一种低副瓣脊基片集成波导缝隙阵列天线的制作方法

本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种低副瓣脊基片集成波导缝隙阵列天线。

背景技术：

目前，基片集成波导(SIW)是由上下金属面和两排金属化通孔形成的一个类似矩形波导的结构。它具有体积小、重量轻、成本低、易与其他平面电路集成的优点，又可以克服微带、共面波导等传统平面传输线在电磁波高频段存在的传输损耗问题，成为近年来的一个热点研究方向。SIW宽壁纵向缝隙阵列天线由于具有高增益、高效率、低交叉极化以及可精确波束赋形等优点，广泛应用于雷达通信系统中。但是，由于SIW单模传输的带宽只有一个倍频，它的尺寸和其他形式的平面传输线(如微带线、共面波导)相比较大。为了减小SIW的尺寸，一些小型化的技术被提出。它们分别是加脊SIW，折叠SIW，C型折叠SIW，T型折叠SIW和半模SIW等，将SIW的宽边尺寸缩减到原来的一半左右。SIW宽壁纵向缝隙阵列天线是在SIW的宽边上每隔λ_g/2的距离开纵向缝隙的天线。它的缝隙间距相等，末端短路，为谐振式天线，所以它的相对带宽较窄，为4％左右，很难达到雷达与通信系统的要求。为了克服这一缺陷，有很多方法被提出。比如利用微带和SIW的金属化通孔过渡结构实现中心馈电SIW宽壁纵向缝隙阵列缝隙天线，可以使该天线的相对带宽达到7.9％。利用电磁互补偶极子方法，将SIW缝隙等效为磁偶极子，贴片形偶极子作为等效磁偶极子，从而将SIW缝隙天线的相对带宽展宽至19％左右。脊基片集成波导(RSIW)是由脊波导衍生而来的一种新型传输结构。它在SIW上加了两排金属通孔，通孔下面接金属带，形成脊。由于脊的存在，RSIW的TE₁₀模的截止频率降低而TE₂₀模的截止频率没有太大变化。与SIW相比，RSIW不仅能够增加工作带宽，同时也能减小尺寸。而RSIW宽壁纵向缝隙阵列天线相比较SIW宽壁纵向缝隙阵列天线而言，相对带宽能够增加到7.8％。

综上所述，现有基片集成波导缝隙阵列天线存在带宽窄，脊基片集成波导缝隙阵副瓣电平高的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种低副瓣脊基片集成波导缝隙阵列天线，旨在解决现有基片集成波导缝隙阵列天线带宽窄，脊基片集成波导缝隙阵副瓣电平高的问题。

本发明是这样实现的，一种应用于雷达与通信系统中的低副瓣脊基片集成波导缝隙阵列天线，所述低副瓣脊基片集成波导缝隙阵列天线设置有：由第一介质板、第二介质板、脊金属带、金属通孔、脊金属通孔、短路端、缝隙构成的辐射体；由微带线和微带线巴伦构成的天线馈电网络；金属通孔、脊金属带、缝隙、微带线巴伦位于第一介质板；金属通孔、脊金属通孔位于第二介质板。所述低副瓣脊基片集成波导缝隙阵列天线：

上下两层介质板叠加；

上下两层介质两边均设置有两排金属通孔；

上层介质中间设置有两排脊金属通孔；

脊结构下方设置有一条脊金属带；

下层介质底面设置有八个偏置不同的不等长度的缝隙。

设置在下层介质板上的微带线巴伦；

进一步，第一个缝隙距离馈电端口的距离为L₁(11.56mm)，第八个缝隙距离短路端的距离为L₂(5.78mm)；缝隙的偏置依次为x₁(0.35mm)、x₂(0.68mm)、x₃(1.65mm)、x₄(2.1mm)、x₄(2.1mm)、x₃(1.65mm)、x₂(0.68mm)、x₁(0.35mm)；缝隙的长度依次为l₁(9.87mm)、l₂(10.07mm)、l₃(11.06mm)、l₄(11.6mm)、l₄(11.6mm)、l₃(11.06mm)、l₂(10.07mm)、l₁(9.87mm)；缝隙宽度为w(0.4mm)。

进一步，微带线的长度为L_m(15mm)，宽度为W_m(3.39mm)；微带线巴伦的一段的宽度为W_m(3.39mm)，另一端的宽度为W_b(4.5mm)，长度为L_b(6.5mm)。

进一步，金属通孔和金属铜带构成了脊。

进一步，介质板有两层，第一介质板的厚度为h₁(2.032mm)，第二介质板的厚度为h₂(1.524)mm。

进一步，金属通孔的半径为0.2mm，孔间距为0.8mm。

进一步，脊金属通孔的半径和间距依次为0.2mm、0.8mm脊金属带宽度为4.5mm。

本发明提供的低副瓣脊基片集成波导缝隙阵列天线，采用RSIW结构，通过调整缝隙的偏置和长度可以控制缝隙的电流幅度分布，从而达到低副瓣的指标。具有宽频带、小型化、轻量化的特点，且易与平面电路集成并进行大规模批量生产。与SIW相比，RSIW体积能够减小80％左右，重量能够减小40％左右。采用RSIW缝隙天线，与SIW缝隙天线相比，带宽能提升2倍，约7.8％左右。

附图说明

图1是本发明实施例提供的低副瓣脊基片集成波导缝隙阵列天线结构示意图；

图中：1、微带线；2、微带线巴伦；3、第一介质板；4、第二介质板；5、脊金属带；6、金属通孔；7、脊金属通孔；8、短路端；9、缝隙。

图2是本发明实施例提供的低副瓣脊基片集成波导缝隙阵列天线结构示意图。

图3是本发明实施例提供的低副瓣脊基片集成波导缝隙阵列天线底面示意图及标注。

图4是本发明实施例提供的微带巴伦的俯视图及标注。

图5是本发明实施例提供的低副瓣脊基片集成波导缝隙阵列天线侧视图及标注。

图6是本发明实施例提供的脊基片集成波导的反射系数和传输系数曲线示意图。

图7是本发明实施例提供的微带巴伦的反射系数和传输曲线示意图。

图8是本发明实施例提供的天线缝隙的偏置——谐振长度曲线示意图。

图9是本发明实施例提供的天线的偏置——归一化电导曲线示意图。

图10是本发明实施例提供的天线的电压驻波比和增益曲线示意图。

图11是本发明实施例提供的天线在8.92GHz、9.3GHz、9.63GHz的H面方向图示意图；

图中：a、8.92GHz；b、9.3GHz；c、9.63GHz。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的低副瓣脊基片集成波导缝隙阵列天线包括：微带线1、微带线巴伦2、第一介质板3、第二介质板4、脊金属带5、金属通孔6、脊金属通孔7、短路端8、缝隙9。

两排金属通孔6和金属铜带构成了RSIW的脊，RSIW的上下表面为金属铜，印刷在型号为AD255介质板上。介质板一共有两层，第一介质板3厚度为h₁(2.032mm)，第二介质板4厚度为h₂(1.524mm)。缝隙9依次设置在RSIW的底面上。

微带线1、梯形渐变的微带线巴伦2和地板的金属材质为铜，它们印刷在介质板上，构成了RSIW的馈电网络。

辐射体为RSIW的缝隙阵，馈电体为微带线1和梯形渐变的微带线巴伦2。

RSIW的宽度为15mm。它是由两层介质板叠加在一起的，第一介质板3的厚度为h₁(2.032mm)，第二介质板4的厚度为h₂(1.524mm)。RSIW两边有两排金属通孔6作为它的侧壁，通孔的半径为0.2mm，孔间距为0.8mm。RSIW的中间有两排通孔作为波导的脊金属通孔7，通孔的半径和间距依次为0.2mm、0.8mm。脊的下方有一条脊金属带5，宽度为4.5mm，长度与RSIW的长度保持一致。

在RSIW的底面一共有八个缝隙9。第一个缝隙距离RSIW馈电端口的距离为L₁(11.56mm)，第八个缝隙距离RSIW短路端8的距离为L₂((5.78mm)，缝隙9的间距为L₁(11.56mm)。缝隙9的偏置依次为x₁(0.35mm)、x₂(0.68mm)、x₃(1.65mm)、x₄(2.1mm)、x₄(2.1mm)、x₃(1.65mm)、x₂(0.68mm)、x₁(0.35mm)。缝隙9的长度依次为l₁(9.87mm)、l₂(10.07mm)、l₃(11.06mm)、l₄(11.6mm)、l₄(11.6mm)、l₃(11.06mm)、l₂(10.07mm)、l₁(9.87mm)。缝隙9宽度为w(0.4mm)。

RSIW缝隙天线的馈电巴伦为梯形渐变的微带线巴伦2，其中微带线1的长度为L_m(15mm)，宽度为W_m(3.39mm)，巴伦的一段的宽度为W_m(3.39mm)，另一端的宽度为W_b(4.5mm)，长度为L_b(6.5mm)。

下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。

1、仿真内容

利用仿真软件对上述实例天线的电压驻波比、增益、方向图进行了仿真。

2、仿真结果

图6是实例天线中的脊基片集成波导的反射系数和传输系数参数曲线。从图中可以看出，在5.91GHz～13.8GHz的频带内，反射系数小于-15dB，传输系数大于-1.4dB。

图7是实例天线中的微带巴伦的反射系数和传输系数参数曲线。从图中可以看出，在4GHz～14GHz的频带内，巴伦的传输性能良好。

图8是实例天线中缝隙的偏置——谐振长度曲线，显示了缝隙在不同偏置的情况下对应的谐振长度。

图9是实例天线中缝隙的偏置——归一化电导曲线，显示了缝隙在不同偏置的情况下对应的归一化谐振电导值。

图10是对实例天线仿真得到的电压驻波比和增益随频率变化的曲线，从图中可以看出，在8.92～9.63GHz内，电压驻波比小于2，增益在10.3dB左右。

图11是对实例天线仿真得到的H面主极化和交叉极化方向图，包括8.92GHz、9.3GHz和9.63GHz三个频点。从图中可以看出在8.92GHz、9.3GHz和9.63GHz三个频点上副瓣电平均小于-25dB，满足低副瓣的指标。交叉极化电平低于-25dB。

本发明实施例提供的低副瓣脊基片集成波导缝隙阵列天线，SIW结合了传统金属波导和微带线等平面传输线的优点，利用低成本的PCB工艺即可在介质基片上实现类似于金属波导的结构。在介质基片上，形成两排紧凑的金属化通孔，通孔的直径为d，通孔间距为p。当通孔间距p足够小的时候，电磁波从通孔间泄漏的能量非常小，可以忽略不计。两排通孔可以视为波导的侧壁，介质基片上下表面覆盖的金属层可以视为波导的宽壁，这样就形成了类似于介质填充波导的SIW。在常规波导中加入纵向金属脊可以提高波导的工作带宽，而不会影响其传输特性。为了提高SIW的单模传输工作带宽，提出了RSIW。RSIW是在SIW的中间加入两排与两侧壁类似的周期性排列的悬空金属柱，金属柱下面连接着金属带，与介质板下底面间存在一定间隙的gap，形成脊电容，从而降低TE₁₀模的截止频率，但并不影响其传输特性，从而TE₁₀模的工作带宽可以展宽。通过优化脊半径、脊高度以及金属带的宽度可以得到带宽较宽的RSIW。RSIW宽壁纵向缝隙阵列天线一端为馈电端，另一端为短路。对RSIW的底面进行开缝，其中缝隙的间距为λ_g/2(λ_g为波导波长)，第一个缝隙距馈电端λ_g/2，最后一个缝隙距短路端λ_g/4。增加缝隙的宽度可以提升阻抗带宽和缝隙天线的功率容量，但是也会恶化辐射方向图的对称性和极化。通过仿真优化，本发明天线缝隙的宽度为w(0.4mm)。该天线的缝隙可以等效为并联导纳，不同偏置和长度的缝隙对应的导纳值不同。由于缝隙间的互耦较为激烈，所以要提取出考虑互耦情况下缝隙的有源导纳值。最后根据副瓣电平的指标确定电流分布，再根据电流分布确定缝隙的导纳分布，从而求出其偏置和长度。RSIW的馈电巴伦为梯形渐变的微带线馈电巴伦。巴伦的一端的宽度为50欧微带线对应的宽度，另一端的宽度为脊金属带的宽度，通过优化巴伦的长度可以使RSIW在工作频带内有较好的传输特性并且RSIW缝隙天线的辐射特性不会有太大改变。

综合采用上述技术措施，可以是RSIW缝隙天线的带宽提升至7.8％，同时使其尺寸减小，实现低副瓣特性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。