一种基于SIW馈电的宽带毫米波圆极化叶形环天线

本发明属于无线通信的天线，具体涉及一种基于siw馈电的宽带毫米波圆极化叶形环天线。

背景技术：

1、随着无线通信技术的进步，人们开始关注6-300ghz频段，特别是毫米波频段。毫米波频段仍有大量未开发利用的频谱资源，解决了频段内相互干扰的问题。由于毫米波频率较高，在相同的相对带宽下，其绝对带宽更宽，从而具有高信息传输速率的优势。

2、天线作为无线通信系统的关键组件，其性能直接影响着整个系统的表现，包括信噪比和信号覆盖范围等。天线按极化方式分为线极化和圆极化两类。不同种类的天线适用于不同的应用场景。然而，对于许多通信系统，如卫星通信，通信对象不再局限于固定目标，天线的极化方向可能会变化，因此线极化天线在高速移动通信中存在劣势。相比之下，圆极化天线对目标位置和姿态不敏感，因此更适用于移动通信。圆极化天线具有旋向正交性、抑制雨雾干扰和抗多径干扰、避免极化失配等特性，因此在民用通信和军事电子对抗领域得到广泛研究和应用。

3、除了极化方式，带宽也是毫米波天线的重要指标。由于低频段存在许多工作频段相近的天线，它们相互影响降低了通信系统的整体性能。因此，毫米波天线需要具备较宽的带宽，以满足多种场景的需求。同时，随着通信频段向宽带高频发展，通信系统也朝着微型化、小型化方向发展。天线作为无线通信系统的前端组件，也需要小型化、平面化。尽管毫米波频段的天线尺寸相比微波频段有了改进，但为了保证性能，大部分天线仍然具有相对较大的体积和剖面高度，不利于与现代微型化电路集成。

4、由于环天线结构简单，宽带且利于集成等特点，是一种重要的天线类别。传统的环天线是线极化辐射，通过改变激励形式和环形结构，即在传统环天线的合适位置加入一个缝隙或开口后，天线由线极化辐射转变为圆极化辐射，且产生的电流为行波电流。但是传统的标准环形天线的圆极化带宽较窄，为了展宽带宽，可以改进环形贴片单元的形状和个数，比如使用嵌套双环的结构，使轴比带宽展宽。现有技术中，ronglin li等人提出的"bandwidth and gain improvement of a circularly polarized dual-rhombic loopantenna"文献中的天线采用了环-缝隙-环的嵌套结构，连个工作在不同频段的环天线单元通过组合后实现了更宽的带宽，但此天线的剖面高度较高，不适合集成到实际电路中；longzhang等人提出的"wideband high-efficiency circularly polarized siw-fed s-dipole array for millimeter-wave applications"文献中，将传统的对称振子结构进行改进为环形，使其拥有圆极化性能，但其工作带宽仅有36％。

5、申请公布号为cn 115863976 a的发明专利公开了一种新型的siw宽带毫米波圆极化矩形环天线，包括：两层介质板和三个金属层，其由上至下依次为第一金属层、上层介质板、第二金属层、下层介质板和第三金属层；所述上层介质板设有金属化过孔；第一金属层、上层介质板和第二金属层共同构成第一结构；第三金属层与下层介质板组成第二结构，用于使天线产生单向辐射；所述第一结构中包括辐射单元，所述辐射单元包括2个矩形环对，每个矩形环对都实现90°的相位延迟。本发明以顺序旋转技术为设计思想，采用具有宽带特性的矩形环结构，提高天线的工作带宽和增益；采用siw馈电，不仅降低了天线的剖面高度并且易于集成在毫米波电路中。但此设计存在一些设计与性能层面的不足：首先，该设计的两个矩形环对的旋向并非一致，第一金属层的一对矩形环为逆时针旋向，第二金属层的一对矩形环为顺时针旋向，尽管该设计最终实现了整体的右旋(逆时针方向)圆极化，但旋向不一致的问题导致了其峰值增益仅为10dbic，且增益波动较大(6.2dbic-10dbic)；其次，该设计的阻抗带宽(|s11|<-10db)与轴比带宽(ar<3db)较窄，分别为35.7％(23.8-33.8ghz)和38.9％(22.2ghz-33.1ghz)，相比于以往的环形天线与阵列研究，其带宽提升较小；此外，由于其峰值增益仅为10dbic，根据阵列天线理论，可知其矩形环天线单元的峰值增益仅为4-5dbic，但标准环形天线的峰值增益约为6dbic左右，可得其单元性能并不理想。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出一种基于siw馈电的宽带毫米波圆极化叶形环天线，包括：两层介质板、一层金属层和两层辐射单元，其由上至下依次为上层辐射单元层1、上层介质基板2、下层辐射单元层3、下层介质基板4和金属层5；所述上层介质板2设有金属化过孔8，形成基片集成波导siw结构；上层辐射单元层1、下层辐射单元层3和金属层5构成整体辐射结构；所述上层辐射单元层1和下层辐射单元层3的辐射单元均由两个大小相等的叶形环单元以及一段四分之一波导波长的微带线连接而成，两个叶形环单元关于馈电中心沿逆时针方向呈90度旋转；所述上层辐射单元层1的两个叶形环单元与下层辐射单元层3的两个叶形环单元关于馈电中心沿逆时针方向呈180度旋转。

2、进一步的，所述叶形环单元的制作具体过程为：

3、选择两个半径不同的圆，使半径较小的圆的圆周与半径较大的圆的圆心相切，保留两个圆重叠部分作为第一叶形单元；

4、将所述第一叶形单元按照0.61的比例进行缩放，得到第二叶形单元；

5、令第一叶形单元和第二叶形单元互相重叠且第一叶形单元和第二叶形单元中圆心与圆周切点之间的距离为0.45mm；

6、删除第一叶形单元和第二叶形单元互相重叠的部分，得到叶形环；

7、在靠近天线馈电与叶形环单元末端连接处且宽度较窄一侧的叶形环上开设缺口，得到叶形环单元。

8、进一步的，所述两个半径不同的圆的半径分别为2.96mm和2.33mm。

9、进一步的，所述缺口的宽度为0.3mm。

10、进一步的，所述叶形环单元的外环周长为1.4个波导波长，内环周长为0.9个波导波长。

11、进一步的，上层介质板2上设置有接地共面波导gcpw转基片集成波导siw的馈电结构，并采用平行双线对辐射单元进行馈电。

12、进一步的，所述基于siw的宽带毫米波圆极化叶形环天线从左至右划分为接地共面波导gcpw、过渡段、基片集成波导siw和辐射单元。

13、进一步的，所述接地共面波导上还设置有两个固定孔，用于固定宽带圆极化毫米波叶形环天线。

14、进一步的，上层介质基板2和下层介质基板4均采用介电常数为2.2的rogers 5880介质板；上层介质基板2的厚度为0.254mm，下层介质基板4的厚度为1.524mm。

15、进一步的，所述上层辐射单元层1、上层介质基板2、下层辐射单元层3、下层介质基板4和金属层5大小互相匹配，其长度和宽度相等。

16、本发明的有益效果：本发明设计了一种基于siw馈电的宽带毫米波圆极化叶形环天线，该天线使用了特殊的叶形环辐射单元，所述辐射单元具有宽带特性，通过加载顺序旋转馈电结构，使得天线的带宽进一步提升。相比现有毫米波环形天线，本发明的带宽有较大提升，尺寸更小，增益更高，有着良好的应用前景。