[发明专利]一种基于基片集成波导的背腔缝隙双频圆极化天线

权利要求书

1.一种基于基片集成波导的背腔缝隙双频圆极化天线，包括介质层，上下金属层构成的天线本体，天线本体包括：用于测试的接地共面波导与SIW之间的转接结构、由SIW传输线及感性窗构成的两阶匹配线路、由SIW构成的近似圆形背腔以及近似圆形背腔正面的两个指数渐变形缝隙辐射单元，其特征在于，所述天线本体还包括多个外围金属通孔、6个内部金属通孔、2个渐变式GCPW缝隙和2个指数渐变形缝隙；其中外围金属通孔、内部金属通孔和渐变式GCPW缝隙关于中轴线对称排布，指数渐变形缝隙不关于中轴线对称；所述外围金属通孔构成水平放置的瓶形结构，包括顺序连接的窄段、连接段、宽段和圆弧段，所述渐变式GCPW缝隙位于上层金属层，分布在窄端和连接段对应的内侧，其横截面为窄矩形连接三角形的结构，所述内部金属通孔分布在宽段对应的内侧，在靠近连接段的一侧其中4个内部金属通孔排布在与轴向垂直的同一条直线上，在靠近圆弧段的一侧，另外两个内部金属通孔排布在与轴向垂直的同一条直线；所述指数渐变形缝隙分布在圆弧段对应的内侧，分别为外圈指数渐变形缝隙和内圈指数渐变形缝隙，2个指数渐变形缝隙的开口错开。

2.如权利要求1所述的基于SIW的背腔缝隙双频圆极化天线，其特征在于，将所述的两个指数渐变形缝隙辐射单元按SIW腔体的对称中轴线镜像对称。

3.如权利要求1或2所述的基于SIW的背腔缝隙双频圆极化天线，其特征在于，所述近似圆形背腔的半径为r₀与天线的工作频率有关，具体的，近似圆形背腔工作在TM₀₁₀模式，其半径r₀遵循以下公式：

其中，f₀₁₀为TM₀₁₀模式的工作频率，也即天线的工作频率；c为真空中的光速；p₀₁为0阶贝塞尔函数的1次根；ε_r为介质的相对介电常数，μ_r为介质的相对磁导率。

4.如权利要求1或2所述的基于SIW的背腔缝隙双频圆极化天线，其特征在于，所述两个指数渐变形缝隙分别由两条指数渐变线条及连接两条线条首部和尾部的线段构成，具体的，两个指数渐变形缝隙由以下两步得到：

第一步，由公式2得到在极坐标下四条指数渐变线段：

其中，r是极坐标中的半径，是极坐标中的角度；

第二步，将i为1和2，3和4的首部和尾部分别用直线相连，并在极坐标下旋转，构成外圈和内圈两个缝隙结构，其中外圈缝隙结构的旋转角度为θ₁，内圈缝隙结构的旋转角度为θ₂，其初值选定为θ₁＝50°，θ₂＝355°。

5.如权利要求4所述的基于SIW的背腔缝隙双频圆极化天线，其特征在于，所述指数渐变形缝隙的参数r_i遵循以下公式：

其中，f_cp为给定的圆极化辐射频点，c为真空中的光速，r_e＝(r₁+r₂)/2或r_e＝(r₃+r₄)/2为缝隙的等效半径，ε_e＝(ε_r+1)/2为天线的等效介电常数，其中ε_r为介质的相对介电常数，缝隙宽度(r₁-r₂)或(r₃-r₄)选定初值为0.1r_e，由此可根据两个圆极化频点确定指数渐变形缝隙的参数r_i。

6.如权利要求1或2所述的基于SIW的背腔缝隙双频圆极化天线，其特征在于，所述匹配线路尺寸优化过程的主体通过差分进化算法联合全波仿真软件HFSS，得到在规定的参数w₁,w₂,l₁,l₂的物理可取值范围内适应度F的最小值，并得到此时的参数w₁,w₂,l₁,l₂的取值，其中，适应度F表示为：

F:f(w₁,w₂,l₁,l₂)＝VSWR₁+VSWR₂ (式4)

其中，f(w₁,w₂,l₁,l₂)为由参数w₁,w₂,l₁,l₂决定的、通过HFSS全波仿真得出的天线在两个频率点处的VSWR的值计算；参数w₁,w₂分别表示天线匹配线路中两组内部金属通孔所构成的两个感性窗结构的窗口大小；参数l₁,l₂则分别表示两个感性窗的间距，及右侧感性窗与天线辐射单元的中心点，也即圆弧段的中心点的间距；VSWR₁为天线在工作频率范围内的最低频率点f₁点处的值，VSWR₂为天线在工作频率范围内的最高频率点f₂点处的值。