技术领域
[0001] 本
发明涉及一种频扫天线，具体涉及一种毫米波频扫天线。
背景技术
[0002] 毫扫描天线是一种被广泛应用的雷达天线。传统的波束扫描依靠机械系统驱动，造成
稳定性差、波束成形速度慢等问题，电扫描技术的出现解决了这些问题，受到了广泛关注。电扫描天线中的
频率扫描天线是一种根据频率变化实现波束扫描的扫描天线，多采用慢波线结构，在印刷
电路板技术的支持下，容易加工和批量生产，应用范围涉及信息、遥感、雷达等各方各面，成为民用扫描天线的首选。
[0003] 由于毫米波频带具有宽带宽、高速的无线通信和设备小型化的特点，是新一代WLAN系统的有
力的候选者。毫米波有两个突出的优点，第一，频率
覆盖30GHz到300GHz，对应的
波长很短，因此毫米波器件的尺寸非常小；第二，由于毫米波覆盖的频段宽,所以便于实现高速通信与传播。
[0004] 随着频率的增加，天线的尺寸将变小同时损耗也将变得更高，因此，毫米波天线面临的主要挑战是低损耗和高集成度。基片介质集成
波导(SIW)是近年来提出的一种新的平面波导结构，它继承了波导的低损耗、高品质因数、大功率容量等优点，同时也具有微带线的低剖面、尺寸小、易与其它平面电路集成等优点。将SIW技术应用到毫米波频扫天线中可以使毫米波频扫天线更易集成化、小型化。波导缝隙阵列天线是在波导金属面上的按照一定的要求开缝所构成的天线。随着毫米波技术的迅速发展，波导缝隙阵列天线由于它自身具有低剖面、体积小、重量轻、效率高、易实现低副瓣、结构简单紧凑等特点，被人们广泛的运用于地面、机载、舰载雷达。
[0005] 随着新兴无线系统，如第五代移动通信、高
精度定位与高
分辨率成像等的快速发展，对数据的高速率传输提出了前所未有的要求。另一方面，毫米波频段相对于
微波频段具有充足的
频谱资源。因此，研究和发展低成本高性能的毫米波基片集成天线与阵列具有十分重要的意义。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于解决传统的波导缝隙天线难以在高频段使用的问题，在此
基础上实现一种高增益、低损耗、小型化、低成本的毫米波频扫天线。
[0007] 频率扫描天线的原理如下：在由多个缝隙
辐射单元组成的直线阵中，缝隙辐射单元以直线阵形式排列，每个缝隙辐射单元之间的距离相等，在远场区的波束主瓣最大辐射方向是由多个缝隙辐射单元的波束同相
叠加的方向，通常是垂直于频扫天线口面场等
相位面的方向。当利用相同相位参数的馈电结构对每个缝隙辐射单元进行馈电，保证每个单元激励的相位参数相同时，口面场的等相位面平行于波导平面，天线阵方向图的主瓣最大辐射方向垂直于等相面；当利用同一馈电结构对线性阵列馈电，馈电结构发生变化后，
电磁波到达每个缝隙单元时的相位便会不一致，并且相邻缝隙的
相位差值是相同的，这就会造成某一
角度的波束主瓣偏转，当馈电结构继续变化，波束主瓣的角度继续偏转，当线性差值逐渐增加至一个工作波长时，等相位面又会重新平行于波导平面。
[0008] 所述阻抗匹配器分为第一阻抗匹配器和第二阻抗匹配器，两者都由矩形微带线和锥形微带渐变线组成，锥形微带渐变线为直线型微带渐变线。矩形微带线和锥形微带渐变线设置在矩形介质
基板长边一侧的两端，第一阻抗匹配器为天线的输入端口，第二阻抗匹配器连接匹配负载。所述锥形微带渐变线为直线型微带渐变线，用来实现基片介质集成波导和矩形微带线之间的阻抗变换，使基片介质集成波导的等效阻抗和矩形微带线的特性阻抗相互匹配。矩形微带线连接在锥形微带渐变线的锥顶
位置。
[0009] 所述矩形介质基板的板材为Rogers3003，相对
介电常数εr为3.00。
[0010] 所述第一金属通孔为圆形金属通孔，相邻的第一金属通孔间距为s为 0.6mm，s满足s<λc/4，λc为介质填充波导的截止波长。
[0011] 在天线带宽相同的条件下，保持波导波长λg不变，随着两个相邻缝隙辐射单元之间的
馈线长度差ΔL的增大，天线的波束扫描角和介质损耗随之增大，在天线缝隙辐射单元数目增至32个时，天线之间的耦合以及电磁
能量在介质中损耗已经足够影响到单元数增加带来天线增益的提高效果，故最终选用32天线单元组阵。
[0012] 所述缝隙辐射单元由辐射缝隙和第二金属通孔组成。所述辐射缝隙由矩形和与矩形相切的两端的半圆组成，矩形长度Lslot＝1.1mm，宽度为2*eb＝0.30mm，两端半圆的直径与矩形宽度相等；所述第二金属通孔设置在辐射缝隙的两侧，用于匹配缝隙的阻抗，使每个缝隙就近匹配，达到增加天线带宽的效果，该第二金属通孔为圆形金属通孔，半径rvia＝0.15mm，所述辐射缝隙的中心位置的垂直线到第二金属通孔圆点的距离q＝0.54mm；所述缝隙辐射单元分布在蛇形
慢波结构的波导内，数量为32个，缝隙辐射单元之间的距离为 Wg为
1.9mm；所述缝隙辐射单元的中心与基片介质集成波导宽面的中心重合，向一侧倾斜45°，相邻的缝隙辐射天线单元在阵轴方向的距离为λ/2，λ为电磁波在自由空间的波长，且相邻的缝隙辐射单元的馈线长度差为5*λg＝13.4mm (λg＝2.68mm为波导波长)。
[0013] 所述矩形微带线的特性阻抗为50欧姆，宽度为Wd为0.26mm，其最外端作为
信号的输入或输出端口；所述微带渐变线一边与微带传输线相连，另一边与基片介质集成波导上表面相连，宽度为Wz＝0.45mm；所述微带渐变线的长度为 lz＝λg/4＝0.67mm。本发明的有益效果
附图说明
[0014] 仿真结果表明，该缝隙阵列天线在H面上，当扫描频率由76.2GHz增至 80.2GHz时，扫描角度从-8°增至22°，阵轴方向三分贝(3dB)宽度约为3.4°，增益约为17dB，在77G-81G范围内增益差距小于1.1dB，增益比较平坦。该天线为印刷型结构，具有高增益、窄波束、低剖面、重量轻、易于集成的特点，可以广泛应用于现代通信。
附图说明
[0015] 图1是本发明一种毫米波频扫天线的结构示意图。
[0016] 图2是本发明一种毫米波频扫天线的阻抗匹配器的俯视图。
[0017] 图3是一种毫米波频扫天线单个介质集成波导天线单元的示意图。
[0018] 图4是本发明一种毫米波频扫天线H平面的增益图。
附图说明
[0019] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明进行进一步详细说明。
[0020] 本发明提出一种采用微带渐变线馈电及蛇形慢波结构的SIW缝隙天线阵列。阵列采用切比
雪夫综合得到满足副瓣电平要求的阵元幅度分布，以直线型锥形微带渐变线与普通微带线组合的馈线形式，实现天线阵列的阻抗匹配，采用32个天线辐射单元组阵的形式实现高增益的毫米波频扫天线。
[0021] 下面结合附图对本发明的应用原理做详细的描述。
[0022] 如图1所示，本发明一种毫米波频扫天线中包括矩形介质基板1、印刷在矩形介质基板上表面的第一金属覆层2和印刷在所述介质基板下表面的第二金属接
地层3和两个阻抗匹配器4和5。所述矩形介质基板的板材为Rogers3003，相对介电常数εr为3.00。所述第一金属覆层上设置有贯穿第一金属覆层的第一金属通孔6和缝隙辐射单元7。矩形介质基板的长边长度为L为61.1mm，宽边长度为W为11.3mm，厚度t为0.127mm，所述矩形介质基板上下表面金属覆层的厚度为35μm。
[0023] 由于电磁波在介质集成波导中的传播模式与介质填充波导中传播的主模 TE10模极为相似，因此利用两者的对应关系，用介质填充波导等效地代替介质集成波导进行建模。如图2所示取介质集成波导的宽边asiw为1.9mm，为了保证介质集成波导内的单模工作，介质集成波导宽边长度asiw满足 c 为光速，f取中心频率79GHz，所用板材为罗杰斯3003，其相对介电常数εr＝3.00，计算得1.096mm
[0024] 所述阻抗匹配器分为第一阻抗匹配器和第二阻抗匹配器，两者都由矩形微带线8和锥形微带渐变线9组成，设置在矩形介质基板长边一侧的两端。第一阻抗匹配器为天线的输入端口，第二阻抗匹配器连接匹配负载。锥形微带渐变线为直线型微带渐变线，用来实现基片介质集成波导和矩形微带线之间的阻抗变换，使基片介质集成波导的等效阻抗和矩形微带线的特性阻抗相互匹配。所述矩形微带线连接在锥形微带渐变线的锥顶位置。矩形微带线的阻抗为50欧姆，宽度为Wd为0.26mm，其最外端作为信号的输入或输出端口。微带渐变线一边与微带传输线相连，另一边与基片介质集成波导上表面相连，宽度Wz为0.45mm，长度lz为四分之一波导波长，取0.67mm。
[0025] 如图3所示为单个天线缝隙辐射单元示意图，所述缝隙辐射单元均匀分布在SIW
谐振腔内，数量为32个，缝隙辐射单元之间的距离Wg＝1.9mm，其中心与波导宽面的中心重合，且相邻的缝隙辐射单元的馈线长度差为5*λg＝ 13.4mm(λg为波导波长，其值为2.68mm)。该缝隙辐射单元由辐射缝隙10和第二金属通孔11组成，辐射缝隙由矩形和与矩形相切的两端的半圆组成，矩形长度Lslot为1.1mm，宽度2*eb＝0.30mm，两端半圆的直径与矩形宽度相等。第二金属通孔设置在辐射缝隙的两侧，用于补偿缝隙的电抗特性，该第二金属通孔为圆形金属通孔，半径rvia为0.15mm。所述辐射缝隙的中心位置的垂直线到第二金属通孔圆点的距离为q为0.54mm。
[0026] 在
软件HFSS中仿真，其H平面增益图如图4所示，仿真结果表明，该缝隙阵列天线在H面上，当扫描频率由76.2GHz增至80.2GHz时，扫描角度从 -8°增至22°，阵轴方向波束宽度约3.4°，增益约为17dB，在77G-81G范围内增益差距小于1.1dB，增益比较平坦。该天线为印刷型结构，具有高增益、窄波束、低剖面、重量轻、易于集成的特点，可以广泛应用于现代通信。
