一种基片集成波导圆极化天线、阵列天线及天线系统的制作方法

本发明涉及天线技术领域，具体而言，涉及一种基片集成波导圆极化天线、阵列天线及天线系统。

背景技术：

在射频系统中，圆极化天线因为能够解决无线信道中的法拉第旋转效应，接收任意极化的来波，并能抑制雨雾反射杂波干扰，而使得其应用变得越来越广泛。其中，微带圆极化天线通常具有两种实现方式：

其一，是在天线的特定位置对天线的场分布进行微扰，以实现激励两个幅度相等、具有90°相位差的正交模式；

其二，通过微带天线贴片上的十字缝隙，实现天线的圆极化。

然而，在实现中发现，上述的这两种天线皆具有加工简单的优势，但是，两者的工作带宽都很窄。虽然基片集成波导(substrateintegratedwaveguide，siw)兼有微带和传统金属波导结构的优点，但是目前siw圆极化天线的带宽仍然有限，特别是轴比带宽还比较窄，并且难以实现低剖面。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本发明提供了一种基片集成波导圆极化天线、阵列天线及天线系统，能够形成较宽的轴比带宽，并且实现低剖面。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

第一方面，本发明提供了一种基片集成波导圆极化天线，包括依次设置的第一金属层、介质层以及第二金属层，其中，

所述第一金属层具有第一通孔阵列和三个刻蚀出的矩形缝隙；所述矩形缝隙用于调整圆极化辐射参数；

所述介质层由电介质材料制成，并具有与所述第一通孔阵列相匹配的第二通孔阵列和第一馈电通孔；

所述第二金属层与接地端相连，具有与所述第一通孔阵列相同的第三通孔阵列和与所述第一馈电通孔相匹配的第二馈电通孔；

所述第一通孔阵列、所述第二通孔阵列以及所述第三通孔阵列用于与所述第一金属层和所述第二金属层共同形成用于限制电磁波的限制腔。

作为一种可选的实施方式，所述三个刻蚀出的矩形缝隙分别为第一矩形缝隙、第二矩形缝隙以及第三矩形缝隙，其中，

所述第一矩形缝隙位于所述第一金属层的第一侧部；

所述第二矩形缝隙位于所述第一金属层的与所述第一侧部相连接的第二侧部；

所述第三矩形缝隙位于所述第一侧部和所述第二侧部的接合处。

作为一种可选的实施方式，所述第一金属层、所述介质层以及所述第二金属层依次匹配设置，并且所述第一金属层和所述介质层以及所述第二金属层的形状都呈直角三角形；其中，所述第一金属层的两条直角边分别为所述第一侧部和所述第二侧部。

作为一种可选的实施方式，所述第一金属层、所述介质层以及所述第二金属层三者的侧边的长度范围均为20～30mm；

所述介质层的厚度范围为1.4～1.7mm，并且所述介质层的介电常数的范围为3.5～4.5，介质损耗角的范围为0.002～0.02。

作为一种可选的实施方式，所述第一馈电通孔和所述第二馈电通孔的内壁皆镀有金属材料。

第二方面，本发明提供了一种基片集成波导圆极化阵列天线，包括馈电网络结构层和四个如第一方面所述的基片集成波导圆极化天线，其中，

所述四个基片集成波导圆极化天线相互组合得到阵列天线结构层，所述阵列天线结构层为平面结构；

所述馈电网络结构层设置于所述阵列天线结构层中所述第二金属层的一侧。

作为一种可选的实施方式，所述阵列天线结构层中，每个基片集成波导圆极化天线皆呈相同的三角形，并且，所述四个基片集成波导圆极化天线排布成正方形阵列。

作为一种可选的实施方式，馈电网络结构层包括第一威尔金森功率分配器、第二威尔金森功率分配器以及第三威尔金森功率分配器，其中，

所述第一威尔金森功率分配器与所述四个基片集成波导圆极化天线中的两个相连接，所述第二威尔金森功率分配器与所述四个基片集成波导圆极化天线中的另外两个相连接；所述第三威尔金森功率分配器与所述第一威尔金森功率分配器和所述第二威尔金森功率分配器相连接。

作为一种可选的实施方式，所述基片集成波导圆极化天线还包括用于传输天线信号的金属化探针，其中，

所述金属化探针与所述阵列天线结构层和所述馈电网络结构层相连接，并且，所述金属化探针设置于所述第一馈电通孔和所述第二馈电通孔组合形成的馈电腔中。

第三方面，本发明提供了一种天线系统，包括同轴电缆、电子设备以及第二方面所述的基片集成波导圆极化阵列天线，其中，

所述基片集成波导圆极化阵列天线与通过所述同轴电缆与所述电子设备连接；

所述基片集成波导圆极化阵列天线接收目标信号，并通过所述同轴电缆将所述目标信号传输至所述电子设备；

所述电子设备通过所述同轴电缆接收所述目标信号，并对所述目标信号进行处理。

根据本发明提供的基片集成波导圆极化天线、阵列天线及天线系统，能够制作得到小型化基片集成波导圆极化天线和基片集成波导圆极化阵列天线，并且能够利用三个威尔金森功率分配器组成的馈电网络结构层为四个基片集成波导圆极化天线进行相邻输出端口相位依次滞后90°且同等幅度的激励，从而使得该天线形成了较宽的轴比带宽，并且实现低剖面。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对本发明范围的限定。

图1是本发明第一实施例提供的一种基片集成波导圆极化天线的结构示意图；

图1(a)是本发明第一实施例提供的一种基片集成波导圆极化天线中第一金属层的结构示意图；

图1(b)是本发明第一实施例提供的一种基片集成波导圆极化天线中介质层的结构示意图；

图1(c)是本发明第一实施例提供的一种基片集成波导圆极化天线中第二金属层的结构示意图；

图2是本发明第二实施例提供的一种基片集成波导圆极化阵列天线的结构示意图；

图3是本发明第二实施例提供的一种馈电网络结构层的结构示意图；

图4是本发明第二实施例提供的一种馈电网络结构层的反射系数s11的仿真结果；

图5(a)是本发明第二实施例提供的一种馈电网络结构层的四个馈电末端的幅度曲线图；

图5(b)是本发明第二实施例提供的一种馈电网络结构层的四个馈电末端的相位曲线图；

图6(a)是本发明第二实施例提供的一种基片集成波导圆极化阵列天线的反射系数实测曲线；

图6(b)是本发明第二实施例提供的一种基片集成波导圆极化阵列天线的轴比实测曲线；

图6(c)是本发明第二实施例提供的一种基片集成波导圆极化阵列天线在9.47ghz处的实测方向图；

图6(d)是本发明第二实施例提供的一种基片集成波导圆极化阵列天线在9.47ghz处的另一实测方向图。

主要元件符号说明：

100-阵列天线结构层；110-第一金属层；111-第一通孔阵列；112-矩形缝隙；120-介质层；121-第二通孔阵列；122-第一馈电通孔；130-第二金属层；131-第三通孔阵列；132-第二馈电通孔；200-馈电网络结构层；210-第一威尔金森功率分配器；220-第二威尔金森功率分配器；230-第三威尔金森功率分配器；a-馈电始端；b、c、d、e-馈电末端。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常情况下，附图中所示出和描述的本发明实施例所包括的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中所提供的本发明实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应做广义理解。例如，可以使固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或点连接；可以使直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的联通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“第一”、“第二”等主要是用于区分不同的装置、元件或组成部分(具体的种类和构造可能相同也可能不同)，并非用于表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的相对重要性和数量。除非另有说明，“多个”的含义为两个或两个以上。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

针对现有技术中的问题，本发明提供了一种基片集成波导圆极化天线、阵列天线及天线系统，能够制作得到小型化基片集成波导圆极化天线和基片集成波导圆极化阵列天线，并且能够利用三个威尔金森功率分配器组成的馈电网络结构层为四个基片集成波导圆极化天线进行相邻输出端口相位依次滞后90°且同等幅度的激励，从而使得该天线形成了较宽的轴比带宽，并且实现低剖面。下面通过实施例进行描述。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

实施例1

请参阅图1(a)～图1(c)，是本实施例提供的一种基片集成波导圆极化天线的结构示意图。其中，图1(a)是基片集成波导圆极化天线中第一金属层110的结构示意图；图1(b)是基片集成波导圆极化天线中介质层120的结构示意图；图1(c)是基片集成波导圆极化天线中第二金属层130的结构示意图。

本实施例中，该基片集成波导圆极化天线，包括依次设置的第一金属层110、介质层120以及第二金属层130，其中，

第一金属层110具有第一通孔阵列111和三个刻蚀出的矩形缝隙112；矩形缝隙112用于调整圆极化辐射参数。

介质层120由电介质材料制成，并具有与第一通孔阵列111相匹配的第二通孔阵列121和第一馈电通孔122。

第二金属层130与接地端相连，具有与第一通孔阵列111相同的第三通孔阵列131和与第一馈电通孔122相匹配的第二馈电通孔132。

本实施例中，第二金属层130就是接地面。

第一通孔阵列111、第二通孔阵列121以及第三通孔阵列131皆用于与第一金属层110和第二金属层130共同形成限制电磁波的限制腔。

作为一种可选的实施方式，三个刻蚀出的矩形缝隙112分别为第一矩形缝隙112、第二矩形缝隙112以及第三矩形缝隙112，其中，

第一矩形缝隙112位于第一金属层110的第一侧部；

第二矩形缝隙112位于第一金属层110的与第一侧部相连接的第二侧部；

第三矩形缝隙112位于第一侧部和第二侧部的接合处。

作为一种可选的实施方式，第一金属层110、介质层120以及第二金属层130依次匹配设置，并且第一金属层110和介质层120以及第二金属层130的形状都呈直角三角形；其中，第一金属层110的两条直角边分别为第一侧部和第二侧部。

作为一种可选的实施方式，第一金属层110、介质层120以及第二金属层130三者的侧边的长度范围均为20～30mm；

介质层120的厚度范围为1.4～1.7mm，并且介质层120的介电常数的范围为3.5～4.5，介质损耗角的范围为0.002～0.02。

作为一种可选的实施方式，第一馈电通孔122和第二馈电通孔132的内壁皆镀有金属材料。

在本实施例所描述的基片集成波导圆极化天线中，通过引入缝隙激发新的谐振模式，采用1/4模siw技术设计了基片集成波导圆极化天线。该天线的面积可以24mm*24mm，选用fr4_epoxy板材(相对介电常数为4.4，介质损耗角为0.02)，其厚度1.57mm。通过在上层金属面刻蚀三个矩形缝隙112，调整参数，天线获得圆极化辐射性能。该种基片集成波导圆极化天线可以采用特性阻抗为50ω的同轴线直接对第一金属层110进行馈电。

可见，实施本实施例所描述的基片集成波导圆极化天线，可以制作出小型化的基片集成波导圆极化天线，从而为基片集成波导圆极化阵列天线解决轴比带宽还比较窄，并且难以实现低剖面的问题提供制作结构基础。

实施例2

请参阅图2，是本实施例提供的一种基片集成波导圆极化阵列天线的结构示意图。其中，图2所示的基片集成波导圆极化阵列天线包括馈电网络结构层200和四个上述实施例一所描述的基片集成波导圆极化天线，其中，

四个基片集成波导圆极化天线相互组合得到阵列天线结构层100，阵列天线结构层100为平面结构；即四个基片集成波导圆极化天线于同一平面设置。

馈电网络结构层200设置于阵列天线结构层100中第二金属层130一侧。

作为一种可选的实施方式，阵列天线结构层100中，每个基片集成波导圆极化天线皆呈相同的三角形，并且，阵列天线结构层100呈正方形。

本实施例中，基片集成波导圆极化天线还包括用于传输天线信号的金属化探针。

其中，金属化探针分别与阵列天线结构层100和馈电网络结构层200两者相连接，并且，金属化探针设置于第一馈电通孔122和第二馈电通孔132组合形成的馈电腔中。

本实施例中，基片集成波导圆极化阵列天线利用构建的由三个威尔金森功分器组成的馈电网路结构，建立由四个qmsiwcp天线单元构成的天线模型。

本实施例中，本馈电网络结构层200为功率四等分的威尔金森馈电网络结构层。请参阅图3，图3是馈电网络结构层200的结构示意图。如图3所示，馈电网络结构层200包括第一威尔金森功率分配器210、第二威尔金森功率分配器220以及第三威尔金森功率分配器230。

其中，第一威尔金森功率分配器210与四个基片集成波导圆极化天线中的两个相连接，第二威尔金森功率分配器220分别与四个基片集成波导圆极化天线中的另外两个相连接；

第三威尔金森功率分配器230分别与第一威尔金森功率分配器210和第二威尔金森功率分配器220相连接。

本实施例中，如图3所示，第一威尔金森功率分配器210包括馈电末端c和馈电末端b，第二威尔金森功率分配器220包括馈电末端d和馈电末端e，第三威尔金森功率分配器230包括馈电始端a。

本实施例中，第一威尔金森功率分配器210、第二威尔金森功率分配器220以及第三威尔金森功率分配器230可以设计在rogersro4350(tm)板材上(相对介电常数为3.66，介质损耗切角为0.004)，板材高度可以为0.508，馈电始端a和四个馈电末端(即馈电末端b、馈电末端c、馈电末端d和馈电末端e)微带线的特性阻抗均为50ω。可以计算出，在基片集成波导圆极化阵列天线的工作频率为10ghz时，馈电始端a和四个馈电末端的特性阻抗为50ω时，其微带线结构的宽度为1.15mm，馈电始端a和四个馈电末端的特性阻抗为70ω时，其微带线结构的宽度为0.62mm。

图4为本实施例提供的一种馈电网络结构层200的反射系数s11的仿真结果。由图4可知，该四等分的威尔金森(wilkinson)功率分配器组成的馈电网络结构层200的反射系数s11在较宽范围内，即反射系数s11小于-10db。

请参阅图5(a)和图5(b)，图5(a)是实施例提供的一种馈电网络结构层200的四个馈电末端(即馈电末端b、馈电末端c、馈电末端d和馈电末端e)的幅度曲线图，图5(b)是本实施例提供的一种馈电网络结构层200的四个馈电末端的相位曲线图。从中可观察得到，四个馈电末端可以在相对较宽的频段内，其馈电幅度值维持在-6db～-7db之间，相邻端口相位的相位差为以90°为中心上下浮动的值。换言之，该馈电设计能够在比较宽的频段范围内，保障圆极化阵列天线形成了较宽的轴比带宽，并且实现低剖面。

图6(a)～图6(d)是本实施例提供的基片集成波导圆极化阵列天线的测试结果。其中，图6(a)是基片集成波导圆极化阵列天线的反射系数实测曲线；图6(b)是基片集成波导圆极化阵列天线的轴比实测曲线；图6(c)是基片集成波导圆极化阵列天线在其工作频率为9.47ghz、仰角φ＝0°时的实测方向图；图6(d)是基片集成波导圆极化阵列天线在其工作频率为9.47ghz、仰角φ＝90°时的另一实测方向图。

从图6(a)可以看出基片集成波导圆极化阵列天线的反射系数范围较宽，从图6(a)～图6(d)中可以看出，阻抗带宽为33.23％(8.43ghz～11.79ghz)，仿真轴比带宽为26.77％(8.28ghz～10.85ghz)，轴比在9.47ghz时最小，其值为0.49db。

在本实施例中，基片集成波导圆极化阵列天线主要利用顺序旋转(srt)的馈电技术将基片集成波导圆极化天线(即1/4模siw圆极化天线单元)组成天线阵，并利用馈电网络结构层200(威尔金森馈电网络)通过金属探针对1/4模siw圆极化天线单元进行馈电，获得小型化siw阵元组成的宽带圆极化阵列天线。将小型化的siw结构即1/4模siw圆极化天线顺序旋转90°组成阵列天线，利用馈电网络对其馈电，以拓展天线的工作带宽。

可见，实施图2所示的基片集成波导圆极化阵列天线，可以制作出小型化的基片集成波导圆极化天线和基片集成波导圆极化阵列天线，并且能够利用三个威尔金森功率分配器组成的馈电网络结构层200为四个基片集成波导圆极化天线进行相邻输出端口相位依次滞后90°且同等幅度的激励，从而使得该天线形成了较宽的轴比带宽，并且实现低剖面。

实施例3

本实施例中包括一种天线系统，该天线系统包括同轴电缆、电子设备以及实施例二中所描述的基片集成波导圆极化阵列天线。

实施这种天线系统，可以制作出小型化的基片集成波导圆极化天线和基片集成波导圆极化阵列天线，并且能够利用三个威尔金森功率分配器组成的馈电网络结构层200为四个基片集成波导圆极化天线进行相邻输出端口相位依次滞后90°且同等幅度的激励，从而使得该天线形成了较宽的轴比带宽，并且实现低剖面。

本实施例中，电子设备包括计算机、手机以及平板电脑等设备，对此本实施例中不作任何限定。

本实施例中，基片集成波导圆极化阵列天线优选为实施例二所描述的基片集成波导圆极化阵列天线，包括四个基片集成波导圆极化天线相互组合得到的阵列天线结构层100，该阵列天线结构层100为平面结构；馈电网络结构层200设置于阵列天线结构层100中第二金属层130的一侧。

本实施例中，基片集成波导圆极化天线优选为实施例二所描述的基片集成波导圆极化天线，包括依次设置的第一金属层110、介质层120以及第二金属层130。其中，第一金属层110具有第一通孔阵列111和三个刻蚀出的矩形缝隙112；矩形缝隙112用于调整圆极化辐射参数；介质层120由电介质材料制成，并具有与第一通孔阵列111相匹配的第二通孔阵列121和第一馈电通孔122；第二金属层130与接地端相连，具有与第一通孔阵列111相同的第三通孔阵列131和与第一馈电通孔122相匹配的第二馈电通孔132；第一通孔阵列111、第二通孔阵列121以及第三通孔阵列131用于与第一金属层110和第二金属层130共同形成用于限制电磁波的限制腔。

应理解，说明书通篇中提到的“本实施例中”、“本发明实施例中”或“作为一种可选的实施方式”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本发明的多个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“本实施例中”、“本发明实施例中”或“作为一种可选的实施方式”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定特征、结构或特性可以以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于可选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。

在本发明的各种实施例中，应理解，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的必然先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应与权利要求的保护范围为准。