CN103490156A - 与平面馈源一体化集成的毫米波折合式反射阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种与平面馈源一体化集成的折合式反射阵，该天线为分层结构，从上到下依次设有极化栅、反射阵和平面馈源；本发明基于平面基片集成波导结构，采用基片集成波导缝隙阵天线作为馈源，对折合式反射进行馈电，在反射面上得到相位补偿，由球面波转换成平面波，从而实现高增益、高效率、稳定的波束指向的天线。本发明在Q-LINKPAN应用背景下，针对平面集成和小型化的长距离无线通信***的发展需求，实现了高增益、高效率、可以和平面毫米波电路集成的低剖面的天线，具有结构简单、体积紧凑、低成本的优点，并且满足平面电路集成的要求。

Description

与平面馈源一体化集成的毫米波折合式反射阵天线

技术领域

本发明涉及天线设计领域，尤其涉及一种低剖面、高增益、高效率、与平面馈源一体化集成的折合式反射阵天线，主要应用于无线通信、雷达、成像***等领域。

背景技术

近年来随着毫米波反射阵天线在现代通信、雷达、成像***等应用领域中的快速发展，毫米波反射阵天线面临着高效率、低成本、平面化、高度集成化的挑战。传统的反射阵天线利用平面单元的相移特性代抛物面本身的曲面特性实现球面波向平面波转换的功能，以提高增益和定向性。折合式反射阵天线在传统平面反射阵天线的基础上利用光路折合的原理使其厚度降低为传统反射阵的一半，具有低剖面、低交叉极化的优点，同时也避免了口径遮挡。毫米波高增益天线和平面有源电路集成是毫米波电路发展的一个趋势。为了便于与平面电路集成，提高***的集成度，同时又保证天线的效率，折合式反射阵天线的设计还有一些需要解决的问题。

一方面，传统的反射阵大多采用喇叭馈源，喇叭有一定高度、体积大、加工成本高、而且不易与其他电路集成。平面馈源来替代传统喇叭馈源能够有效减小馈源体积，降低安装的复杂度，同时提高***的集成度。常用的平面集成的小型化天线包括：微带天线，共面波导天线和基片集成波导天线等。其中微带天线和共面波导天线均为开放结构，在毫米波频段损耗明显，且在***集成时要与其他电路留一段保护距离以避免干扰其他电路。基片集成波导是通过在介质基片上打一系列金属通孔阵列形成具有和矩形金属波导类似传输特性和场分布的结构。基片集成波导属于封闭的结构，具有高功率、高Q值、低损耗的特点。基片集成波导宽边缝隙阵天线具有较好的增益和方向性，损耗低，易于平面集成，且便于密封，比较适合用作宽边辐射的平面馈源。但其单个缝隙单元具有较窄的带宽，且辐射方向图会随着频率变化会产生波束摇头现象，因此需要研究一种组阵形式和馈电形式解决波束摇头，同时展宽带宽。

另一方面，反射阵天线的效率不高一直是反射阵天线设计需要解决的问题。反射阵天线的效率一般研究的是口径效率，即实际增益与最大定向性（物理口径所能达到的定向性）的比值。对于大口径反射面天线当其口面场幅度均匀且相位一致时可以实现理论上100%口径效率。但在实际应用中幅度不均匀性、相位误差、以及馈源波束不能完全被反射面截获产生的溢出损耗都会造成增益的损失和效率下降，一般反射阵天线的效率只有10%-30%。因此如何联合设计反射阵天线和平面馈源，以提高总体的天线效率是一个反射阵天线研究的热点问题。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种采用介质基片实现的高增益、高效率、低剖面、与平面馈源一体化集成的毫米波折合式反射阵天线，能有效提高反射阵天线的效率，减小馈源体积，降低安装的复杂度，同时提高***的集成度。

为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种与平面馈源一体化集成的毫米波折合式反射阵天线，其特征在于该天线为分层结构，从上到下依次设有极化栅、反射阵和平面馈源。

平面馈源包括底层介质基片、位于底层介质基片上表面的一号金属面和位于底层介质基片下表面的二号金属面；反射阵包括中间层介质基片、位于中间层介质基片上方的金属贴片和位于中间层介质基片下方的接地金属；极化栅包括顶层介质基片和位于顶层介质基片下方的金属条带。

更进一步的，平面馈源设有基片集成波导，平面馈源设有贯穿一号金属面底层介质基片和二号金属面的金属化通孔阵列；基片集成波导由一号金属面、二号金属面和金属化通孔阵列围成的区域构成。

更进一步的，基片集成波导包括内侧基片集成波导，内侧基片集成波导外接***基片集成波导，***基片集成波导的末端与过渡转接基片集成波导相连；一号金属面在其中心线两侧对称设置有若干辐射缝隙，辐射缝隙由内侧基片集成波导并行馈电；过渡转接基片集成波导底部的二号金属面设有作为平面馈源输入/输出耦合窗口的矩形开口，中间层介质基片中心设有矩形金属化孔。

更进一步的，***基片集成波导的内部设有用于调节匹配的金属化通孔；设过渡转接基片集成波导与***基片集成波导相连的一端为A端，另一端为B端，过渡转接基片集成波导从A端到B端阶梯变宽。

更进一步的，辐射缝隙的数目是由馈源天线的增益要求所确定的，在本设计实例中辐射缝隙为四个，辐射缝隙长度在其谐振长度附近，优选等于其谐振长度；辐射缝隙距离内侧基片集成波导短路端约约等于二分之一导波波长，优选二分之一导波波长。

更进一步的，反射阵和极化栅之间还设有空气层。

更进一步的，底层介质基片、中间层介质基片、顶层介质基片中均设有定位孔，底层介质基片和中间层介质基片中设有与外部测试接口的法兰盘连接的定位孔。

本发明中，平面馈源增益的设计指标是依据反射阵口径效率和焦径比（焦距直径之比）关系的理论分析，为了达到较高的口径效率而得到的。传统反射阵天线为了达到较高的口径效率，反射阵的边缘电平一般选取-10dB。本发明针对所设计的基片集成波导缝隙阵馈源辐射方向图E面和H面10dB波束宽度不一致的特点，与现有反射面的设计形状不同，反射阵形状采用椭圆形反射阵，以保证E面和H面的边缘电平均为-10dB。另外，传统反射阵设计中通常假设馈源的物理中心和相位中心是重合的，而实际设计中由于馈源的物理中心和相位中心的不重合，会造成一些离焦损耗。为了避免实际设计中平面馈源物理中心和相位中心不重合带来的离焦损耗，需重新定义反射阵的焦距，进而重新设计反射面上的贴片单元尺寸。总之，本发明设计与平面馈源一体化集成的折合式反射阵天线采用的方法是：首先根据反射阵对馈源的增益要求设计平面馈源，然后再根据平面馈源的波束特性和相位中心设计反射阵形状以及反射面贴片单元的尺寸构成了平面馈源和反射阵的联合设计，最终设计出的与平面馈源一体化集成的折合式反射阵天线具有高效率的特性。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下优点：

本发明的与平面馈源一体化集成的毫米波折合式反射阵利用空气馈电形式避免了微带天线馈电网络的损耗；利用折合式的形式降低了反射阵天线的厚度；同时利用基片集成波导缝隙阵天线做馈源，在保证较好的方向性、低损耗、低交叉极化的特点的同时进一步减小了整体天线的厚度；本发明通过对平面馈源和反射阵进行联合设计实现了高增益高效率的性能；并且本发明的平面馈源和反射阵均可利用普通印刷电路板工艺实现，结构简单、体积紧凑、成本低、易于其他平面电路集成，因此适用于无线通信***的应用。具体优点如下：

1)所设计的与平面馈源一体化集成的折合式反射阵天线可以满足Q波段Q-LINKPAN通信***应用需求。

2)与传统的折合式反射阵天线不同，该反射阵天线实现了与平面馈源集成，具有体积紧凑，厚度低，效率高的特点。

3)该平面馈源与反射面联合设计的方法具有一般性，可以推广至其他毫米波频段,同时也适用于非平面馈源馈电的传统反射阵天线设计。

4)所提出的与平面馈源一体化集成的折合式反射阵结构具有封闭特性，对其他电路单元干扰小，且位于第一层的平面馈源占用面积小，节约下的空间可以用于其他电路的布局布线。

5)整个天线各部分全部利用印刷电路板工艺生产，成本低、精度高、重复性好，适合大批量生产。

附图说明

图1为本发明的与平面馈源一体化集成的毫米波折合式反射阵的主视图。

图2为本发明的平面馈源顶层金属示意图。

图3为本发明的平面馈源底层金属示意图。

图4为本发明反射阵的顶层金属示意图。

图5为本发明反射阵的底层金属示意图。

图6为本发明极化栅的底层金属示意图。

图7为本发明平面馈电的折合式反射阵工作原理示意图。

图8为实施实例1的S参数测量结果。

图9为实施实例1在42GHz时E面辐射方向图测量结果。

图10为实施实例1在42GHz时H面辐射方向图测量结果。

图11为实施实例1从41到44GHz E面辐射方向图测量结果。

图12为实施实例1从41到44GHz H面辐射方向图测量结果。

图13为实施实例1的增益和效率测量结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，本发明提供的一种与平面馈源一体化集成的毫米波折合式反射阵，由平面馈源1、反射阵2和极化栅3组成，平面馈源1位于该天线的最底层，包含底层介质基片11、位于底层介质基片上表面的金属面12、位于底层介质基片下表面的金属面13，反射阵2位于该天线的中间层，包含中间层介质基片21、位于中间层介质基片上方的金属贴片22、以及位于中间层介质基片下方的接地金属23，极化栅3位于该天线的最顶层，包含顶层介质基片31和位于顶层介质基片31下方的金属条带32。

平面馈源1上设有基片集成波导14，该基片集成波导14由介质基片11、位于介质基片上表面的金属12、下表面的金属13和贯穿于上表面的金属面12和下表面的金属13的金属化通孔阵列15围城的区域构成。如图2所示在顶面上的金属贴片12上有沿上表面中心两侧对称设置的辐射缝隙123，辐射缝隙123的数目为多个，其缝隙数目可以根据平面馈源增益的需求确定，在本实例中采用四个辐射缝隙123，每个辐射缝隙123长度在其谐振长度附近，辐射缝隙123距离内侧基片集成波导141短路端约为二分之一波长，辐射缝隙123由内侧基片集成波导141馈电，采并行馈电的方式，内侧基片集成波导141外侧连接***基片集成波导142，位于外侧基片集成波导142的内部设有用于调节匹配的金属化通孔1421，***基片集成波导142的另一端连接过渡转接基片集成波导143，所述基片集成波导过渡转接的宽度向输入/输出端实现由窄到宽的阶梯变化，该阶梯变化可以根据设计需要采用多阶梯变化，在本例中采用一次阶梯变化，如图3所示，过渡转接143的底部金属贴片13上有尺寸1.8mm×3.8mm的矩形开口134作为馈源天线1的输入/输出的耦合窗口。

如图4和图5所示，反射面2的介质基片中心设有尺寸7.6mm×10.6mm的矩形金属化孔4作为平面馈源1的辐射窗口，反射面2和极化栅3之间隙7中设有空气层，空气层高度37.5mm。如图1、2、3、4、5、6所示，平面馈源的底层介质基片11、反射面的中间层介质基片21、极化栅顶层介质基片31中均设有定位孔5，平面馈源1的底层介质基片11和反射阵2的中间层介质21中均设有与外部测试接口的法兰盘连接的定位孔6。平面馈源1、反射阵2、极化栅3之间的固定可以用现有技术中常见的多种措施，在本实例中，反射阵2和极化栅3采用塑料定位销通过定位孔5进行定位和固定，平面馈源1和反射阵2的固定采用螺钉通过定位孔5进行定位，平面馈源1、反射阵2和外部测试端口的固定采用螺钉通过定位孔6进行定位。

本发明中，由平面馈源1发出的线极化球面波经过极化栅3反射到反射阵2上，在反射阵2上进行极化旋转和相位补偿，转换成相反极化方向的平面波，通过极化栅3透射出去（如图7）。平面馈源1增益的设计指标是依据反射阵2口径效率和焦径比（焦距直径之比）关系的理论分析，为了达到较高的口径效率而得到的。在本实例中选取反射阵2的焦径比为0.5，为了达到最大的溢出和幅度不均匀性效率，平面馈源1的增益要求约为11dB。根据经验单个波导缝隙123的增益约为5dB，因此本实例需选取四个波导缝隙123组成2×2的阵列实现11dB的增益。同样反射阵天线为了达到较高的口径效率，反射阵2的边缘电平一般选取-10dB。在平面馈源1设计完成之后，针对所设计的平面馈源1辐射方向图E面和H面10dB波束宽度不一致的特点，与传统的反射阵形状不同，本实例中反射阵2形状采用椭圆形。椭圆形的长轴和短轴比(a/b)由下式确定：

$\frac{a}{b}=\frac{\tan ({\mathrm{\θ}}_1/2)}{\tan ({\mathrm{\θ}}_2/2)}---\left(1\right)$

其中θ₁和θ₂分别对应E面和H面的10dB波束宽度。

传统反射阵设计中通常假设馈源的物理中心和相位中心是重合的，而实际设计中由于馈源的物理中心和相位中心的不重合，会造成一些离焦损耗。在本设计实例中为了消除平面馈源1物理中心和相位中心不重合带来的离焦损耗，需重新定义焦距（如图7），进而重新设计反射面2上的贴片单元尺寸。反射面上的相位分布由下式确定：A

${\mathrm{\θ}}_i={\tan }^{-1}\left(\frac{r_i}{F\′}\right)---\left(3\right)$

F'=2h+p（4）

其中是需要补偿的相位分布,F’是重新定义的焦距，h是反射面到极化栅的距离，p是平面馈源相位中心到其物理中心的距离(平面馈源的相位中心在物理中心下方p取正值；反之p取负值)，θ_i是反射面轴向到辐射单元的半张角,r_i是反射面的中心到辐射单元的距离，k₀自由空间的传播常数。

综上，根据反射阵2对馈源的增益要求设计平面馈源1，然后再根据平面馈源1的波束特性和相位中心设计反射阵2的形状及反射面贴片单元的尺寸便构成了平面馈源1和反射阵2的联合设计，最终设计出的与平面馈源一体化集成的折合式反射阵天线具有高效率的特性。

本实例中所提出的平面馈源1是基于基片集成波导结构的。基片集成波导14采用两层金属印刷电路板工艺实现。基片集成波导14由上下两面金属12、13和贯穿上下两面金属的金属化通孔阵列15构成。用来构成介质基片集成波导金属通孔15的直径为0.4mm，通孔之间间距为0.6mm，平面馈源1的底层介质基片11的厚度为0.508mm，相对介电常数为2.2。所提出平面馈源1的辐射缝隙123单元尺寸为0.4mm×3.5mm，可以根据缝隙单元谐振特性分析得到。本发明所提出的反射面2的中间层介质基片21厚度为0.508mm，相对介电常数为2.2。反射面2的设计利用单元相位补偿的方法进行。反射面2的单元采用矩形贴片单元，通过周期性边界方法分析单元的相移特性，结合上述公式（2）-（4）确定反射面2每个位置上单元的尺寸。本发明所提出的极化栅3的顶层介质基片31厚度为1.57mm，相对介电常数为2.2。极化栅3下方金属层32的矩形条带宽0.6mm，间距0.9mm。如图1所示，本实施例的天线尺寸为98×150×40，尺寸单位均为mm。实测的天线S参数、辐射方向图和增益效率的结果示于图8至图13。

本实施例的天线的设计频率为42GHz。该天线在42GHz时E面波瓣宽度为3.5度,副瓣电平小于-20dB,交叉极化小于-30dB；在42GHz时H面波瓣宽度4度，副瓣电平小于-17.5dB，交叉极化小于-25dB；在41.6GHz到44GHz频率范围内，回波小于-10dB；天线辐射方向图从41GHz到44GHz无太大变化；该天线在44GHz时有最大增益31.9dBi，对应的口径效率为49%；该天线的3dB增益带宽为7%。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种与平面馈源一体化集成的毫米波折合式反射阵天线，其特征在于：该天线为分层结构，从上到下依次设有极化栅（3）、反射阵（2）和平面馈源（1）；

所述平面馈源（1）包括底层介质基片（11）、位于底层介质基片（11）上表面的一号金属面（12）和位于底层介质基片（11）下表面的二号金属面（13）；

所述反射阵（2）包括中间层介质基片（21）、位于中间层介质基片（21）上方的金属贴片（22）和位于中间层介质基片（21）下方的接地金属（23）；

所述极化栅（3）包括顶层介质基片（31）和位于顶层介质基片（31）下方的金属条带（32）。

2.根据权利要求1所述的一种与平面馈源一体化集成的毫米波折合式反射阵天线，其特征在于：所述平面馈源（1）设有基片集成波导（14），所述平面馈源（1）设有贯穿一号金属面（12）、底层介质基片（11）和二号金属面（13）的金属化通孔阵列（15）；所述基片集成波导（14）由一号金属面（12）、二号金属面（13）和金属化通孔阵列（15）围成的区域构成。

3.根据权利要求2所述的一种与平面馈源一体化集成的毫米波折合式反射阵天线，其特征在于：所述基片集成波导（14）包括内侧基片集成波导（141），所述内侧基片集成波导（141）外接***基片集成波导（142），所述***基片集成波导（142）的末端与过渡转接基片集成波导（143）相连；所述一号金属面（12）在其中心线两侧对称设置有若干辐射缝隙（123），所述辐射缝隙（123）由内侧基片集成波导（141）并行馈电；所述过渡转接基片集成波导（143）底部的二号金属面（13）设有作为平面馈源（1）输入/输出耦合窗口的矩形开口（134），所述中间层介质基片（21）中心设有矩形金属化孔（4）。

4.根据权利要求3所述的一种与平面馈源一体化集成的毫米波折合式反射阵天线，其特征在于：所述***基片集成波导（142）的内部设有用于调节匹配的金属化通孔（1421）；记过渡转接基片集成波导（143）与***基片集成波导（142）相连的一端为A端，另一端为B端，所述过渡转接基片集成波导（143）从A端到B端阶梯变宽。

5.根据权利要求3所述的一种与平面馈源一体化集成的毫米波折合式反射阵天线，其特征在于：所述辐射缝隙（123）的数目为四个，所述辐射缝隙（123）长度在其谐振长度附近，所述辐射缝隙（123）距离内侧基片集成波导（141）短路端约等于二分之一导波波长。

6.根据权利要求1所述的一种与平面馈源一体化集成的毫米波折合式反射阵天线，其特征在于：所述反射阵（2）和极化栅（3）的间隙（7）还设有空气层。

7.根据权利要求1所述的一种与平面馈源一体化集成的毫米波折合式反射阵天线，其特征在于：所述底层介质基片（11）、中间层介质基片（21）、顶层介质基片（31）中均设有定位孔（5），所述底层介质基片（11）和中间层介质基片（21）中均设有与外部测试接口的法兰盘连接的定位孔（6）。

8.根据权利要求1所述的一种与平面馈源一体化集成的毫米波折合式反射阵天线，其特征在于：所述反射阵（2）的形状采用椭圆形。

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