本發(fā)明屬于天線技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種圓極化天線及其制備方法。

背景技術(shù)：

成像探測(cè)是一種典型的無(wú)線系統(tǒng)應(yīng)用，隨著無(wú)線收發(fā)設(shè)備的頻率提高與性能提高，成像探測(cè)的精度及應(yīng)用領(lǐng)域在不斷發(fā)展。隨著人類(lèi)對(duì)探測(cè)目標(biāo)更豐富頻譜信息的感知需求越來(lái)越強(qiáng)烈，對(duì)毫米波甚至太赫茲頻段成像探測(cè)設(shè)備的需求也愈發(fā)迫切。天線作為毫米波、太赫茲成像探測(cè)設(shè)備中的關(guān)鍵感知器件，對(duì)整體的探測(cè)性能起到至關(guān)重要的作用。尤其隨著應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，人們不僅局限于對(duì)單一極化的物體信息感知；且隨著系統(tǒng)高集成度、小型化等要求越來(lái)越苛刻，使得天線的形式限制條件增多。因此，一種具備圓極化特性、通用接口和一體化緊湊結(jié)構(gòu)且便于陣列擴(kuò)展的天線單元，是具有很高的實(shí)用價(jià)值的。

一般地，實(shí)現(xiàn)圓極化天線有兩種手段，一是在線極化天線的基礎(chǔ)上，例如喇叭天線，添加單獨(dú)的圓極化器，使得線極化波轉(zhuǎn)換為圓極化波，并進(jìn)行輻射，得到圓極化輻射場(chǎng)；另一種手段是，采用可以直接產(chǎn)生圓極化場(chǎng)的結(jié)構(gòu)形式，例如螺旋天線，并滿足輻射條件，實(shí)現(xiàn)圓極化輻射場(chǎng)。然而，第一種手段會(huì)使得天線至少具有兩種獨(dú)立結(jié)構(gòu)，第二種手段中的圓極化輻射結(jié)構(gòu)通常較為復(fù)雜，對(duì)于小型化、緊湊性和集成度均帶來(lái)挑戰(zhàn)。

此外，很多圓極化天線為了提供圓極化饋電，會(huì)采用巴倫等復(fù)雜的饋電結(jié)構(gòu)，無(wú)論在設(shè)計(jì)難度方面還是結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度方面都帶來(lái)困擾。設(shè)計(jì)方面，幅度和相位的調(diào)整很難與天線輻射性能和阻抗匹配相統(tǒng)一；結(jié)構(gòu)方面，又增加了一種獨(dú)立結(jié)構(gòu)，且通常不夠穩(wěn)定，影響系統(tǒng)的可靠性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明實(shí)施例提出了一種圓極化天線及其制備方法，旨在解決現(xiàn)有圓極化天線，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實(shí)施例提出了一種圓極化天線，所述天線包括：饋電矩形波導(dǎo)(10)；圓極化輻射器(20)，與所述饋電矩形波導(dǎo)(10)相連接，所述圓極化輻射器(20)的前后兩面上分別設(shè)置有線性漸變槽(201、202)，所述兩個(gè)線性漸變槽(201、202)為中心對(duì)稱(chēng)的對(duì)跖槽。

優(yōu)選的，所述圓極化輻射器(20)的前后兩面上分別設(shè)置有線性漸變槽(201、202)，所述兩個(gè)線性漸變槽(201、202)為中心對(duì)稱(chēng)的對(duì)跖槽。

優(yōu)選的，所述饋電矩形波導(dǎo)(10)與所述圓極化輻射器(20)直接連接，所述饋電矩形波導(dǎo)(10)的輸出截面與所述圓極化輻射器(20)的初始截面相同。

優(yōu)選的，所述饋電矩形波導(dǎo)(10)與所述圓極化輻射器(20)均為金屬材料或硅材料濺射金屬層形成。

優(yōu)選的，所述線性漸變槽(201、202)的上開(kāi)口寬度大于下開(kāi)口寬度。

優(yōu)選的，所述饋電矩形波導(dǎo)(10)的口面長(zhǎng)度wg為所述兩個(gè)線性漸變槽(201、202)下開(kāi)口的外邊的平行線的距離。

優(yōu)選的，所述饋電矩形波導(dǎo)(10)的寬度lg為所述圓極化輻射器(20)的前后兩面上兩個(gè)線性漸變槽(201、202)的內(nèi)邊的平行距離。

優(yōu)選的，所述線性漸變槽(201、202)的高度l等于所述圓極化輻射器的高度，所述線性漸變槽的高度用于控制天線口面的相位分布。

優(yōu)選的，所述線性漸變槽(201、202)的寬度wa為所述兩個(gè)線性漸變槽(201、202)上開(kāi)口外邊的平行線的距離，所述線性漸變槽的寬度wa用于控制天線的最大輻射口徑。

優(yōu)選的，所述線性漸變槽(201、202)的下開(kāi)口的內(nèi)邊的平行距離wc及上開(kāi)口的內(nèi)邊的平行距離wb決定了所述線性漸變槽的起點(diǎn)和終點(diǎn)，使波導(dǎo)輸出的線極化電磁波產(chǎn)生兩個(gè)相位相差90°的垂直分量。

本發(fā)明實(shí)施例還提出了一種圓極化天線的制備方法，所述方法包括如下步驟：在第一基片上刻蝕第一線性漸變槽；在第二基片上刻蝕第二線性漸變槽和饋電矩形波導(dǎo)槽；對(duì)所述刻蝕后的第一、第二基片進(jìn)行金層濺射；將所述第一、第二基片通過(guò)金-金熱壓鍵合工藝合成整體，并經(jīng)劃片形成所述圓極化天線。

本發(fā)明實(shí)施例提出的圓極化天線及其制備方法，通過(guò)在圓極化輻射器的前后兩面上分別設(shè)置線性漸變槽，使得本來(lái)完全封閉的喇叭結(jié)構(gòu)變?yōu)榘腴_(kāi)放式結(jié)構(gòu)，從而形成了更大的等效輻射面。同時(shí)該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得輻射口面的單一線極化波的極化方向產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，并可分解為兩個(gè)相位相差90°的正交極化分量；從而滿足圓極化波的特性。

附圖說(shuō)明

附圖，其被包括以提供本發(fā)明的進(jìn)一步理解而且被并入并構(gòu)成本說(shuō)明書(shū)的一部分，所述附圖示出本發(fā)明的實(shí)施例并且連同說(shuō)明書(shū)用來(lái)解釋本發(fā)明的原理，在附圖中：

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的圓極化天線的結(jié)構(gòu)示意圖之一；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例圓極化天線的輻射口橫截面示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例的圓極化天線的結(jié)構(gòu)示意圖之二；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例的圓極化天線的結(jié)構(gòu)示意圖之三；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例的圓極化天線的結(jié)構(gòu)示意圖之四；

圖6是本發(fā)明圓極化天線的中心頻點(diǎn)圓極化軸比隨角度變化曲線圖；

圖7是本發(fā)明圓極化天線的圓極化軸比-頻率曲線圖；

圖8是本發(fā)明圓極化天線的s11-頻率曲線圖；

圖9是本發(fā)明圓極化天線的中心頻點(diǎn)圓極化輻射方向圖；

圖10是本發(fā)明圓極化天線的增益-頻率曲線圖；

圖11為本發(fā)明實(shí)施例的圓極化天線的制備方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的圓極化天線的結(jié)構(gòu)示意圖之一，圖2為本發(fā)明實(shí)施例圓極化天線的輻射口橫截面示意圖，如圖1、圖2所示，本發(fā)明實(shí)施例的圓極化天線包括：饋電矩形波導(dǎo)(10)和圓極化輻射器(20)。

饋電矩形波導(dǎo)(10)和圓極化輻射器(20)均采用金屬材料或硅材料濺射金屬層實(shí)現(xiàn)。饋電矩形波導(dǎo)(10)和圓極化輻射器(20)之間不存在其他過(guò)渡結(jié)構(gòu)，直接對(duì)接。在制備中，饋電矩形波導(dǎo)(10)和圓極化輻射器(20)一體化實(shí)現(xiàn)，不需要其他安裝操作。饋電矩形波導(dǎo)(10)為標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)。

圓極化輻射器(20)的前后兩面上分別設(shè)置有線性漸變槽(201、202)，兩個(gè)線性漸變槽(201、202)為以o點(diǎn)為中心對(duì)稱(chēng)的對(duì)跖槽。所述線性漸變槽(201、202)的上開(kāi)口寬度大于下開(kāi)口寬度。

饋電矩形波導(dǎo)(10)的輸出截面與圓極化輻射器(20)的初始截面相同。即圓極化輻射器(20)下端開(kāi)口截面與所述饋電矩形波導(dǎo)(10)截面大小相同，且連接為一體。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例的圓極化天線的結(jié)構(gòu)示意圖之二，如圖3所示，線性漸變槽202的形狀和大小有邊2021、2022和2023決定，線性漸變槽202為梯形，且上開(kāi)口寬度大于下開(kāi)口寬度。線性漸變槽201的形狀和大小與線性漸變槽202相同，形成以o點(diǎn)為中心對(duì)稱(chēng)的對(duì)跖槽。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例的圓極化天線的結(jié)構(gòu)示意圖之三，圖5為本發(fā)明實(shí)施例的圓極化天線的結(jié)構(gòu)示意圖之四，圖4、圖5給出了本發(fā)明的圓極化天線的主要的6個(gè)幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，如圖4、圖5所示，饋電矩形波導(dǎo)(10)的口面長(zhǎng)度wg為所述兩個(gè)線性漸變槽(201、202)下開(kāi)口的外邊的平行線的距離。饋電矩形波導(dǎo)(10)的寬度lg為所述圓極化輻射器(20)的前后兩面上兩個(gè)線性漸變槽(201、202)的內(nèi)邊的平行距離。所述線性漸變槽(201、202)的高度l等于所述圓極化輻射器的高度，所述線性漸變槽的高度l用于控制天線口面的相位分布。所述線性漸變槽(201、202)的寬度wa為所述兩個(gè)線性漸變槽(201、202)上開(kāi)口外邊最大橫向距離，所述線性漸變槽的寬度wa用于控制天線的最大輻射口徑。所述線性漸變槽(201、202)的下開(kāi)口的內(nèi)邊的平行距離wc及上開(kāi)口的內(nèi)邊的平行距離wb決定了所述線性漸變槽的起點(diǎn)和終點(diǎn)，使波導(dǎo)輸出的線極化電磁波產(chǎn)生兩個(gè)垂直分量。

本發(fā)明中，由wc和wb控制的線性漸變槽，可以使得波導(dǎo)輸出的線極化電磁波(te10模)產(chǎn)生兩個(gè)垂直分量，通過(guò)改變wc和wb的大小，可改變兩個(gè)垂直分量的幅度和相位，使兩者幅度趨向于相等，相位趨向于相差90°，形成圓極化輻射條件，實(shí)現(xiàn)圓極化輻射場(chǎng)。

本發(fā)明實(shí)施例的圓極化天線的各個(gè)幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)可以根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)具體的數(shù)值，不限于本發(fā)明實(shí)施例中列舉的具體數(shù)值范圍。

本發(fā)明實(shí)施例提出的圓極化天線，通過(guò)在圓極化輻射器的前后兩面上分別設(shè)置線性漸變槽，使得本來(lái)完全封閉的喇叭結(jié)構(gòu)變?yōu)榘腴_(kāi)放式結(jié)構(gòu)，在一定程度上擺脫現(xiàn)有h面扇形喇叭天線的喇叭腔的束縛，而形成了更大的等效輻射面。同時(shí)，通過(guò)該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使得輻射口面的幅度相位以及極化分布也發(fā)生變化，輻射口面的單一線極化波的極化方向產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，并可分解為兩個(gè)正交極化分量；通過(guò)開(kāi)槽大小的控制，可以將正交線極化分量的相位差調(diào)整至近似90°，從而使得本發(fā)明中天線的輻射場(chǎng)滿足圓極化波的特性，實(shí)際是將輻射器與圓極化器用同樣的結(jié)構(gòu)一體化實(shí)現(xiàn)，并依然采用波導(dǎo)饋電，形成一種結(jié)構(gòu)緊湊的圓極化天線，有效降低了圓極化天線的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，同時(shí)有利于圓極化天線的小型化，且提高了圓極化天線的穩(wěn)定性。

在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，在480ghz至500ghz之間進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用饋電矩形波導(dǎo)，各幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)值分別為：l＝3mm，wa＝3mm，wb＝0.6mm，wc＝0.2mm，wg＝0.56mm，lg＝0.28mm。

該發(fā)明的特點(diǎn)可由進(jìn)一步仿真和制備測(cè)試說(shuō)明：

利用仿真軟件對(duì)該發(fā)明實(shí)例進(jìn)行仿真，包括圓極化軸比、s11參數(shù)、輻射方向圖和增益。其中，圓極化軸比即極化橢圓的長(zhǎng)短軸之比，用來(lái)描述極化性能優(yōu)劣，最佳為0db；s11是散射參數(shù)的一種，用來(lái)描述端口反射特性，越小越好。

圖6是本發(fā)明圓極化天線的中心頻點(diǎn)圓極化軸比隨角度變化曲線圖；圖6中給出了±30°內(nèi)的軸比仿真結(jié)果，可見(jiàn)0°面在±5°內(nèi)軸比小于3db，90°面在±6°內(nèi)軸比小于3db。通過(guò)圖6可以看出本發(fā)明實(shí)施例的圓極化天線在一定輻射角度范圍內(nèi)均體現(xiàn)了較好的圓極化特性。

圖7是本發(fā)明圓極化天線的圓極化軸比-頻率曲線圖，圖7中給出了480ghz至500ghz天線的天頂軸比仿真與測(cè)試結(jié)果。對(duì)天線的480ghz至500ghz間帶內(nèi)軸比特性進(jìn)行了仿真，并在480ghz、490ghz和500ghz三個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行了天頂軸比的測(cè)試。在該頻帶內(nèi)，軸比測(cè)試結(jié)果均小于2.2db。

圖8是本發(fā)明圓極化天線的s11-頻率曲線圖；圖8給出了s11仿真與測(cè)試結(jié)果?？梢?jiàn)，設(shè)計(jì)頻帶內(nèi)的s11都在-15db以下，達(dá)到了較好的阻抗匹配結(jié)果。仿真與測(cè)試結(jié)果吻合較好。

圖9是本發(fā)明圓極化天線的中心頻點(diǎn)圓極化輻射方向圖，圖9給出了490ghz歸一化輻射方向圖。可見(jiàn)，0°和90°兩面的半功率波束寬度分別為35°和34°。在0°面和90°面上的副瓣電平均在-12db以下。由工藝特點(diǎn)帶來(lái)的結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)只造成了副瓣范圍內(nèi)的不對(duì)稱(chēng)性，對(duì)主瓣幾乎沒(méi)有影響。全模型仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果吻合很好。

圖10是本發(fā)明圓極化天線的增益-頻率曲線圖，圖10給出了帶內(nèi)增益仿真結(jié)果，均大于12dbi。通過(guò)圖10可以看出，本發(fā)明實(shí)施例的圓極化天線同時(shí)具有較高的圓極化輻射增益，使性能的表述更全面。

以上仿真與測(cè)試結(jié)果說(shuō)明本發(fā)明的圓極化天線在采用一體化、高集成度結(jié)構(gòu)的前提下具有優(yōu)秀的圓極化輻射性能。

本發(fā)明實(shí)施例還提出了一種圓極化天線的制備方法，圖11為本發(fā)明實(shí)施例的圓極化天線的制備方法的流程圖，如圖11所示，本發(fā)明實(shí)例的圓極化天線的制備方法具體包括如下步驟：

s1在第一基片上刻蝕第一線性漸變槽；

具體的，利用體硅工藝對(duì)本發(fā)明天線實(shí)例進(jìn)行制備，在第一基片采用干法刻蝕工藝實(shí)現(xiàn)第一個(gè)漸變槽結(jié)構(gòu)的刻蝕。

s2在第二基片上刻蝕第二線性漸變槽和饋電矩形波導(dǎo)槽；

具體的，采用相同工藝在第二基片上刻蝕第二線性漸變槽和饋電矩形波導(dǎo)槽，所述饋電矩形波導(dǎo)槽與所述第二線性漸變槽一體成型。

s3對(duì)所述刻蝕后的第一、第二基片進(jìn)行金層濺射；

具體的，對(duì)兩片加工后的硅片進(jìn)行金層濺射，形成金屬邊界條件。

s4將所述第一、第二基片通過(guò)金-金熱壓鍵合工藝合成整體，并經(jīng)劃片形成所述圓極化天線。

具體的，可以利用金-金熱壓鍵合工藝，根據(jù)對(duì)位標(biāo)記，將兩層金屬化硅片結(jié)合成整體；同時(shí)通過(guò)劃片形成本發(fā)明的圓極化天線單元，并對(duì)劃片截面進(jìn)行金屬化，在本發(fā)明一個(gè)實(shí)例中圓極化天線單元的劃片尺寸為7mm×10mm×0.8mm。

以上所述的具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式而已，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。