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CN106329106A - 一种基于siw技术的宽带高隔离度低交叉极化双极化微带天线阵 - Google Patents

一种基于siw技术的宽带高隔离度低交叉极化双极化微带天线阵 Download PDF

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Abstract

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种可用于卫星通信、雷达定位，合成孔径雷达等诸多方面来使用的基于SIW技术的宽带高隔离度低交叉极化双极化微带天线阵。一种基于SIW技术的宽带高隔离度低交叉极化双极化微带天线阵，包括5层印刷电路板和54个集成金属支柱，所述5层印刷电路板中，第一层印刷电路板的介质和第二层印刷电路板的介质20为Rohacell HF51泡沫，第三层印刷电路板的介质、第四层印刷电路板的介质和第五层印刷电路板的介质为Rogers 5880介质板。该天线以微带天线为基础进行设计，天线集馈电、辐射为一体，结构简单，利用印刷电路工艺进行生产，具有剖面低、重量轻、精度高、成本低等优点。

Description

一种基于SIW技术的宽带高隔离度低交叉极化双极化微带天 线阵
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种可用于卫星通信、雷达定位，合成孔径雷达等诸多方面来使用的基于SIW技术的宽带高隔离度低交叉极化双极化微带天线阵。
背景技术
随着无线通信和雷达探测的广泛应用，现代天线需要满足大容量通信、收发一体化要求，这就要求天线能够实现宽带、双极化等特点。微带天线具有体积小、重量轻、易共形等优点，而且采用一些频带拓宽技术，如口径耦合馈电、U形槽贴片、高介电常数介质贴片可以满足不同应用的带宽需求，所以在微带天线的基础上设计双极化天线成为了天线设计的一大趋势。微带天线实现双极化的方法有：阵列组合双极化，通过两个极化正交的单极化组合，实现阵列的双极化功能，这种结构体积大、成本高，故而应用受到限制；单元双极化，通过对天线单元的特殊结构设计，在同一天线单元上同时实现两个方向的极化功能，这种结构体积小、重量轻、成本低，因而受到了天线学者的广泛关注。但单元双极化同时也会产生端口间相互干扰，既隔离度和交叉极化问题。
基片集成波导(Substrate Integrate Waveguide，SIW)技术是近几年提出的一种可以集成于介质基片中的具有低插损、低辐射、高功率容量等特性的新的导波结构，它可以方便的集成在印刷电路中，使之具有特殊的功能。SIW技术在天线领域同样发挥着重要的作用，它可以用来制作重量轻、成本低的缝隙天线，也可以用来制作天线的背腔减小背向辐射，还可以增加天线的带宽等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于SIW技术的宽带高隔离度低交叉极化双极化微带天线阵。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于SIW技术的宽带高隔离度低交叉极化双极化微带天线阵，包括5层印刷电路板和54个集成金属支柱，所述5层印刷电路板中，第一层印刷电路板的介质16和第二层印刷电路板的介质20为Rohacell HF51泡沫，第三层印刷电路板的介质17、第四层印刷电路板的介质18和第五层印刷电路板的介质19为Rogers 5880介质板，第一层印刷电路板的介质顶层是印制有正方形寄生贴片1和反射板I2、第三层印刷电路板的介质顶层印制有正方形主贴片3和反射板II4，第四层印刷电路板的介质18顶层印制有垂直极化馈线5，第五层印刷电路板的介质19顶层印制有带有十字形缝隙7的接地板6，第二层印刷电路板的介质20顶层印制有水平极化馈线8，第二层印刷电路板的介质20底层印制有反射板III9，所述54个集成金属支柱其特征在于外围24个集成金属支柱14连接反射板I2和反射板III9构成阵列四周的基片集成波导，内部30个集成金属支柱11连接反射板II4和接地板6构成阵列内部的基片集成波导。
所述的阵子之间间隔为0.75λ。
所述的阵列采用等幅反相倒置馈电技术，既馈电点成镜像对称、馈线输出相位差为180度的等幅信号。
所述的天线周围被基片集成波导围绕。
所述的天线上层垂直极化馈电网络被基片集成波导覆盖。
所述的寄生贴片1、主贴片3、十字形缝隙7呈中心对齐。
所述的垂直极化馈线5与水平极化馈线8分别印制在接地板6的两侧。
所述的天线外围基片集成金属支柱14的半径为1mm，间隔4.2mm，天线内部基片集成金属支柱11的半径为0.4mm，间隔1.4mm。
本发明的有益效果在于：
(1)该天线以微带天线为基础进行设计，天线集馈电、辐射为一体，结构简单，利用印刷电路工艺进行生产，具有剖面低、重量轻、精度高、成本低等优点。
(2)该天线采用SIW技术、寄生贴片技术、缝隙耦合技术增加天线容性、降低天线Q值从而提高了天线工作带宽。
(3)该天线采用SIW技术对馈线辐射进行遮挡既减小了馈线间相互耦合又降低了馈线辐射对阵列的影响，提高端口间隔离度降低交叉极化。
(4)该天线采用反相倒置馈电技术，使阵子间交叉极化分量相互抵消，降低了天线阵列交叉极化电平。
附图说明
图1是本发明提供的基于SIW技术的宽带高隔离度低交叉极化双极化微带天线阵的结构展开示意图。
图2是本发明提供的基于SIW技术的宽带高隔离度低交叉极化双极化微带天线阵阵列俯视图。
图3是本发明提供的一种基于SIW技术的宽带高隔离度低交叉极化双极化微带天线阵阵列侧视图。
图4为本发明实施例提供的基于SIW技术的宽带高隔离度低交叉极化双极化微带天线阵回波损耗与频率的关系图。
图5为本发明实施例提供的一种基于SIW技术的宽带高隔离度低交叉极化双极化微带天线阵隔离度与频率的关系图。
图6a为本发明实施例提供的一种基于SIW技术的宽带高隔离度低交叉极化双极化微带天线阵面辐射方向图的E面水平极化方向图；
图6b为本发明实施例提供的一种基于SIW技术的宽带高隔离度低交叉极化双极化微带天线阵面辐射方向图的E面水垂直极化方向图。
具体实施方案
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明公开了一种基于SIW技术的4单元双极化微带天线阵，该天线阵使用微带天线技术、SIW技术、寄生贴片技术、缝隙耦合技术、反相倒置馈电技术等技术，实现了微带天线的宽带宽、高隔离度、低交叉极化等优异性能。该天线以十字形缝隙耦合微带天线为基础，在阵列四周和内部分别嵌入24根和30根金属支柱，形成两个基片集成波导。阵列四周的基片集成波导增加了天线的容性降低天线Q值从而增加带宽，阵列内部的基片集成波导将两层馈电网络隔离开并且抑制馈电微带线的电磁辐射从而提高天线隔离度并降低交叉极化。该天线实现了双极化天线阵的平面化和小型化，且能够实现天线与电路的一体化集成。
相比于一般的双极化微带天线，该天线具有更宽的带宽、更高的端口隔离度、更低的交叉极化电平，能更好的应用于雷达探测、卫星通信等领域。该天线具有剖面低、体积小、成本低等优点。
一种基于SIW技术的4单元双极化微带天线阵，该天线阵采用微带天线技术获得低剖面、低成本特性，采用寄生贴片技术增加天线带宽，采用缝隙耦合技术增加天线带宽并实现双极化，使用反相倒置馈电技术降低交叉极化电平，该天线包括5层印刷电路板和54个集成金属支柱。
所述5层印刷电路板其特征在于介质16、20为Rohacell HF51泡沫，介质17、18、19为Rogers 5880介质板，介质16顶层是印制有正方形寄生贴片1和反射板I2、介质17顶层印制有正方形主贴片3和反射板II4，介质18顶层印制有垂直极化馈线5，介质19顶层印制有带有十字形缝隙7的接地板6，介质20顶层印制有水平极化馈线8，介质20底层印制有反射板III9。
所述的正方形寄生贴片1位于正方形主贴片3正上方，边长略大于正方形主贴片3。
所述的正方形寄生贴片1和正方形主贴片3被位于其正下方的十字形耦合缝隙7所激励。
所述的十字形耦合缝隙7蚀刻在接地板6上，且由于馈线距辐射贴片的距离不同十字形缝隙7臂长略有差异。
所述的接地板6两侧分别布有相互正交的垂直极化馈线5和水平极化馈线8。
所述的垂直极化馈线5和水平极化馈线8由一个50Ω到100Ω的T形功分器，两个100Ω到25Ω的多节阻抗变换器，两个25Ω到50Ω的T形功分器以及四条L形馈线构成。
所述的垂直极化馈线5和水平极化馈线8距辐射贴片的距离不同导致两馈线尺寸略有不同
所述54个集成金属支柱其特征在于外围24个集成金属支柱14连接反射板I2和反射板III9构成阵列四周的基片集成波导，内部30个集成金属支柱11连接反射板II4和地板6构成阵列内部的基片集成波导。
所述外围24个集成金属支柱14的半径为1mm，间隔4.2mm，6个支柱组成一排，两端分别与反射板I2、反射板III9相连构成基片集成波导，分布在天线阵的四周。
天线内部30基片集成金属支柱11的半径为0.4mm，间隔1.4mm，两端分别与反射板II4和接地板6相连构成基片集成波导，将垂直极化馈线5包围。
实施例
本实施例提供一种基于SIW技术的宽带高隔离度低交叉极化双极化微带天线阵，中心频率为13.6GHz，其结构如图1至图3所示，主要包括：
介质基板16，该基板采用介电常数为1.07的Rohacell HF51泡沫，厚度为2.3mm，介质16顶层是印制有4个间距为0.75λ的正方形寄生贴片1和反射板I2。
介质基板17，该基板采用介电常数为2.2的Rogers 5880，厚度为0.508mm，介质17顶层印制有4个间距为0.75λ的正方形主贴片3和反射板II4。
介质基板18，该基板采用介电常数为2.2的Rogers 5880，厚度为0.254mm，介质18顶层印制有垂直极化馈线5。
介质基板19，该基板采用介电常数为2.2的Rogers 5880，厚度为0.254mm，介质19顶层印制有带有十字形缝隙7的接地板6，半径为0.4mm的集成金属支柱11穿过过孔10和过孔12，与接地板6、反射板II4构成天线内部的基片集成波导。
介质基板20，该基板采用介电常数为1.07的Rohacell HF51泡沫，厚度为3mm，介质20顶层印制有水平极化馈线8，介质20底层印制有反射板III9，半径为1mm的集成金属支柱14穿过过孔13和过孔15，与反射板III9、反射板I2构成天线外围的基片集成波导。
如图4、图5和图6所示,本发明实施方式提供的微带阵列天线可在长30mm宽30mm厚6.2mm的尺寸内,实现垂直极化端口阻抗带宽23.13％(12.08-15.24GHz)以及水平极化端口阻抗带宽29.14％(11.49-15.41GHz)，带宽范围内隔离度优于38dB，水平交叉极化和垂直交叉极化均低于-50dB的微带阵列天线。

Claims (8)

1.一种基于SIW技术的宽带高隔离度低交叉极化双极化微带天线阵，包括5层印刷电路板和54个集成金属支柱，其特征在于：所述5层印刷电路板中，第一层印刷电路板的介质(16)和第二层印刷电路板的介质(20)为Rohacell HF51泡沫，第三层印刷电路板的介质(17)、第四层印刷电路板的介质(18)和第五层印刷电路板的介质(19)为Rogers 5880介质板，第一层印刷电路板的介质顶层是印制有正方形寄生贴片(1)和反射板(I2)、第三层印刷电路板的介质顶层印制有正方形主贴片(3)和反射板(II4)，第四层印刷电路板的介质(18)顶层印制有垂直极化馈线(5)，第五层印刷电路板的介质(19)顶层印制有带有十字形缝隙(7)的接地板(6)，第二层印刷电路板的介质(20)顶层印制有水平极化馈线(8)，第二层印刷电路板的介质(20)底层印制有反射板(III9)，所述54个集成金属支柱其特征在于外围24个集成金属支柱(14)连接反射板(I2)和反射板(III9)构成阵列四周的基片集成波导，内部30个集成金属支柱(11)连接反射板(II4)和接地板(6)构成阵列内部的基片集成波导。
2.根据权利要求1所述的一种基于SIW技术的宽带高隔离度低交叉极化双极化微带天线阵，其特征在于：所述的阵子之间间隔为0.75λ。
3.根据权利要求1所述的一种基于SIW技术的宽带高隔离度低交叉极化双极化微带天线阵，其特征在于：所述的阵列采用等幅反相倒置馈电技术，既馈电点成镜像对称、馈线输出相位差为180度的等幅信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于SIW技术的宽带高隔离度低交叉极化双极化微带天线阵，其特征在于：所述的天线周围被基片集成波导围绕。
5.根据权利要求1所述的一种基于SIW技术的宽带高隔离度低交叉极化双极化微带天线阵，其特征在于：所述的天线上层馈电网络被基片集成波导覆盖。
6.根据权利要求1所述的一种基于SIW技术的宽带高隔离度低交叉极化双极化微带天线阵，其特征在于：所述的寄生贴片(1)、主贴片(3)、十字形缝隙(7)呈中心对齐。
7.根据权利要求1所述的一种基于SIW技术的宽带高隔离度低交叉极化双极化微带天线阵，其特征在于：所述的垂直极化馈线(5)与水平极化馈线(8)分别印制在接地板(6)的两侧。
8.根据权利要求1所述的一种基于SIW技术的宽带高隔离度低交叉极化双极化微带天线阵，其特征在于：所述的天线外围基片集成金属支柱(14)的半径为1mm，间隔4.2mm，天线内部基片集成金属支柱(11)的半径为0.4mm，间隔1.4mm。
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