本發(fā)明涉及一種應(yīng)用前景廣泛的采用SIW(Substrate Integrated Waveguide,基片集成波導(dǎo))技術(shù)的雙頻圓極化背腔縫隙天線，屬于天線技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

天線是無線通信系統(tǒng)的重要組成部分。無線通信的快速發(fā)展，對體積小、成本低、高增益以及易集成的天線產(chǎn)生迫切需求。傳統(tǒng)的背腔天線具有高增益、低前后比等優(yōu)點(diǎn)，但也存在體積過大、不易與平面電路集成等缺點(diǎn)。

圓極化天線能夠接收來自任意天線的任意極化電磁波，可以有效地提高接收和輻射效率，因此被廣泛地應(yīng)用于實(shí)際的干擾與電子偵察中。圓極化天線可以利用喇叭天線、微帶天線或背腔天線等多種天線形式實(shí)現(xiàn)。隨著現(xiàn)代無線通信的快速發(fā)展，對低剖面易于平面集成、單向輻射、可以雙頻工作的圓極化天線單元產(chǎn)生了很大需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明采用SIW技術(shù)，提供了一種可以滿足無線通信系統(tǒng)需要的、可應(yīng)用與微波毫米波頻段的、易于設(shè)計(jì)和加工、低剖面易于平面集成的雙頻圓極化背腔天線。通過激發(fā)圓形諧振腔表面的兩個(gè)指數(shù)漸變縫隙的諧振，在遠(yuǎn)場激勵(lì)起所需的雙頻圓極化輻射。該天線具有定向輻射、低剖面、雙頻圓極化、單饋點(diǎn)方式等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)方案：一種基于基片集成波導(dǎo)的背腔縫隙雙頻圓極化天線，包括介質(zhì)層，上下金屬層構(gòu)成的天線本體，天線本體包括用于測試的接地共面波導(dǎo)(Grounded Coplanar Waveguide,GCPW)與SIW之間的GCPW-SIW轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)、由SIW傳輸線及感性窗構(gòu)成的兩階匹配線路、由SIW構(gòu)成的近似圓形背腔以及圓形背腔正面的兩個(gè)指數(shù)漸變縫隙輻射單元。天線通過轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)對SIW腔體饋電，選擇主模TM₀₁₀模為圓形SIW諧振腔的工作模式，產(chǎn)生以支持指數(shù)漸變縫隙工作時(shí)所需的電場；設(shè)計(jì)兩個(gè)指數(shù)漸變縫隙使其在所需頻點(diǎn)產(chǎn)生諧振，在遠(yuǎn)場形成兩個(gè)頻點(diǎn)的圓極化輻射。

所述天線本體包括多個(gè)外圍金屬通孔、6個(gè)內(nèi)部金屬通孔和2個(gè)漸變式GCPW縫隙；其中外圍金屬通孔、內(nèi)部金屬通孔和漸變式GCPW縫隙關(guān)于中軸線對稱排布，指數(shù)漸變形縫隙不關(guān)于中軸線對稱。所述外圍金屬通孔構(gòu)成水平放置的瓶形結(jié)構(gòu)，包括順序連接的窄段、連階段、寬段和圓弧段，所述漸變式GCPW縫隙位于上層金屬層，分布在窄端和連階段對應(yīng)的內(nèi)側(cè)，其橫截面為窄矩形連接三角形的結(jié)構(gòu)，所述內(nèi)部金屬通孔分布在寬段對應(yīng)的內(nèi)側(cè)，在靠近連接段的一側(cè)其中4個(gè)內(nèi)部金屬通孔排布在與軸向垂直的同一條直線上，在靠近圓弧段的一側(cè)，另外兩個(gè)內(nèi)部金屬通孔排布在與軸向垂直的同一條直線；所述指數(shù)漸變形縫隙分布在圓弧段對應(yīng)的內(nèi)側(cè)，分別為外圈指數(shù)漸變形縫隙和內(nèi)圈指數(shù)漸變形縫隙，2個(gè)指數(shù)漸變形縫隙的開口錯(cuò)開。漸變式GCPW縫隙及窄端、連接段的外圍金屬通孔構(gòu)成GCPW-SIW轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)，為饋電點(diǎn)，通過在GCPW處接同軸接頭進(jìn)行饋電；由寬段的外圍金屬通孔構(gòu)成的傳輸線和由內(nèi)部金屬通孔構(gòu)成的兩階感性窗一起構(gòu)成匹配線路，為SIW的饋線部分；圓弧段的外圍金屬化通孔構(gòu)成SIW近似圓形背腔，指數(shù)漸變縫隙構(gòu)成作為輻射主體。GCPW-SIW轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)向天線腔體進(jìn)行饋電，經(jīng)由匹配線路，利用SIW近似圓形背腔和輻射主體，可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)頻點(diǎn)的左旋圓極化輻射。

將兩個(gè)指數(shù)漸變縫隙輻射單元按SIW腔體的對稱中軸線鏡像對稱，構(gòu)成的天線可實(shí)現(xiàn)雙頻右旋圓極化輻射。

所述圓形背腔(即圓形諧振腔)的半徑r₀與天線的工作頻率有關(guān)，具體的，圓形背腔工作在TM₀₁₀模式下諧振腔的半徑r₀遵循以下公式：

其中，f₀₁₀為TM₀₁₀模式的工作頻率，也即天線的工作頻率；c為真空中的光速；p₀₁為0階貝塞爾函數(shù)的1次根；ε_r為介質(zhì)的相對介電常數(shù)，μ_r為介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率。

所述兩個(gè)指數(shù)漸變形縫隙分別由兩條指數(shù)漸變線條及連接兩條線條首部和尾部的線段構(gòu)成，具體的，兩個(gè)指數(shù)漸變形縫隙由以下兩步得到：

第一步，由公式2得到在極坐標(biāo)下四條指數(shù)漸變線段：

其中，r是極坐標(biāo)中的半徑，是極坐標(biāo)中的角度。

第二步，將i為1和2，3和4的首部和尾部分別用直線相連，并在極坐標(biāo)下旋轉(zhuǎn)，構(gòu)成外圈和內(nèi)圈兩個(gè)縫隙結(jié)構(gòu)，其中外圈縫隙結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度為θ₁，內(nèi)圈縫隙結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度為θ₂，其初值選定為θ₁＝50°，θ₂＝355°。

所述指數(shù)型縫隙的參數(shù)r_i可遵循以下公式：

其中，f_cp為給定的圓極化輻射頻點(diǎn)，c為真空中的光速，r_e＝(r₁+r₂)/2或r_e＝(r₃+r₄)/2為縫隙的等效半徑，ε_e＝(ε_r+1)/2為天線的等效介電常數(shù)，其中ε_r為介質(zhì)的相對介電常數(shù)，縫隙寬度(r₁-r₂)或(r₃-r₄)選定初值為0.1r_e。由此可根據(jù)兩個(gè)圓極化頻點(diǎn)確定指數(shù)型縫隙的參數(shù)r_i。

所述匹配線路尺寸優(yōu)化過程的主體通過差分進(jìn)化算法聯(lián)合全波仿真軟件H FSS，得到在規(guī)定的參數(shù)w₁,w₂,l₁,l₂的物理可取值范圍內(nèi)適應(yīng)度F的最小值，并得到此時(shí)的參數(shù)w₁,w₂,l₁,l₂的取值，其中，適應(yīng)度F表示為：

F:f(w₁,w₂,l₁,l₂)＝VSWR₁+VSWR₂ (式4)

其中，f(w₁,w₂,l₁,l₂)為由參數(shù)w₁,w₂,l₁,l₂決定的、可通過HFSS全波仿真得出的天線在兩個(gè)頻率點(diǎn)處的VSWR的值計(jì)算；參數(shù)w₁,w₂分別表示天線匹配線路中兩組內(nèi)部金屬通孔所構(gòu)成的兩個(gè)感性窗結(jié)構(gòu)的窗口大小；參數(shù)l₁,l₂則分別表示兩個(gè)感性窗的間距，及右側(cè)感性窗與天線輻射單元的中心點(diǎn)，也即圓弧段的中心點(diǎn)的間距；VSWR₁為天線在f₁點(diǎn)處的值，VSWR₂為天線在f₂點(diǎn)處的值。

有益效果：本發(fā)明提供的基于SIW的背腔縫隙雙頻圓極化天線，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)該天線采用SIW作為天線的饋線及背腔，與現(xiàn)有傳統(tǒng)背腔天線相比，在保留了傳統(tǒng)背腔天線優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，帶來了平面結(jié)構(gòu)、易于集成、加工簡單等優(yōu)點(diǎn)。

2)該天線采用圓形諧振腔表面開兩個(gè)指數(shù)漸變縫隙作為輻射單元，與現(xiàn)有的基于SIW的背腔縫隙圓極化天線相比，帶來了雙頻圓極化的優(yōu)點(diǎn)。

3)該天線采用兩階感性窗匹配線路，與現(xiàn)有的基于SIW的背腔縫隙圓極化天線所用的匹配線路相比，帶來了雙頻匹配的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明天線的俯視圖；

圖2為本發(fā)明天線的側(cè)面剖視圖；

圖3為本發(fā)明天線的兩個(gè)指數(shù)漸變形輻射單元的具體尺寸圖。

圖4為本發(fā)明天線的匹配線路的尺寸優(yōu)化過程示意圖。

圖5為本發(fā)明的駐波、增益和軸比隨頻率變化的仿真和實(shí)測示意圖；

圖6為本發(fā)明在f₁處XZ平面的實(shí)測軸比方向圖；

圖7為本發(fā)明在f₁處YZ平面的實(shí)測軸比方向圖；

圖8為本發(fā)明在f₂處XZ平面的實(shí)測軸比方向圖；

圖9為本發(fā)明在f₂處YZ平面的實(shí)測軸比方向圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。

本發(fā)明的圓極化背腔縫隙天線由基片集成波導(dǎo)背腔及縫隙輻射單元構(gòu)成。該天線采用單層印刷電路板(Printed Circuit Board，PCB)工藝加工，包括介質(zhì)層，上下金屬層構(gòu)成的天線本體，天線本體包括用于測試的GCPW與SIW之間的GCPW-SIW轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)、由SIW傳輸線及感性窗構(gòu)成的兩階匹配線路、由SIW構(gòu)成的近似圓形背腔以及圓形背腔正面的指數(shù)漸變縫隙輻射單元。天線通過轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)對SIW腔體饋電，選擇主模TM₀₁₀模為圓形SIW諧振腔的工作模式，產(chǎn)生以支持指數(shù)漸變縫隙工作時(shí)所需的電場；設(shè)計(jì)兩個(gè)指數(shù)漸變縫隙使其在所需頻點(diǎn)產(chǎn)生諧振，在遠(yuǎn)場形成兩個(gè)頻點(diǎn)的圓極化輻射。

圖1為本發(fā)明圓極化背腔縫隙天線的俯視圖，由圖可知，天線本體包括多個(gè)外圍金屬通孔、6個(gè)內(nèi)部金屬通孔、2個(gè)漸變式GCPW縫隙和2個(gè)指數(shù)漸變形縫隙，其中外圍金屬通孔、內(nèi)部金屬通孔和漸變式GCPW縫隙關(guān)于中軸線對稱排布，指數(shù)漸變形縫隙不關(guān)于中軸線對稱。所述外圍金屬通孔構(gòu)成水平放置的瓶形結(jié)構(gòu)，包括順序連接的窄段1、連階段、寬段5和圓弧段8，所述漸變式GCPW縫隙2位于上層金屬層，分布在窄端1和連階段對應(yīng)的內(nèi)側(cè)，其橫截面為窄矩形連接三角形的結(jié)構(gòu)，所述內(nèi)部金屬通孔分布在寬段對應(yīng)的內(nèi)側(cè)，在靠近連接段的一側(cè)其中4個(gè)內(nèi)部金屬通孔3排布在與軸向垂直的同一條直線上，在靠近圓弧段的一側(cè)，另外兩個(gè)內(nèi)部金屬通孔4排布在與軸向垂直的同一條直線；所述指數(shù)漸變形縫隙分布在圓弧段對應(yīng)的內(nèi)側(cè)，分別為外圈指數(shù)漸變形縫隙6和內(nèi)圈指數(shù)漸變形縫隙7，2個(gè)指數(shù)漸變形縫隙的開口錯(cuò)開。漸變式GCPW縫隙2及窄端1、連接段的外圍金屬通孔構(gòu)成GCPW-SIW轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)，為饋電點(diǎn)，通過在GCPW處接同軸接頭進(jìn)行饋電；由寬段5的外圍金屬通孔構(gòu)成的傳輸線和由內(nèi)部金屬通孔構(gòu)成的兩階感性窗一起構(gòu)成匹配線路，為SIW的饋線部分；圓弧段8的外圍金屬化通孔構(gòu)成SIW近似圓形背腔，指數(shù)漸變縫隙6和7構(gòu)成作為輻射主體。GCPW-SIW轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)向天線腔體進(jìn)行饋電，經(jīng)由匹配線路，利用SIW近似圓形背腔和輻射主體，可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)頻點(diǎn)的左旋圓極化輻射。將兩個(gè)指數(shù)漸變縫隙輻射單元按SIW腔體的對稱中軸線鏡像對稱，構(gòu)成的天線可實(shí)現(xiàn)雙頻右旋圓極化輻射。

圖1中灰色未標(biāo)記部分代表SIW表面的金屬層，黑色圓形代表外圍金屬通孔，填充斜線的圓圈代表內(nèi)部金屬通孔，標(biāo)號(hào)2指向的未填充的白色色塊代表在SIW表面通過PCB工藝腐蝕出用于GCPW-SIW轉(zhuǎn)接的漸變形槽，標(biāo)號(hào)6、7指向的未填充的白色色塊代表在SIW腔體表面通過PCB工藝腐蝕出的兩個(gè)指數(shù)漸變形縫隙輻射單元，兩個(gè)指數(shù)漸變形縫隙輻射單元的具體尺寸會(huì)在稍后說明。

圓形諧振腔的半徑為r₀，其工作在TM₀₁₀模式諧振腔的半徑r₀遵循以下公式：

其中，f₀₁₀為TM₀₁₀模式的工作頻率，也即天線的工作頻率；c為真空中的光速；p₀₁為0階貝塞爾函數(shù)的1次根；ε_r為介質(zhì)的相對介電常數(shù)，μ_r為介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率。

圖2為本發(fā)明雙頻圓極化背腔縫隙天線的側(cè)視圖，圖中標(biāo)號(hào)9和10分別為天線的上下金屬層，6、7為腐蝕于上層金屬層的P形縫隙輻射單元，11所代表的被灰色陰影填充的區(qū)域?yàn)樘炀€的介質(zhì)層，其高度為h，用實(shí)線包圍的斜線填充和黑色填充區(qū)域分別為內(nèi)部和外圍金屬通孔，其中，中間為包含在天線饋電網(wǎng)絡(luò)中的感性窗3、4，右邊為構(gòu)成近似圓形諧振腔的8。

圖3為本發(fā)明天線的兩個(gè)指數(shù)漸變形縫隙輻射單元的具體尺寸圖，兩個(gè)指數(shù)漸變形縫隙分別由兩條指數(shù)漸變線條及連接兩條線條首部和尾部的線段構(gòu)成。兩個(gè)指數(shù)漸變形縫隙6、7可由以下兩步得到：

第一步，由以下公式得到在極坐標(biāo)下四條指數(shù)漸變線段的表達(dá)式：

其中，所表示的線段分別為線條12、13、14、15，r是極坐標(biāo)中的半徑，是極坐標(biāo)中的角度。

第二步，將線條12和13，14和15的首部和尾部用直線相連，并在極坐標(biāo)下旋轉(zhuǎn)，構(gòu)成6、7兩個(gè)縫隙結(jié)構(gòu)。其中6旋轉(zhuǎn)角度為θ₁，7旋轉(zhuǎn)角度為θ₂，其初值可選定為θ₁＝50°，θ₂＝355°。

指數(shù)型縫隙的參數(shù)r_i可遵循以下公式：

其中，f_cp為給定的圓極化輻射頻點(diǎn)，c為真空中的光速，r_e＝(r₁+r₂)/2或r_e＝(r₃+r₄)/2為縫隙的等效半徑，ε_e＝(ε_r+1)/2為天線的等效介電常數(shù)，其中ε_r為介質(zhì)的相對介電常數(shù)，縫隙寬度(r₁-r₂)或(r₃-r₄)可選定初值為0.1r_e。由此可根據(jù)兩個(gè)圓極化頻點(diǎn)確定指數(shù)型縫隙的參數(shù)r_i。

圖4為本發(fā)明天線的匹配線路的尺寸優(yōu)化過程示意圖。優(yōu)化過程的主體通過差分進(jìn)化(Differential Evolution,DE)算法聯(lián)合全波仿真軟件HFSS，得到在規(guī)定的參數(shù)w₁,w₂,l₁,l₂的物理可取值范圍內(nèi)，適應(yīng)度F的最小值，并得到此時(shí)的參數(shù)w₁,w₂,l₁,l₂的取值。

其中，適應(yīng)度F可表示為：

F:f(w₁,w₂,l₁,l₂)＝VSWR₁+VSWR₂ (式4)

其中，f(w₁,w₂,l₁,l₂)為由參數(shù)w₁,w₂,l₁,l₂決定的、可通過HFSS全波仿真計(jì)算得出的天線在兩個(gè)頻率點(diǎn)處的VSWR的值，其中，參數(shù)w₁,w₂分別表示圖1中天線匹配線路中，兩組內(nèi)部金屬通孔所構(gòu)成的兩個(gè)感性窗結(jié)構(gòu)3和4的窗口大?。粎?shù)l₁,l₂則分別表示兩個(gè)感性窗3和4的間距，及右側(cè)感性窗4與天線輻射單元的中心點(diǎn)，也即圓弧段8的中心點(diǎn)的間距；VSWR₁為天線在f₁點(diǎn)處的值，VSWR₂為天線在f₂點(diǎn)處的值。

采用電磁仿真軟件及Matlab仿真軟件對天線尺寸進(jìn)行優(yōu)化，得到天線尺寸參數(shù)如表1所示。其中，m₁代表GCPW兩側(cè)的過孔縱向間距，m₂代表SIW傳輸線的寬度，m₃,m₄,g₁,g₂代表GCPW傳輸線的尺寸，m₅為地板寬度，p,d代表金屬化過孔的間距和直徑，r₀為圓弧形SIW腔體半徑，w₁,w₂為由金屬化過孔組成的感性窗的窗口寬度，h為介質(zhì)板高度，ε_r為介質(zhì)板的介電常數(shù)，其余各參數(shù)代表的意義已在上文說明。圖5為本發(fā)明的駐波、增益和軸比隨頻率變化的仿真和實(shí)測示意圖，可看到天線在所設(shè)計(jì)的兩個(gè)頻點(diǎn)處擁有較好的軸比及諧振特性。圖6為本發(fā)明在f₁處XZ平面的實(shí)測軸比方向圖；圖7為本發(fā)明在f₁處YZ平面的實(shí)測軸比方向圖；圖8為本發(fā)明在f₂處XZ平面的實(shí)測軸比方向圖；圖9為本發(fā)明在f₂處YZ平面的實(shí)測軸比方向圖?？煽闯鏊O(shè)計(jì)的天線在兩個(gè)頻點(diǎn)處的方向圖在與天線平面垂直的法線方向上均產(chǎn)生了較好的圓極化輻射。由仿真和實(shí)測結(jié)果圖可見，本發(fā)明第一次在單饋的低剖面的SIW腔體中實(shí)現(xiàn)了雙頻圓極化的天線特性。

表1 優(yōu)化的天線尺寸參數(shù)