一种采用半模基片集成波导的背腔缝隙圆极化天线的制作方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种应用前景广泛的米用HMSIW(Half_mode Substrate Integrated Waveguide，半模基片集成波导)技术的圆极化背腔缝隙天线，属于天线技术领域。
【背景技术】
[0002] 天线是无线通信系统的重要组成部分。无线通信的快速发展，对体积小、成本低、 高增益以及易集成的天线产生迫切需求。传统的背腔天线具有高增益、低前后比等优点，但 也存在体积过大、不易与平面电路集成等缺点。
[0003] 圆极化天线能够接收来自任意天线的任意极化电磁波，可以有效地提高接收和福 射效率，因此被广泛地应用于实际的干扰与电子侦察中。圆极化天线可以利用喇叭天线、微 带天线或背腔天线等多种天线形式实现。随着现代无线通信的快速发展，对结构简单、易于 平面集成、尺寸小、设计难度小、驻波带宽宽的圆极化天线单元产生了很大需求。
【发明内容】
[0004] 发明目的：本发明采用HMSIW技术，提供了一种可以满足无线通信系统需要的、可 应用于微波毫米波频段的、易于设计和加工、易于平面集成、尺寸小、驻波带宽更宽的平面 圆极化背腔天线。通过激发半圆形谐振腔表面的半圆环形缝隙，及HMSIW的边缘进行辐射， 在远场激励起所需的圆极化辐射。该天线具有增益高、易于平面集成、尺寸小、驻波带宽更 宽、设计简单等优点。
[0005] 技术方案:一种采用半模基片集成波导的背腔缝隙圆极化天线，包括由HMSIW构成 的馈电线路、由HMSIW构成的半圆环形背腔以及半圆环形背腔正面的半圆形缝隙辐射单元。
[0006] 所述的馈线和半圆形背腔均由金属通孔组成，其尺寸与天线的工作频率有关。
[0007] 天线通过馈电探针对HMSIW腔体馈电，选择主模半TMQ1Q模为半圆形HMSIW谐振腔的 工作模式，通过公式计算半圆环形缝隙的内外半径，，激励起半圆环形缝隙与其内部的半圆 形贴片所构成的半圆形结构在所需频点两侧频点的分别谐振，展宽了天线的驻波带宽。结 合半圆形结构同HMSIW的金属边缘在相同频点的谐振，形成两个正交的、相位差为90°的电 场，在该频点处得到结构的圆极化辐射特性。通过仿真微调半圆环形缝隙的尺寸可在所需 频点获得最佳轴比性能，通过调节匹配网络在所需频点获得最佳回波损耗性能。
[0008] 有益效果：与现有传统背腔天线相比，本发明提供的采用半模基片集成波导的背 腔缝隙圆极化天线具有如下优点：
[0009] 1)该天线采用HMSIW技术作为天线的馈线及背腔，在保留了传统背腔天线优点的 同时，带来了平面结构、易于集成、加工简单等优点。相较与传统SIW背腔天线，减少了接近 50%的尺寸。
[0010] 2)该天线采用半圆形谐振腔表面开半圆环形缝隙形成的半圆形结构，及HMSIW的 金属边缘作为辐射单元，利用半圆环形缝隙和HMSIW的金属边缘辐射形成两个正交的、相位 差为90°的电场，在远场形成圆极化辐射。
[0011] 3)该天线采用的半圆环形缝隙形成的半圆形结构带来了更好的谐振特性，通过引 入两个谐振点，展宽了天线的驻波带宽。
【附图说明】
[0012] 图1为本发明天线的俯视图；
[0013] 图2为本发明天线的侧面剖视图；
[0014] 图3为本发明的驻波比随频率变化的不意图；
[0015]图4为本发明的增益和轴比随频率变化的示意图；
[0016]图5为本发明在28GHz处的仿真和实测方向图；
[00Π ]图6为本发明在28GHz处的仿真和实测方向图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价 形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
[0019]该圆极化背腔缝隙天线由半模基片集成波导背腔及半圆环形缝隙辐射单元构成。 该天线采用单层印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)工艺加工。
[0020] 图1为本发明圆极化背腔缝隙天线的俯视图。图中用斜线填充的圆形皆为金属化 通孔，其中利用多个第一金属通孔5和多个第二金属通孔4构成HMSIW的半圆形背腔及馈电 线路，左侧多个第二金属通孔4排列的L形为SIW的馈电线路部分，馈电线路馈线电路还包括 匹配电路，匹配电路由两个第四金属通孔3构成;右侧为由多个第一金属化通孔5构成的SIW 圆形谐振腔，通孔直径为d，间距为p;天线通过馈电探针对HMSIW腔体馈电，第三金属通孔2 的为馈电点，可通过在底层接同轴接头进行馈电，其偏离HMSIW表层金属边缘的距离为wi; 第四金属通孔3为匹配电路，在此设计中由两个金属通孔组成，其窗口处的金属通孔偏离 HMSIW谐振腔边缘通孔的距离为w2,匹配电路用以改善天线的匹配特性。圆形谐振腔的半径 为r3，其工作在半TM_模式，谐振腔的半径η遵循以下公式：
[0021]
[0022] 其中，fQ1Q位谐振腔工作的频率，也就是设计的天线的工作频率;c为真空中的光 速;er为介质的相对介电常数;介质的相对磁导率。
[0023] 图1中白色未标记部分代表HMSIW表面的金属层。以半圆环形缝隙1及HMSIW腔体的 边缘6组成的半圆环形结构的辐射单元，天线可实现右旋圆极化辐射;若将半圆环形缝隙1 及HMSIW的半圆形背腔，按HMSIW腔体的边缘6镜像对称，构成的天线可实现左旋圆极化辐 射。图中的标号1指向的由黑色实线包围的灰色阴影，代表在HMSIW腔体表面通过PCB工艺腐 蚀出的半圆环形缝隙辐射单元，及PCB单层板表面裸露的介质。其中，被裁半圆环形缝隙的 内径和外径分别为rdPn;其距离匹配电路3的纵向距离为h，距离馈电点2的纵向距离为 1 2。半圆环形缝隙的等效半径半径rJI循以下公式：
[0024]
[0025] 其中，fc；P半圆环形结构具有圆极化福射性能时的工作频率;;r (5为半圆环形缝隙的 等效半径，即re= (n+r2)/2; 为HMSIW腔体的等效介电常数，即εθ= (εθ+1 )/2。
[0026] 图2为本发明圆极化背腔缝隙天线的侧面剖视图。其中，标号7和11分别为天线的 上下金属层，标号8为腐蚀于上层金属层7的半圆环形缝隙辐射单元。标号12所代表的被灰 色阴影填充的区域为天线的介质层，其高度为h。用实线包围的斜线填充区域都为金属化通 孔，其中，中间的金属化通孔为用于天线馈电的第三金属化通孔2,两侧的金属化通孔为构 成HMSIW谐振腔和馈线的第一金属化通孔5和第二金属化通孔4。
[0027] 采用电磁仿真软件对天线尺寸进行优化，得到天线尺寸参数如表1所示。各参数代 表的意义已在上文说明。
[0028]测试对象为利用PCB技术实现的工作在28GHz的圆极化HMSIW背腔缝隙天线。测试 结果如图3-图6所示。图3为本发明的驻波比随频率变化的示意图；图4位本发明的增益和轴 比随频率变化的示意图；图5为本发明在28GHz处的XZ轴的实测方向图，图6为本发明在 28GHz处的YZ轴的实测方向图。
[0029] 表 1
[0030]
【主权项】
1. 一种采用半模基片集成波导的背腔缝隙圆极化天线，其特征在于:包括由HMSIW构成 的馈电线路、由HMSIW构成的半圆形背腔以及圆形背腔正面的半圆环形缝隙辐射单元； 天线通过一个第三金属通孔（2)向HMSIW腔体进行馈电，利用多个第一金属通孔(5)和 多个第二金属通孔(4)构成HMSIW的背腔；以半圆环形缝隙（1)及HMSIW腔体的边缘(6)作为 半圆环形缝隙辐射单元，天线可实现右旋圆极化辐射。2. 如权利要求1所述的采用半模基片集成波导的背腔缝隙圆极化天线，其特征在于:若 将半圆环形缝隙（1)及HMSIW的半圆形背腔，按HMSIW腔体的边缘(6)镜像对称，构成的天线 可实现左旋圆极化辐射。3. 如权利要求1所述的采用半模基片集成波导的背腔缝隙圆极化天线，其特征在于：由 HMSIW构成的馈电线路及半圆形背腔中，所述的馈线和半圆形背腔均由金属通孔组成，多个 第一金属通孔(5)构成半圆形背腔，馈线电路还包括匹配电路；其中由多个第二金属通孔 (4)排列的L形组成馈线，由两个第四金属通孔(3)构成的匹配电路，用以改善天线的匹配特 性。4. 如权利要求1所述的采用半模基片集成波导的背腔缝隙圆极化天线，其特征在于： HMSIW圆形背腔正面的辐射单元，由半圆环形缝隙辐射和HMSIW腔体边缘辐射组成；半圆环 形缝隙单元的尺寸与天线的工作频率有关。
【专利摘要】本发明公开了一种采用半模基片集成波导作为馈线及背腔的圆极化背腔缝隙天线。天线主要由半模基片集成波导背腔与馈线以及缝隙辐射单元构成。本发明的圆极化天线在所工作的频点具有设计步骤简单、轴比性能可控、尺寸小、驻波带宽宽等优点。
【IPC分类】H01Q1/38, H01Q13/10, H01Q13/06
【公开号】CN105514600
【申请号】CN201610080271
【发明人】王海明, 无奇, 余晨, 洪伟
【申请人】东南大学
【公开日】2016年4月20日
【申请日】2016年2月4日