CN109818158B

CN109818158B - 一种采用l形缝隙单元的宽带siw背腔缝隙天线阵列

Info

Publication number: CN109818158B
Application number: CN201910187943.2A
Authority: CN
Inventors: 王海明; 谢家豪; 无奇; 余晨; 洪伟
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2019-03-13
Filing date: 2019-03-13
Publication date: 2020-09-11
Anticipated expiration: 2039-03-13
Also published as: CN109818158A

Abstract

本发明公开了一种采用L型缝隙单元的宽带基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)背腔缝隙天线阵列，包括并馈式功分网络和若干SIW背腔缝隙天线单元，天线单元主要由SIW矩形谐振腔和两对相对于谐振腔中心旋转对称的L型缝隙对组成，L形缝隙对的两个L型缝隙面对面放置。通过设计金属化通孔和金属化盲孔的位置，各天线单元在介质黏贴层中形成了单侧长边开放的矩形SIW隔离腔，显著降低了黏贴层中泄露的电磁场对天线阵列方向图和增益的影响。本发明实现的天线阵列具有方向图带宽较宽、带内增益平坦、方位面俯仰面均为窄波束、交叉极化电平低的特点。

Description

一种采用L形缝隙单元的宽带SIW背腔缝隙天线阵列

技术领域

本发明涉及一种基于基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)技术，采用新型L形缝隙单元的宽带背腔缝隙天线阵列，属于天线技术领域。

背景技术

随着人们对行车安全和自动驾驶的需求日益增长，毫米波车载雷达应用前景十分广阔。天线阵列作为毫米波车载雷达***的关键元件，其性能直接影响着雷达***的探测距离、探测角度、抗干扰能力和分辨率。

近年来业界对毫米波车载雷达研究日趋深入，其雷达***的天线阵列也开始朝着多功能、宽频带、高增益等方向发展。但由于毫米波车载雷达***对其天线阵列的各项指标较为严格，且受限于加工精度等因素，许多提高天线性能的方法并不实用。因此，毫米波车载雷达对易于平面集成、宽带化、窄波束、交叉极化电平低的天线阵列有着大量需求。

发明内容

发明目的：针对现有79GHz毫米波车载雷达天线技术中存在的问题和不足，本发明采用基片集成波导技术，提供一种可以覆盖整个76～81GHz毫米波车载雷达频段的宽带天线阵列。该天线阵列具有宽带化、带内增益平坦、交叉极化电平低等优点。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种采用L形缝隙单元的宽带SIW背腔缝隙天线阵列，包括并馈式功分网络和若干SIW背腔缝隙天线单元；所述SIW背腔缝隙天线单元由上下两层介质基板通过黏贴层粘合而成，包括上层SIW背腔缝隙辐射层和下层SIW馈电层；所述的L形缝隙设在SIW谐振腔所在上层介质基板的上表面，天线单元通过设在下层介质基板的上表面的耦合缝隙馈电；SIW背腔缝隙天线单元设有两对相对于SIW谐振腔中心旋转对称的L形缝隙对，L形缝隙对的两个L型缝隙面对面放置，每对L形缝隙在缝隙附近设有用于改善阻抗匹配的盲孔。

在优选的实施方案中，SIW谐振腔工作在TE₂₁₀模式，SIW谐振腔中心的两侧会得到等幅反向的电场，激励的两对L形缝隙对上的电场等幅同相。

在优选的实施方案中，所述天线阵列设有从顶层铜层贯穿至底层铜层的金属化过孔，所述金属化过孔既构成了部分下层的SIW馈电结构，又在黏贴层中形成了单侧长边开放的矩形SIW隔离腔。

在优选的实施方案中，天线阵列在y方向组阵时将天线x方向上的同一列单元关于阵列中心180°旋转对称复制，其中y方向为L形缝隙长度方向，x方向为L形缝隙宽度方向。

在优选的实施方案中，天线阵列为2×4天线阵列，8个SIW背腔缝隙天线单元通过并馈式一分八功分网络为其馈电。

有益效果：与现有的79GHz毫米波车载雷达天线阵列相比，本发明具有如下优点：

1)采用全并馈方式，使天线阵列能够在75～82GHz的宽频段内具有稳定的方向图特性，且带内增益波动小于1dB，覆盖整个76～81GHz毫米波车载雷达频段。

2)针对位于毫米波频段的多层缝隙耦合馈电的阵列天线，通过巧妙设计金属化过孔和盲孔的位置，在介质黏贴层中形成了单侧长边开放的矩形SIW隔离腔，显著降低了黏贴层中泄露的电磁场对天线阵列方向图和增益的影响。

3)天线单元的L形缝隙对采用旋转对称的方式放置，组阵时关于阵列中心镜像对称的方式放置，可以这样可以抵消L型缝隙拐角处在交叉极化方向上的电场，获得较低的交叉极化电平。

4)天线阵列为平面结构，易于集成在电路板上。

附图说明

图1为本发明中天线阵列整体结构模型图；

图2为本发明中天线阵列侧视图；

图3为本发明中天线阵列上层介质基板模型图；

图4为本发明中天线阵列黏贴层模型图；

图5为本发明中天线阵列下层介质基板模型图；

图1-5中：1-L形缝隙1；2-匹配盲孔；3-SIW谐振腔；4-馈电点；5-金属地；6-SIW转接WR10测试结构；7-金属化通孔；8-金属化盲孔；9-黏贴层；10-上层介质基板；11-下层介质基板11；12-并馈式一分八功分网络；

图6为本发明中天线阵列仿真和测试驻波参数结果图；

图7为本发明中天线阵列仿真和测试增益结果图；

图8为本发明中天线阵列在76GHz处E面仿真和测试方向图；

图9为本发明中天线阵列在76GHz处H面仿真和测试方向图；

图10为本发明中天线阵列在79GHz处E面仿真和测试方向图；

图11为本发明中天线阵列在79GHz处H面仿真和测试方向图；

图12为本发明中天线阵列在81GHz处E面仿真和测试方向图；

图13为本发明中天线阵列在81GHz处H面仿真和测试方向图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明实施例公开的一种采用L形缝隙单元的宽带基片集成波导背腔缝隙天线阵列，主要包括若干个SIW背腔缝隙天线单元和并馈式功分网络，功分网络末端与SIW转接WR10测试结构相连。SIW背腔缝隙天线单元为双层结构，包括上层SIW背腔缝隙辐射层和下层SIW馈电层；L形缝隙设在SIW谐振腔所在上层介质基板的上表面，天线单元通过设在下层SIW上表面的耦合缝隙馈电，天线可采用印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)工艺加工。具体地，本发明实施例以2×4的天线阵列结构对本发明的详细结构设计及测试结果做具体说明。

如图1所示，SIW背腔缝隙天线阵列在x方向上有4个阵元，y方向上有2个阵元，一共8个阵元，SIW背腔缝隙天线阵列的结构模型主要包括：位于SIW谐振腔3上的L形缝隙1和匹配盲孔2；馈电点4；金属地5；SIW转接WR10测试结构6；金属化通孔7；金属化盲孔8；黏贴层9；上层介质基板10；下层介质基板11；并馈式一分八功分网络12。

SIW背腔缝隙天线单元由两层厚度为h₁＝h₃＝0.508mm的Rogers RO3003板材组成，上下两层介质基版通过黏贴层Rogers 4450B来粘合在一起，其厚度为h₂＝0.09mm。天线单元的下层介质基板11为馈电层，通过一个开在其上表面铜层的横缝来为上层天线的辐射结构馈电。上层介质基板10为SIW背腔缝隙辐射层，SIW谐振腔3的左半部分是一对面对面放置的L形缝隙1，将这对L形缝隙相对于SIW谐振腔3的中心旋转对称复制，即得到了两对旋转对称的L形缝隙对。为了能同时给这两对L形缝隙对馈电，合理优化SIW谐振腔3的长度和宽度，使其工作在TE₂₁₀模式，这样在SIW腔3中心的左右两侧会得到等幅反向的电场，激励的两对L形缝隙对上的电场等幅同相，形成边射方向图。

通过优化匹配盲孔2的位置参数X_m和Y_m，可以改善天线单元的阻抗匹配，同时保证四个L形缝隙同相激励。同时，每个横缝的一端都引入了一小段纵缝，通过调节纵缝的长度t，可以显著改善天线单元的阻抗匹配。

图3～图5为天线阵列的各层结构模型示意图，其中，L形缝隙1的长度为L_s1，宽度为W_s1；SIW谐振腔3的长度为L_c，宽度为W_c；金属化通孔7和金属化盲孔8的半径为d，孔间间距为p；上层介质基板10的长度为L_up，宽度为W_up；天线单元之间x方向的间距为D_ex，y方向的间距为D_ey；黏贴层9中金属化通孔7形成的SIW隔离腔长度为L_isc；耦合缝隙的长度为L_s2，宽度为W_s2，与短路端的距离为D_s2；SIW直角拐角匹配孔与直角处在x和y方向上距离分别为D_vx和D_vy；D_m1和D_m2为匹配孔与SIW侧壁的距离；d₂为中心匹配金属化盲孔的直径；L_d和W_d分别为下层介质基板11的长度和宽度。

通过将金属化通孔7打在用于构成SIW谐振腔3的金属化盲孔8附近，形成两个“王”字形的金属化通孔阵列，可以显著减小从黏贴层9泄露的电磁能量对天线阵列方向图的影响。由图3～图5可以看出，金属化通孔7在不破坏上下层SIW结构的情况下，从顶层铜层贯穿至底层铜层，既构成了下层介质基板11的并馈式一分八功分网络12，又在黏贴层9中形成了8个单侧长边开放的矩形SIW隔离腔，由于等效电壁的存在，从阵列中一个单元的耦合缝隙通过黏贴层9泄露的能量会与周边单元的耦合缝隙完全隔离开来，且这些泄露的电磁能量分别朝着相反的方向传输，这样泄露的电磁能量在y方向上相互抵消，不会影响天线阵列的增益和远场方向图特性。另外，天线阵列在y方向组阵时将天线x方向上的一列单元关于阵列中心再次180°旋转对称复制，这样可以抵消L型缝隙拐角处在y方向上的电场，减小交叉极化电平。

采用电磁仿真软件对天线尺寸进行优化，得到天线尺寸参数如表1～表4所示。各参数代表的意义已在上文说明。

表1图2中模型对应的天线参数值

参数	数值(mm)	参数	数值(mm)
				h<sub>1</sub>	0.508	h<sub>3</sub>	0.508
h<sub>2</sub>	0.09

表2图3中模型对应的天线参数值

参数	数值(mm)	参数	数值(mm)
				L<sub>s1</sub>	1.65	D<sub>ex</sub>	5.5
W<sub>s1</sub>	0.25	D<sub>ey</sub>	3.15
				t	0.245	d	0.3
X<sub>m</sub>	0.17	p	0.5
				Y<sub>m</sub>	0.34	L<sub>up</sub>	24.18
L<sub>c</sub>	4.59	W<sub>up</sub>	8.25
				W<sub>c</sub>	2.15

表3图4中模型对应的天线参数值

参数	数值(mm)	参数	数值(mm)
				L<sub>up</sub>	24.18	L<sub>isc</sub>	5.5
W<sub>up</sub>	8.25

表4图5模型中对应的天线参数值

参数	数值(mm)	参数	数值(mm)
				L<sub>s2</sub>	1.18	D<sub>vy</sub>	0.6
W<sub>s2</sub>	0.28	D<sub>m2</sub>	0.53
				D<sub>s2</sub>	1.33	d<sub>2</sub>	0.4
D<sub>m1</sub>	0.65	L<sub>d</sub>	48.77
				D<sub>vx</sub>	0.6	W<sub>d</sub>	40

测试结果如图6至图13所示。图6为本发明中天线阵列的仿真和测试驻波参数；图7为本发明中天线阵列仿真和测试增益；图8为本发明中天线阵列在76GHz处E面仿真和测试方向图；图9为本发明中天线阵列在76GHz处H面仿真和测试方向图；图10为本发明中天线阵列在79GHz处E面仿真和测试方向图；图11为本发明中天线阵列在79GHz处H面仿真和测试方向图；图12为本发明中天线阵列在81GHz处E面仿真和测试方向图；图13为本发明中天线阵列在81GHz处H面仿真和测试方向图。由实测结果图可见，设计的宽带SIW背腔缝隙天线阵列实现了75～82GHz的-10dB阻抗带宽，在中心频率79GHz处实现了16dBi的增益和-30.3dB的交叉极化电平。

Claims

1. 一种采用L形缝隙单元的宽带SIW背腔缝隙天线阵列，其特征在于：包括并馈式功分网络和若干SIW背腔缝隙天线单元；所述SIW背腔缝隙天线单元由上下两层介质基板通过黏贴层粘合而成，包括上层SIW背腔缝隙辐射层和下层SIW馈电层；所述的L形缝隙设在SIW谐振腔所在上层介质基板的上表面，天线单元通过设在下层介质基板的上表面的耦合缝隙馈电；SIW背腔缝隙天线单元设有两对相对于SIW谐振腔中心旋转对称的L形缝隙对，L形缝隙对的两个L型缝隙面对面放置，每对L形缝隙在缝隙附近设有用于改善阻抗匹配的盲孔；所述天线阵列设有从顶层铜层贯穿至底层铜层的金属化过孔，所述金属化过孔既构成了部分下层的SIW馈电结构，又在黏贴层中形成了单侧长边开放的矩形SIW 隔离腔。

2.根据权利要求1所述的采用L形缝隙单元的宽带SIW背腔缝隙天线阵列，其特征在于：SIW谐振腔工作在TE₂₁₀模式，SIW谐振腔中心的两侧会得到等幅反向的电场，激励的两对L形缝隙对上的电场等幅同相。

3.根据权利要求1所述的采用L形缝隙单元的宽带SIW背腔缝隙天线阵列，其特征在于：天线阵列在y方向组阵时将天线x方向上的同一列单元关于阵列中心180°旋转对称复制，其中y方向为L形缝隙长度方向，x方向为L形缝隙宽度方向。

4.根据权利要求1所述的采用L形缝隙单元的宽带SIW背腔缝隙天线阵列，其特征在于：天线阵列为2×4天线阵列，8个SIW背腔缝隙天线单元通过并馈式一分八功分网络为其馈电。