[发明专利]基片集成波导谐振式缝隙阵列圆极化天线

说明书

技术领域

本发明涉及一种可应用于卫星通信、电子侦察与对抗、雷达等无线通信领域的圆极化天线，该天线采用基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide SIW)馈电及平面印刷电路技术，完全采用PCB技术加工而成。

背景技术

传统的金属矩形波导具有高品质因数、大功率容量等优点。基于传统波导制作的微波毫米波器件都有相当良好的性能，因此在无线通信各领域有广泛的应用。基于金属矩形波导的缝隙天线具有辐射功率大、增益高、交叉极化电平低、波瓣图易调控等优点。但其体积笨重，成本高、加工工艺复杂又限制了它在现代通信系统中的应用，特别是难以和现代平面电路集成。为此，人们提出了多种适合平面印刷工艺的传输线技术，包括微带线、槽线、共面波导等。这些技术较好地解决了与平面电路集成的问题。同时也存在着诸如功率容量小、损耗大、结构开放而不便密封等。近年来，基片集成波导(SIW)技术的出现很好地解决了这些问题。它在保持传统矩形波导高功率、低损耗、高Q值的同时，还保留了一般平面印刷传输线易集成、轻量化、易加工、便于密封等优点。目前基片集成波导技术已得到了快速地发展，已有多种基片集成波导器件包括天线研制成功。鉴于基片集成波导技术的独特优点以及圆极化天线在无线通信、卫星通信和军事领域的应用，我们研究出了一种圆极化天线。

发明内容

技术问题：本发明的目的是在基片集成波导技术的基础上提出一种基片集成波导谐振式缝隙阵列圆极化天线，该天线完全采用平面电路工艺，使其能很好地满足天线与电路集成的要求，同时保留了矩形波导缝隙阵列天线的优点。

技术方案：本发明基片集成波导谐振式缝隙阵列圆极化天线，从结构上看包括基片集成波导三分贝定向耦合器、交叉相位功率分配器、45°线极化的谐振式缝隙阵列天线。基片集成波导三分贝定向耦合器直通端与耦合端输出幅度相等、具有90度相位差的两路信号，这两路信号经过交叉相位功率分配器分别激励两副谐振式+45°/-45°线极化缝隙阵列天线，这两路天线的辐射场空间正交，因此可得到圆极化波。

本发明的基片集成波导谐振式缝隙阵列圆极化天线包括介质基片、在介质基片正反两面的金属面和贯穿于正反两层金属面的金属化通孔阵列，在该圆极化天线正面的下部为微带转接器，该微带转接器的上部接定向耦合器中的输入端、隔离端，输入端、隔离端通过中间耦合段连接直通端、耦合端，中间耦合段调节直通端和耦合端的功率分配，直通端和耦合端的上部分别接两个对称的交叉相位不等功率分配器，功率分配器的八个支路连接着八条辐射波导，设置在功率分配器中的功率分配器通过感性孔、容性窗口来调节功率分配器的匹配、各支路的功率分配以及相邻支路的相位关系；在上部的八条辐射波导中，有两个对称的且辐射场正交的第一缝隙阵列和第二缝隙阵列刻蚀在各支路波导的上层金属。

所述的辐射波导中交叉相位相邻两条的辐射波导长度差约为1/2的导波波长，用来弥补交叉相位功率分配器相邻支路180度的相位差。方案中的三分贝定向耦合器采用了一种紧凑型的结构以节省面积，耦合段利用窄波导以缩减耦合端长度和抑制高次模；方案中的交叉相位耦合器利用金属化通孔调节匹配和功率分配，各支路窗口的尺寸也起到功率分配的作用，窗口的位置可调节各支路的相位关系；45°线极化天线采用的是一种谐振式的方案。

有益效果：

1.该天线可由两个输入端口(定向耦合器的输入端和隔离端)激励，可自由选择左旋或右旋的圆极化方式。

2.该天线采用了紧凑型的结构，包括紧凑型的定向耦合器以及交叉相位功率分配器，只需一级结构就实现功率分配，使得结构总面积大大减少。

3.用隔离端匹配的定向耦合器馈电，可使之获得相应较宽的轴比带宽。

4.用可调功率分配的交叉相位功率分配器，可以获得较好的旁瓣抑制比。

5.整个天线的各部分都集成在一起，结构紧凑简单，全部利用PCB工艺生产，成本低、精度高、重复性好，适合大量生产。

附图说明

图1是基片集成波导圆极化天线结构示意图。

图中包括基片集成波导1，微带转接器2，定向耦合器3，输入端31，直通端32，耦合端33，隔离端34，中间耦合段35，对称的交叉相位功率分配器4，感性孔41，容性窗口42，八条辐射波导5，对称的缝隙阵列6，第一缝隙阵列61，第二缝隙阵列62。

具体实施方式

本发明的基片集成波导谐振式缝隙阵列圆极化天线(如图1所示)，包括介质基片、在介质基片上的基片集成波导1(基片集成波导1由正反两面的金属11和贯穿于正反两层金属面的金属化通孔阵列12围成的区域组成)，该圆极化天线与测试端相连接部分为微带转接器2，该微带转接器2的上部接定向耦合器3中的输入端31、隔离端34，输入端31、隔离端34通过中间耦合段35接直通端32、耦合端33，中间耦合段35调节直通端32和耦合端33的功率分配，直通端32和耦合端33分别的上部接两个对称的交叉相位功率分配器4，该功率分配器4通过感性孔41、容性窗口42来调节功率匹配、各支路的功率分配以及相邻之路的相位关系；交叉相位功率分配器4的八个支路连接着八条辐射波导5，相邻两条的辐射波导长度差约为1/2的导波波长，在上部的八条辐射波导5的上表面金属，刻蚀这对称的缝隙阵列6包括第一缝隙阵列61和第二缝隙阵列62。天线结构如图1所示，尺寸单位均为nm。天线尺寸为130×227×0.5(L×W×H)。定向耦合器的直通端和耦合端输出信号至两个对称交叉相位功率分配器，因而两个4×16的缝隙阵列有90度相位差。为了弥补交叉相位功率分配器产生的180度相位差，4×16的缝隙阵列的四条波导长度不等，相邻波导相差λ_g/2(其中λ_g为导波波长)。这种方法即节省了面积也达到了四条波导同相馈电的目的。