基于siw的二维波束扫描天线阵的制作方法

文档序号:9434865
基于siw的二维波束扫描天线阵的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种二维波束扫描天线,特别是一种基于SIW的二维波束扫描天线 阵。
【背景技术】
[0002] 近几年来,二维波束扫描天线是天线领域研究的热点之一。其在雷达、卫星通信、 导弹制导、移动通信、空间探测、全息成像等领域获得了广泛的应用。Wei-YangChen等提出 了一种工作在60GHz的基于共面波导的16端口二维波束扫描网络,该网络由八片Butler 矩阵构成,可以在两个维度上实现16个波束扫描。YuJianCheng等采用了基于SIW的工 作于94GHz的二维波束扫描网络,可以实现4个波束扫描。WilliamF.Moulder等也介绍了 一种8端口波束扫描网络,工作于60GHz,由Butler矩阵和3dB定向耦合器组成,该网络在 其中一个维度上可以实现4个波束扫描,但在另一维度上可以实现2个波束扫描。
[0003] 但是,由于3dB定向耦合器所能提供的输出端口相位差只有+90°,-90°两种选 择,因此,由它构成的波束二维扫描网络在另一个维度上的波束扫描个数受限。

【发明内容】

[0004] 本发明所解决的技术问题在于提供一种基于SIW的二维波束扫描天线阵,它能以 较小的尺寸在两个维度上实现任意角度的波束扫描。
[0005] 实现本发明目的的技术解决方案为:一种基于SIW的二维波束扫描天线阵,包括 SIW缝隙天线、介质基板I、介质基板II、介质基板III、介质基板IV、介质基板V、介质基板 VI、金属层、金属层I、金属层II、金属层III、金属层IV、金属层V、金属层VI、两个Butler矩 阵和Butler矩阵控制网络,Butler矩阵控制网络对上述两个Butler矩阵进行控制;
[0006] 所述介质基板I、介质基板II、介质基板III、介质基板IV、介质基板V、介质基板VI 从下至上依次叠加,介质基板I的下方设置金属层,介质基板I和介质基板II之间设置金 属层I,介质基板II和介质基板III之间设置金属层II,介质基板III和介质基板IV之间设置 金属层III,介质基板IV和介质基板V之间设置金属层IV,介质基板V和介质基板VI之间设 置金属层V,介质基板VI的上表面设置金属层VI ;
[0007]金属层I上开有层间耦合缝隙I,金属层II上开有层间耦合缝隙II,金属层III上 开有层间耦合缝隙III,金属层IV上开有层间耦合缝隙IV,金属层V上开有层间耦合缝隙V ; 其中层间耦合缝隙I的结构为方形,层间耦合缝隙II、层间耦合缝隙III、层间耦合缝隙IV和 层间耦合缝隙V的结构为十字形;
[0008]介质基板I、介质基板II的结构通过层间耦合缝隙I进行能量传输,介质基板II 和介质基板III的结构通过层间耦合缝隙II进行能量传输,介质基板III和介质基板IV的结构 通过层间耦合缝隙III进行能量传输,介质基板IV和介质基板V的结构通过层间耦合缝隙 IV进行能量传输,介质基板V和介质基板VI的结构通过层间耦合缝隙V进行能量传输;
[0009] 介质基板VI上设置SIW缝隙天线,两个Butler矩阵关于天线阵的中心线对称设 置,每个Butler矩阵均包括两个-45°移相器、两个90°移相器、四个3dB定向耦合器和两 个OdB定向親合器,其中两个-45°移相器和两个3dB定向親合器位于介质基板II上,一个 OdB定向親合器位于介质基板III上,两个3dB定向親合器位于介质基板IV上,一个OdB定向 耦合器和两个90°移相器位于介质基板V上;
[0010] Butler矩阵控制网络包括四个3dB定向耦合器和四个移相器,每个3dB定向耦合 器均对应一个移相器,其中两个3dB定向耦合器和两个移相器位于介质基板II上,另外两 个3dB定向耦合器和另外两个移相器位于介质基板I上。
[0011] 本发明与现有技术相比,其显著优点为:1)本发明提出的SIW的二维波束扫描天 线阵,与基于的二维波束扫描天线阵相比,该结构通过改进二维波束扫描网络的逻辑结构 框图,并采用多组不同相移值的移相器,从而使得该天线阵可以在两个维度上实现任意角 度的波束扫描。实际应用中,可根据天线阵的具体用途选择合适的相移值以实现固定指向 的天线波束。每个波束的增益可达lldBi以上。2)本发明提出的SIW的二维波束扫描天线 阵,结合LTCC工艺,利用LTCC的多层特性,将整体结构设计为多层结构,有效地减小了二维 波束天线阵列的尺寸,实现了结构的小型化设计。
[0012] 下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
【附图说明】
[0013] 图1为本发明基于SIW的二维波束扫描天线阵的模型图。其中,图(a)为三维图, 图(b)为侧视图。
[0014]图2为本发明基于SIW的二维波束扫描天线阵的介质层和金属层的详细结构图。 其中,图(a)为介质基板I[S1]上的结构,图(b)为介质基板II[S2]上的结构,图(c)为 介质基板III[S3]上的结构,图(d)为介质基板IV[S4]上的结构,图(e)为介质基板V[S5] 上的结构,图(f)为介质基板VI[S6]上的结构。
[0015]图3(a)为本发明基于SIW的二维波束扫描天线阵的二维波束扫描网络逻辑框图, 图3 (b)为本发明中基于SIW的Butler矩阵逻辑框图。
[0016]图4为本发明基于SIW的二维波束扫描天线阵的各输入端口的回波损耗分布。
[0017]图5为本发明基于SIW的二维波束扫描天线阵在激励不同输入端口时的三维波束 图,其中,图(a)为输入端口P1对应的波束,图(b)为输入端口P2对应的波束,图(c)为输 入端口P3对应的波束,图(d)为输入端口P4对应的波束,图(e)为输入端口P5对应的波 束,图(f)为输入端口P6对应的波束,图(g)为输入端口P7对应的波束,图(h)为输入端 口P8对应的波束。
[0018] 图6为本发明基于SIW的二维波束扫描天线阵形成的8个三维波束合成图。
[0019]图7为本发明基于SIW的二维波束扫描天线阵在激励不同输入端口时的二维波束 方向图,其中,图(a)为输入端口P1对应的二维波束方向图,图(b)为输入端口P2对应的 二维波束方向图,图(c)为输入端口P3对应的二维波束方向图,图(d)为输入端口P4对应 的二维波束方向图,图(e)为输入端口P5对应的二维波束方向图,图(f)为输入端口P6对 应的二维波束方向图,图(g)为输入端口P7对应的二维波束方向图,图(h)为输入端口P8 对应的二维波束方向图。
【具体实施方式】
[0020] 结合图1,本发明一种基于SIW的二维波束扫描天线阵,包括SIW缝隙天线20、介 质基板I[S1]、介质基板II[S2]、介质基板III[S3]、介质基板IV[S4]、介质基板V[S5]、 介质基板VI[S6]、金属层[M0]、金属层I[Ml]、金属层II[M2]、金属层III[M3]、金属层 IV[M4]、金属层V[M5]、金属层VI[M6]、两个Butler矩阵21和Butler矩阵控制网络22, Butler矩阵控制网络22对上述两个Butler矩阵21进行控制;
[0021] 结合图1和图2,所述介质基板I[S1]、介质基板II[S2]、介质基板III[S3]、介质 基板IV[S4]、介质基板V[S5]、介质基板VI[S6]从下至上依次叠加,介质基板I[S1]的下 方设置金属层[M0],介质基板I[S1]和介质基板II[S2]之间设置金属层I[Ml],介质基 板II[S2]和介质基板III[S3]之间设置金属层II[M2],介质基板III[S3]和介质基板IV[S4] 之间设置金属层III[M3],介质基板IV[S4]和介质基板V[S5]之间设置金属层IV[M4],介 质基板V[S5]和介质基板VI[S6]之间设置金属层V[M5],介质基板VI[S6]的上表面设置 金属层VI[M6];
[0022] 金属层I[Ml]上开有层间耦合缝隙I[14],金属层II[M2]上开有层间耦合缝隙 II[15],金属层III[M3]上开有层间耦合缝隙III[16],金属层IV[M4]上开有层间耦合缝隙 IV[17],金属层V[M5]上开有层间耦合缝隙V[18];其中层间耦合缝隙I[14]的结构为 方形,层间耦合缝隙II[15]、层间耦合缝隙III[16]、层间耦合缝隙IV[17]和层间耦合缝隙 V [18]的结构为十字形;
[0023] 介质基板I[S1]、介质基板II[S2]的结构通过层间耦合缝隙I[14]进行能量传 输,介质基板II[S2]和介质基板III[S3]的结构通过层间耦合缝隙II[15]进行能量传输, 介质基板III[S3]和介质基板IV[S4]的结构通过层间耦合缝隙III[16]进行能量传输,介 质基板IV[S4]和介质基板V[S5]的结构通过层间耦合缝隙IV[17]进行能量传输,介质 基板V[S5]和介质基板VI[S6]的结构通过层间耦合缝隙V[18]进行能量传输;
[0024] 介质基板VI[S6]上设置SIW缝隙天线20,两个Butler矩阵关于天线阵的中心线 对称设置,每个Butler矩阵均包括两个-45°移相器、两个90°移相器、四个3dB定向耦 合器和两个OdB定向耦合器,其中两个-45°移相器和两个3dB定向耦合器位于介质基板 II[S2]上,一个OdB定向親合器位于介质基板III[S3]上,两个3dB定向親合器位于介质基 板IV[S4]上,一个OdB定向親合器和两个90°移相器位于介质基板V[S5]上;
[0025]Butler矩阵控制网络22包括四个3dB定向耦合器和四个移相器,每个3dB定向耦 合器均对应一个移相器,其中两个3dB定向耦合器和两个移相器位于介质基板II[S2]上, 另外两个3dB定向耦合器和另外两个移相器位于介质基板I[S1]上。
[0026] 所述移相器为等长不等宽的SIW结构。
[0027] 所述的基于SIW的二维波束扫描天线阵中,每个Butler矩阵均包括四个输入端口 和四个输出端口,其中四个输入端口分别与Butler矩阵控制网络的输出端口相连,该四个 输入端口中有两个直接与位于介质基板II[S2]上的Butler矩阵控制网络中的3dB定向耦 合器和移相器相连,另外两个输入端口通过层间耦合缝隙I[14]与位于介质基板I[S1] 上的Butler矩阵控制网络中的3dB定向耦合器和移相器相连;每个Butler矩阵的四个输 出端口通过层间耦合缝隙V[18]与天线相连。
[0028] 所述介质基板I[S1]、介质基板II[S2]、介质基板III[S3]、介质基板IV[S4]、介 质基板V[S5]、介质基板VI[S6]的介电常数\均为2. 2~10. 2,厚度H均为0.001入~ 0. 1A,其中A为自由
再多了解一些
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