CN109193180B - 用于近场二维聚焦的高效率基片集成波导漏波缝隙阵天线 - Google Patents

用于近场二维聚焦的高效率基片集成波导漏波缝隙阵天线 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于近场二维聚焦高效率基片集成波导漏波缝隙阵天线，为若干单根漏波天线平行排布组成的天线阵列；单根漏波天线左右两侧宽度不等，每根漏波天线开设有平行于天线阵列的横向中心线的缝隙，每根天线相邻缝隙之间的间距各不相同；相邻单根漏波天线排布方向反向，首末端依次连接；本发明提出的相邻单根漏波天线反方向馈电的阵列拓扑结构，实现了近场二维聚焦天线的天然对称，同时使单根漏波天线宽度具备互补特性，调整左右两侧宽度获得相对均匀的缝隙分布，通过相邻反方向馈电的漏波天线的首位连接，实现了简单串馈结构下的高效率二维聚焦，克服了现有近场二维聚焦天线技术方案中存在的馈电复杂、极化损耗大、辐射效率低等问题。

Description

用于近场二维聚焦的高效率基片集成波导漏波缝隙阵天线
技术领域
本发明属于近场聚焦天线领域，具体涉及到毫米波用于近场二维聚焦的高效率基片集成波导漏波缝隙阵天线。
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，对其天线效率、二维聚焦能力提出了越来越高的要求。不同于远场天线阵，近场聚焦天线阵对传输结构的相位和幅度调控能力要求更高，需要产生平方律变化的口径相位分布以及平衡的辐射能量分布，对天线设计提出了更高的要求。
漏波天线作为一种常用的天线，其串馈的结构具备幅相调控能力。该类型天线工作在行波状态，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。现有技术用来实现漏波天线二维聚焦的方案可分为两类，第一类是一个维度通过漏波天线聚焦，另一个维度通过复杂的馈电网络进行聚焦；第二类是通过中心馈电的径向漏波结构来实现二维聚焦，但是其圆形分布的径向拓扑结构导致其极化调控困难，有较高的极化损耗。同时，这两类结构的辐射效率都因近场的幅相分布要求导致其难以提高。因此，一种具有简单馈电结构并具备高辐射效率的近场二维聚焦天线阵具有很高的研究意义。
发明内容
本发明目的在于克服上述现有近场二维聚焦天线技术方案中存在的馈电复杂、极化损耗大、辐射效率低等问题。提出了一种相邻单根漏波天线反方向馈电的基片集成波导漏波缝隙阵天线，通过相邻漏波天线反方向馈电的结构实现二维近场聚焦天线阵的天然对称。同时此种结构下将会使相邻基片集成波导宽度具备互补的特性，在此基础上，通过调整互补基片集成波导左右两侧的宽度，可以获得相对均匀的缝隙单元分布来避免近场杂散辐射的产生。最后通过功分器和拐角将相邻反方向馈电的漏波天线首末连接起来，将单根未辐射的剩余能量反方向馈入相邻的漏波天线，实现了简单串馈结构下的高效率二维聚焦。
为实现含上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种用于近场二维聚焦的高效率基片集成波导漏波缝隙阵天线，所述天线包括由若干单根基片集成波导漏波缝隙阵天线平行排布组成的天线阵列，馈入外部能量的第一漏波天线11位于天线阵列的横向中心，第一漏波天线11位于单根漏波天线纵向中心线22左侧的基片集成波导宽度为w1，第一漏波天线11位于单根漏波天线纵向中心线22右侧的基片集成波导宽度为w2，w1>w2，第一漏波天线11旋转180度向上平移(w1+w2)/2得到第二漏波天线12，第二漏波天线12旋转180度向上移(w1+w2)/2得到第三漏波天线13…第n-1漏波天线旋转180度向上平移(w1+w2)/2得到第n漏波天线1n，每根漏波天线的能量馈入端为首端，另一端为末端，第一漏波天线11的末端通过基片集成波导功分器3分别连接天线阵列的横向中心线6上下两侧的第二漏波天线12的首端，从第二漏波天线12开始，相邻的漏波天线的首末端依次通过基片集成波导拐角4连接，基片集成波导拐角使相邻两个单根漏波天线中的基片集成波导的传播方向发生反转，所述每根基片集成波导漏波缝隙阵天线开设有若干平行于天线阵列的横向中心线6的若干缝隙5，所述若干缝隙5沿单根漏波天线横向中心线21上下排布；每根漏波缝隙阵天线相邻缝隙之间的间距各不相同；天线阵列的横向中心线6下方的结构和上方的结构镜像对称。
优选地，在上述的一种用于近场二维聚焦的高效率基片集成波导漏波缝隙阵天线，每个基片集成波导功分器3包括两个由功分器金属化通孔31围成的直角，在直角的内部设有两个功分器调谐销钉32；每个基片集成波导拐角4包括两个由拐角金属化通孔41围成的直角，在直角的内部设有两个拐角调谐销钉42。直角使输入和输出口传播方向反转，功分器和拐角的长度用来调节馈入单根漏波缝隙阵天线的相位，满足在另外一个维度聚焦所需的相位。
优选地，在上述的一种用于近场二维聚焦的高效率基片集成波导漏波缝隙阵天线，单根基片集成波导漏波缝隙阵天线相邻辐射缝隙之间的间距各不相同，以产生近场聚焦所需相位分布，通过调整互补基片集成波导的宽度w1和w2，进而调节对应传播常数β1和β2，可以获得相对均匀的缝隙单元分布来避免近场杂散辐射的产生，其位置满足：
Figure BDA0001783362920000021
其中li为缝隙第i个缝隙的位置，l0为起始馈电口位置，lw1为宽度为w1的基片集成波导长度，
Figure BDA0001783362920000022
为近场聚焦所需的相位分布，z0为焦点高度位置，β1和β2是基片集成波导宽度为w1和w2时对应的相位传播常数，(x,y)为近场天线阵面上的任意一点的坐标，N*是非零的正整数。
优选地，在上述的一种用于近场二维聚焦的高效率基片集成波导漏波缝隙阵天线，整个天线口径面上共有5根基片集成波导漏波缝隙阵天线，各根基片集成波导缝隙阵天线上设有13个缝隙。
优选地，在上述的一种用于近场二维聚焦的高效率基片集成波导漏波缝隙阵天线，第n漏波天线1n的末端被金属化通孔封闭，防止能量的泄漏。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明提出一种相邻单根漏波天线反方向馈电的基片集成波导漏波缝隙阵天线，实现了二维近场聚焦天线阵的天然对称。
(2)本发明通过相邻单根漏波天线反方向馈电的拓扑结构使基片集成波导宽度具备互补特性。在此基础上，通过调整互补基片集成波导左右两侧的宽度，可以获得相对均匀的缝隙单元分布来避免近场杂散辐射的产生。
(3)本发明通过功分器和拐角将反方向馈电的多根漏波天线连接起来，将单根未辐射的剩余能量反方向馈入相邻的漏波天线，实现了简单串馈结构下的高效率二维聚焦。
(4)本发明克服了现有近场二维聚焦天线技术方案中存在的馈电复杂、极化损耗大、辐射效率低等问题。
附图说明
图1为用于近场二维聚焦的高效率基片集成波导漏波缝隙阵天线的结构示意图。
图2为用于近场二维聚焦的高效率基片集成波导漏波缝隙阵天线的结构侧视图。
图3为单根基片集成波导漏波缝隙阵天线的结构示意图。
图4为n条相邻基片集成波导漏波缝隙阵天线反方向馈电的结构示意图。
图5为天线阵中基片集成波导功分器的结构示意图。
图6为天线阵中基片集成波导拐角的结构示意图。
图7为用于近场二维聚焦的高效率基片集成波导漏波缝隙阵天线的实现原理图。
图8为用于近场二维聚焦的高效率基片集成波导漏波缝隙阵天线的能量分配示意图。
图9为近场二维聚焦原理示意图。
图10为单根近场聚焦基片集成波导漏波缝隙阵天线缝隙位置计算图。
图11为实施例所用到功分器和拐角结构尺寸图。
图12为实施例的近场二维聚焦天线在水平面和垂直面的辐射电场密度分布仿真结果图。
图13为实施例的近场二维聚焦高效率天线阵的S参数仿真和测试结果。
图14为H面的归一化近场方向图的测试和仿真结果。
图15为E面的归一化近场方向图的测试和仿真结果。
图16为Z轴方向距离天线口径面不同位置场强大小的仿真和测试结果。
其中，21为单根漏波天线横向中心线，22为单根漏波天线纵向中心线，3为基片集成波导功分器，4为基片集成波导拐角，5为缝隙，6为天线阵列的横向中心线，11为第一漏波天线，12为第二漏波天线，13为第三漏波天线…1n为第n漏波天线，31为功分器金属化通孔，32为功分器调谐销钉，41为拐角金属化通孔，42为拐角调谐销钉。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明：
本实施例中首先提供一种用于近场二维聚焦的高效率基片集成波导漏波缝隙阵天线。
图1和图2给出了此用于近场二维聚焦的高效率基片集成波导漏波缝隙阵天线结构示意图。图3给出了此天线阵中单根基片集成波导漏波缝隙阵(左右两侧宽度不同)天线结构示意图。
该天线包括由若干单根基片集成波导漏波缝隙阵天线平行排布组成的天线阵列，馈入外部能量的第一漏波天线11位于天线阵列的横向中心，第一漏波天线11位于单根漏波天线纵向中心线22左侧的基片集成波导宽度为w1，第一漏波天线11位于单根漏波天线纵向中心线22右侧的基片集成波导宽度为w2，w1>w2，对应的基片集成波导内的传播常数分别为β1和β2，不同的传播常数用来调节辐射缝隙的分布。图4给出了n条相邻漏波缝隙阵反方向馈电的结构示意图。第一漏波天线11旋转180度向上平移(w1+w2)/2得到第二漏波天线12，第二漏波天线12旋转180度向上移(w1+w2)/2得到第三漏波天线13…第n-1漏波天线旋转180度向上平移(w1+w2)/2得到第n漏波天线1n，每根漏波天线的能量馈入端为首端，另一端为末端，第一漏波天线11的末端通过基片集成波导功分器3分别连接天线阵列的横向中心线6上下两侧的第二漏波天线12的首端，从第二漏波天线12开始，相邻的漏波天线的首末端依次通过基片集成波导拐角4连接，基片集成波导拐角使相邻两个单根漏波天线中的基片集成波导的传播方向发生反转；相邻单根漏波天线反方向馈电的拓扑结构使基片集成波导宽度具备互补特性，在此基础上，通过调整互补基片集成波导两侧的宽度，可以获得相对均匀的缝隙单元分布来避免近场杂散辐射的产生；每根漏波缝隙阵天线开设有若干平行于天线阵列的横向中心线6的缝隙5，所述若干缝隙5沿单根漏波天线横向中心线21上下排布；每根天线相邻缝隙之间的间距各不相同，以产生近场聚焦所需相位分布；天线阵列的横向中心线6下方的结构和上方的结构镜像对称。
图5和图6分别给出了此天线阵中基片集成波导功分器基片集成波导拐角的结构示意图。每个基片集成波导功分器3包括两个由功分器金属化通孔31围成的直角，在直角的内部设有两个功分器调谐销钉32；每个基片集成波导拐角4包括两个由拐角金属化通孔41围成的直角，在直角的内部设有两个拐角调谐销钉42。直角使输入和输出口传播方向反转，功分器和拐角的长度用来调节馈入单根漏波缝隙阵天线的相位，满足在另外一个维度聚焦所需的相位。
图7给出了二维聚焦高辐射效率基片集成波导漏波缝隙阵实现原理图，图7(a)中单根基片集成波导漏波缝隙阵馈电方向全部相同，在此结构下，单根基片集成波导漏波缝隙阵宽度需要保持一致才能组成阵列，会造成左右两侧缝隙排布稀疏不均匀，难以实现很好的对称性。在此基础上，本发明专利提出了相邻单根漏波天线反方向馈电的基片集成波导缝隙阵漏波天线，此拓扑结构可以实现了二维近场聚焦的天线的天然对称。同时，相邻单根漏波天线反方向馈电的拓扑结构使基片集成波导宽度具备互补特性，在此基础上，通过调整互补基片集成波导左右两侧的宽度，可以获得相对均匀的缝隙单元分布来避免近场杂散辐射的产生。
图8给出了本发明提出的二维聚焦高效率基片集成波导漏波缝隙阵的能量分配示意图，通过功分器和拐角将反方向馈电的多根漏波天线连接起来，将单根未辐射的剩余能量反方向馈入相邻的漏波天线，实现了简单串馈结构下的高效率二维聚焦。
图9给出了近场二维聚焦原理示意图，阵列位于xoy平面上，近场焦点为F(0,0,z0)。为了将二维辐射缝隙的能量在F处聚焦，二维天线阵面的口径相位应该满足式(1)，
Figure BDA0001783362920000051
其中(0,0,z0)为近场聚焦点的坐标，(x,y)为近场天线阵面上的任意一点的坐标。
图10给出了缝隙位置求解的示意图，其中基片集成波导内传播的相位和聚焦所需相位的交点就是辐射缝隙的位置。可以看出，单根基片集成波导漏波缝隙阵天线相邻辐射缝隙之间的间距各不相同，以产生近场聚焦所需相位分布，通过调整互补基片集成波导的宽度w1和w2，进而调节对应传播常数β1和β2，可以获得相对均匀的缝隙单元分布来避免近场杂散辐射的产生，其位置满足：
Figure BDA0001783362920000052
其中li为缝隙第i个缝隙的位置，l0为起始馈电口位置，lw1为宽度为w1的基片集成波导长度，
Figure BDA0001783362920000053
为近场聚焦所需的相位分布，z0为焦点高度位置，β1和β2是基片集成波导宽度为w1和w2时对应的相位传播常数，(x,y)为近场天线阵面上的任意一点的坐标，N*是非零的正整数。
最终的设计结果，整个天线口径面上共有5根漏波缝隙阵天线，各根缝隙阵天线上设有13个缝隙。
第三漏波天线13的末端被金属化通孔封闭，防止能量的泄漏。
图11给出了本实施例的所用到功分器和拐角结构尺寸图，本实施例中天线的中心频率为35GHz,选用的基板为Tly-5，厚度为1.575mm，金属铜厚度为0.0175mm。基片集成波导宽度为w1＝4.12mm,w2＝3.56mm其传播常数β1＝719rad/m，β2＝491rad/m，得到各缝隙位置和功分器以及拐角的设计参数如表1所示。
表1
天线阵缝隙和功分器以及拐角设计参数(单位:毫米)
Figure BDA0001783362920000061
图12给出了实施例的近场二维聚焦天线在水平面和垂直面的辐射电场密度分布仿真结果图，可以看出，在x方向和y方向均实现了良好的聚焦效果。图13给出了S参数的仿真和测试结果图，在考虑天线有介质损耗和金属损耗的基础上，该天线有效能量辐射效率达到80％。图14和图15给出了E面和H面的归一化近场方向图的测试和仿真结果。图16给出了Z轴方向距离天线口径面不同位置场强大小的仿真和测试结果图，仿真和测试焦点高度分别为75mm和70mm。观察仿真和测试结果可以得到，实验和仿真吻合度很好，验证了该近场二维聚焦的高辐射效率基片集成波导漏波缝隙阵天线的设计理论。
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)

1.一种用于近场二维聚焦的高效率基片集成波导漏波缝隙阵天线，其特征在于：所述天线包括由若干单根基片集成波导漏波缝隙阵天线平行排布组成的天线阵列，馈入外部能量的第一漏波天线(11)位于天线阵列的横向中心，第一漏波天线(11)位于单根漏波天线纵向中心线(22)左侧的基片集成波导宽度为w1，第一漏波天线(11)位于单根漏波天线纵向中心线(22)右侧的基片集成波导宽度为w2，w1>w2，第一漏波天线(11)旋转180度向上平移(w1+w2)/2得到第二漏波天线(12)，第二漏波天线(12)旋转180度向上移(w1+w2)/2得到第三漏波天线(13)…第n-1漏波天线旋转180度向上平移(w1+w2)/2得到第n漏波天线(1n)，每根漏波天线的能量馈入端为首端，另一端为末端，第一漏波天线(11)的末端通过基片集成波导功分器(3)连接第二漏波天线(12)的首端，第二漏波天线(12)的首端分别位于第一漏波天线(11)的末端的上下两侧，从第二漏波天线(12)开始，相邻的漏波天线的首末端都设置基片集成波导拐角(4)，相邻的漏波天线的首末端依次通过基片集成波导拐角(4)连接，基片集成波导拐角(4)使相邻两个单根漏波天线中的基片集成波导的传播方向发生反转，所述每根基片集成波导漏波缝隙阵天线开设有若干平行于天线阵列的横向中心线(6)的若干缝隙(5)，所述若干缝隙(5)沿单根漏波天线横向中心线(21)上下排布；每根漏波缝隙阵天线相邻缝隙之间的间距各不相同；天线阵列的横向中心线(6)下方的结构和上方的结构镜像对称。
2.根据权利要求1所述的一种用于近场二维聚焦的高效率基片集成波导漏波缝隙阵天线，其特征在于：每个基片集成波导功分器(3)包括两个由功分器金属化通孔(31)围成的直角，在直角的内部设有两个功分器调谐销钉(32)；每个基片集成波导拐角(4)包括两个由拐角金属化通孔(41)围成的直角，在直角的内部设有两个拐角调谐销钉(42)。
3.根据权利要求1所述的一种用于近场二维聚焦的高效率基片集成波导漏波缝隙阵天线，其特征在于：单根基片集成波导漏波缝隙阵天线相邻辐射缝隙之间的间距各不相同，以产生近场聚焦所需相位分布，其位置满足：
Figure FDA0002727355700000011
其中li为缝隙第i个缝隙的位置，l0为起始馈电口位置，lw1为宽度为w1的基片集成波导长度，
Figure FDA0002727355700000012
为近场聚焦所需的相位分布，z0为焦点高度位置，β1和β2是基片集成波导宽度为w1和w2时对应的相位传播常数，(x,y)为近场天线阵面上的任意一点的坐标，N*是非零的正整数。
4.根据权利要求1所述的一种用于近场二维聚焦的高效率基片集成波导漏波缝隙阵天线，其特征在于：整个天线口径面上共有5根基片集成波导漏波缝隙阵天线，各根基片集成波导缝隙阵天线上设有13个缝隙。
5.根据权利要求1所述的一种用于近场二维聚焦的高效率基片集成波导漏波缝隙阵天线，其特征在于：第n漏波天线(1n)的末端被金属化通孔封闭。
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