CN115693117A - 基于siw喇叭和ebg加载振子天线的极化分集天线 - Google Patents

基于siw喇叭和ebg加载振子天线的极化分集天线 Download PDF

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宋立众
房亮
房新蕊
贺晓萌
王宏
田修稳
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Abstract

本发明涉及微波天线技术领域，具体的说是一种加工方便，稳定可靠、体积小的基于SIW喇叭和EBG加载振子天线的极化分集天线，其特征在于，具有水平和垂直两个极化端口以实现垂直和水平双极化分集功能，两个极化端口分别为SIW喇叭天线和电磁带隙结构EBG加载印刷对称振子天线，其中SIW喇叭天线辐射垂直极化波，印刷对称振子天线和SIW喇叭天线平行放置，辐射水平极化波；SIW喇叭天线的介质基板的上表面的金属铜箔作为印刷对称振子的金属反射地板，在SIW喇叭天线的介质基板的上表面放置EBG结构，改变了印刷对称振子的边界条件，保证两个极化端口正常工作，与现有技术相比，本发明体积小、易于加工实现，成本较低，有利于工程应用。

Description

基于SIW喇叭和EBG加载振子天线的极化分集天线
技术领域：
本发明涉及微波天线技术领域，具体的说是一种加工方便，稳定可靠、体积小的基于SIW喇叭和EBG加载振子天线的极化分集天线。
背景技术：
在雷达、通信、遥测和遥感等电子***中，电磁波的极化信息越来越获得关注和大量应用。极化分集天线是实现电子***极化敏感的常用天线类型之一。双极化天线通常采用垂直和水平双极化或者左旋圆极化与右旋圆极化方式。对于垂直和水平双极化天线，两个极化端口可以分别感知电磁波的两个正交或者近似正交的极化分量，实现极化分集的效果。在飞行器载体平台上，由于天线安装空间的限制，极化分集天线必须具有小型化的结构。当天线安装在载体平台表面时，极化分集天线需要具有低剖面的特性，在满足双极化的工作模式和电性能指标的条件下，还需要考虑结构的可靠性和简单性等要求，因此，设计低剖面、低成本和简单结构的极化分集天线具有较为重要的实际意义。
发明内容：
本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出了一种适合于应用在飞行器天线安装平台上，节省安装空间的基于SIW喇叭和EBG加载振子天线的极化分集天线。
本发明通过以下措施达到：
一种基于SIW喇叭和EBG加载振子天线的极化分集天线，其特征在于，具有水平和垂直两个极化端口以实现垂直和水平双极化分集功能，两个极化端口分别为SIW喇叭天线和电磁带隙结构EBG加载印刷对称振子天线，其中SIW喇叭天线辐射垂直极化波，印刷对称振子天线和SIW喇叭天线平行放置，辐射水平极化波；SIW喇叭天线的介质基板的上表面的金属铜箔作为印刷对称振子的金属反射地板，在SIW喇叭天线的介质基板的上表面放置EBG结构，改变了印刷对称振子的边界条件，保证两个极化端口正常工作；
所述SIW喇叭天线中SIW喇叭辐射器放置于载体平台上，介质基板平行于载体平台表面，辐射垂直极化波，在双面覆有金属层的介质基板上加工制作两排金属化垂直导电过孔阵列，利用这两排金属化导电过孔阵列模拟波导窄壁，通过在上下两层介质中均匀布置金属通孔，形成SIW谐振腔，使电磁能量能在其中高效传输，两侧金属通孔之间距离为W1，基片集成波导喇叭天线包括由基片集成波导构成的波导结构和金属过孔与上下金属表面构成的喇叭结构，其中采用相对介电常数εr为4.3的FR-4材料作为介质基板，天线的整体尺寸为W×(L1+L2+L)，波导宽度为W1，口径宽度为W2，波导长度与喇叭长度分别为(L1+L2)和L，当金属导电通孔之间的周期足够小时，基片集成波导结构才可等效为矩形介质填充波导，此时金属化导电通孔的直径d与打孔周期p应满足下面不等式关系：
d/λ0<0.1(1)，d<p<2d(2)，式中，λ0为自由空间波长；波导结构为实现单模传输，宽度W1与等效波导宽度W1'应满足如下关系：
Figure BDA0003903632630000021
Figure BDA0003903632630000022
式中，h0为介质基板厚度；
SIW喇叭天线采用50Ω同轴线进行馈电，馈电点位置在喇叭的中轴线上，通过调整馈电点到波导底端距离和同轴线内芯的***深度实现同轴线与天线阻抗匹配，使得天线的回波损耗达到最小；
SIW的等效宽边宽度的计算公式：
Figure BDA0003903632630000023
所述电磁带隙结构EBG加载印刷对称振子天线为巴伦馈电的印刷振子天线水平极化辐射器，作为极化端口1，印刷对称振子形状为矩形，两个振子位于介质基板的同一侧，二者之间的间隙为gap；采用共面带状线(CPS)对印刷对称振子激励，在CPS与印刷对称振子之间采用直线均匀变换连接；将印刷对称振子和SIW介质基板平行放置，当SIW介质基板的上层金属铜箔直接作为水平印刷振子的反射地板时，由于金属导体表面的镜像作用，当印刷对称振子距离反射板较近时，对称振子天线难以有效辐射；为了降低水平印刷振子和SIW介质基板的距离，在SIW介质基板的上方加载EBG结构，调整印刷介质基板的边界条件，在保证水平印刷振子辐射性能的条件下，降低整个天线的剖面高度，同时对SIW喇叭的辐射性能影响不大。
本发明采用蘑菇形EBG，采用有限数量的EBG单元组成的阵列，蘑菇形EBG是一种金属-电介质型EBG结构，其中，SIW介质基板的上层金属铜箔作为EBG结构的金属地板，正方形金属贴片周期性排列在一块介质基板的顶侧，每一个金属贴片与底侧的金属接地板通过金属圆柱形导电过孔短路连接，EBG结构可等效为一个并联的LC谐振回路，并联LC谐振回路的阻抗为
Figure BDA0003903632630000024
谐振频率和带宽表示为
Figure BDA0003903632630000025
Figure BDA0003903632630000026
其L，C由下式决定
Figure BDA0003903632630000027
L＝μ0μrh (10)，
式中f0为EBG谐振频率，BW为谐振带宽，η为自由空间波阻抗，其值为120π，ε0和μ0为真空的介电常数和磁导率，a为EBG金属贴片的边长，g为金属贴片之间的缝隙宽度，εr为介质基板的相对介电常数，h为介质基板高度。
本发明所述电磁带隙结构EBG加载印刷对称振子天线中，为了采用微带线对印刷对称振子进行馈电，采用微带线到CPS的平衡到不平衡的转换器，即巴伦，该巴伦同时具有阻抗变换的功能，巴伦的输入端与微带线连接，微带线通过连续直线渐变线与输入端口的微带线相连，在巴伦输入端的另一个臂采用弯折线和金属过孔接地，实现阻抗匹配。
综上所述，本发明提出了一种基于SIW喇叭和EBG加载印刷对称振子组合式的极化分集天线的设计方案及天线结构装置，该天线装置采用组合式的低剖面结构实现水平和垂直的极化分集工作模式。该天线的两个极化端口分别为SIW喇叭和印刷对称振子辐射器，在SIW喇叭和印对称振子之间放置EBG结构，改变对称振子的边界条件，进而实现天线的低剖面效果。SIW喇叭天线和印刷对称振子互相平行放置，二者之间通过加载EBG结构，有效减少二者之间的距离，压缩天线的高度，同时，两个极化端口可实现垂直和水平的极化分集效果，端口之间的极化隔离度较高，该天线方案适合于应用在双极化低剖面的天线安装平台上，例如，飞行器载体平台。本发明中设计的极化分集天线方案设计简单、易于加工实现，成本较低，有利于工程应用。本发明中设计的基于SIW喇叭和EBG加载印刷对称振子组合式的极化分集天线装置适合应用于双极化雷达***、电子对抗***和无线通信***中，具有较为重要的应用价值。
附图说明：
图1是本发明结构示意图，其中图1(a)为立体图，图1(b)为前视图，图1(c)为后视图，图1(d)为左视图，图1(e)为右视图，图1(f)为顶面示意图，图1(g)为仰视图。
图2 SIW喇叭天线辐射器(极化端口2)结构图，其中2(a)为立体图，2(b)前视图，2(c)后视图。
图3印刷振子天线辐射器(极化端口1)结构图，3(a)为立体图，3(b)为前视图，3(c)为后视图。
图4 EBG的结构示意图，其中4(a)为立体图，4(b)为前视图，4(c)为仰视图。
图5 EBG结构的等效电路，图5(a)为EBG结构的侧视图，图5(b)为等效LC谐振电路。
图6为天线端口的电路特性仿真结果，图6(a)为端口1的VSWR，图6(b)为端口2的VSWR，图6(c)为端口之间的隔离度仿真。
图7频率为6GHz时的端口1的辐射特性仿真结果，图7(a)为三维增益方向图，图7(b)为三维轴比方向图，图7(c)为在xoz面的增益方向图，图7(d)为在xoz面的轴比方向图，图7(e)为在yoz面的增益方向图，图7(f)为在yoz面的轴比方向图。
图8为本发明实施例中频率为6GHz时的端口2的辐射特性仿真结果，图8(a)为三维增益方向图，图8(b)为三维轴比方向图，图8(c)为在xoz面的增益方向图，图8(d)为在xoz面的轴比方向图，图8(e)为在yoz面的增益方向图，图8(f)为在yoz面的轴比方向图。
附图标记：1为EBG结构，2为印刷振子天线辐射器，3为印刷振子天线辐射器的馈电巴伦，4为SIW喇叭，5为SIW喇叭的金属导电过孔阵列，6为SIW喇叭的同轴线馈电端口，7为共面带状线，8为接地导电过孔，9为直线微带渐变线。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的说明。
本发明针对极化分集电子***对天线装置的技术需求，提出了一种基于SIW喇叭和EBG加载印刷对称振子组合式的极化分集天线的设计方案及装置。该天线装置具有水平和垂直两个极化端口，实现垂直和水平双极化分集功能。考虑到载体平台的安装需求，为了实现低剖面的结构特点，本发明设计的极化分集天线装置的两个极化端口分别为SIW喇叭和电磁带隙结构(EBG)加载印刷对称振子天线。SIW喇叭天线辐射垂直极化波，本身具有低剖面的特点。印刷对称振子天线和SIW喇叭天线平行放置，它辐射水平极化波；在通常情况下，如果对称振子距离金属导电平面的高度较小，由于电磁场的镜像原理，水平极化的辐射效率较低，对称振子天线难以工作。在本发明中，SIW喇叭天线的介质基板的上表面的金属铜箔作为印刷对称振子的金属反射地板，为了在低剖面条件下，实现水平极化的印刷对称振子的有效辐射，本发明在SIW喇叭天线的介质基板的上表面放置EBG结构，改变了印刷对称振子的边界条件，提升印刷对称振子的辐射效率，降低印刷对称振子与SIW喇叭天线的介质基板的上表面之间的距离，同时保证两个极化端口正常工作。上述的两个极化端口的结构配置可实现较好的极化分集效果，适合于天线安装于载体平台表面，甚至可实现与一些载体表面的共形安装，实现天线与载体安装平台的一体化集成设计。本发明的两个极化辐射端口采用了不同的类型和结构，二者可以相对独立设计，设计难度降低。整个极化分集天线结构简单、易于加工和装配，适合于实际工程应用。本发明设计的基于SIW喇叭和EBG加载印刷对称振子组合式的极化分集天线结构模型如图1所示。图2为SIW喇叭天线辐射器(极化端口2)结构图，图3为印刷振子天线辐射器(极化端口1)结构图。在图1中，1为EBG结构，2为印刷振子天线辐射器，3为印刷振子天线辐射器的馈电巴伦，4为SIW喇叭，5为SIW喇叭的金属导电过孔阵列，6为SIW喇叭的同轴线馈电端口。
本发明设计了一种SIW喇叭辐射器，它放置于载体平台上，介质基板平行于载体平台表面，辐射垂直极化波。图4中互补式天线的工作原理示意图，其中图2(a)给出了SIW喇叭辐射器的某一个视角的模型图。图2(b)和(c)分别给出了SIW喇叭辐射器的前视图和后视图。基片集成波导与传统金属波导相比，具有结构紧凑、体积小、易于集成等特点。基片集成波导技术是在双面覆有金属层的介质基板上加工制作两排金属化垂直导电过孔阵列，利用这两排金属化导电过孔阵列模拟波导窄壁。通过在上下两层介质中均匀布置金属通孔，形成SIW谐振腔，使电磁能量能在其中高效传输，两侧金属通孔之间距离为W1。基片集成脊波导技术结合了平面电路低损耗和波导结构低辐射的优点。喇叭天线具有结构简单、频带宽、方向性好、功率容量高等优势而被广泛应用。基片集成波导喇叭天线在天线的小型化、宽频带、高增益、强方向性等方面具有重要优势。基片集成波导喇叭天线主要可以分成两个部分，即由基片集成波导构成的波导结构和金属过孔与上下金属表面构成的喇叭结构。天线采用相对介电常数εr为4.3的FR-4材料作为介质基板。天线的整体尺寸为W×(L1+L2+L)，波导宽度为W1，口径宽度为W2，波导长度与喇叭长度分别为(L1+L2)和L。当金属导电通孔之间的周期足够小时，基片集成波导结构才可等效为矩形介质填充波导，此时金属化导电通孔的直径d与打孔周期p应满足下面不等式关系。
d/λ0<0.1(1)，d<p<2d(2)式中，λ0为自由空间波长。
波导结构为实现单模传输，其宽度W1与等效波导宽度W1'应满足如下关系：
Figure BDA0003903632630000051
Figure BDA0003903632630000052
式中，h0为介质基板厚度。
天线采用50Ω同轴线进行馈电，馈电点位置在喇叭的中轴线上，通过调整馈电点到波导底端距离和同轴线内芯的***深度实现同轴线与天线阻抗匹配，使得天线的回波损耗达到最小。
SIW的等效宽边宽度的计算公式：
Figure BDA0003903632630000053
本发明设计了一种新型巴伦馈电的印刷振子天线水平极化辐射器，将其作为极化端口1，在图3中，7为共面带状线，8为接地导电过孔，9为直线微带渐变线。本发明设计的印刷对称振子形状为矩形，两个振子位于介质基板的同一侧，二者之间的间隙为gap；采用共面带状线(CPS)对印刷对称振子激励，在CPS与印刷对称振子之间采用直线均匀变换连接。为了采用微带线对印刷对称振子进行馈电，设计了一种微带线到CPS的平衡到不平衡的转换器，即巴伦，该巴伦同时具有阻抗变换的功能。巴伦的输入端与微带线连接，微带线通过连续直线渐变线与输入端口的微带线相连，在巴伦输入端的另一个臂采用弯折线和金属过孔接地，实现阻抗匹配。将印刷对称振子和SIW介质基板平行放置，当SIW介质基板的上层金属铜箔直接作为水平印刷振子的反射地板时，由于金属导体表面的镜像作用，当印刷对称振子距离反射板较近时，对称振子天线难以有效辐射。为了降低水平印刷振子和SIW介质基板的距离，在SIW介质基板的上方加载EBG结构，调整印刷介质基板的边界条件，在保证水平印刷振子辐射性能的条件下，降低整个天线的剖面高度，同时对SIW喇叭的辐射性能影响不大。
本发明采用蘑菇形EBG，其基本结构图如图4所示，采用的是有限数量的EBG单元组成的阵列。蘑菇形EBG是一种金属-电介质型EBG结构，其中，SIW介质基板的上层金属铜箔作为EBG结构的金属地板。正方形金属贴片以一定的周期性排列在一块介质基板的顶侧，每一个金属贴片与底侧的金属接地板通过金属圆柱形导电过孔短路连接。EBG结构可等效为一个并联的LC谐振回路，其等效电路如图5所示，并联LC谐振回路的阻抗为
Figure BDA0003903632630000054
其谐振频率和带宽可表示为
Figure BDA0003903632630000055
Figure BDA0003903632630000056
其L，C由下式决定
Figure BDA0003903632630000061
L＝μ0μrh (10)
式中f0为EBG谐振频率，BW为谐振带宽，η为自由空间波阻抗，其值为120π，ε0和μ0为真空的介电常数和磁导率，a为EBG金属贴片的边长，g为金属贴片之间的缝隙宽度，εr为介质基板的相对介电常数，h为介质基板高度。
实施例：
本例设计了一种基于SIW喇叭和EBG加载印刷对称振子组合式的极化分集天线装置，采用全波电磁仿真技术对该天线进行了性能仿真和优化设计，仿真实验结果验证了本发明所提出的基于SIW喇叭和EBG加载印刷对称振子组合式的极化分集天线装置的可行性。
本例设计的一种基于SIW喇叭和EBG加载印刷对称振子组合式的极化分集天线的电路特性如图6所示，由图可见，在工作频点6GHz时，该天线两个极化端口的VSWR分别约为1.67和1.52，端口隔离度约为31.49dB。
图7和图8分别给出了中心频点处的两个极化端口的辐射方向图仿真结果，两图中分别给出了三维增益方向图、三维轴比方向图、在xoz面的增益方向图、在xoz面的轴比方向图、在yoz面的增益方向图和在yoz面的轴比方向图。对于极化端口1，增益约为7.575dB，主辐射方向上的交叉极化约为29.25dB，在xoz平面上的波束宽度约为97.8度，在yoz平面上的波束宽度约为90度。对于极化端口2，增益约为5.379dB，主辐射方向上的交叉极化约为36.66dB，在xoz平面上的波束宽度约为165.5度，在yoz平面上的波束宽度约为53.6度。
综上所述，本发明提出了一种基于SIW喇叭和EBG加载印刷对称振子组合式的极化分集天线的设计方案及天线结构装置，该天线装置采用组合式的低剖面结构实现水平和垂直的极化分集工作模式。该天线的两个极化端口分别为SIW喇叭和印刷对称振子辐射器，在SIW喇叭和印对称振子之间放置EBG结构，改变对称振子的边界条件，进而实现天线的低剖面效果。SIW喇叭天线和印刷对称振子互相平行放置，二者之间通过加载EBG结构，有效减少二者之间的距离，压缩天线的高度，同时，两个极化端口可实现垂直和水平的极化分集效果，端口之间的极化隔离度较高，该天线方案适合于应用在双极化低剖面的天线安装平台上，例如，飞行器载体平台。本发明中设计的极化分集天线方案设计简单、易于加工实现，成本较低，有利于工程应用。本发明中设计的基于SIW喇叭和EBG加载印刷对称振子组合式的极化分集天线装置适合应用于双极化雷达***、电子对抗***和无线通信***中，具有较为重要的应用价值。

Claims (3)

1.一种基于SIW喇叭和EBG加载振子天线的极化分集天线，其特征在于，具有水平和垂直两个极化端口以实现垂直和水平双极化分集功能，两个极化端口分别为SIW喇叭天线和电磁带隙结构EBG加载印刷对称振子天线，其中SIW喇叭天线辐射垂直极化波，印刷对称振子天线和SIW喇叭天线平行放置，辐射水平极化波；SIW喇叭天线的介质基板的上表面的金属铜箔作为印刷对称振子的金属反射地板，在SIW喇叭天线的介质基板的上表面放置EBG结构，改变了印刷对称振子的边界条件，保证两个极化端口正常工作；
所述SIW喇叭天线中SIW喇叭辐射器放置于载体平台上，介质基板平行于载体平台表面，辐射垂直极化波，在双面覆有金属层的介质基板上加工制作两排金属化垂直导电过孔阵列，利用这两排金属化导电过孔阵列模拟波导窄壁，通过在上下两层介质中均匀布置金属通孔，形成SIW谐振腔，使电磁能量能在其中高效传输，两侧金属通孔之间距离为W1，基片集成波导喇叭天线包括由基片集成波导构成的波导结构和金属过孔与上下金属表面构成的喇叭结构，其中采用相对介电常数εr为4.3的FR-4材料作为介质基板，天线的整体尺寸为W×(L1+L2+L)，波导宽度为W1，口径宽度为W2，波导长度与喇叭长度分别为(L1+L2)和L，当金属导电通孔之间的周期足够小时，基片集成波导结构才可等效为矩形介质填充波导，此时金属化导电通孔的直径d与打孔周期p应满足下面不等式关系：
d/λ0<0.1(1)，d<p<2d(2)，式中，λ0为自由空间波长；波导结构为实现单模传输，宽度W1与等效波导宽度W1'应满足如下关系：
Figure FDA0003903632620000011
Figure FDA0003903632620000012
式中，h0为介质基板厚度；
SIW喇叭天线采用50Ω同轴线进行馈电，馈电点位置在喇叭的中轴线上，通过调整馈电点到波导底端距离和同轴线内芯的***深度实现同轴线与天线阻抗匹配，使得天线的回波损耗达到最小；
SIW的等效宽边宽度的计算公式：
Figure FDA0003903632620000013
所述电磁带隙结构EBG加载印刷对称振子天线为巴伦馈电的印刷振子天线水平极化辐射器，作为极化端口1，印刷对称振子形状为矩形，两个振子位于介质基板的同一侧，二者之间的间隙为gap；采用共面带状线(CPS)对印刷对称振子激励，在CPS与印刷对称振子之间采用直线均匀变换连接；将印刷对称振子和SIW介质基板平行放置，当SIW介质基板的上层金属铜箔直接作为水平印刷振子的反射地板时，由于金属导体表面的镜像作用，当印刷对称振子距离反射板较近时，对称振子天线难以有效辐射；为了降低水平印刷振子和SIW介质基板的距离，在SIW介质基板的上方加载EBG结构，调整印刷介质基板的边界条件，在保证水平印刷振子辐射性能的条件下，降低整个天线的剖面高度，同时对SIW喇叭的辐射性能影响不大。
2.根据权利要求1所述的一种基于SIW喇叭和EBG加载振子天线的极化分集天线，其特征在于，采用蘑菇形EBG，采用有限数量的EBG单元组成的阵列，蘑菇形EBG是一种金属-电介质型EBG结构，其中，SIW介质基板的上层金属铜箔作为EBG结构的金属地板，正方形金属贴片周期性排列在一块介质基板的顶侧，每一个金属贴片与底侧的金属接地板通过金属圆柱形导电过孔短路连接，EBG结构可等效为一个并联的LC谐振回路，并联LC谐振回路的阻抗为
Figure FDA0003903632620000021
谐振频率和带宽表示为
Figure FDA0003903632620000022
其L，C由下式决定
Figure FDA0003903632620000023
L＝μ0μrh (10)，
式中f0为EBG谐振频率，BW为谐振带宽，η为自由空间波阻抗，其值为120π，ε0和μ0为真空的介电常数和磁导率，a为EBG金属贴片的边长，g为金属贴片之间的缝隙宽度，εr为介质基板的相对介电常数，h为介质基板高度。
3.根据权利要求1所述的一种基于SIW喇叭和EBG加载振子天线的极化分集天线，其特征在于，所述电磁带隙结构EBG加载印刷对称振子天线中，为了采用微带线对印刷对称振子进行馈电，采用微带线到CPS的平衡到不平衡的转换器，即巴伦，该巴伦同时具有阻抗变换的功能，巴伦的输入端与微带线连接，微带线通过连续直线渐变线与输入端口的微带线相连，在巴伦输入端的另一个臂采用弯折线和金属过孔接地，实现阻抗匹配。
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CN116014394A (zh) * 2023-03-16 2023-04-25 电子科技大学 一种基于pin二极管的电调基片集成波导均衡器
CN116014394B (zh) * 2023-03-16 2024-05-24 电子科技大学 一种基于pin二极管的电调基片集成波导均衡器

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