CN108539422B - 三维蜿蜒基片集成波导近场聚焦扫描漏波缝隙阵天线 - Google Patents

三维蜿蜒基片集成波导近场聚焦扫描漏波缝隙阵天线 Download PDF

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Abstract

本发明一种三维蜿蜒基片集成波导近场聚焦扫描漏波缝隙阵天线，天线的整体形状为光滑曲面，曲面由至少两个以上的弧面连接而成，相邻弧面在相交处拥有同一个切平面，天线的两端为与光滑曲面相切的平面馈电结构；天线包括上、下两个金属覆铜层、两个金属覆铜层之间的介质基板层；上金属覆铜层上设有垂直贯穿上金属覆铜层的辐射缝隙，辐射缝隙在天线中心线左右两侧交错排布；介质基板层上设有金属化通孔，金属化通孔关于天线中心线两侧对称排布，以形成基片集成波导结构；本发明基于三维蜿蜒基片集成波导，将基片集成波导设计为蜿蜒形状实现了近场聚焦漏波天线的焦点大范围扫描，并克服了焦点在扫描中降低的难题，获得了焦点大范围等高扫描的性能。

Description

三维蜿蜒基片集成波导近场聚焦扫描漏波缝隙阵天线
技术领域
本发明属于近场聚焦领域，具体涉及毫米波三维蜿蜒基片集成波导近场聚焦扫描漏波缝隙阵天线。
背景技术
随着近场聚焦天线在微波毫米波成像、无线输能、门禁及射频识别等领域的广泛应用，对其扫描范围、扫描速率及性能提出了越来越高的要求。漏波天线作为一种常用的天线，具备频率扫描特性。该类型天线的基本工作原理是在天线终端加载匹配负载，使得器件工作在行波状态，通过调整天线单元的位置综合所需的相位分布，实现所需的方向图赋形。近年来得到广泛应用的基片集成波导，不仅具有波导结构的低插损和低泄漏辐射特性，还具有微带线的高集成度特性，为新兴的低剖面缝隙阵天线提供了良好的设计平台。
将具有频扫能力的基片集成波导漏波缝隙阵天线应用在近场聚焦扫描领域是一种很好的选择。但是相比于远场，由于近场聚焦领域的特殊性，其对传输结构的相位调控能力的要求更高。在近场聚焦赋形设计中，要求近场天线的口径相位需要满足平方律变化。其典型特征是，随着阵列的扩大，阵列口径所需的相位加速变化。这种平方律加速的相位分布对于传统传输结构是一大挑战。
现有技术用来实现漏波天线近场聚焦的方案一是对传输线宽度进行修正来改变其传播常数进而实现传播相位的设计(详见[1]-[2]：[1]J.L.Gómez-Tornero,F.Quesada-Pereira,A.A lvarez-Melcón,G.Goussetis,A.R.Weily,and Y.J.Guo,“Frequencysteerable two dimens ional focusing using rectilinear leaky-wave lenses,”IEEETrans.Antennas Propag.,vol.59,no.2,pp.407–415,Feb.2011.[2]A.J.Martínez-Ros,J.L.Gómez-Tornero,and G.Gouss etis,“Holographic pattern synthesis withmodulated substrate integrated waveguide line-sourc e leaky-wave antennas,”IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.61,no.7,pp.3466–3474,Jul.2013.)但是变动的传播常数将会对频率产生不同的响应，导致其焦点随频率扫描特性恶化，其在扫描领域的应用得到限制。方案二是对辐射单元间距进行调整(详见：S.Clauzier,S.A vrillon,L.Le Coq,M.Himdi,F.Colombel,and E.Rochefort,“Slotted waveguide antenna with a near-field focused beam in one plane,”IET Microw.Antennas Propag.,vol.9,no.7,pp.634–639,2015.)来实现相位调控，但是因为近场平方律相位加速特性，会导致阵列边缘的单元间距将会变得过大，无法满足近场聚焦的扫描需求。另外，以上两种方案，都存在扫描过程中因有效口径快速下降导致的焦点高度降低的现象，均无法实现大范围等高扫描。
三维蜿蜒基片集成波导的提出，为攻克近场聚焦大范围等高扫描的漏波天线的设计难题提供了新的思路。一般而言传统的微波器件多为平面结构，若充分利用纵向维度，即采用三维布局而非传统二维布局的方式设计器件结构，利用三维立体设计来有效提升传输结构的幅相调控能力，就可以实现传统平面结构难以完成的复杂波束赋形设计。因此，基于三维蜿蜒基片集成波导，来实现近场聚焦大范围等高扫描的漏波缝隙阵天线具有很高的研究意义。
发明内容
本发明目的在于为了克服上述近场聚焦扫描漏波天线设计中、因近场聚焦特殊的平方律变化的口径相位分布要求以及扫描过程中有效口径快速下降的特性、从而导致传统平面设计方法无法实现近场焦点等高度大范围扫描的难题，基于三维蜿蜒基片集成波导，提出了一种三维蜿蜒的基片集成波导漏波缝隙阵天线结构，通过合理设计天线的蜿蜒形状，充分利用纵向维度实现近场聚焦所需的口径相位分布，同时利用天线的蜿蜒形状消除天线扫描对焦点高度的影响，从而解决传统平面漏波天线无法实现大范围等高扫描的难题。
为实现上述发明目的，本发明具体技术方案如下：
一种三维蜿蜒基片集成波导近场聚焦扫描漏波缝隙阵天线，天线的整体形状为光滑曲面，所述曲面由至少两个以上的弧面平滑过渡连接而成，天线的两端为与光滑曲面相切的平面馈电结构；所述天线包括上、下两个金属覆铜层、以及两个金属覆铜层之间的介质基板层；上金属覆铜层上设有垂直贯穿上金属覆铜层的辐射缝隙，所述辐射缝隙在天线中心线左右两侧交错排布；介质基板层上设有金属化通孔，金属化通孔关于天线中心线两侧对称排布，以形成基片集成波导结构。
作为优选方式，第i个辐射缝隙和第i+1个辐射缝隙之间的弧长距离ΔLi和该两个辐射缝隙之间的曲面在xoz平面上的投影曲线函数方程z＝fi(x)应该满足方程组：
Figure BDA0001636918920000021
其中xi和ri分别为第i个辐射缝隙的横坐标、第i个辐射缝隙与近场聚焦点之间的距离(i≥1)；z＝fi(x)为第i个辐射缝隙和第i+1个缝隙之间的曲面在xoz平面上的投影曲线函数方程，同时fi(x)与fi+1(x)需要在xi+1处相交，并且两者在xi+1处的导数相等；ΔLi为两个缝隙之间的弧长距离，通过对曲线方程的弧长积分得到；z0表示近场聚焦点的高度，fi(xi)为第i个辐射缝隙的纵坐标；k和β分别为自由空间中和基片集成波导内的电磁波的传播常数。
作为优选方式，两个金属覆铜层和介质基板层通过平面PCB工艺加工得到，然后贴合固定在三维蜿蜒的载体上以形成三维蜿蜒基片集成波导缝隙阵天线，三维蜿蜒的载体和所述光滑曲面的形状一致。
作为优选方式，辐射缝隙有24根，其宽度、长度均一致。
作为优选方式，馈电结构为微带线过渡到基片集成波导的T形结构。
作为优选方式，三维蜿蜒的载体通过3D打印的方法得到。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明基于三维蜿蜒基片集成波导的概念，将基片集成波导设计为一定的蜿蜒形状，来突破传统平面的幅相调控思想，简化器件的设计难度，提高器件的幅相调控能力。
(2)本发明提供了一种特定形状的基片集成波导三维蜿蜒结构。并将该结构用来设计了一款三维蜿蜒基片集成波导近场聚焦扫描漏波缝隙阵天线。该天线突破传统的近场天线的平面设计思路，通过三维蜿蜒设计，实现近场聚焦漏波天线的焦点大范围扫描，并且克服了焦点在扫描中降低的难题，获得了焦点大范围等高扫描的性能。
(3)本发明提供了一种三维蜿蜒基片集成波导近场聚焦大范围等高扫描的缝隙阵天线的综合迭代计算方法。
(4)本发明提供了一种通过低成本平面PCB工艺加工天线，贴合固定在三维蜿蜒的载体上，以形成三维蜿蜒基片集成波导缝隙阵天线的方法。
附图说明
图1为平面漏波天线近场聚焦赋形设计原理示意图。
图2为三维蜿蜒基片集成波导近场聚焦扫描漏波缝隙阵天线的设计原理示意图。
图3为三维蜿蜒基片集成波导缝隙阵天线在直角坐标系中的几何关系。
图4为实施例中三维蜿蜒基片集成波导缝隙位置与平面基片集成波导缝隙位置的对比图。
图5为实施例中三维蜿蜒基片集成波导近场聚焦扫描漏波缝隙阵天线的侧视图。
图6为实施例中三维蜿蜒基片集成波导近场聚焦扫描漏波缝隙阵天线整体示意图。
图7为实施例中三维蜿蜒基片集成波导近场聚焦扫描漏波缝隙阵天线平面展开示意图(平面加工示意图)。
图8为实施例中三维蜿蜒基片集成波导近场聚焦扫描漏波缝隙阵天线平面加工细节放大图。
图9为实施例中三维蜿蜒基片集成波导近场聚焦扫描漏波缝隙阵天线的3D加工装配底座图。
图10为实施例近场聚焦扫描天线的扫描特性仿真结果图。
图11为实施例S参数仿真与测试结果图。
图12为实施例E面归一化场强分布在不同频率的扫描仿真图。
图13为实施例E面归一化场强分布在不同频率的扫描测试图。
其中，1为上金属覆铜层，2为介质基板层，3为下金属覆铜层，4为辐射缝隙，5为金属化通孔，6为介质基板层通孔，71和72分别为微带线过渡到基片集成波导的T形馈电结构的输入端和输出端，8为蜿蜒底座螺纹孔。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
本实施例中提供一个三维蜿蜒基片集成波导近场聚焦大范围等高扫描漏波缝隙阵天线。缝隙天线为在波导或空腔谐振器上开出一个或数个缝隙以辐射或接收电磁波的天线。
一种三维蜿蜒基片集成波导近场聚焦扫描漏波缝隙阵天线，天线的整体形状为光滑曲面，所述曲面由至少两个以上的弧面平滑过渡连接而成，天线的两端为与光滑曲面相切的平面馈电结构；所述天线包括上、下两个金属覆铜层1和3、以及两个金属覆铜层之间的介质基板层2；上金属覆铜层1上设有垂直贯穿上金属覆铜层的辐射缝隙4，所述辐射缝隙4在天线中心线左右两侧交错排布；介质基板层2上设有金属化通孔5，金属化通孔关于天线中心线两侧对称排布，以形成基片集成波导结构。
图1给出了平面近场聚焦赋形设计原理的示意图，其口径相位变化如式(1)所示，为平方律变化的双曲线，其中z0为近场聚焦焦点高度。其辐射缝隙分布如图4所示，对于平面漏波天线，可以看出缝隙间距从右到左逐渐变大，其中左边间距多数超过一个波长的间距，无法满足近场聚焦的扫描需求，过大的缝隙间距会引起栅瓣以及杂散辐射。
Figure BDA0001636918920000051
基于三维蜿蜒基片集成波导，提出的三维蜿蜒的基片集成波导漏波缝隙阵天线结构，可以通过合理设计天线的蜿蜒形状，充分利用纵向维度实现近场聚焦所需的口径相位分布，从而解决传统平面漏波天线无法实现大范围等高扫描的难题。三维蜿蜒基片集成波导近场聚焦天线的设计原理如图2所示，该天线是利用纵向高度补偿近场聚焦天线需要的口径相位，从而调整缝隙位置分布，避免出现过大的缝隙间距，通过合理设计缝隙阵天线的蜿蜒形状可以突破平面近场天线过大单元间距的限制。另外，可以通过天线蜿蜒形状来改善天线有效口径效率在扫描过程中降低的现象，进而抑制口径效率降低带来的焦点降低的现象。通过合理设计天线的蜿蜒形状，可以消除天线扫描对焦点高度的影响，从而实现大范围等高扫描特性。
如图3所示，假设第i个辐射缝隙的横坐标和第i+1个辐射缝隙之间的曲面在xoz平面上的投影曲线函数方程为函数fi(x)，即式(2)，第i个辐射缝隙和第i+1个辐射缝隙之间的弧长距离间距为ΔLi，近场聚焦焦点高度为z0，xi和ri分别为第i个辐射缝隙的横坐标、第i个辐射缝隙与近场聚焦点之间的距离(i≥1)；，z＝fi(x)为第i个辐射缝隙和第i+1个缝隙之间的曲面在xoz平面上的投影曲线函数方程，同时fi(x)与fi+1(x)需要在xi+1处相交，并且两者在xi+1处的导数相等；ΔLi为两个缝隙之间的弧长距离，通过对曲线方程的弧长积分得到；z0表示近场聚焦点的高度，fi(xi)为第i个辐射缝隙的纵坐标；k和β分别为自由空间中和基片集成波导内的电磁波的传播常数。
根据近场聚焦的相位要求，任意相邻缝隙应该满足式(3)。而由几何关系可知，ri和xi应该满足式(4)。ΔLi是函数fi(x)从xi到xi+1的弧长积分，如(5)所示。天线的蜿蜒形状函数fi(x)和缝隙间距ΔLi是天线需要综合的重要参数，天线整体的光滑曲面的截面函数为fi(x)组合，其中fi(x)与fi+1(x)需要在xi+1处相交，并且两者在xi+1处的导数相等，如式(6)和(7)所示。通过方程组(3)-(7)的迭代综合，可以得到满足要求的天线整体的蜿蜒形状和辐射缝隙分布位置。其综合限制条件为：保证柔性金属在可弯曲范围内并且保证缝隙间距不能过大。
z＝fi(x) (2)
k(ri+1-ri)＝βΔLi+π (3)
Figure BDA0001636918920000061
Figure BDA0001636918920000062
fi(xi+1)＝fi+1(xi+1)(6)
fi′(xi+1)＝fi+1′(xi+1) (7)
为了简化设计难度，本实施例中尽量选择一致的fi(x)函数来设计蜿蜒形状。最终基片集成波导的三维蜿蜒形状如图5所示，由四段圆弧以及两端平面结构构成，其中包括两段半径为r1和r2圆心在天线上侧的圆弧，两段半径为r3和r4圆心在天线下侧的圆弧，以及两端平面结构。所述蜿蜒形状第一段圆弧的半径r1为150mm，第二段圆弧的半径r2为180mm，第三段圆弧的半径r3为280mm，第四段圆弧的半径r4为300mm。第一段和第二段圆弧圆心在天线上侧，第三段和第四段圆弧圆心在天线下侧，四端圆弧在连接处有相同的切平面，保证整个天线曲面的光滑特性。其整体结构如图5、6、7所示，包括从下往上依次层叠的下金属覆铜层3、介质基板层2及上金属覆铜层1，上金属覆铜层1上设有垂直贯穿上金属覆铜层的辐射缝隙4，所述辐射缝隙4在天线中心线左右两侧交错排布。所述辐射缝隙4包括24根，所述缝隙的长度、宽度一致，其距离中心线距离决定其辐射强度。缝隙位置满足图4上蜿蜒基片集成波导情况下的位置分布。介质层上设有金属化通孔5，金属化通孔关于天线中心线两侧对称排布，以形成基片集成波导结构。所述平面结构71和72为微带线过渡到基片集成波导的T形馈电结构的输入端和输出端。
为了实现三维蜿蜒基片集成波导漏波缝隙阵天线结构，先将三维蜿蜒的天线设计模型换算为平面结构进行加工，然后通过3D打印技术打印蜿蜒底座，蜿蜒底座的上曲面跟三维蜿蜒天线的光滑曲面形状一致。将平面加工天线跟蜿蜒底座紧密贴合就可以实现三维蜿蜒的基片集成波导天线。图7和图8为三维蜿蜒基片集成波导近场聚焦扫描漏波缝隙阵天线平面加工示意图，其中图8为图7中方框内的放大图。结构6为两排介质基板层通孔，用来将天线固定在底座上。所述通孔6应与图9蜿蜒底座螺纹孔8的位置一致，两者通过螺丝紧密连接。
本实施例的中心工作频率35GHz；考虑到共形的设计，选用的基板为Tly-5，厚度为0.245mm，金属选用延展铜，厚度为0.0175mm。首先，通过近场聚焦设计方法可以各缝隙位置，如图4所示。另外，缝隙需要谐振在中心频率，从而可以确定缝隙的宽度和长度；单个缝隙的辐射量主要跟缝隙的偏移量相关，为了实现近场聚焦特性，要求阵列左右辐射量基本一致，从而可以得到缝隙的偏移量。24个缝隙的长度、宽度分别为：3.2mm、0.2mm，左边12个缝隙的偏移量为0.2mm和右边12个缝隙的偏移量为0.1mm，图4中给出了各缝隙的位置。图10为扫描特性的仿真结果，可以看出该实施例在33GHz-39GHz的范围内实现了很好的扫描性能。图11为仿真和测试的S参数频扫对比结果图，从图中可以看出，该天线在扫描范围内的回波系数很好，并且测试和仿真结果的一致性很高。图12和图13为仿真和测试的近场E面归一化场强方向图，从图中可以看出该天线有很好的扫描性能，并且两者的吻合度很高。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (5)

1.一种三维蜿蜒基片集成波导近场聚焦扫描漏波缝隙阵天线，其特征在于：天线的整体形状为光滑曲面，所述曲面由至少两个以上的弧面平滑过渡连接而成，天线的两端为与光滑曲面相切的平面馈电结构；所述天线包括上、下两个金属覆铜层、以及两个金属覆铜层之间的介质基板层；上金属覆铜层上设有垂直贯穿上金属覆铜层的辐射缝隙(4)，所述辐射缝隙(4)在天线中心线左右两侧交错排布；介质基板层上设有金属化通孔，金属化通孔关于天线中心线两侧对称排布，以形成基片集成波导结构；
第i个辐射缝隙和第i+1个辐射缝隙之间的弧长距离ΔLi和该两个辐射缝隙之间的曲面在xoz平面上的投影曲线函数方程z＝fi(x)应该满足方程组：
Figure FDA0002356081890000011
其中xi和ri分别为第i个辐射缝隙的横坐标、第i个辐射缝隙与近场聚焦点之间的距离(i≥1)；z＝fi(x)为第i个辐射缝隙和第i+1个缝隙之间的曲面在xoz平面上的投影曲线函数方程，同时fi(x)与fi+1(x)需要在xi+1处相交，并且两者在xi+1处的导数相等；ΔLi为两个缝隙之间的弧长距离，通过对曲线方程的弧长积分得到；z0表示近场聚焦点的高度，fi(xi)为第i个辐射缝隙的纵坐标；k和β分别为自由空间中和基片集成波导内的电磁波的传播常数。
2.根据权利要求1所述的三维蜿蜒基片集成波导近场聚焦扫描漏波缝隙阵天线，其特征在于：两个金属覆铜层和介质基板层通过平面PCB工艺加工得到，然后贴合固定在三维蜿蜒的载体上以形成三维蜿蜒基片集成波导缝隙阵天线，三维蜿蜒的载体和所述光滑曲面的形状一致。
3.根据权利要求1所述的三维蜿蜒基片集成波导近场聚焦扫描漏波缝隙阵天线，其特征在于：辐射缝隙(4)有24根，其宽度、长度均一致。
4.根据权利要求1所述的三维蜿蜒基片集成波导近场聚焦扫描漏波缝隙阵天线，其特征在于：馈电结构为微带线过渡到基片集成波导的T形结构。
5.根据权利要求2所述的三维蜿蜒基片集成波导近场聚焦扫描漏波缝隙阵天线，其特征在于：三维蜿蜒的载体通过3D打印的方法得到。
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