E_φ'＝0，E_ρ＝E₀＝常数，则：

近似求解缝隙内的场分布，等效为求解环形均匀分布磁流元的场分布。

窄缝情况Ⅱ：即ω＜＜ω₀，且E_φ'＝0，E_ρ＝E₀·cosnφ'，则：

从式(4)和式(5)中可以看出，当ak₀＝1时，环缝天线工作在基模状态.这时天线在垂直于环缝所在平面的方向上增益最大，即天线方向图主瓣指向这一方向.随着模式的增高，天线的表面波和高次模激励将严重影响天线的轴比情况.如要获得良好的轴比，在设计时要求天线工作在低阶模式以及基模状态。

偶极子天线是一种最基本的天线形式，具有全向辐射特性，由于其结构简单、造价低廉被广泛应用于各种无线通信系缆中。目前已经发展了很多展宽偶极子频带的技术，形成了许多新型偶极予天线，比如双锥天线、双偶极子天线、领结形天线等。平面偶极子天线采用印制在介质基板上的偶极子结构作为天线的辐射单元，通过巴伦馈电或者耦合馈电的方式激励天线单元辐射。因为印制电路板具有结构设计自由，易于加工和装配，成本较低且重量较轻等等优点，不少基站天线选用印制在FR-4介质基板上的平面偶极子天线作为阵元。传统的振子天线可以直观的理解为是由传输线的末端从平行变为共线导致束缚在传输线间的场对外辐射而形成的，对微带振子天线而言也是如此。微带振子天线可以分为单极子和偶极子。微带单极子天线是在介质基板的两侧或者同侧分别附加金属片作为地平面和辐射振子，区别于微带贴片天线的是微带单极子天线的地平面不会出现在辐射极子的正下方，并通常与辐射单极子间隔一定距离，微带单极子天线采用不平衡馈电。微带偶极子天线是在介质基板的两侧或者同侧对称地附加金属片作为辐射振子的两臂，需采用平衡馈电，因此在微带线与偶极子间需要一个不平衡到平衡的转换装置一巴伦。由于是非谐振结构，微带振子天线的带宽相对较大；同时由于介质基板对于微带振子天线而言主要起到支撑作用，其介电常数和厚度可以很小，介质损耗和表面波损耗相对较低，微带振子天线的效率相对较高。一种矩形微带振子天线的结构示意图如图4所示。

基片集成同轴线(Substrate Integrated Coaxial Line，SICL)是一种新型的平面传输线，它在结构上与传统的同轴线相似，具有损耗低、辐射小、电路之间的互耦小、体积小、非色散性等众多优点，特别是它可以使用传统的PCB和LTCC工艺加工，在大批量生产等方面优势明显。以SCIL为微波传输线，可以为设计许多新的微波天线与器件提供解决途径。基于同轴线谐振腔理论，在SICL表面开槽可形成缝隙辐射，这为设计缝隙天线提供了一种技术方案。SICL主要由底层导体(接地)，内导体(中间)，顶层导体，两侧侧壁(或者金属孔)、两层介质层组成，其中底层导体、两侧侧壁和顶层导体共同构成了SICL的外导体。典型的SICL结构如图1所示。在一定的假设下，SICL在TE₁₀模式下的截止频率为:

式中A,D,S如图4中所示，c为真空中光速。由于D和S一般由制板工艺所限定，所以SICL在TE₁₀模式下的截止频率是SICL的单模带宽，可以通过两侧金属孔的距离A来调节。

本发明以SICL为基础，提出一种采用SICL谐振器表面开槽的圆环形缝隙天线和印刷单极子天线组合式的非对称双极化天线方案，设计的基于介质集成同轴线腔体圆环形缝隙天线和印刷单极子天线组合式的非对称式双极化天线几何结构模型如图5所示，在图5中，1为介质集成同轴线的腔体，2为介质集成同轴线腔体的圆环缝隙；3为印刷单极子天线单元部分。同轴线是全封闭结构，非色散性，由于其不容易实现与平面电路集成，因此难以在微波毫米波电路中使用。SICL作为一种平面结构的同轴线，具有类似传统同轴线的性能，同时可以实现平面传输线的特性。SICL是多层PCB，包括上下导体板、内导体、金属化过孔阵列及介质。图6所示为基于SICL谐振腔的圆环缝隙天线模型，在图6中，4为基于介质集成同轴线的金属地板，5为介质集成同轴线的金属过孔阵列。图7所示为介质集成同轴线腔体内部结构图，在图7中，6为介质集成同轴线的介质基板，7为介质集成同轴线的中心导体带条，8为介质集成同轴线腔体馈电位置。基于介质集成同轴线的腔体缝隙天线构成非对称双极化天线的一个极化端口，腔体圆环形缝隙可等效为一个圆环形磁流在辐射，在远场区，它辐射一个近似线极化的电磁场，与印刷单极子天线的辐射场正好形成极化正交关系。为了实现天线的高辐射效率和单一工作模式，在选择介质基板条件下，腔体的长度、宽度、缝隙的长度、位置和缝隙宽度需要采用全波电磁仿真技术优化实现。印刷单极子采用矩形结构，利用微带线和阻抗变换段对其馈电；印刷振子天线放置于SICL谐振腔环形缝隙天线的上方，通过合理的设计与结构优化，在满足各自的阻抗匹配的条件下，可实现预期的端口隔离性能和交叉极化电平。在印刷单极子的馈电微带线输出端，为了获得良好的输出电压驻波比，引入一个宽带渐变式阻抗匹配端，在输出端获得50欧姆的阻抗，以便于和同轴线连接。图8所示为印刷单极子天线的结构示意图。

实施例：

本发明设计了一个具体的采用SICL谐振器表面开槽的圆环形缝隙天线和印刷单极子天线组合式的非对称双极化天线装置，采用全波电磁仿真软件对该天线阵列进行了性能仿真，仿真实验结果验证了本发明所提出的采用SICL谐振器表面开槽的圆环形缝隙天线和印刷单极子天线组合式的非对称双极化天线装置的可行性和有效性。

本发明设计的双极化天线的端口1和端口2的电压驻波比(VSWR)的仿真结果分别如图9和图10所示。端口1与端口2之间的隔离度如图11所示。在工作带宽内，端口1和端口2的电压驻波比约为2，端口隔离度大于20dB。

在中心在频率处，双极化天线的辐射方向图特性仿真结果如图12所示。在两个极化端口上，设计的基于SICL腔体圆环缝隙和印刷单极子的双极化天线的辐射增益分别约为6.3dB和7.5dB，主辐射方向轴比大于40dB，交叉极化电平满足要求。对于极化端口1，设计的基于SICL腔体圆环缝隙和印刷单极子的双极化天线在xoy面和yoz面内的波束宽度分别约为73.6度和88.7度；对于极化端口2，设计的基于SICL腔体圆环缝隙和印刷单极子的双极化天线在xoy面和yoz面内的波束宽度分别约为65度和99.9度。

在低频f₁处，双极化天线的辐射方向图特性仿真结果如图13所示。在两个极化端口上，设计的基于SICL腔体圆环缝隙和印刷单极子的双极化天线的辐射增益分别约为6.1dB和7.8dB，主辐射方向轴比大于40dB，交叉极化电平满足要求。对于极化端口1，设计的基于SICL腔体圆环缝隙和印刷单极子的双极化天线在xoy面和yoz面内的波束宽度分别约为73.83度和88.46度；对于极化端口2，设计的基于SICL腔体圆环缝隙和印刷单极子的双极化天线在xoy面和yoz面内的波束宽度分别约为63.6度和99.2度。

在低频f₂处，双极化天线的辐射方向图特性仿真结果如图14所示。在两个极化端口上，设计的基于SICL腔体圆环缝隙和印刷单极子的双极化天线的辐射增益分别约为6.4dB和7.9dB，主辐射方向轴比大于40dB，交叉极化电平满足要求。对于极化端口1，设计的基于SICL腔体圆环缝隙和印刷单极子的双极化天线在xoy面和yoz面内的波束宽度分别约为73.46度和87.6度；对于极化端口2，设计的基于SICL腔体圆环缝隙和印刷单极子的双极化天线在xoy面和yoz面内的波束宽度分别约为62.2度和99.4度。

Claims

1.一种基于SICL谐振腔圆环缝隙和印刷振子的非对称双极化天线装置，其特征在于设有介质集成同轴线谐振腔体圆环形辐射缝隙和印刷单极子，二者之间为在垂直方向采用空气隙隔离，两个双极化端口均由印刷电路技术实现，其中采用介质集成同轴线谐振腔加载圆环形缝隙构成一个极化端口，采用小型化印刷矩形单极子天线作为与之正交的极化端口，两个极化端口之间是非对称的，但在空间形成正交的辐射场，可产生双极化的工作模式。

2.根据权利要求1所述的一种基于SICL谐振腔圆环缝隙和印刷振子的非对称双极化天线装置，其特征在于基于介质集成同轴线的腔体缝隙天线构成非对称双极化天线的一个极化端口，腔体圆环形缝隙可等效为一个圆环形磁流在辐射，在远场区，它辐射一个近似线极化的电磁场，与印刷单极子天线的辐射场正好形成极化正交关系。

3.根据权利要求1所述的一种基于SICL谐振腔圆环缝隙和印刷振子的非对称双极化天线装置，其特征在于印刷振子天线放置于SICL谐振腔环形缝隙天线的上方，在印刷单极子的馈电微带线输出端，为了获得良好的输出电压驻波比，引入一个宽带渐变式阻抗匹配端，在输出端获得50欧姆的阻抗，以便于和同轴线连接。