CN105186139A - 基于siw的二维波束扫描天线阵 - Google Patents

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车文荃
杨亚洋
杨琬琛
范冲
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Abstract

本发明公开了一种基于SIW的二维波束扫描天线阵列，包括SIW缝隙天线、介质基板Ⅰ、介质基板Ⅱ等结构，与普通的二维波束扫描天线阵列相比，本发明通过改进二维波束扫描网络的逻辑框图，结合多组不同相移值的移相器的使用，使得在两个维度上均可以实现任意角度的波束扫描，每个波束的增益达到11dBi以上。此外，该结构采用LTCC工艺实现，利用LTCC的多层特性，将整体结构设计为多层的结构，层间通过缝隙进行能量的传输，有效地减小了整体结构的尺寸。

Description

基于SIW的二维波束扫描天线阵
技术领域
本发明涉及一种二维波束扫描天线，特别是一种基于SIW的二维波束扫描天线阵。
背景技术
近几年来，二维波束扫描天线是天线领域研究的热点之一。其在雷达、卫星通信、导弹制导、移动通信、空间探测、全息成像等领域获得了广泛的应用。Wei-YangChen等提出了一种工作在60GHz的基于共面波导的16端口二维波束扫描网络，该网络由八片Butler矩阵构成，可以在两个维度上实现16个波束扫描。YuJianCheng等采用了基于SIW的工作于94GHz的二维波束扫描网络，可以实现4个波束扫描。WilliamF.Moulder等也介绍了一种8端口波束扫描网络，工作于60GHz，由Butler矩阵和3dB定向耦合器组成，该网络在其中一个维度上可以实现4个波束扫描，但在另一维度上可以实现2个波束扫描。
但是，由于3dB定向耦合器所能提供的输出端口相位差只有+90°，-90°两种选择，因此，由它构成的波束二维扫描网络在另一个维度上的波束扫描个数受限。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种基于SIW的二维波束扫描天线阵，它能以较小的尺寸在两个维度上实现任意角度的波束扫描。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于SIW的二维波束扫描天线阵，包括SIW缝隙天线、介质基板Ⅰ、介质基板Ⅱ、介质基板Ⅲ、介质基板Ⅳ、介质基板Ⅴ、介质基板Ⅵ、金属层、金属层Ⅰ、金属层Ⅱ、金属层Ⅲ、金属层Ⅳ、金属层Ⅴ、金属层Ⅵ、两个Butler矩阵和Butler矩阵控制网络，Butler矩阵控制网络对上述两个Butler矩阵进行控制；
所述介质基板Ⅰ、介质基板Ⅱ、介质基板Ⅲ、介质基板Ⅳ、介质基板Ⅴ、介质基板Ⅵ从下至上依次叠加，介质基板Ⅰ的下方设置金属层，介质基板Ⅰ和介质基板Ⅱ之间设置金属层Ⅰ，介质基板Ⅱ和介质基板Ⅲ之间设置金属层Ⅱ，介质基板Ⅲ和介质基板Ⅳ之间设置金属层Ⅲ，介质基板Ⅳ和介质基板Ⅴ之间设置金属层Ⅳ，介质基板Ⅴ和介质基板Ⅵ之间设置金属层Ⅴ，介质基板Ⅵ的上表面设置金属层Ⅵ；
金属层Ⅰ上开有层间耦合缝隙Ⅰ，金属层Ⅱ上开有层间耦合缝隙Ⅱ，金属层Ⅲ上开有层间耦合缝隙Ⅲ，金属层Ⅳ上开有层间耦合缝隙Ⅳ，金属层Ⅴ上开有层间耦合缝隙Ⅴ；其中层间耦合缝隙Ⅰ的结构为方形，层间耦合缝隙Ⅱ、层间耦合缝隙Ⅲ、层间耦合缝隙Ⅳ和层间耦合缝隙Ⅴ的结构为十字形；
介质基板Ⅰ、介质基板Ⅱ的结构通过层间耦合缝隙Ⅰ进行能量传输，介质基板Ⅱ和介质基板Ⅲ的结构通过层间耦合缝隙Ⅱ进行能量传输，介质基板Ⅲ和介质基板Ⅳ的结构通过层间耦合缝隙Ⅲ进行能量传输,介质基板Ⅳ和介质基板Ⅴ的结构通过层间耦合缝隙Ⅳ进行能量传输,介质基板Ⅴ和介质基板Ⅵ的结构通过层间耦合缝隙Ⅴ进行能量传输；
介质基板Ⅵ上设置SIW缝隙天线，两个Butler矩阵关于天线阵的中心线对称设置，每个Butler矩阵均包括两个-45°移相器、两个90°移相器、四个3dB定向耦合器和两个0dB定向耦合器，其中两个-45°移相器和两个3dB定向耦合器位于介质基板Ⅱ上，一个0dB定向耦合器位于介质基板Ⅲ上，两个3dB定向耦合器位于介质基板Ⅳ上，一个0dB定向耦合器和两个90°移相器位于介质基板Ⅴ上；
Butler矩阵控制网络包括四个3dB定向耦合器和四个移相器，每个3dB定向耦合器均对应一个移相器，其中两个3dB定向耦合器和两个移相器位于介质基板Ⅱ上，另外两个3dB定向耦合器和另外两个移相器位于介质基板Ⅰ上。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明提出的SIW的二维波束扫描天线阵，与基于的二维波束扫描天线阵相比，该结构通过改进二维波束扫描网络的逻辑结构框图，并采用多组不同相移值的移相器，从而使得该天线阵可以在两个维度上实现任意角度的波束扫描。实际应用中，可根据天线阵的具体用途选择合适的相移值以实现固定指向的天线波束。每个波束的增益可达11dBi以上。2)本发明提出的SIW的二维波束扫描天线阵，结合LTCC工艺，利用LTCC的多层特性，将整体结构设计为多层结构，有效地减小了二维波束天线阵列的尺寸，实现了结构的小型化设计。
下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明基于SIW的二维波束扫描天线阵的模型图。其中，图(a)为三维图，图(b)为侧视图。
图2为本发明基于SIW的二维波束扫描天线阵的介质层和金属层的详细结构图。其中，图(a)为介质基板Ⅰ[S1]上的结构，图(b)为介质基板Ⅱ[S2]上的结构，图(c)为介质基板Ⅲ[S3]上的结构，图(d)为介质基板Ⅳ[S4]上的结构，图(e)为介质基板Ⅴ[S5]上的结构，图(f)为介质基板Ⅵ[S6]上的结构。
图3(a)为本发明基于SIW的二维波束扫描天线阵的二维波束扫描网络逻辑框图，图3(b)为本发明中基于SIW的Butler矩阵逻辑框图。
图4为本发明基于SIW的二维波束扫描天线阵的各输入端口的回波损耗分布。
图5为本发明基于SIW的二维波束扫描天线阵在激励不同输入端口时的三维波束图，其中，图(a)为输入端口P1对应的波束，图(b)为输入端口P2对应的波束，图(c)为输入端口P3对应的波束，图(d)为输入端口P4对应的波束，图(e)为输入端口P5对应的波束，图(f)为输入端口P6对应的波束，图(g)为输入端口P7对应的波束，图(h)为输入端口P8对应的波束。
图6为本发明基于SIW的二维波束扫描天线阵形成的8个三维波束合成图。
图7为本发明基于SIW的二维波束扫描天线阵在激励不同输入端口时的二维波束方向图，其中，图(a)为输入端口P1对应的二维波束方向图，图(b)为输入端口P2对应的二维波束方向图，图(c)为输入端口P3对应的二维波束方向图，图(d)为输入端口P4对应的二维波束方向图，图(e)为输入端口P5对应的二维波束方向图，图(f)为输入端口P6对应的二维波束方向图，图(g)为输入端口P7对应的二维波束方向图，图(h)为输入端口P8对应的二维波束方向图。
具体实施方式
结合图1，本发明一种基于SIW的二维波束扫描天线阵，包括SIW缝隙天线20、介质基板Ⅰ[S1]、介质基板Ⅱ[S2]、介质基板Ⅲ[S3]、介质基板Ⅳ[S4]、介质基板Ⅴ[S5]、介质基板Ⅵ[S6]、金属层[M0]、金属层Ⅰ[M1]、金属层Ⅱ[M2]、金属层Ⅲ[M3]、金属层Ⅳ[M4]、金属层Ⅴ[M5]、金属层Ⅵ[M6]、两个Butler矩阵21和Butler矩阵控制网络22，Butler矩阵控制网络22对上述两个Butler矩阵21进行控制；
结合图1和图2，所述介质基板Ⅰ[S1]、介质基板Ⅱ[S2]、介质基板Ⅲ[S3]、介质基板Ⅳ[S4]、介质基板Ⅴ[S5]、介质基板Ⅵ[S6]从下至上依次叠加，介质基板Ⅰ[S1]的下方设置金属层[M0]，介质基板Ⅰ[S1]和介质基板Ⅱ[S2]之间设置金属层Ⅰ[M1]，介质基板Ⅱ[S2]和介质基板Ⅲ[S3]之间设置金属层Ⅱ[M2]，介质基板Ⅲ[S3]和介质基板Ⅳ[S4]之间设置金属层Ⅲ[M3]，介质基板Ⅳ[S4]和介质基板Ⅴ[S5]之间设置金属层Ⅳ[M4]，介质基板Ⅴ[S5]和介质基板Ⅵ[S6]之间设置金属层Ⅴ[M5]，介质基板Ⅵ[S6]的上表面设置金属层Ⅵ[M6]；
金属层Ⅰ[M1]上开有层间耦合缝隙Ⅰ[14]，金属层Ⅱ[M2]上开有层间耦合缝隙Ⅱ[15]，金属层Ⅲ[M3]上开有层间耦合缝隙Ⅲ[16]，金属层Ⅳ[M4]上开有层间耦合缝隙Ⅳ[17]，金属层Ⅴ[M5]上开有层间耦合缝隙Ⅴ[18]；其中层间耦合缝隙Ⅰ[14]的结构为方形，层间耦合缝隙Ⅱ[15]、层间耦合缝隙Ⅲ[16]、层间耦合缝隙Ⅳ[17]和层间耦合缝隙Ⅴ[18]的结构为十字形；
介质基板Ⅰ[S1]、介质基板Ⅱ[S2]的结构通过层间耦合缝隙Ⅰ[14]进行能量传输，介质基板Ⅱ[S2]和介质基板Ⅲ[S3]的结构通过层间耦合缝隙Ⅱ[15]进行能量传输，介质基板Ⅲ[S3]和介质基板Ⅳ[S4]的结构通过层间耦合缝隙Ⅲ[16]进行能量传输,介质基板Ⅳ[S4]和介质基板Ⅴ[S5]的结构通过层间耦合缝隙Ⅳ[17]进行能量传输,介质基板Ⅴ[S5]和介质基板Ⅵ[S6]的结构通过层间耦合缝隙Ⅴ[18]进行能量传输；
介质基板Ⅵ[S6]上设置SIW缝隙天线20，两个Butler矩阵关于天线阵的中心线对称设置，每个Butler矩阵均包括两个-45°移相器、两个90°移相器、四个3dB定向耦合器和两个0dB定向耦合器，其中两个-45°移相器和两个3dB定向耦合器位于介质基板Ⅱ[S2]上，一个0dB定向耦合器位于介质基板Ⅲ[S3]上，两个3dB定向耦合器位于介质基板Ⅳ[S4]上，一个0dB定向耦合器和两个90°移相器位于介质基板Ⅴ[S5]上；
Butler矩阵控制网络22包括四个3dB定向耦合器和四个移相器，每个3dB定向耦合器均对应一个移相器，其中两个3dB定向耦合器和两个移相器位于介质基板Ⅱ[S2]上，另外两个3dB定向耦合器和另外两个移相器位于介质基板Ⅰ[S1]上。
所述移相器为等长不等宽的SIW结构。
所述的基于SIW的二维波束扫描天线阵中，每个Butler矩阵均包括四个输入端口和四个输出端口，其中四个输入端口分别与Butler矩阵控制网络的输出端口相连，该四个输入端口中有两个直接与位于介质基板Ⅱ[S2]上的Butler矩阵控制网络中的3dB定向耦合器和移相器相连，另外两个输入端口通过层间耦合缝隙Ⅰ[14]与位于介质基板Ⅰ[S1]上的Butler矩阵控制网络中的3dB定向耦合器和移相器相连；每个Butler矩阵的四个输出端口通过层间耦合缝隙Ⅴ[18]与天线相连。
所述介质基板Ⅰ[S1]、介质基板Ⅱ[S2]、介质基板Ⅲ[S3]、介质基板Ⅳ[S4]、介质基板Ⅴ[S5]、介质基板Ⅵ[S6]的介电常数εr均为2.2～10.2，厚度H均为0.001λ～0.1λ，其中λ为自由空间波长。
所述SIW宽度为0.5λg～λg,金属通孔半径R为0.05λc～0.25λc，金属通孔间距d为2R～5R，其中λg为介质基板Ⅰ[S1]、介质基板Ⅱ[S2]、介质基板Ⅲ[S3]、介质基板Ⅳ[S4]、介质基板Ⅴ[S5]、介质基板Ⅵ[S6]的介质有效波长，λc为介质基板Ⅰ[S1]、介质基板Ⅱ[S2]、介质基板Ⅲ[S3]、介质基板Ⅳ[S4]、介质基板Ⅴ[S5]、介质基板Ⅵ[S6]中SIW结构的截止波长。
所述层间耦合缝隙Ⅰ[14]边长W1为0.1λg～λg，层间耦合缝隙Ⅱ[15]、层间耦合缝隙Ⅲ[16]、层间耦合缝隙Ⅳ[17]、层间耦合缝隙Ⅴ[18]均是由方形缝隙和长方形缝隙组合而成的十字形缝隙，其中，长方形缝隙的长W3为0.1λg～λg，宽W4为0.01λg～0.5λg，方形缝隙的边长W2为0.1λg～λg。
所述SIW缝隙天线20中与天线缝隙长边垂直的方向为x方向，与天线缝隙长边平行的方向为y方向，阵列x方向阵间距为0.25λg～0.75λg，y方向阵间距为0.25λg～0.75λg，SIW缝隙天线20缝隙19长W5为0.1λg～λg，宽W6为0.01λg～0.5λg。
下面结合实施例对本发明的具体装置的细节及工作情况进行细化说明。
实施例1
结合图1、图2和图3，该二维波束扫描阵包括SIW缝隙天线20、介质基板Ⅰ[S1]、介质基板Ⅱ[S2]、介质基板Ⅲ[S3]、介质基板Ⅳ[S4]、介质基板Ⅴ[S5]、介质基板Ⅵ[S6]、金属层[M0]、金属层Ⅰ[M1]、金属层Ⅱ[M2]、金属层Ⅲ[M3]、金属层Ⅳ[M4]、金属层Ⅴ[M5]、金属层Ⅵ[M6]、两个Butler矩阵21和Butler矩阵控制网络22，Butler矩阵控制网络22对上述两个Butler矩阵21进行控制。整个结构由六层介质基板(18层LTCC介质层)组成，其中，每层介质基板介电常数εr为为5.9，介质损耗角为0.009，厚度H为0.288mm，约为0.09λ0(其中λ0为94GHz处的自由空间波长)，每层介质基板SIW传输结构宽度a为1.086mm，约为0.34λ0(其中λ0为7.7GHz处的自由空间波长)。
结合图2，组成该二维波束扫描阵的3dB定向耦合器耦合缝隙长度W7为1.5mm，宽度Ws是＝0.15mm，组成该二维波束扫描阵的0dB定向耦合器耦合缝隙长度W8为3.05mm，宽度Ws是＝0.15mm。
结合图2(a)和(d)，所述层间耦合缝隙有两种，上下层能量同方向耦合传输的采用层间耦合缝隙Ⅰ[14]边长W1为0.8mm，层间耦合缝隙Ⅱ[15]、层间耦合缝隙Ⅲ[16]、层间耦合缝隙Ⅳ[17]、层间耦合缝隙Ⅴ[18]是由方形缝隙和长方形缝隙组合而成的十字形缝隙，其中，长方形缝隙的长W3为1.1mm，宽W4为0.1mm，方形缝隙的边长W2为0.8mm。
结合图3，所述的二维波束扫描天线阵，当Butler矩阵控制网络[22]中的四个移相器值相移值分别为A，B，C，D时，SIW缝隙阵列[20]在两个维度上可得到的相位差的理论值和移相器值的关系如表1所示，设置好A，B，C，D的值后，即可实现波束的扫描。实施例1中，将A、B、C、D值设为0。
结合图4，该二维波束扫描天线阵从不同的端口输入时，其在中心频率处的回波损耗在-20dB以下，能量在该结构内可以进行有效的传输。
结合图5、图6和图7，该二维波束扫描天线阵从不同的端口输入时，可以在空间中得到不同角度分布的波束，而且，每个波束增益在11dBi以上。由于该结构有8个端口，因此，可以在空间得到8个不同指向的波束，可在空间中实现60°的全域覆盖。
由上可知，本发明的基于SIW的二维波束扫描天线阵可以在两个维度上实现任意角度的波束扫描。

Claims (7)

1.一种基于SIW的二维波束扫描天线阵，其特征在于，包括SIW缝隙天线[20]、介质基板Ⅰ[S1]、介质基板Ⅱ[S2]、介质基板Ⅲ[S3]、介质基板Ⅳ[S4]、介质基板Ⅴ[S5]、介质基板Ⅵ[S6]、金属层[M0]、金属层Ⅰ[M1]、金属层Ⅱ[M2]、金属层Ⅲ[M3]、金属层Ⅳ[M4]、金属层Ⅴ[M5]、金属层Ⅵ[M6]、两个Butler矩阵[21]和Butler矩阵控制网络[22]，Butler矩阵控制网络[22]对上述两个Butler矩阵[21]进行控制；
所述介质基板Ⅰ[S1]、介质基板Ⅱ[S2]、介质基板Ⅲ[S3]、介质基板Ⅳ[S4]、介质基板Ⅴ[S5]、介质基板Ⅵ[S6]从下至上依次叠加，介质基板Ⅰ[S1]的下方设置金属层[M0]，介质基板Ⅰ[S1]和介质基板Ⅱ[S2]之间设置金属层Ⅰ[M1]，介质基板Ⅱ[S2]和介质基板Ⅲ[S3]之间设置金属层Ⅱ[M2]，介质基板Ⅲ[S3]和介质基板Ⅳ[S4]之间设置金属层Ⅲ[M3]，介质基板Ⅳ[S4]和介质基板Ⅴ[S5]之间设置金属层Ⅳ[M4]，介质基板Ⅴ[S5]和介质基板Ⅵ[S6]之间设置金属层Ⅴ[M5]，介质基板Ⅵ[S6]的上表面设置金属层Ⅵ[M6]；
金属层Ⅰ[M1]上开有层间耦合缝隙Ⅰ[14]，金属层Ⅱ[M2]上开有层间耦合缝隙Ⅱ[15]，金属层Ⅲ[M3]上开有层间耦合缝隙Ⅲ[16]，金属层Ⅳ[M4]上开有层间耦合缝隙Ⅳ[17]，金属层Ⅴ[M5]上开有层间耦合缝隙Ⅴ[18]；其中层间耦合缝隙Ⅰ[14]的结构为方形，层间耦合缝隙Ⅱ[15]、层间耦合缝隙Ⅲ[16]、层间耦合缝隙Ⅳ[17]和层间耦合缝隙Ⅴ[18]的结构为十字形；
介质基板Ⅰ[S1]、介质基板Ⅱ[S2]的结构通过层间耦合缝隙Ⅰ[14]进行能量传输，介质基板Ⅱ[S2]和介质基板Ⅲ[S3]的结构通过层间耦合缝隙Ⅱ[15]进行能量传输，介质基板Ⅲ[S3]和介质基板Ⅳ[S4]的结构通过层间耦合缝隙Ⅲ[16]进行能量传输,介质基板Ⅳ[S4]和介质基板Ⅴ[S5]的结构通过层间耦合缝隙Ⅳ[17]进行能量传输,介质基板Ⅴ[S5]和介质基板Ⅵ[S6]的结构通过层间耦合缝隙Ⅴ[18]进行能量传输；
介质基板Ⅵ[S6]上设置SIW缝隙天线[20]，两个Butler矩阵关于天线阵的中心线对称设置，每个Butler矩阵均包括两个-45°移相器、两个90°移相器、四个3dB定向耦合器和两个0dB定向耦合器，其中两个-45°移相器和两个3dB定向耦合器位于介质基板Ⅱ[S2]上，一个0dB定向耦合器位于介质基板Ⅲ[S3]上，两个3dB定向耦合器位于介质基板Ⅳ[S4]上，一个0dB定向耦合器和两个90°移相器位于介质基板Ⅴ[S5]上；
Butler矩阵控制网络[22]包括四个3dB定向耦合器和四个移相器，每个3dB定向耦合器均对应一个移相器，其中两个3dB定向耦合器和两个移相器位于介质基板Ⅱ[S2]上，另外两个3dB定向耦合器和另外两个移相器位于介质基板Ⅰ[S1]上。
2.根据权利要求1所述的基于SIW的二维波束扫描天线阵，其特征在于，所述移相器为等长不等宽的SIW结构。
3.根据权利要求1所述的基于SIW的二维波束扫描天线阵，其特征在于，每个Butler矩阵均包括四个输入端口和四个输出端口，其中四个输入端口分别与Butler矩阵控制网络的输出端口相连，该四个输入端口中有两个直接与位于介质基板Ⅱ[S2]上的Butler矩阵控制网络中的3dB定向耦合器和移相器相连，另外两个输入端口通过层间耦合缝隙Ⅰ[14]与位于介质基板Ⅰ[S1]上的Butler矩阵控制网络中的3dB定向耦合器和移相器相连；每个Butler矩阵的四个输出端口通过层间耦合缝隙Ⅴ[18]与天线相连。
4.根据权利要求1、2或3所述的基于SIW的二维波束扫描天线阵，其特征在于，介质基板Ⅰ[S1]、介质基板Ⅱ[S2]、介质基板Ⅲ[S3]、介质基板Ⅳ[S4]、介质基板Ⅴ[S5]、介质基板Ⅵ[S6]的介电常数εr均为2.2～10.2，厚度H均为0.001λ～0.1λ，其中λ为自由空间波长。
5.根据权利要求1、2或3所述的基于SIW的二维波束扫描天线阵，其特征在于，SIW宽度为0.5λg～λg,金属通孔半径R为0.05λc～0.25λc，金属通孔间距d为2R～5R，其中λg为介质基板Ⅰ[S1]、介质基板Ⅱ[S2]、介质基板Ⅲ[S3]、介质基板Ⅳ[S4]、介质基板Ⅴ[S5]、介质基板Ⅵ[S6]的介质有效波长，λc为介质基板Ⅰ[S1]、介质基板Ⅱ[S2]、介质基板Ⅲ[S3]、介质基板Ⅳ[S4]、介质基板Ⅴ[S5]、介质基板Ⅵ[S6]中SIW结构的截止波长。
6.根据权利要求1、2或3所述的基于SIW的二维波束扫描天线阵，其特征在于，层间耦合缝隙Ⅰ[14]边长W1为0.1λg～λg，层间耦合缝隙Ⅱ[15]、层间耦合缝隙Ⅲ[16]、层间耦合缝隙Ⅳ[17]、层间耦合缝隙Ⅴ[18]均是由方形缝隙和长方形缝隙组合而成的十字形缝隙，其中，长方形缝隙的长W3为0.1λg～λg，宽W4为0.01λg～0.5λg，方形缝隙的边长W2为0.1λg～λg。
7.根据权利要求1、2或3所述的基于SIW的二维波束扫描天线阵，其特征在于，SIW缝隙天线[20]中与天线缝隙长边垂直的方向为x方向，与天线缝隙长边平行的方向为y方向，阵列x方向阵间距为0.25λg～0.75λg，y方向阵间距为0.25λg～0.75λg，SIW缝隙天线[20]缝隙[19]长W5为0.1λg～λg，宽W6为0.01λg～0.5λg。
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