本發(fā)明屬于天線技術(shù)，尤其涉及一種具有自回溯功能的圓極化天線陣。

背景技術(shù)：

現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)迫切需要低成本、高增益、同時具有自動波束跟蹤能力的一類新型天線。這一類天線能自動把已接收的信號返回到信號來源方向，且無需預(yù)知來波方向。目前，方向回溯功能的實現(xiàn)主要基于Van Atta陣和基于混頻技術(shù)的相位共軛兩種方式。相位共軛技術(shù)引入了功放和混頻技術(shù)，易于優(yōu)化回溯性能的同時也增加了成本和系統(tǒng)復(fù)雜度。而Van Atta陣多用無源結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，設(shè)計簡單并且成本低廉。早期的Van Atta回溯陣列主要利用角反射器或?qū)?shù)周期天線等非平面結(jié)構(gòu)，但是其具有體積大和無法集成應(yīng)用在毫米波頻段等缺點。在隨后的發(fā)展中，微帶結(jié)構(gòu)和基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有體積小，重量輕，成本低等優(yōu)點，但是這類色散結(jié)構(gòu)限制了自回溯天線的回溯帶寬。另外，現(xiàn)有的Van Atta回溯陣列大多是基于線極化的。在實際應(yīng)用中，回溯波與反射波難以分離?；厮莶ǖ臉O化扭轉(zhuǎn)可以解決這一問題，但是帶來了收發(fā)天線極化不同和陣列單元設(shè)計變復(fù)雜等缺點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對上述現(xiàn)有技術(shù)，提出一種無源圓極化自回溯天線陣，可以使回溯信號與反射信號分離，且回溯信號與來波信號極化相同。

技術(shù)方案：一種無源圓極化自回溯天線陣，包括兩個子陣，每個子陣包含一維方向排布的偶數(shù)K個天線單元，以及K/2條基片集成同軸線；每個所述天線單元包括諧振腔、有限接地共面波導(dǎo)傳輸線，所述諧振腔內(nèi)設(shè)有輻射結(jié)構(gòu)以及用于調(diào)節(jié)圓極化性能的通孔，所述通孔位于諧振腔的右側(cè)；每條所述基片集成同軸線包括內(nèi)導(dǎo)體信號線和外導(dǎo)體屏蔽層；所述外導(dǎo)體屏蔽層由分別設(shè)于內(nèi)導(dǎo)體信號線上表面和下表面的金屬層，以及排布在內(nèi)導(dǎo)體信號線兩側(cè)并穿過上表面和下表面金屬層的通孔陣列構(gòu)成；任意兩條基片集成同軸線的電長度相差天線工作波長整數(shù)倍，每一條基片集成同軸線均為“凵”形；每條所述基片集成同軸線分別連接兩個天線單元，所述基片集成同軸線的有限接地共面波導(dǎo)傳輸線通過盲孔與基片集成同軸線相連。

進一步的，所述天線單元從上而下依次包括上金屬層、上介質(zhì)基片、黏貼層介質(zhì)、中間金屬層、下介質(zhì)基片、下金屬層；在所述中間金屬層上刻蝕出內(nèi)導(dǎo)體信號線；所述諧振腔由貫穿上金屬層、上介質(zhì)基片、黏貼層介質(zhì)、下介質(zhì)基片以及下金屬層的若干個陣列式排布的金屬化通孔構(gòu)成；所述盲孔貫穿內(nèi)導(dǎo)體信號線、下介質(zhì)基片以及下金屬層。

進一步的，所述諧振腔的輪廓為八邊形。

進一步的，天線單元中的所述輻射結(jié)構(gòu)為帶有輻射縫隙的菱形槽。

進一步的，所述有限接地共面波導(dǎo)傳輸線為在所述下金屬層上刻蝕出的縫隙，所述縫隙為一端開口的半包圍結(jié)構(gòu)，其開口朝向所述諧振腔。

進一步的，所述兩個子陣關(guān)于中心線對稱分布，兩個子陣的輻射結(jié)構(gòu)相鄰。

進一步的，每個子陣包含16個天線單元。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

1、整個圓極化自回溯天線陣主要由金屬層和金屬化通孔組成，整個結(jié)構(gòu)可以用傳統(tǒng)的PCB工藝實現(xiàn)；

2、該天線陣可以利用反射波的極化扭轉(zhuǎn)從反射波里分離出回溯波，收發(fā)天線可以使用同一極化的天線，而傳統(tǒng)的線極化自回溯天線是對天線單元實現(xiàn)極化扭轉(zhuǎn)，那么整個系統(tǒng)就需要極化不同的收發(fā)天線，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。

3、該圓極化自回溯天線陣以非色散和封閉式的基片集成同軸線作為連接網(wǎng)絡(luò)，比起基片集成波導(dǎo)這類色散結(jié)構(gòu)，拓寬了回溯性能的帶寬。另外，這類傳輸線具有損耗小、輪廓低、體積小、實現(xiàn)簡單和易于集成的優(yōu)點。

4、本發(fā)明中，入射信號以一定角度照射該自回溯天線陣列，該自回溯天線的每對天線單元同時具有收發(fā)的能力，根據(jù)波前反轉(zhuǎn)的原理，回溯信號自動返回原入射方向。由于該自回溯天線陣有32個天線單元，可以保證在正負(fù)30度寬入射掃描角范圍內(nèi)不存在波束指向誤差，而且有較好的目標(biāo)選擇性。

附圖說明

圖1為一種圓極化自回溯天線單元的上層金屬結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為天線單元的中間層金屬結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為天線單元的下層金屬結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為圓極化自回溯天線整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為圓極化自回溯天線上層結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為圓極化自回溯天線中間層結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為圓極化自回溯天線下層結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8為金屬化孔的剖視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9為天線單元的仿真回波損耗|S₁₁|；

圖10為天線單元隨頻率變化下的軸比變化關(guān)系和增益變化關(guān)系仿真結(jié)果圖；

圖11a為天線單元的xoz垂直面的仿真增益方向圖；

圖11b為天線單元的yoz垂直面的仿真增益方向圖；

圖12為相鄰兩條連接線間的長度差的相位響應(yīng)仿真結(jié)果，與等長度SIW傳輸線作對比；

圖13為圓極化自回溯天線陣在25.45GHz處雙站RCS仿真結(jié)果；

圖14a為圓極化自回溯天線陣在25.15GHz處雙站RCS仿真結(jié)果；

圖14b為圓極化自回溯天線陣在25.75GHz處雙站RCS仿真結(jié)果；

圖15為圓極化自回溯天線陣在中心頻率處雙站RCS實際測試結(jié)果圖；

圖16a為圓極化自回溯天線陣在左邊界頻率處雙站RCS實際測試結(jié)果圖；

圖16b為圓極化自回溯天線陣在右邊界頻率處雙站RCS實際測試結(jié)果圖；

圖17為圓極化自回溯天線陣在回溯帶寬內(nèi)的歸一化單站RCS實際測試結(jié)果，以相同尺寸金屬面作為參考。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做更進一步的解釋。

本發(fā)明的無源圓極化自回溯天線陣是一種高選擇性的跟蹤定位天線，與傳統(tǒng)的線極化回溯系統(tǒng)相比，利用了反射波的極化扭轉(zhuǎn)特性，可以使回溯信號與反射信號分離。另外，圓極化自回溯天線可以很好的解決極化失配的問題，進一步提高信噪比。該回溯天線具有尺寸小，重量輕，易于設(shè)計和易于集成等優(yōu)點。回溯信號與來波信號極化相同，所以收發(fā)天線的極化可以相同，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度。它能夠精準(zhǔn)地定位到來波方向，可以用于衛(wèi)星通信，車載雷達(dá)以及短距離能量傳輸?shù)葢?yīng)用中。

如圖所示，一種無源圓極化自回溯天線陣，包括兩個子陣，每個子陣包含一維方向排布的偶數(shù)16個天線單元1，以及8條基片集成同軸線2。如圖1、2、3、8所示，天線單元1從上而下依次包括上金屬層21、上介質(zhì)基片11a、黏貼層介質(zhì)12、中間金屬層22、下介質(zhì)基片11b、下金屬層23。若干以陣列式排布并貫穿上金屬層21、上介質(zhì)基片11a、黏貼層介質(zhì)12、中間金屬層22、下介質(zhì)基片11b、下金屬層23的通孔形成天線單元1的諧振腔4，本實施例中，諧振腔4的輪廓為八邊形。

諧振腔4內(nèi)設(shè)有輻射結(jié)構(gòu)5，該輻射結(jié)構(gòu)5具體為，在上金屬層21上蝕刻帶有輻射縫隙的菱形槽，如圖1所示。諧振腔4的尺寸和輻射結(jié)構(gòu)5的尺寸由天線工作頻率決定。在菱形槽內(nèi)設(shè)有用于調(diào)節(jié)天線單元的圓極化性能的通孔6，該通孔位于諧振腔4的右側(cè)，并同樣貫穿上金屬層21、上介質(zhì)基片11a、黏貼層介質(zhì)12、中間金屬層22、下介質(zhì)基片11b、下金屬層23。

如圖3所示，在八邊形諧振腔4的下方設(shè)有饋電端口，該饋電端口為在下金屬層23上刻蝕出的縫隙作為有限接地共面波導(dǎo)傳輸線8，該縫隙為一端開口的半包圍結(jié)構(gòu)，其開口朝向諧振腔4內(nèi)側(cè)。饋電端口用于激勵諧振腔，以激勵天線的工作模式。

如圖4、5、6、7所示，天線單元1間的傳輸網(wǎng)絡(luò)為基片集成同軸線2，該基片集成同軸線2包括內(nèi)導(dǎo)體信號線和外導(dǎo)體屏蔽層。在中間金屬層22上刻蝕出的細(xì)長條形的內(nèi)導(dǎo)體信號線，其外導(dǎo)體屏蔽層由分別設(shè)于內(nèi)導(dǎo)體信號線上表面和下表面的上金屬層21、下金屬層23，以及排布在內(nèi)導(dǎo)體信號線兩側(cè)并穿過金屬層21、下金屬層23的通孔陣列構(gòu)成，該通孔陣列為沿內(nèi)導(dǎo)體信號線均勻排列。每一條基片集成同軸線2均為“凵”形，其包括兩個直角拐彎部分和三個直線段部分；任意兩條基片集成同軸線2的電長度相差天線工作波長整數(shù)倍，實現(xiàn)在工作頻率處的等相位延遲。

無源圓極化自回溯天線陣中，兩個子陣關(guān)于中心線對稱分布，上下兩個一維方向子陣的輻射結(jié)構(gòu)相鄰，如圖4所示。單個子陣中的16個天線單元緊湊排列，每條基片集成同軸線2分別連接兩個天線單元1，基片集成同軸線2的有限接地共面波導(dǎo)傳輸線8通過盲孔3與基片集成同軸線2相連，單個子陣關(guān)于中心線左右對稱。該盲孔3貫穿下介質(zhì)基片11b并位于半包圍的有限接地共面波導(dǎo)傳輸線8內(nèi)，如圖2所示，盲孔3連接中間金屬層22和下金屬層23；基片集成同軸線通過盲孔和有限接地共面波導(dǎo)轉(zhuǎn)換，這種封閉結(jié)構(gòu)可以有效抑制后向輻射。

本發(fā)明的天線單元為左旋圓極化，可同時接收與發(fā)射圓極化波，具體狀態(tài)取決于激勵方向，并利用圓極化反射波的極化扭轉(zhuǎn)特性，分離了回溯波與反射波，在一維方向中心頻率附近獲得正負(fù)30度的掃描角范圍。相鄰的兩條基片集成同軸線的長度之差保持相同，以此確保所有的基片集成同軸線的傳輸相位在中心頻率處相等。當(dāng)一個左旋圓極化波入射到該天線陣列時，由于表面金屬層的反射效應(yīng)，在反射方向產(chǎn)生了右旋圓極化反射波，具體為：一個天線單元接收了左旋圓極化波，并通過基片集成同軸線將信號傳輸給另一個左旋圓極化天線單元，并將信號輻射出去；每一條基片集成同軸線在中心頻率處等相位，這樣可以保證在輻射出去前處實現(xiàn)波前反轉(zhuǎn)，使回溯信號沿著入射方向傳播實現(xiàn)方向回溯功能?；厮菪盘枮樽笮龍A極化，反射方向的反射信號為右旋圓極化，使用與發(fā)射極化相同的接收天線可提取回溯信號，無需對發(fā)射單元進行扭轉(zhuǎn)和使用極化不同的接收天線。

改變左旋圓極化波入射角，并檢測回溯方向的左旋圓極化信號，若RCS最大指向仍在回溯方向，則該角度仍然在掃描范圍內(nèi)，副瓣是限制掃描角范圍的主要因素；基片集成同軸線的非色散特性在一定程度上拓寬了回溯帶寬；大陣列形式下，該圓極化自回溯天線陣具有極好的選擇性和高增益?，F(xiàn)在的PCB工藝已十分成熟，在毫米波頻段內(nèi)，加工精度也有保證，同時加工的產(chǎn)品可以擁有低輪廓、小體積、高集成度的特性，有利于天線的大規(guī)模生產(chǎn)與應(yīng)用。因此，使用PCB工藝的無源圓極化自回溯天線在低輪廓、高集成度以及降低成本上都有很現(xiàn)實的意義。

利用PCB工藝制作本發(fā)明無源圓極化自回溯天線陣，仿真了單元和傳輸線的特性，并在暗室中進行了回溯性能相關(guān)測試：圖9、10、11分別為該陣列天線單元的仿真回波損耗|S₁₁|、軸比和軸向增益隨頻率變化、兩個正交面的方向圖；圖12為特定長度下基片集成同軸線相位特性仿真結(jié)果，該長度與相鄰基片集成同軸線長度差相等，并把相同長度的SIW傳輸線作為對比；圖13為在中心頻率25.45GHz時的雙站RCS仿真結(jié)果；圖14為分別在25.15GHz和25.75GHz時的雙站RCS仿真結(jié)果；圖15為中心頻率處雙站RCS實際測試結(jié)果；圖16為邊界頻率處雙站RCS實際測試結(jié)果；圖17為頻帶內(nèi)各角度的單站RCS實際測試結(jié)果。測試表面，該圓極化自回溯天線陣可以覆蓋正負(fù)30度的寬掃描角，并且具有600MHz的回溯帶寬和極佳的選擇特性，很好的滿足了定位功能，同時該天線陣輪廓低、實現(xiàn)簡單和易于集成。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。