一種基于基片集成波導的背腔縫隙雙頻圓極化天線的制作方法
本發明涉及一種應用前景廣泛的采用SIW(Substrate Integrated Waveguide,基片集成波導)技術的雙頻圓極化背腔縫隙天線，屬于天線技術領域。
背景技術：
天線是無線通信系統的重要組成部分。無線通信的快速發展，對體積小、成本低、高增益以及易集成的天線產生迫切需求。傳統的背腔天線具有高增益、低前后比等優點，但也存在體積過大、不易與平面電路集成等缺點。
圓極化天線能夠接收來自任意天線的任意極化電磁波，可以有效地提高接收和輻射效率，因此被廣泛地應用于實際的干擾與電子偵察中。圓極化天線可以利用喇叭天線、微帶天線或背腔天線等多種天線形式實現。隨著現代無線通信的快速發展，對低剖面易于平面集成、單向輻射、可以雙頻工作的圓極化天線單元產生了很大需求。
技術實現要素：
發明目的：本發明采用SIW技術，提供了一種可以滿足無線通信系統需要的、可應用與微波毫米波頻段的、易于設計和加工、低剖面易于平面集成的雙頻圓極化背腔天線。通過激發圓形諧振腔表面的兩個指數漸變縫隙的諧振，在遠場激勵起所需的雙頻圓極化輻射。該天線具有定向輻射、低剖面、雙頻圓極化、單饋點方式等優點。
技術方案：一種基于基片集成波導的背腔縫隙雙頻圓極化天線，包括介質層，上下金屬層構成的天線本體，天線本體包括用于測試的接地共面波導(Grounded Coplanar Waveguide,GCPW)與SIW之間的GCPW-SIW轉接結構、由SIW傳輸線及感性窗構成的兩階匹配線路、由SIW構成的近似圓形背腔以及圓形背腔正面的兩個指數漸變縫隙輻射單元。天線通過轉接結構對SIW腔體饋電，選擇主模TM010模為圓形SIW諧振腔的工作模式，產生以支持指數漸變縫隙工作時所需的電場；設計兩個指數漸變縫隙使其在所需頻點產生諧振，在遠場形成兩個頻點的圓極化輻射。
所述天線本體包括多個外圍金屬通孔、6個內部金屬通孔和2個漸變式GCPW縫隙；其中外圍金屬通孔、內部金屬通孔和漸變式GCPW縫隙關于中軸線對稱排布，指數漸變形縫隙不關于中軸線對稱。所述外圍金屬通孔構成水平放置的瓶形結構，包括順序連接的窄段、連階段、寬段和圓弧段，所述漸變式GCPW縫隙位于上層金屬層，分布在窄端和連階段對應的內側，其橫截面為窄矩形連接三角形的結構，所述內部金屬通孔分布在寬段對應的內側，在靠近連接段的一側其中4個內部金屬通孔排布在與軸向垂直的同一條直線上，在靠近圓弧段的一側，另外兩個內部金屬通孔排布在與軸向垂直的同一條直線；所述指數漸變形縫隙分布在圓弧段對應的內側，分別為外圈指數漸變形縫隙和內圈指數漸變形縫隙，2個指數漸變形縫隙的開口錯開。漸變式GCPW縫隙及窄端、連接段的外圍金屬通孔構成GCPW-SIW轉接結構，為饋電點，通過在GCPW處接同軸接頭進行饋電；由寬段的外圍金屬通孔構成的傳輸線和由內部金屬通孔構成的兩階感性窗一起構成匹配線路，為SIW的饋線部分；圓弧段的外圍金屬化通孔構成SIW近似圓形背腔，指數漸變縫隙構成作為輻射主體。GCPW-SIW轉接結構向天線腔體進行饋電，經由匹配線路，利用SIW近似圓形背腔和輻射主體，可實現兩個頻點的左旋圓極化輻射。
將兩個指數漸變縫隙輻射單元按SIW腔體的對稱中軸線鏡像對稱，構成的天線可實現雙頻右旋圓極化輻射。
所述圓形背腔(即圓形諧振腔)的半徑r0與天線的工作頻率有關，具體的，圓形背腔工作在TM010模式下諧振腔的半徑r0遵循以下公式：
其中，f010為TM010模式的工作頻率，也即天線的工作頻率；c為真空中的光速；p01為0階貝塞爾函數的1次根；εr為介質的相對介電常數，μr為介質的相對磁導率。
所述兩個指數漸變形縫隙分別由兩條指數漸變線條及連接兩條線條首部和尾部的線段構成，具體的，兩個指數漸變形縫隙由以下兩步得到：
第一步，由公式2得到在極坐標下四條指數漸變線段：
其中，r是極坐標中的半徑，是極坐標中的角度。
第二步，將i為1和2，3和4的首部和尾部分別用直線相連，并在極坐標下旋轉，構成外圈和內圈兩個縫隙結構，其中外圈縫隙結構的旋轉角度為θ1，內圈縫隙結構的旋轉角度為θ2，其初值選定為θ1＝50°，θ2＝355°。
所述指數型縫隙的參數ri可遵循以下公式：
其中，fcp為給定的圓極化輻射頻點，c為真空中的光速，re＝(r1+r2)/2或re＝(r3+r4)/2為縫隙的等效半徑，εe＝(εr+1)/2為天線的等效介電常數，其中εr為介質的相對介電常數，縫隙寬度(r1-r2)或(r3-r4)選定初值為0.1re。由此可根據兩個圓極化頻點確定指數型縫隙的參數ri。
所述匹配線路尺寸優化過程的主體通過差分進化算法聯合全波仿真軟件H FSS，得到在規定的參數w1,w2,l1,l2的物理可取值范圍內適應度F的最小值，并得到此時的參數w1,w2,l1,l2的取值，其中，適應度F表示為：
F:f(w1,w2,l1,l2)＝VSWR1+VSWR2 (式4)
其中，f(w1,w2,l1,l2)為由參數w1,w2,l1,l2決定的、可通過HFSS全波仿真得出的天線在兩個頻率點處的VSWR的值計算；參數w1,w2分別表示天線匹配線路中兩組內部金屬通孔所構成的兩個感性窗結構的窗口大小；參數l1,l2則分別表示兩個感性窗的間距，及右側感性窗與天線輻射單元的中心點，也即圓弧段的中心點的間距；VSWR1為天線在f1點處的值，VSWR2為天線在f2點處的值。
有益效果：本發明提供的基于SIW的背腔縫隙雙頻圓極化天線，具有如下優點：
1)該天線采用SIW作為天線的饋線及背腔，與現有傳統背腔天線相比，在保留了傳統背腔天線優點的同時，帶來了平面結構、易于集成、加工簡單等優點。
2)該天線采用圓形諧振腔表面開兩個指數漸變縫隙作為輻射單元，與現有的基于SIW的背腔縫隙圓極化天線相比，帶來了雙頻圓極化的優點。
3)該天線采用兩階感性窗匹配線路，與現有的基于SIW的背腔縫隙圓極化天線所用的匹配線路相比，帶來了雙頻匹配的優點。
附圖說明
圖1為本發明天線的俯視圖；
圖2為本發明天線的側面剖視圖；
圖3為本發明天線的兩個指數漸變形輻射單元的具體尺寸圖。
圖4為本發明天線的匹配線路的尺寸優化過程示意圖。
圖5為本發明的駐波、增益和軸比隨頻率變化的仿真和實測示意圖；
圖6為本發明在f1處XZ平面的實測軸比方向圖；
圖7為本發明在f1處YZ平面的實測軸比方向圖；
圖8為本發明在f2處XZ平面的實測軸比方向圖；
圖9為本發明在f2處YZ平面的實測軸比方向圖。
具體實施方式
下面結合具體實施例，進一步闡明本發明，應理解這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍，在閱讀了本發明之后，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定的范圍。
本發明的圓極化背腔縫隙天線由基片集成波導背腔及縫隙輻射單元構成。該天線采用單層印刷電路板(Printed Circuit Board，PCB)工藝加工，包括介質層，上下金屬層構成的天線本體，天線本體包括用于測試的GCPW與SIW之間的GCPW-SIW轉接結構、由SIW傳輸線及感性窗構成的兩階匹配線路、由SIW構成的近似圓形背腔以及圓形背腔正面的指數漸變縫隙輻射單元。天線通過轉接結構對SIW腔體饋電，選擇主模TM010模為圓形SIW諧振腔的工作模式，產生以支持指數漸變縫隙工作時所需的電場；設計兩個指數漸變縫隙使其在所需頻點產生諧振，在遠場形成兩個頻點的圓極化輻射。
圖1為本發明圓極化背腔縫隙天線的俯視圖，由圖可知，天線本體包括多個外圍金屬通孔、6個內部金屬通孔、2個漸變式GCPW縫隙和2個指數漸變形縫隙，其中外圍金屬通孔、內部金屬通孔和漸變式GCPW縫隙關于中軸線對稱排布，指數漸變形縫隙不關于中軸線對稱。所述外圍金屬通孔構成水平放置的瓶形結構，包括順序連接的窄段1、連階段、寬段5和圓弧段8，所述漸變式GCPW縫隙2位于上層金屬層，分布在窄端1和連階段對應的內側，其橫截面為窄矩形連接三角形的結構，所述內部金屬通孔分布在寬段對應的內側，在靠近連接段的一側其中4個內部金屬通孔3排布在與軸向垂直的同一條直線上，在靠近圓弧段的一側，另外兩個內部金屬通孔4排布在與軸向垂直的同一條直線；所述指數漸變形縫隙分布在圓弧段對應的內側，分別為外圈指數漸變形縫隙6和內圈指數漸變形縫隙7，2個指數漸變形縫隙的開口錯開。漸變式GCPW縫隙2及窄端1、連接段的外圍金屬通孔構成GCPW-SIW轉接結構，為饋電點，通過在GCPW處接同軸接頭進行饋電；由寬段5的外圍金屬通孔構成的傳輸線和由內部金屬通孔構成的兩階感性窗一起構成匹配線路，為SIW的饋線部分；圓弧段8的外圍金屬化通孔構成SIW近似圓形背腔，指數漸變縫隙6和7構成作為輻射主體。GCPW-SIW轉接結構向天線腔體進行饋電，經由匹配線路，利用SIW近似圓形背腔和輻射主體，可實現兩個頻點的左旋圓極化輻射。將兩個指數漸變縫隙輻射單元按SIW腔體的對稱中軸線鏡像對稱，構成的天線可實現雙頻右旋圓極化輻射。
圖1中灰色未標記部分代表SIW表面的金屬層，黑色圓形代表外圍金屬通孔，填充斜線的圓圈代表內部金屬通孔，標號2指向的未填充的白色色塊代表在SIW表面通過PCB工藝腐蝕出用于GCPW-SIW轉接的漸變形槽，標號6、7指向的未填充的白色色塊代表在SIW腔體表面通過PCB工藝腐蝕出的兩個指數漸變形縫隙輻射單元，兩個指數漸變形縫隙輻射單元的具體尺寸會在稍后說明。
圓形諧振腔的半徑為r0，其工作在TM010模式諧振腔的半徑r0遵循以下公式：
其中，f010為TM010模式的工作頻率，也即天線的工作頻率；c為真空中的光速；p01為0階貝塞爾函數的1次根；εr為介質的相對介電常數，μr為介質的相對磁導率。
圖2為本發明雙頻圓極化背腔縫隙天線的側視圖，圖中標號9和10分別為天線的上下金屬層，6、7為腐蝕于上層金屬層的P形縫隙輻射單元，11所代表的被灰色陰影填充的區域為天線的介質層，其高度為h，用實線包圍的斜線填充和黑色填充區域分別為內部和外圍金屬通孔，其中，中間為包含在天線饋電網絡中的感性窗3、4，右邊為構成近似圓形諧振腔的8。
圖3為本發明天線的兩個指數漸變形縫隙輻射單元的具體尺寸圖，兩個指數漸變形縫隙分別由兩條指數漸變線條及連接兩條線條首部和尾部的線段構成。兩個指數漸變形縫隙6、7可由以下兩步得到：
第一步，由以下公式得到在極坐標下四條指數漸變線段的表達式：
其中，所表示的線段分別為線條12、13、14、15，r是極坐標中的半徑，是極坐標中的角度。
第二步，將線條12和13，14和15的首部和尾部用直線相連，并在極坐標下旋轉，構成6、7兩個縫隙結構。其中6旋轉角度為θ1，7旋轉角度為θ2，其初值可選定為θ1＝50°，θ2＝355°。
指數型縫隙的參數ri可遵循以下公式：
其中，fcp為給定的圓極化輻射頻點，c為真空中的光速，re＝(r1+r2)/2或re＝(r3+r4)/2為縫隙的等效半徑，εe＝(εr+1)/2為天線的等效介電常數，其中εr為介質的相對介電常數，縫隙寬度(r1-r2)或(r3-r4)可選定初值為0.1re。由此可根據兩個圓極化頻點確定指數型縫隙的參數ri。
圖4為本發明天線的匹配線路的尺寸優化過程示意圖。優化過程的主體通過差分進化(Differential Evolution,DE)算法聯合全波仿真軟件HFSS，得到在規定的參數w1,w2,l1,l2的物理可取值范圍內，適應度F的最小值，并得到此時的參數w1,w2,l1,l2的取值。
其中，適應度F可表示為：
F:f(w1,w2,l1,l2)＝VSWR1+VSWR2 (式4)
其中，f(w1,w2,l1,l2)為由參數w1,w2,l1,l2決定的、可通過HFSS全波仿真計算得出的天線在兩個頻率點處的VSWR的值，其中，參數w1,w2分別表示圖1中天線匹配線路中，兩組內部金屬通孔所構成的兩個感性窗結構3和4的窗口大小；參數l1,l2則分別表示兩個感性窗3和4的間距，及右側感性窗4與天線輻射單元的中心點，也即圓弧段8的中心點的間距；VSWR1為天線在f1點處的值，VSWR2為天線在f2點處的值。
采用電磁仿真軟件及Matlab仿真軟件對天線尺寸進行優化，得到天線尺寸參數如表1所示。其中，m1代表GCPW兩側的過孔縱向間距，m2代表SIW傳輸線的寬度，m3,m4,g1,g2代表GCPW傳輸線的尺寸，m5為地板寬度，p,d代表金屬化過孔的間距和直徑，r0為圓弧形SIW腔體半徑，w1,w2為由金屬化過孔組成的感性窗的窗口寬度，h為介質板高度，εr為介質板的介電常數，其余各參數代表的意義已在上文說明。圖5為本發明的駐波、增益和軸比隨頻率變化的仿真和實測示意圖，可看到天線在所設計的兩個頻點處擁有較好的軸比及諧振特性。圖6為本發明在f1處XZ平面的實測軸比方向圖；圖7為本發明在f1處YZ平面的實測軸比方向圖；圖8為本發明在f2處XZ平面的實測軸比方向圖；圖9為本發明在f2處YZ平面的實測軸比方向圖。可看出所設計的天線在兩個頻點處的方向圖在與天線平面垂直的法線方向上均產生了較好的圓極化輻射。由仿真和實測結果圖可見，本發明第一次在單饋的低剖面的SIW腔體中實現了雙頻圓極化的天線特性。
表1 優化的天線尺寸參數
- 還沒有人留言評論。精彩留言會獲得點贊！