一种差分馈电宽带圆极化基片集成波导背腔天线阵列

本发明涉及微波天线，具体涉及一种基于差分馈电的宽带圆极化基片集成波导(siw)背腔天线阵列及其设计方法，适用于但不限于5g通信、卫星导航及毫米波雷达系统应用。

背景技术：

1、圆极化天线具有减少极化失配损耗和抗多径衰落等优点，因此在许多系统中都非常有用。随着工作频率的提高和集成系统的小型化，具有宽带、多频带、高增益、低剖面和低交叉极化等特性的圆极化天线具有更广阔的应用前景。

2、背腔天线结构可以提高圆极化天线的性能。然而，金属腔体厚度大，制造成本高，给与紧凑型电路的集成带来了挑战。为了解决这些限制问题，基底集成波导(siw)圆极化背腔天线的集成提供了一种更为可行的方法。

3、基底集成波导结构以其与平面电路无缝集成的能力、紧凑的设计和高q值而闻名。当基底集成波导结构与圆极化天线集成而不是金属腔体时，它可以表现出多种极具吸引力的特性。一些现有技术利用基底集成波导腔体结构设计了一种基于多模集成的宽带圆极化天线，实现了38％的阻抗带宽和24.9％的轴比(ar)带宽。另一种所提天线和阵列实现了双频圆极化辐射，工作频率分别为28和38ghz，轴比带宽分别为2.8％和2.6％。另一种基底集成波导背腔天线通过在顶部蚀刻一对斜置的条形寄生贴片，使天线具有高次模谐振频率，该天线的峰值增益可达26.1dbic。此外，现有技术还开发出了一种具有极低剖面高度的圆极化基片集成波导背腔天线和阵列，其剖面高度仅为0.035λ0(λ0为中心频率所对应的自由空间波长)。

4、另一方面，差分电路应用在微波器件中可提供诸多好处，包括减轻高次谐波、减少相互耦合干扰和提高抗噪声能力。在射频前端设计中加入差分电路时，通常需要使用巴伦来实现180°移相。然而，这一组件会导致额外的损耗，并增加电路的复杂性。差分天线可省去巴伦的使用，直接与前端电路集成。当宽带圆极化基片集成波导背腔天线结合差分电路时，可进一步降低交叉极化比，提高天线的分辨率。

5、现有技术wo2020009834a1介绍了一种超宽带宽、频率独立的圆极化阵列天线，通过在单元之间使用电路元件(如电容器或电阻器)来耦合相邻的天线单元，从而实现了天线单元之间的紧密耦合这种紧密耦合的设计有助于减少栅瓣，提高天线的性能。然而，这种馈电技术也存在一些问题。例如，馈电网络的复杂度较高，需要精确的设计和制造工艺来确保天线的性能。此外，这种馈电技术可能需要使用大量的电路元件，从而增加了天线的成本和尺寸。

6、现有技术提出了各种具有基片集成波导背腔天线的差分圆极化天线结构。其中一种设计，它的有效圆极化带宽达到52％，剖面高度低至0.096λ0。另一种设计提出了一种四极化敏捷型基片集成波导背腔贴片天线和阵列，其中圆极化辐射的轴比带宽超过9.8％。此外，还开发了一种用于毫米波波段的高增益差分馈电基片集成波导背腔天线，并形成了阵列，其峰值增益可达20.5dbic。为了尽量减少交叉极化水平，有些结构采用差分馈电网络，在实现圆极化辐射的同时，其交叉极化水平低于-20db。

7、关于具有差分馈电方法的宽带圆极化基片集成波导背腔天线的已有文献突出强调了许多吸引人的特性，如宽带、多极化、高增益、低剖面和低交叉极化。然而，研究结果表明，上述宽带圆极化基片集成波导背腔天线的单元很少有适合阵列应用的设计，有形成阵列的结构但其阵列的馈电网络非常复杂。因此研究具有宽带圆极化辐射的基片集成波导背腔天线阵列以及简化差分馈电机制，对于在紧凑型集成电路中的应用至关重要。

8、圆极化天线因具有抗多径干扰和极化失配损耗低的优势，被广泛应用于无线通信领域。传统金属腔体天线虽性能稳定，但存在剖面高、集成度低的问题。基片集成波导(siw)技术通过金属化通孔模拟金属腔体，显著降低了剖面高度。然而，现有siw圆极化天线仍面临以下问题：

9、1)带宽受限：例如，部分现有技术的4×4阵列的阻抗带宽仅为3.17％，轴比带宽不足1％；

10、2)馈电复杂：部分现有技术采用差分馈电但需外接巴伦，导致额外损耗；

11、3)交叉极化高：部分现有技术中交叉极化水平仅低于-20db，难以满足高分辨率需求。

12、为了解决上述这些问题，本领域需要改进的差分馈电宽带圆极化基片集成波导背腔天线阵列及其设计技术，以克服上述现有技术缺陷，以及实现更多的有益技术效果，包括，简化馈电网络，降低天线的成本和尺寸，同时提高天线的带宽和性能。通过采用新型的馈电技术、构造和设计方法，以实现天线的小型化、集成化和高性能化，满足现代通信系统对天线的严格要求。

13、本发明的说明书的此背景技术部分中所包括的信息，包括本发明中所引用的任何参考文献及其任何描述或讨论，仅出于技术参考的目的而被包括在内，并且不被认为是将限制本发明范围的主题。

技术实现思路

1、鉴于以上所述和其它构思，而提出了本发明，以通过双模谐振激励和简化差分馈电网络等技术和发明构思，解决上述和其它技术问题。

2、本发明的主要构思之一在于，通过设计新型的宽带基片集成波导背腔天线阵列及其馈电技术，来增加带宽，降低馈电网络的设计难度，以及降低交叉极化比。在本发明中，馈电网络的优势之一在于，通过采用简单的微带环形耦合器并加以改进，即可在天线所需工作频带内产生180度功率分配和移相。而现有的设计一般使用宽带巴伦，由于巴伦结构需要焊接平衡电阻，因此高频下的损耗会很严重。本设计可省去平衡电阻的使用，更加适合5g/毫米波下的馈电。

3、为了克服差分馈电基片集成波导背腔天线阵列研究中的难题并简化差分馈电方法，根据本发明的一方面，提出了一种宽带基片集成波导背腔天线阵列，该阵列采用2×2单元布局，利用改进的差分环形耦合器作为馈电网络。增加一对弧形微带线有助于实现宽带圆极化辐射。与现有技术相比，所提出的阵列具有宽带宽、增益高、馈电方式简单、设计紧凑、剖面低等特点，特别适合于在紧凑型集成电路的应用。

4、进一步而言，本发明的核心之一在于提出一种宽带、低剖面、低交叉极化的差分馈电siw背腔天线阵列，技术方案特点如下：

5、1)双模谐振设计：在第二底层衬底嵌入一对弧形微带线，通过差分馈电同步激发基片集成波导腔体的与正交模式；调节弧形微带线长度(l1＝6.47mm)和间距(d1＝5mm)，使两模式谐振频率在19.04ghz和22ghz处部分重叠，实现宽带圆极化辐射。

6、2)简化差分馈电网络：采用改进型环形耦合器替代传统巴伦，直接集成于衬底iii，减少信号损耗；通过铜垫(直径0.5mm)连接馈电探针，确保阻抗匹配与机械稳定性。

7、3)低剖面优化：通过公式：

8、

9、来优化衬底高度h1+h2，使剖面高度降至0.21λ0。其中，vc是自由空间中的光速，f0是基片集成波导背腔的谐振频率，h1是第一顶层衬底的高度，h2是第二底层衬底的高度，c1为基片集成波导背腔的直径，εr为第一顶层衬底和第二底层衬底的相对介电常数。

10、4)参数化性能调控：金属化通孔直径与间距比值设为1:1，抑制高次模干扰；匹配孔径直径从1.1mm增至1.6mm，拓宽阻抗带宽至32.6％。

11、更具体而言，为了解决上述和其它问题，根据本发明的一个方面，本发明致力于提供一种差分馈电宽带圆极化基片集成波导背腔天线阵列，其特征在于，包括：由2×2天线单元组成的阵列结构，其中，所述天线单元包含基片集成波导背腔，所述基片集成波导背腔由第一顶层衬底和第二底层衬底堆叠构成，其中包含贯穿所述第一顶层衬底和第二底层衬底的金属化通孔阵列，用于形成所述基片集成波导背腔的电磁边界；位于所述第二底层衬底中的一对弧形微带线，通过差分馈电同步激发所述基片集成波导背腔的与正交模式；差分馈电网络，包括四个改进型环形耦合器，所述改进型环形耦合器集成于第三衬底上，用于向天线单元提供相位差在175°-185°范围内的差分信号。

12、根据本发明的一个或多个实施例，所述一对弧形微带线的长度、宽度和间距被调节成使得第一和第二谐振频点所在的工作带宽有部分重叠。

13、根据本发明的一个或多个实施例，所述第一谐振频点的谐振频率fc1＝19.04ghz，所述第二谐振频点的谐振频率为fc2＝22ghz。

14、根据本发明的一个或多个实施例，所述金属化通孔阵列的直径及间距被调节成使得所述基片集成波导背腔的谐振频率与目标频段匹配。

15、根据本发明的一个或多个实施例，所述改进型环形耦合器通过所述第三衬底上的铜垫连接馈电探针，并且所述馈电探针连接所述弧形微带线与所述差分馈电网络。

16、根据本发明的一个或多个实施例，所述第一顶层衬底的高度h1和第二底层衬底的高度h2之和h1+h2通过以下公式来优化：

17、

18、其中，vc是自由空间中的光速，f0是所述基片集成波导背腔的谐振频率，h1是所述第一顶层衬底的高度，h2是所述第二底层衬底的高度，c1为所述基片集成波导背腔的直径，εr为所述第一顶层衬底和所述第二底层衬底的相对介电常数。

19、根据本发明的一个或多个实施例，所述第一顶层衬底的高度h1和第二底层衬底的高度h2的比值为1:1。

20、根据本发明的一个或多个实施例，所述改进型环形耦合器被设计成用于替代传统巴伦。

21、根据本发明的一个或多个实施例，所述天线单元的交叉极化水平低于-25db。

22、根据本发明的一个或多个实施例，所述天线阵列的剖面高度为0.19-0.21λ0，其中λ0为所述天线阵列的中心频率对应的自由空间波长。

23、根据本发明的一个或多个实施例，所述金属化通孔阵列的通孔间距与直径的比值为1:1。

24、根据本发明的一个或多个实施例，所述天线阵列的阻抗带宽为至少32.6％(17.28-24.00ghz)，3-db轴比带宽为至少13.8％(17.05-19.57ghz)，3-db增益带宽为至少41.75％(15.39-23.51ghz)。

25、根据本发明的一个或多个实施例，所述改进型环形耦合器直接集成于第三衬底上。

26、根据本发明的一个或多个实施例，每个所述天线单元的基片集成波导背腔的顶层开设有一个辐射孔，底层开设有两个匹配孔；并且每个所述天线单元的几何中心设有一个中心孔。

27、根据本发明的一个或多个实施例，所述相位差为180°。

28、根据本发明的一个或多个实施例，所述基片集成波导背腔的直径为10mm，第一顶层衬底和第二底层衬底的厚度均为1.524mm。

29、根据本发明的一个或多个实施例，所述天线单元之间的间距为11.1mm，对应中心频率19.04ghz的0.7λ0，其中，λ0为自由空间波长。

30、根据本发明的一个或多个实施例，所述改进型环形耦合器的第三衬底的厚度为0.254mm，其表面刻蚀直径为0.5mm的所述铜垫以增强连接可靠性。

31、根据本发明的一个或多个实施例，所述天线阵列通过差分馈电方式激励腔体内的与两种模式，实现宽带圆极化辐射。

32、根据本发明的一个或多个实施例，所述第一顶层衬底和第二底层衬底均为罗杰斯ro4350衬底，其相对介电常数为3.66，损耗正切为0.004。

33、为了解决上述和其它问题，根据本发明的另外一个方面，还提供了一种天线阵列的设计方法，包括以下步骤：基于ansys hfss仿真优化所述弧形微带线的长度、宽度及间距，以实现双模谐振频率重叠；调节所述金属化通孔的直径及间距，使基片集成波导背腔的谐振频率与目标频段匹配；设计改进型环形耦合器，通过铜垫连接馈电探针以增强连接可靠性，并通过塑料螺钉固定多层衬底；通过矢量网络分析仪测量反射系数，验证阻抗带宽和轴比带宽；在微波暗室中测试辐射方向图及交叉极化水平，确保峰值增益及旁瓣抑制性能。

34、根据本发明的一个或多个实施例，所述天线阵列采用2×2单元布局，单元间距为11.1mm，约等于中心频率19.04ghz的0.7λ0。

35、根据本发明的一个或多个实施例，所述差分馈电网络由四个改进型环形耦合器构成，蚀刻在衬底iii的底面上，衬底iii的厚度为0.254mm。

36、根据本发明的一个或多个实施例，所述弧形微带线的长度l1为6.47mm，宽度w1为0.3mm，间距d1为5mm。

37、根据本发明的一个或多个实施例，所述差分馈电宽带圆极化基片集成波导背腔天线阵列适用于5g网络/毫米波的馈电，适用于5g通信网络及卫星导航系统等。

38、根据本发明的一个或多个实施例，本发明的天线阵列适用于微波和毫米波频段的通信系统，具有宽带宽、高增益、低剖面和低交叉极化的特点。

39、根据本发明的一个或多个实施例，本发明的天线阵列通过简化差分馈电机制，降低了馈电网络的复杂性，降低了天线的交叉极化水平，提高了天线的性能。

40、本发明的更多的实施例还能够实现其它未一一列出的其它有益技术效果，这些其它有益技术效果在下文中可能有部分描述，并且对于本领域的技术人员而言在阅读了本发明后是可以预期和理解的。