CN109980363B - 基于基片集成波导的阵列天线 - Google Patents

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CN109980363B CN201711460216.6A CN201711460216A CN109980363B CN 109980363 B CN109980363 B CN 109980363B CN 201711460216 A CN201711460216 A CN 201711460216A CN 109980363 B CN109980363 B CN 109980363B
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Abstract

本申请实施例提供一种基于基片集成波导的阵列天线，包括：第一介质板和位于第一介质板的上方的第二介质板；第一介质板为沿纵向方向设置有两排金属化通孔的基片集成波导；第二介质板上放置有阵列排布的N个辐射贴片，N个辐射贴片位于两排金属化通孔之间，且所述第一介质板的上表面刻蚀有N个沟槽，且N个辐射贴片一一对应地位于N个沟槽的上方；第二介质板上设置有与两排金属化通孔相通的孔；阵列天线满足以下至少一种条件至少一个辐射贴片的尺寸不同、至少一个沟槽的尺寸不同、至少一个辐射贴片与对应的所述沟槽之间的相对位置不同。因此，使得N个辐射单元不是全部一样，从而增加了阵列天线的带宽。

Description

基于基片集成波导的阵列天线
技术领域
本申请实施例涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于基片集成波导的阵列天线。
背景技术
基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide，SIW)具有低***损耗、高品质因数、高功率容量等优点，而且其生产成本和设计复杂度在微波毫米波频段具有无可比拟的优势，因此，将SIW应用于天线领域，可实现天线的平面化和小型化，且可实现天线与电路的一体化集成。目前存在一种串联馈电的贴片阵列天线，这是一种低成本、高增益和高效率的天线，其是采用基片集成波导馈电的微带贴片天线，阵列的馈电网络是先采用串联馈电，再采用基片集成波导形式的功分器合并起来，这种天线能够实现7.2％的相对阻抗带宽。但是，由于这种天线的每个天线单元尺寸一样，导致天线的带宽仍然不够宽。
发明内容
本申请实施例提供一种基于基片集成波导的阵列天线，用于提高阵列天线的带宽。
本申请实施例提供一种基于基片集成波导的阵列天线，包括：
第一介质板和第二介质板，所述第二介质板位于所述第一介质板的上方；
所述第一介质板的上下表面为金属层，所述第一介质板为沿纵向方向设置有两排金属化通孔的基片集成波导；
所述第二介质板上放置有阵列排布的N个辐射贴片，所述N为大于1的整数；所述N个辐射贴片位于所述两排金属化通孔之间，且所述第一介质板的上表面刻蚀有N个沟槽，且所述N个辐射贴片一一对应地位于所述N个沟槽的上方；
其中，所述阵列天线满足以下至少一种条件：所述N个辐射贴片中至少一个辐射贴片的尺寸不同、所述N个沟槽中至少一个沟槽的尺寸不同、所述N个辐射贴片中至少一个辐射贴片与对应的所述沟槽之间的相对位置不同。因此，本实施例的阵列天线的带宽更高。
在一种可能的设计中，在所述第一介质板中基片集成波导馈电的末端设置有一排横向的金属短路柱，以实现短路。
在一种可能的设计中，所述金属短路柱与所述阵列天线中最近的辐射贴片之间的距离等于所述阵列天线的中心频点对应的波导波长的(M+1/4)倍，所述M为大于等于0的整数；从而可以使得阵列天线的馈电网络工作在驻波状态。
在一种可能的设计中，所述辐射贴片为正方形，正方形的辐射贴片结构简单，使得天线的方向性更好。
在一种可能的设计中，所述N个辐射贴片中每相邻两个辐射贴片之间的间距等于所述阵列天线的中心频点对应的波导波长的0.8至1.2倍，从而使得阵列天线在垂直方向上的N个辐射单元实现同相馈电。
在一种可能的设计中，所述沟槽为倾斜的沟槽。
在一种可能的设计中，所述沟槽的倾斜度为45度。
在一种可能的设计中，所述第二介质板上设置有与所述两排金属化通孔相通的孔，以进一步增加带宽。
在一种可能的设计中，所述阵列天线还包括：位于所述第一介质板与所述第二介质板之间的第三介质板；
所述第三介质板用于粘合所述第一介质板与所述第二介质板。
在一种可能的设计中，所述沟槽的旁边设置有金属匹配柱，以调整该沟槽所属的辐射单元的辐射效率。
在一种可能的设计中，所述不同沟槽与对应的金属匹配柱之间的相对位置不同，以使得阵列天线所辐射能量的分布为半锥削分布。
在一种可能的设计中，所述N个沟槽中除位于第一介质板两端的沟槽之外的N-2个沟槽的旁边设置有金属匹配柱，以调整波束赋形。
在一种可能的设计中，所述N-2个沟槽划分为两组沟槽，每组沟槽包括(N-2)/2个沟槽，所述(N-2)/2个沟槽为依次排布的沟槽；
所述(N-2)/2个沟槽与对应的金属匹配柱之间的相对位置不同，以使得阵列天线所辐射能量的分布为锥削分布。
在一种可能的设计中，所述阵列天线等分为第一天线子阵和第二天线子阵；
所述第一天线子阵与所述第二天线子阵为旋转对称。
在一种可能的设计中，所述阵列天线还包括：位于所述第一介质板下方的第四介质板；所述第四介质板的上下表面为金属面，且所述第四介质板的上表面为所述第一介质板的下表面；
靠近馈电端口的部分所述第四介质板为设置有两排等间隔的金属化通孔的基片集成波导；
所述第四介质板的上表面的中间位置开设有横向槽，起到了将能量平均分配到第一介质板的作用，使得第四介质板起到了并联馈电的作用，从而阵列天线实现串并馈电。
在一种可能的设计中，所述横向槽位于部分所述第四介质板的上表面。
在一种可能的设计中，所述横向槽为矩形槽，便于耦合能量。
在一种可能的设计中，所述横向槽的旁边设置有金属匹配柱，用于实现阻抗匹配，调节功分比例。
在一种可能的设计中，所述第四介质板上的基片集成波导馈电的末端设置有一排纵向的金属短路柱，以实现短路。
在一种可能的设计中，所述沟槽为纵向缝；
所述阵列天线还包括：位于所述第一介质板与所述第二介质板之间的第五介质板；所述第五介质板的上下表面为金属面，且所述第五介质板的下表面为所述第一介质板的上表面；
所述第五介质板为设置有两排等间隔的金属化通孔的基片集成波导；
所述第五介质板的上表面刻蚀有N个十字交叉缝，且所述N个辐射贴片一一对应地位于所述N十字交叉缝的上方。
在一种可能的设计中，所述十字交叉缝包括十字交叉的横向缝和纵向缝；
所述第五介质板上的N个纵向缝一一对应地位于所述第一介质板上的N个纵向缝的正上方。
在一种可能的设计中，所述第五介质板上的N个纵向缝位于所述第五介质板上的馈电网络的中间位置，使得第五介质板上的馈电端口馈电时纵向缝不参与辐射。
在一种可能的设计中，所述第一介质板上的N个纵向缝位于所述第一介质板上的馈电网络的一侧。
在一种可能的设计中，所述第五介质板上位于各相邻两辐射贴片之间的两排金属化通孔之间的距离各不相同，起到调节能量分配的作用。
在一种可能的设计中，所述阵列天线还包括：位于所述第五介质板与所述第二介质板之间的第六介质板；
所述第六介质板用于粘合所述第五介质板与所述第二介质板。
在一种可能的设计中，所述沟槽的旁边设置有金属匹配柱。
在一种可能的设计中，所述不同沟槽与对应的金属匹配柱之间的相对位置不同。
在一种可能的设计中，所述N个辐射贴片中每相邻两个辐射贴片之间的间距等于所述阵列天线的中心频点对应的波导波长的0.6倍，以降低副瓣。
附图说明
图1为本申请一实施例提供的基于基片集成波束的阵列天线的***示意图；
图2为本申请一实施例提供的基于基片集成波束的阵列天线的俯视示意图；
图3为本申请一实施例提供的基于基片集成波束的阵列天线的侧视示意图；
图4为本申请实施例提供的4×1的阵列天线仿真的反射系数曲线的示意图；
图5a为本申请实施例提供的4×1的阵列天线100在27.5GHz、28.5GHz和29.5GHz频点的垂直面(XOZ面)的归一化方向图；
图5b为本申请实施例提供的4×1的阵列天线100在27.5GHz、28.5GHz和29.5GHz频点的水平面(YOZ面)的归一化方向图；
图6为本申请实施例提供的4×1的阵列天线仿真的增益曲线的示意图；
图7为本申请另一实施例提供的基于基片集成波束的阵列天线的***示意图；
图8为本申请另一实施例提供的基于基片集成波束的阵列天线的俯视示意图；
图9为本申请另一实施例提供的基于基片集成波束的阵列天线的侧视示意图；
图10为本申请实施例提供的8×1的阵列天线仿真的反射系数曲线的示意图；
图11a为本申请实施例提供的8×1的阵列天线200在27.5GHz、28.5GHz和29.5GHz频点的垂直面(XOZ面)的归一化方向图；
图11b为本申请实施例提供的8×1的阵列天线200在27.5GHz、28.5GHz和29.5GHz频点的水平面(YOZ面)的归一化方向图；
图12为本申请实施例提供的8×1的阵列天线仿真的增益曲线的示意图；
图13为本申请另一实施例提供的基于基片集成波束的阵列天线的***示意图；
图14为本申请另一实施例提供的基于基片集成波束的阵列天线的一侧示意图；
图15为本申请另一实施例提供的基于基片集成波束的阵列天线的另一侧示意图；
图16为本申请实施例提供的4×1的阵列天线仿真的电压驻波比(VoltageStanding Wave Ratio，VSWR)曲线的示意图；
图17为本申请实施例提供的4×1的阵列天线中端口1与端口2之间的隔离度的示意图；
图18a为本申请实施例提供的4×1的阵列天线中端口1输入时，垂直面(XOZ面)的归一化辐射方向图；
图18b为本申请实施例提供的4×1的阵列天线中端口1输入时，水平面(YOZ面)的归一化辐射方向图；
图19a为本申请实施例提供的4×1的阵列天线中端口1输入时，垂直面(XOZ面)的交叉极化的示意图；
图19b为本申请实施例提供的4×1的阵列天线中端口1输入时，水平面(YOZ面)的交叉极化的示意图；
图20a为本申请实施例提供的4×1的阵列天线中端口2输入时，垂直面(XOZ面)的归一化辐射方向图；
图20b为本申请实施例提供的4×1的阵列天线中端口2输入时，水平面(YOZ面)的归一化辐射方向图；
图21a为本申请实施例提供的4×1的阵列天线中端口2输入时，垂直面(XOZ面)的交叉极化示意图；
图21b为本申请实施例提供的4×1的阵列天线中端口2输入时，水平面(YOZ面)的交叉极化示意图。
具体实施方式
本申请实施例提供的基于基片集成波导的贴片阵列天线，可以应用于无线通信设备中，用于收发和传递无线通信信号，该无线通信设备例如是通信基站。
图1为本申请一实施例提供的基于基片集成波束的阵列天线的***示意图，图2为本申请一实施例提供的基于基片集成波束的阵列天线的俯视示意图；图3为本申请一实施例提供的基于基片集成波束的阵列天线的侧视示意图；如图1-图3所示，本实施例的基于基片集成波束的阵列天线100包括第一介质板110和第二介质板120，第二介质板120叠加在第一介质板110的一侧，其中，图1以第二介质板120叠加在第一介质板110的上方为例进行说明，根据不同的视觉角度，第二介质板120可以叠加在第一介质板110的下方或者左方或者右方，本实施例不做限定。
其中，所述第一介质板110的与第二介质板120叠加的表面以及与所述表面相对的另一表面为金属层，如图1所示的第一介质板110的上下表面均为金属层，第一介质板110沿纵向方向设置有两排金属化通孔111，使第一介质板110形成基片集成波导。其中，纵向方向是从阵列天线的馈电端口看阵列天线时的阵列天线的纵向方向。其中，有关基片集成波导的描述可以参见现有技术中的相关描述，此处不再赘述。
其中，第二介质板120上放置有阵列排布的N个辐射贴片121，N为大于1的整数，其中，N的具体数值，可以根据实际应用中该阵列天线100的水平波束宽度、垂直波束宽度和增益需求来设定，图1以N等于4为例。并且该N个辐射贴片位于该两排金属化通孔111之间，即N个辐射贴片121位于第二介质板120上的位置使得第二介质板120与第一介质板110叠加时，N个辐射贴片121位于两排金属化通孔111之间。并且第一介质板110中与第二介质板120相叠加的表面(即图1所示的上表面)刻蚀有N个沟槽112。沟槽112的数量与辐射贴片121的数量相同，因此，N个辐射贴片121与N个沟槽112一一对应，在第一介质板110与第二介质板120叠加在一起时，每个辐射贴片121位于该辐射贴片对应的沟槽112的上方。
本实施例中，上述的第一介质板110与第二介质板120叠加在一起时，第一介质板110起到支撑基片集成波导馈电网络的作用。
其中，所述阵列天线100满足以下至少一种条件：所述N个辐射贴片121中至少一个辐射贴片121的尺寸不同、所述N个沟槽112中至少一个沟槽112的尺寸不同、所述N个辐射贴片121中至少一个辐射贴片121与对应的所述沟槽112之间的相对位置不同。
其中，各个辐射贴片121的尺寸、各个沟槽112的尺寸、各个辐射贴片121与对应的所述沟槽112之间的相对位置具体尺寸可根据实际应用中该贴片阵列天线的水平波束宽度、垂直波束宽度和增益需求来设定。
本实施例中，N个辐射贴片由基片集成波导串联起来，实现串联馈电。上述的阵列天线100可以分为N个辐射单元，由于阵列天线100满足以下至少一种条件：所述N个辐射贴片121中至少一个辐射贴片121的尺寸不同、所述N个沟槽112中至少一个沟槽112的尺寸不同、所述N个辐射贴片121中至少一个辐射贴片121与对应的所述沟槽112之间的相对位置不同，使得N个辐射单元不是全部一样，因此，可以通过调整各个辐射单元来增加了阵列天线100的带宽。
可选地，第二介质板120上设置有两排孔122，这两排孔122在第一介质板110与第二介质板120叠加在一起时与两排金属化通孔111相通，以进一步增加带宽。
在一些实施例中，所述辐射贴片121为正方形，正方形的辐射贴片结构简单，使得阵列天线的方向性更好。
在一些实施例中，所述N个辐射贴片121中每相邻两个辐射贴片121之间的间距等于所述阵列天线100的中心频点对应的波导波长的0.8至1.2倍。本实施例为了使得阵列天线100在垂直方向上的N个辐射单元实现同相馈电，可以设置辐射贴片121之间的间距(即阵列垂直组阵距离)即大约为阵列天线的中心频点对应的一个波导波长，例如为波导波长的0.8至1.2倍。
在一些实施例中，在所述第一介质板110中基片集成波导馈电的末端设置有一排横向的金属短路柱113，其中，该横向是从阵列天线的馈电端口看阵列天线时的阵列天线的横向方向。本实施例中在第一介质板110中基片集成波束馈电的末端设置一排金属短路柱113，来实现短路。可选的，所述金属短路柱113与所述阵列天线100中最近的辐射贴片121(即图1所示的最右边一个辐射贴片)之间的距离等于所述阵列天线100的中心频点对应的波导波长的(M+1/4)倍，所述M为大于等于0的整数，这样可以使得阵列天线100的馈电网络工作在驻波状态。
在一些实施例中，所述N个沟槽112的旁边设置有金属匹配柱114。图1所示的为除最接近基片集成波导馈电的末端的沟槽112(如图1所示的最右边的沟槽112)之外的N-1个沟槽112的旁边设置有金属匹配柱114，因此，本实施例在第一介质板110上设置有N-1个金属匹配柱114，其中，在沟槽112的旁边设置有金属匹配柱114，可以调整该沟槽112所属的辐射单元所辐射的能量，即辐射效率。其中，通过调整沟槽112与其对应的金属匹配柱114之间的距离，可以调整该沟槽112所属的辐射单元所辐射能量的多少，即辐射效率的多少。本实施例通过将除靠近馈电末端的沟槽112之外的沟槽112旁边设置有金属匹配柱，来将阵列天线100所辐射能量的分布设计为半锥削分布，从而降低副瓣。为了使得各个辐射单元获得所需的幅度，还要实现不等幅馈电，本实施例中的所述N-1个沟槽与对应的金属匹配柱之间的相对位置不同，来分别控制每个辐射单元的辐射效率。以图1所示的辐射贴片121为四个为例，各个辐射单元辐射的能量比可定为4:3:2:1，相应地，从图1所示的从左到右的方向：第一个辐射单元、第二个辐射单元和第三个辐射单元分别需要辐射通过它的能量的2/5、1/2和2/3，如图1所示，这三个辐射单元中的沟槽与对应的金属匹配柱之间的相对距离为：第一个辐射单元中的大于第二个辐射单元中的大于第三个辐射单元中的。由于第四个辐射单元中没有设置匹配柱，因此，该第四个辐射单元将馈向它的能量全部辐射出去。
在一些实施例中，所述沟槽112为倾斜的沟槽，从而使得阵列天线100实现斜的线极化工作。可选的，所述沟槽112的倾斜度为45度，从而使得阵列天线100实现斜的45°线极化工作。
在一些实施例中，所述阵列天线100还包括：位于所述第一介质板110与所述第二介质板120之间的第三介质板130。所述第三介质板130用于粘合所述第一介质板110与所述第二介质板120，以固定第一介质板110与第二介质板120之间的相对位置。
其中，第一介质板110和第二介质板120中的介质材料例如可以为R04350，厚度例如为20mil；第三介质板130中的介质材料例如为R04450f，厚度例如为12mil；需要说明的是，本实施例并不限于此。
本实施例对上述获得的阵列天线100进行仿真验证，以N等于4为例，可以得到图4-图6所示，其中，图4为本申请实施例提供的4×1的阵列天线仿真的反射系数曲线的示意图，如图4所示，阵列天线100的阻抗带宽(|Γ|<-14dB)为27.3-30.2GHz，相对阻抗带宽为10.1％。图5a为本申请实施例提供的4×1的阵列天线100在27.5GHz、28.5GHz和29.5GHz频点的垂直面(XOZ面)的归一化方向图，图5b为本申请实施例提供的4×1的阵列天线100在27.5GHz、28.5GHz和29.5GHz频点的水平面(YOZ面)的归一化方向图，其中，阵列天线100的垂直面3dB波瓣宽度保持20°左右，幅瓣保持在-13dB以下，水平面的3dB波瓣宽度保持在80°左右。图6为本申请实施例提供的4×1的阵列天线仿真的增益曲线的示意图，如图6所示，阵列天线100的增益在工作频段27.5-29.5GHz中保持在11dB左右。
可选地，在一些实施例中，所述N个沟槽112中除位于第一介质板110两端的沟槽112(如图1所示的最左边和最右边的沟槽112)之外的N-2个沟槽112的旁边设置有金属匹配柱114。因此，本实施例在第一介质板110上设置有N-2个金属匹配柱114，其中，在沟槽112的旁边设置有金属匹配柱114，可以调整该沟槽112所属的辐射单元所辐射的能量，即辐射效率。其中，通过调整沟槽112与其对应的金属匹配柱114之间的距离，可以调整该沟槽112所属的辐射单元所辐射能量的多少，即辐射效率的多少。本实施例通过将除第一介质板110两端的两个沟槽112之外的沟槽112旁边设置有金属匹配柱，来将阵列天线100所辐射能量的分布设计为锥削分布，从而降低副瓣。可选的，为了使得各个辐射单元获得所需的幅度，实现锥削分布馈电，本实施例中的所述N-2个沟槽112划分为两组沟槽112，每组沟槽112包括(N-2)/2个沟槽112，所述(N-2)/2个沟槽112为依次排布的沟槽112；所述(N-2)/2个沟槽112与对应的金属匹配柱114之间的相对位置不同。在一些实施例中，所述阵列天线100等分为第一天线子阵和第二天线子阵；其中，所述第一天线子阵与所述第二天线子阵为旋转对称。以N等于8为例，则第一天线子阵与第二天线子阵均可以为如图1所示的包括4个辐射贴片的阵列天线，可以将两个包括4个辐射贴片的阵列天线中的一个阵列天线旋转180度，然后再两端对接即可以形成如本实施例所示的阵列天线。
图7为本申请另一实施例提供的基于基片集成波束的阵列天线的***示意图，图8为本申请另一实施例提供的基于基片集成波束的阵列天线的俯视示意图；图9为本申请另一实施例提供的基于基片集成波束的阵列天线的侧视示意图；如图7-图9所示，本实施例的基于基片集成波束的阵列天线200包括第一介质板210、第二介质板220和第四介质板230，其中，第四介质板230、第一介质板210、第二介质板220依次叠加，第四介质板230可位于第一介质板210的下方。
其中，所述第一介质板210的与第二介质板220叠加的表面以及与所述表面相对的另一表面为金属层，如图7所示的第一介质板210的上下表面均为金属层，第一介质板210沿纵向方向设置有两排金属化通孔211，使第一介质板210形成基片集成波导。其中，纵向方向是从阵列天线的馈电端口看阵列天线时的阵列天线的纵向方向。其中，有关基片集成波导的描述可以参见现有技术中的相关描述，此处不再赘述。
其中，第二介质板220上放置有阵列排布的N个辐射贴片221，N为大于1的整数，其中，N的具体数值，可以根据实际应用中该阵列天线100的水平波束宽度、垂直波束宽度和增益需求来设定，图7以N等于8为例。并且该N个辐射贴片221位于该两排金属化通孔211之间，即N个辐射贴片221位于第二介质板220上的位置使得第二介质板220与第一介质板210叠加时，N个辐射贴片221位于两排金属化通孔211之间。并且第一介质板210中与第二介质板220相叠加的表面(即图7所示的上表面)刻蚀有N个沟槽212。沟槽212的数量与辐射贴片221的数量相同，因此，N个辐射贴片221与N个沟槽212一一对应，在第一介质板210与第二介质板220叠加在一起时，每个辐射贴片221位于该辐射贴片对应的沟槽212的上方。另外，第二介质板220上设置有两排孔222，这两排孔222在第一介质板210与第二介质板220叠加在一起时与两排金属化通孔211相通。
本实施例中，上述的第一介质板210与第二介质板220叠加在一起时，第一介质板210起到支撑基片集成波导馈电网络的作用。
其中，所述第四介质板230的上下表面为金属面，且所述第四介质板230的上表面为所述第一介质板210的下表面，即第一介质板210的下表面与第四介质板230的上表面共用同一表面。靠近馈电端口的部分所述第四介质板230沿纵向方向设置有两排金属化通孔231，从而使得这部分第四介质板230形成基片集成波导。并且，所述第四介质板230的上表面开设有横向槽232，第四介质板230通过设置有该横向槽232可以将能量传输到第一介质板210中并且由于该横向槽232位于中间位置，还起到了将能量平均分配到第一介质板210的作用。因此，第四介质板230为功分结构，起到了并联馈电的作用。可选地，该横向槽232位于为基片集成波导的部分第四介质板230中。
其中，所述N个沟槽212中除位于第一介质板210两端的沟槽212(如图7所示的最左边和最右边的沟槽212)之外的N-2个沟槽212的旁边设置有金属匹配柱213。因此，本实施例在第一介质板210上设置有N-2个金属匹配柱213，其中，在沟槽212的旁边设置有金属匹配柱213，可以调整该沟槽212所属的辐射单元所辐射的能量，即辐射效率。其中，通过调整沟槽212与其对应的金属匹配柱213之间的距离，可以调整该沟槽212所属的辐射单元所辐射能量的多少，即辐射效率的多少。本实施例通过将除第一介质板210两端的两个沟槽212之外的沟槽212旁边设置有金属匹配柱，来将阵列天线100所辐射能量的分布设计为锥削分布，从而降低副瓣。可选的，为了使得各个辐射单元获得所需的幅度，实现锥削分布馈电，本实施例中的所述N-2个沟槽212划分为两组沟槽212，每组沟槽212包括(N-2)/2个沟槽212，所述(N-2)/2个沟槽212为依次排布的沟槽212；所述(N-2)/2个沟槽212与对应的金属匹配柱213之间的相对位置不同。例如如图7所示，第2-4个沟槽212为一组，且这一组中的各个沟槽212与金属匹配柱213之间的相对位置不同；第5-7个沟槽212为一组，且这一组中的各个沟槽212与金属匹配柱213之间的相对位置不同。可选地，一组沟槽212中各个沟槽212与金属匹配柱213之间的相对位置，与，另一组沟槽212中各个沟槽212与金属匹配柱213之间的相对位置为旋转对称。例如：以图7中N等于8为例，可以将各辐射单元辐射的能量比可定为1:2:3:4:4:3:2:1。因此，本实施例通过控制能量比，可以实现任意的波束赋形。
其中，所述阵列天线200满足以下至少一种条件：所述N个辐射贴片221中至少一个辐射贴片221的尺寸不同、所述N个沟槽212中至少一个沟槽212的尺寸不同、所述N个辐射贴片221中至少一个辐射贴片221与对应的所述沟槽212之间的相对位置不同。
其中，各个辐射贴片221的尺寸、各个沟槽212的尺寸、各个辐射贴片221与对应的所述沟槽212之间的相对位置具体尺寸可根据实际应用中该贴片阵列天线的水平波束宽度、垂直波束宽度和增益需求来设定。
本实施例中，N个辐射贴片由第一介质板中的基片集成波导串联起来，实现串联馈电。上述的阵列天线200可以划分为N个辐射单元，由于阵列天线200满足以下至少一种条件：所述N个辐射贴片221中至少一个辐射贴片221的尺寸不同、所述N个沟槽212中至少一个沟槽212的尺寸不同、所述N个辐射贴片221中至少一个辐射贴片221与对应的所述沟槽212之间的相对位置不同，使得N个辐射单元不是全部一样，因此，可以通过调整各个辐射单元来增加阵列天线200的带宽，而且在包括基片集成波导的第四介质板中开设有横向槽，以实现将能量从第四介质板馈入至第一介质板中，以实现并联馈电；从而实现串联并联共同馈电。另外，通过调整金属匹配柱213与沟槽212之间的相对位置，即可实现任意的波束赋形。
在一些实施例中，所述阵列天线200还包括：位于所述第一介质板210与所述第二介质板220之间的第三介质板240。所述第三介质板240用于粘合所述第一介质板210与所述第二介质板220，以固定第一介质板210与第二介质板220之间的相对位置。
在一些实施例中，该横向槽232为矩形槽，便于耦合能量。
在一些实施例中，该横向槽232的旁边设置有金属匹配柱233，用于实现阻抗匹配，调节功分比例，即调整第一介质板210两端的能量比例。
在一些实施例中，所述第四介质板230上的基片集成波导馈电的末端设置有一排纵向的金属短路柱234，以实现短路。该第四介质板230上的基片集成波导即为上述部分第四介质板230。
其中，第一介质板210、第二介质板220和第四介质板230中的介质材料例如可以为R04350，厚度例如为20mil；第三介质板240中的介质材料例如为R04450f，厚度例如为12mil。需要说明的是，本实施例并不限于此。
在一些实施例中，所述辐射贴片221为正方形。
在一些实施例中，所述N个辐射贴片221中每相邻两个辐射贴片221之间的间距等于所述阵列天线200的中心频点对应的波导波长的0.8至1.2倍。本实施例为了使得阵列天线200在垂直方向上的N个辐射单元实现同相馈电，可以设置辐射贴片221之间的间距(即阵列垂直组阵距离)即大约为阵列天线的中心频点对应的一个波导波长，例如为波导波长的0.8至1.2倍。
在一些实施例中，在所述第一介质板210中基片集成波导馈电的末端设置有一排横向的金属短路柱214，其中，该横向是从阵列天线的馈电端口看阵列天线时的阵列天线的横向方向。本实施例中在第一介质板210中基片集成波束馈电的末端设置一排金属短路柱214，来实现短路。可选的，所述金属短路柱214与所述阵列天线200中最近的辐射贴片221(即图7所示的最右边一个辐射贴片)之间的距离等于所述阵列天线200的中心频点对应的波导波长的(M+1/4)倍，所述M为大于等于0的整数，这样可以使得阵列天线200的馈电网络工作在驻波状态。
在一些实施例中，所述沟槽212为倾斜的沟槽，从而使得阵列天线200实现斜的线极化工作。可选的，所述沟槽212的倾斜度为45度，从而使得阵列天线200实现斜的45°线极化工作。
其中，可以是将图1所示的一个阵列天线100进行旋转180度，然后与另一个阵列天线100对接后，在第一介质板的底层加入并联馈电层(即上述第四介质板)对这两个阵列天线100进行反相馈电，即可实现串联并联混合馈电的阵列天线200。可选的，为了实现天线方向图的下倾，可以调整天线两边阵列辐射贴片之间间距的大小，本实施例为了实现3°的下倾，将阵列天线靠近输入端一侧的阵列辐射贴片之间间距增大，相对的另一侧的阵列辐射贴片之间间距缩小。
本实施例对上述获得的阵列天线200进行仿真验证，以N等于8为例，可以得到图10-图12所示，其中，图10为本申请实施例提供的8×1的阵列天线仿真的反射系数曲线的示意图，如图10所示，阵列天线200的阻抗带宽(|Г|<-14dB)为26.5-30.3GHz，相对带宽为13.2％。图11a为本申请实施例提供的8×1的阵列天线200在27.5GHz、28.5GHz和29.5GHz频点的垂直面(XOZ面)的归一化方向图，图11b为本申请实施例提供的8×1的阵列天线200在27.5GHz、28.5GHz和29.5GHz频点的水平面(YOZ面)的归一化方向图，其中，阵列天线200的垂直面辐射方向图最大方向指向3°左右，即实现了3°左右的下倾，副瓣都在-9dB以下，阵列天线200的垂直面3dB波瓣宽度在12°左右，阵列天线200水平面的3dB波瓣宽度保持在76°左右。图12为本申请实施例提供的8×1的阵列天线仿真的增益曲线的示意图，如图12所示，阵列天线200的增益在工作频段27.5-29.5GHz中保持在14dB左右。
图13为本申请另一实施例提供的基于基片集成波束的阵列天线的***示意图，图14为本申请另一实施例提供的基于基片集成波束的阵列天线的一侧示意图，图15为本申请另一实施例提供的基于基片集成波束的阵列天线的另一侧示意图，如图13-图15所示，本实施例的基于基片集成波束的阵列天线300包括：第一介质板310、第二介质板320和第五介质板330，其中，第五介质板330叠加在第一介质板310与第二介质板320之间，第二介质板320位于第五介质板330与第一介质板310上方。
其中，所述第一介质板310、第五介质板330的上下表面为金属层，并且，第一介质板310的上表面与第五介质板330的下表面共用同一表面。第一介质板310沿纵向方向设置有两排金属化通孔311，使第一介质板310形成基片集成波导，第五介质板330沿纵向方向设置有两排金属化通孔331，使第五介质板330形成基片集成波导。其中，纵向方向是从阵列天线的馈电端口看阵列天线时的阵列天线的纵向方向。其中，有关基片集成波导的描述可以参见现有技术中的相关描述，此处不再赘述。其中，第一介质板310与第五介质板330的一端均具有馈电端口，其中，第一介质板310上的馈电端口称为端口2，第五介质板330上的馈电端口称为端口1。
其中，第二介质板320上放置有阵列排布的N个辐射贴片321，N为大于1的整数，其中，N的具体数值，可以根据实际应用中该阵列天线300的水平波束宽度、垂直波束宽度和增益需求来设定，图13以N等于4为例。并且该N个辐射贴片位于该两排金属化通孔311之间，即N个辐射贴片321位于第二介质板320上的位置使得第二介质板320叠加在第一介质板310与第五介质板330上方时，N个辐射贴片321位于两排金属化通孔311之间，也位于两排金属化通孔331之间。并且第一介质板310中与第五介质板330相叠加的表面(即第一介质板310的上表面)刻蚀有N个纵向缝312。纵向缝312的数量与辐射贴片321的数量相同，因此，N个辐射贴片321与N个纵向缝312一一对应，每个辐射贴片321位于该辐射贴片321对应的纵向缝312的上方。
其中，所述第五介质板330的上表面刻蚀有N个十字交叉缝332，十字交叉缝332的数量与辐射贴片321的数量相同，因此，N个辐射贴片321与N个十字交叉缝332一一对应，在第五介质板330与第二介质板320叠加在一起时，每个辐射贴片321位于该辐射贴片321对应的十字交叉缝332的上方。
本实施例中的第一介质板310是纵向馈电的SIW馈电网络的一部分，第五介质板330是横向馈电的SIW馈电网络的一部分，第二层介质板320用于放置辐射贴片321。其中，上述为纵向缝312用于第一介质板310中SIW的馈电。
其中，所述阵列天线300满足以下至少一种条件：所述N个辐射贴片321中至少一个辐射贴片321的尺寸不同、所述N个纵向缝312中至少一个纵向缝312的尺寸不同、所述N个辐射贴片321中至少一个辐射贴片321与对应的所述纵向缝312之间的相对位置不同。
其中，各个辐射贴片321的尺寸、各个纵向缝312的尺寸、各个辐射贴片321与对应的所述纵向缝312之间的相对位置具体尺寸可根据实际应用中该贴片阵列天线的水平波束宽度、垂直波束宽度和增益需求来设定。
本实施例中，上述的阵列天线300可以划分为N个辐射单元，由于阵列天线300满足以下至少一种条件：所述N个辐射贴片321中至少一个辐射贴片321的尺寸不同、所述N个纵向缝312中至少一个纵向缝312的尺寸不同、所述N个辐射贴片321中至少一个辐射贴片321与对应的所述纵向缝312之间的相对位置不同，使得N个辐射单元不是全部一样，从而增加了阵列天线300的带宽。本实施例中的阵列天线300实现了两层馈电，横向缝用于横向馈电，实现一种极化(如水平极化)，纵向缝用于纵向馈电实现垂直极化，实现另一种极化(如垂直极化)，因此，使得阵列天线可以同时实现两种极化。本实施例还通过十字缝，使得端口1与端口2的隔离度较高，端口1与端口2之间互不影响。同时，与SIW功分网络结合，可以设计n×n的阵列天线，应用广泛。
在一些实施例中，所述十字交叉缝332包括十字交叉的横向缝332a和纵向缝332b；并且，所述第五介质板330上的N个纵向缝332b一一对应地位于所述第一介质板310上的N个纵向缝312的正上方。其中，横向缝332a用于第五介质板中SIW的馈电，纵向缝隙332b用于第一介质板中SIW的馈电。
在一些实施例中，所述第五介质板330上的N个纵向缝332b位于所述第五介质板330上的馈电网络的中间位置，使得端口1馈电时纵向缝332b不参与辐射。
在一些实施例中，所述第一介质板310上的N个纵向缝312位于所述第一介质板310上的馈电网络的一侧，如图13所示，位于第一介质板310上的右侧。
在一些实施例中，所述第五介质板330上位于各相邻两辐射贴片之间的两排金属化通孔331之间的距离各不相同，起到调节能量分配的作用。因此，使得第五介质板中SIW的宽度是变化的，可以用于调节阻抗匹配，同时控制辐射能量与传输能量的比值。
在一些实施例中，所述阵列天线300还包括：位于所述第五介质板330与所述第二介质板320之间的第六介质板；所述第六介质板用于粘合所述第五介质板330与所述第二介质板320。
在一些实施例中，所述辐射贴片321为微带贴片天线，如图13所示为辐射贴片321为2×2的正方形微带贴片天线，但本实施例并不限于此。
在一些实施例中，所述N个辐射贴片321中每相邻两个辐射贴片321之间的间距等于所述阵列天线300的中心频点对应的波导波长的0.6倍，以降低副瓣。
在一些实施例中，在所述第一介质板310中基片集成波导馈电的末端设置有一排横向的金属短路柱313，其中，该横向是从阵列天线的馈电端口看阵列天线时的阵列天线的横向方向。本实施例中在第一介质板310中基片集成波束馈电的末端设置一排金属短路柱313，来实现短路。可选的，所述金属短路柱313与所述阵列天线300中最近的辐射贴片321(即图13所示的最右边一个辐射贴片)之间的距离等于所述阵列天线300的中心频点对应的波导波长的(M+1/4)倍，所述M为大于等于0的整数，这样可以使得阵列天线300纵向馈电的馈电网络工作在驻波状态。
在一些实施例中，在所述第五介质板330中基片集成波导馈电的末端设置有一排横向的金属短路柱333。其中，该横向是从阵列天线的馈电端口看阵列天线时的阵列天线的横向方向。本实施例中在第五介质板330中基片集成波束馈电的末端设置一排金属短路柱333，来实现短路。可选的，所述金属短路柱333与所述阵列天线300中最近的辐射贴片321(即图13所示的最右边一个辐射贴片)之间的距离等于所述阵列天线300的中心频点对应的波导波长的(M+1/2)倍，所述M为大于等于0的整数，这样可以使得阵列天线300横向馈电的馈电网络工作在驻波状态。
在一些实施例中，所述N个纵向缝312中每个纵向缝312的旁边设置有金属匹配柱314。因此，本实施例在第一介质板310上设置有N个金属匹配柱314，其中，在纵向缝312的旁边设置有金属匹配柱314，可以调节阻抗匹配，同时控制辐射能量与传输能量的比值，即调整该纵向缝312所属的辐射单元所辐射的能量，即辐射效率。其中，通过调整纵向缝312与其对应的金属匹配柱314之间的距离，可以调整该纵向缝312所属的辐射单元所辐射能量的多少，即辐射效率的多少。以图13所示的辐射贴片321为四个为例，各个辐射单元辐射的能量比可定为图13中实施例一各单元辐射的能量比可定为2:3:3:2。因此，相应地，从图13所示的从左到右的方向：第一个辐射单元、第二个辐射单元和第三个辐射单元分别需要辐射通过它的能量的1/5、3/8和3/5，而第四个辐射单元需要将馈向它的能量全部辐射出去。
本实施例对上述获得的阵列天线300进行仿真验证，以N等于4为例，可以得到图16-图21b所示，其中，图16为本申请实施例提供的4×1的阵列天线仿真的VSWR曲线的示意图，如图16所示，阵列天线300的阻抗带宽(VSWR≤2)为38.3—43.5GHz；图17为本申请实施例提供的4×1的阵列天线中端口1与端口2之间的隔离度的示意图，如图17所示，两端口的隔离度均在-40dB以下。其它参数仿真结果参见图18a-图21b所示，其中，图18a为本申请实施例提供的4×1的阵列天线中端口1输入时，垂直面(XOZ面)的归一化辐射方向图，图18b为本申请实施例提供的4×1的阵列天线中端口1输入时，水平面(YOZ面)的归一化辐射方向图，图19a为本申请实施例提供的4×1的阵列天线中端口1输入时，垂直面(XOZ面)的交叉极化的示意图，图19b为本申请实施例提供的4×1的阵列天线中端口1输入时，水平面(YOZ面)的交叉极化的示意图，图20a为本申请实施例提供的4×1的阵列天线中端口2输入时，垂直面(XOZ面)的归一化辐射方向图，图20b为本申请实施例提供的4×1的阵列天线中端口2输入时，水平面(YOZ面)的归一化辐射方向图，图21a为本申请实施例提供的4×1的阵列天线中端口2输入时，垂直面(XOZ面)的交叉极化示意图，图21b为本申请实施例提供的4×1的阵列天线中端口2输入时，水平面(YOZ面)的交叉极化示意图，具体参见图中所示。

Claims (24)

1.一种基于基片集成波导的阵列天线，其特征在于，包括：
第一介质板和第二介质板，所述第二介质板位于所述第一介质板的上方；
所述第一介质板的上下表面为金属层，所述第一介质板为沿纵向方向设置有两排金属化通孔的基片集成波导；
所述第二介质板上放置有阵列排布的N个辐射贴片，所述N为大于1的整数；所述N个辐射贴片位于所述两排金属化通孔之间，且所述第一介质板的上表面刻蚀有N个沟槽，且所述N个辐射贴片一一对应地位于所述N个沟槽的上方；
其中，所述阵列天线满足以下至少一种条件：所述N个辐射贴片中至少一个辐射贴片的尺寸不同、所述N个沟槽中至少一个沟槽的尺寸不同、所述N个辐射贴片中至少一个辐射贴片与对应的所述沟槽之间的相对位置不同；
所述N个沟槽中除位于第一介质板两端的沟槽之外的N-2个沟槽的旁边设置有金属匹配柱；
所述阵列天线还包括：位于所述第一介质板下方的第四介质板；所述第四介质板的上下表面为金属面，且所述第四介质板的上表面为所述第一介质板的下表面；
靠近馈电端口的部分所述第四介质板为设置有两排等间隔的金属化通孔的基片集成波导；
所述第四介质板的上表面的中间位置开设有横向槽；
纵向是从所述阵列天线的馈电端口看所述阵列天线时的所述阵列天线的纵向方向；
横向是从所述阵列天线的馈电端口看所述阵列天线时的所述阵列天线的横向方向。
2.根据权利要求1所述的阵列天线，其特征在于，在所述第一介质板中基片集成波导馈电的末端设置有一排横向的金属短路柱。
3.根据权利要求2所述的阵列天线，其特征在于，所述金属短路柱与所述阵列天线中最近的辐射贴片之间的距离等于所述阵列天线的中心频点对应的波导波长的(M+1/4)倍，所述M为大于等于0的整数。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的阵列天线，其特征在于，所述辐射贴片为正方形。
5.根据权利要求1-3任意一项所述的阵列天线，其特征在于，所述N个辐射贴片中每相邻两个辐射贴片之间的间距等于所述阵列天线的中心频点对应的波导波长的0.8至1.2倍。
6.根据权利要求1-3任意一项所述的阵列天线，其特征在于，所述阵列天线还包括：位于所述第一介质板与所述第二介质板之间的第三介质板；
所述第三介质板用于粘合所述第一介质板与所述第二介质板。
7.根据权利要求1-3任意一项所述的阵列天线，其特征在于，所述沟槽为倾斜的沟槽。
8.根据权利要求7所述的阵列天线，其特征在于，所述沟槽的倾斜度为45度。
9.根据权利要求1-3任意一项所述的阵列天线，其特征在于，所述第二介质板上设置有与所述两排金属化通孔相通的孔。
10.根据权利要求1-3任一项所述的阵列天线，其特征在于，所述N-2个沟槽划分为两组沟槽，每组沟槽包括(N-2)/2个沟槽，所述(N-2)/2个沟槽为依次排布的沟槽；
所述(N-2)/2个沟槽与对应的金属匹配柱之间的相对位置不同。
11.根据权利要求10所述的阵列天线，其特征在于，所述阵列天线等分为第一天线子阵和第二天线子阵；
所述第一天线子阵与所述第二天线子阵为旋转对称。
12.根据权利要求1-3任一项所述的阵列天线，其特征在于，所述横向槽位于部分所述第四介质板的上表面。
13.根据权利要求1-3任一项所述的阵列天线，其特征在于，所述横向槽为矩形槽。
14.根据权利要求1-3任意一项所述的阵列天线，其特征在于，所述横向槽的旁边设置有金属匹配柱。
15.根据权利要求1-3任意一项所述的阵列天线，其特征在于，所述第四介质板上的基片集成波导馈电的末端设置有一排纵向的金属短路柱。
16.根据权利要求1-3任意一项所述的阵列天线，其特征在于，所述沟槽为纵向缝；
所述阵列天线还包括：位于所述第一介质板与所述第二介质板之间的第五介质板；所述第五介质板的上下表面为金属面，且所述第五介质板的下表面为所述第一介质板的上表面；
所述第五介质板为设置有两排金属化通孔的基片集成波导；
所述第五介质板的上表面刻蚀有N个十字交叉缝，且所述N个辐射贴片一一对应地位于所述N个十字交叉缝的上方。
17.根据权利要求16所述的阵列天线，其特征在于，所述十字交叉缝包括十字交叉的横向缝和纵向缝；
所述第五介质板上的N个纵向缝一一对应地位于所述第一介质板上的N个纵向缝的正上方。
18.根据权利要求17所述的阵列天线，其特征在于，所述第五介质板上的N个纵向缝位于所述第五介质板上的馈电网络的中间位置。
19.根据权利要求18所述的阵列天线，其特征在于，所述第一介质板上的N个纵向缝位于所述第一介质板上的馈电网络的一侧。
20.根据权利要求16所述的阵列天线，其特征在于，所述第五介质板上位于各相邻两辐射贴片之间的两排金属化通孔之间的距离各不相同。
21.根据权利要求16所述的阵列天线，其特征在于，所述阵列天线还包括：位于所述第五介质板与所述第二介质板之间的第六介质板；
所述第六介质板用于粘合所述第五介质板与所述第二介质板。
22.根据权利要求16所述的阵列天线，其特征在于，所述沟槽旁边设置有金属匹配柱。
23.根据权利要求22所述的阵列天线，其特征在于，所述不同沟槽与对应的金属匹配柱之间的相对位置不同。
24.根据权利要求16所述的阵列天线，其特征在于，所述N个辐射贴片中每相邻两个辐射贴片之间的间距等于所述阵列天线的中心频点对应的波导波长的0.6倍。
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