本發(fā)明屬于天線技術領域，尤其涉及一種圓極化天線及其制備方法。

背景技術：

成像探測是一種典型的無線系統(tǒng)應用，隨著無線收發(fā)設備的頻率提高與性能提高，成像探測的精度及應用領域在不斷發(fā)展。隨著人類對探測目標更豐富頻譜信息的感知需求越來越強烈，對毫米波甚至太赫茲頻段成像探測設備的需求也愈發(fā)迫切。天線作為毫米波、太赫茲成像探測設備中的關鍵感知器件，對整體的探測性能起到至關重要的作用。尤其隨著應用領域的拓展，人們不僅局限于對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構且便于陣列擴展的天線單元，是具有很高的實用價值的。

一般地，實現圓極化天線有兩種手段，一是在線極化天線的基礎上，例如喇叭天線，添加單獨的圓極化器，使得線極化波轉換為圓極化波，并進行輻射，得到圓極化輻射場；另一種手段是，采用可以直接產生圓極化場的結構形式，例如螺旋天線，并滿足輻射條件，實現圓極化輻射場。然而，第一種手段會使得天線至少具有兩種獨立結構，第二種手段中的圓極化輻射結構通常較為復雜，對于小型化、緊湊性和集成度均帶來挑戰(zhàn)。

此外，很多圓極化天線為了提供圓極化饋電，會采用巴倫等復雜的饋電結構，無論在設計難度方面還是結構的復雜度方面都帶來困擾。設計方面，幅度和相位的調整很難與天線輻射性能和阻抗匹配相統(tǒng)一；結構方面，又增加了一種獨立結構，且通常不夠穩(wěn)定，影響系統(tǒng)的可靠性。

技術實現要素：

本發(fā)明實施例提出了一種圓極化天線及其制備方法，旨在解決現有圓極化天線，設計結構復雜的問題。

為實現上述目的，本發(fā)明實施例提出了一種圓極化天線，所述天線包括：饋電矩形波導(10)；圓極化輻射器(20)，與所述饋電矩形波導(10)相連接，所述圓極化輻射器(20)的前后兩面上分別設置有線性漸變槽(201、202)，所述兩個線性漸變槽(201、202)為中心對稱的對跖槽。

優(yōu)選的，所述圓極化輻射器(20)的前后兩面上分別設置有線性漸變槽(201、202)，所述兩個線性漸變槽(201、202)為中心對稱的對跖槽。

優(yōu)選的，所述饋電矩形波導(10)與所述圓極化輻射器(20)直接連接，所述饋電矩形波導(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(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)的上開口寬度大于下開口寬度。

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

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

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為所述兩個線性漸變槽(201、202)上開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)的下開口的內邊的平行距離wc及上開口的內邊的平行距離wb決定了所述線性漸變槽的起點和終點，使波導輸出的線極化電磁波產生兩個相位相差90°的垂直分量。

本發(fā)明實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槽；對所述刻蝕后的第一、第二基片進行金層濺射；將所述第一、第二基片通過金-金熱壓鍵合工藝合成整體，并經劃片形成所述圓極化天線。

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

附圖說明

附圖，其被包括以提供本發(fā)明的進一步理解而且被并入并構成本說明書的一部分，所述附圖示出本發(fā)明的實施例并且連同說明書用來解釋本發(fā)明的原理，在附圖中：

圖1為本發(fā)明實施例的圓極化天線的結構示意圖之一；

圖2為本發(fā)明實施例圓極化天線的輻射口橫截面示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例的圓極化天線的結構示意圖之二；

圖4為本發(fā)明實施例的圓極化天線的結構示意圖之三；

圖5為本發(fā)明實施例的圓極化天線的結構示意圖之四；

圖6是本發(fā)明圓極化天線的中心頻點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)明實施例的圓極化天線的制備方法的流程圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明，應當理解，此處所描述的具體實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)明實施例的圓極化天線的結構示意圖之一，圖2為本發(fā)明實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)明實施例的圓極化天線包括：饋電矩形波導(10)和圓極化輻射器(20)。

饋電矩形波導(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現。饋電矩形波導(10)和圓極化輻射器(20)之間不存在其他過渡結構，直接對接。在制備中，饋電矩形波導(10)和圓極化輻射器(20)一體化實現，不需要其他安裝操作。饋電矩形波導(10)為標準矩形波導。

圓極化輻射器(20)的前后兩面上分別設置有線性漸變槽(201、202)，兩個線性漸變槽(201、202)為以o點為中心對稱的對跖槽。所述線性漸變槽(201、202)的上開口寬度大于下開口寬度。

饋電矩形波導(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)下端開口截面與所述饋電矩形波導(10)截面大小相同，且連接為一體。

圖3為本發(fā)明實施例的圓極化天線的結構示意圖之二，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，且上開口寬度大于下開口寬度。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點為中心對稱的對跖槽。

圖4為本發(fā)明實施例的圓極化天線的結構示意圖之三，圖5為本發(fā)明實施例的圓極化天線的結構示意圖之四，圖4、圖5給出了本發(fā)明的圓極化天線的主要的6個幾何結構參數，如圖4、圖5所示，饋電矩形波導(10)的口面長度wg為所述兩個線性漸變槽(201、202)下開口的外邊的平行線的距離。饋電矩形波導(10)的寬度lg為所述圓極化輻射器(20)的前后兩面上兩個線性漸變槽(201、202)的內邊的平行距離。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為所述兩個線性漸變槽(201、202)上開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)的下開口的內邊的平行距離wc及上開口的內邊的平行距離wb決定了所述線性漸變槽的起點和終點，使波導輸出的線極化電磁波產生兩個垂直分量。

本發(fā)明中，由wc和wb控制的線性漸變槽，可以使得波導輸出的線極化電磁波(te10模)產生兩個垂直分量，通過改變wc和wb的大小，可改變兩個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，實現圓極化輻射場。

本發(fā)明實施例的圓極化天線的各個幾何結構參數可以根據實際的應用場景設計具體的數值，不限于本發(fā)明實施例中列舉的具體數值范圍。

本發(fā)明實施例提出的圓極化天線，通過在圓極化輻射器的前后兩面上分別設置線性漸變槽，使得本來完全封閉的喇叭結構變?yōu)榘腴_放式結構，在一定程度上擺脫現有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，通過該結構的設計，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生偏轉，并可分解為兩個正交極化分量；通過開槽大小的控制，可以將正交線極化分量的相位差調整至近似90°，從而使得本發(fā)明中天線的輻射場滿足圓極化波的特性，實際是將輻射器與圓極化器用同樣的結構一體化實現，并依然采用波導饋電，形成一種結構緊湊的圓極化天線，有效降低了圓極化天線的結構復雜度，同時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)明一個實施例中，在480ghz至500ghz之間進行設計。采用饋電矩形波導，各幾何結構參數值分別為：l＝3mm，wa＝3mm，wb＝0.6mm，wc＝0.2mm，wg＝0.56mm，lg＝0.28mm。

該發(fā)明的特點可由進一步仿真和制備測試說明：

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

圖6是本發(fā)明圓極化天線的中心頻點圓極化軸比隨角度變化曲線圖；圖6中給出了±30°內的軸比仿真結果，可見0°面在±5°內軸比小于3db，90°面在±6°內軸比小于3db。通過圖6可以看出本發(fā)明實施例的圓極化天線在一定輻射角度范圍內均體現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試結果。對天線的480ghz至500ghz間帶內軸比特性進行了仿真，并在480ghz、490ghz和500ghz三個頻點進行了天頂軸比的測試。在該頻帶內，軸比測試結果均小于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仿真與測試結果?？梢?，設計頻帶內的s11都在-15db以下，達到了較好的阻抗匹配結果。仿真與測試結果吻合較好。

圖9是本發(fā)明圓極化天線的中心頻點圓極化輻射方向圖，圖9給出了490ghz歸一化輻射方向圖?？梢?，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。由工藝特點帶來的結構不對稱只造成了副瓣范圍內的不對稱性，對主瓣幾乎沒有影響。全模型仿真結果與測試結果吻合很好。

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

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

本發(fā)明實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，利用體硅工藝對本發(fā)明天線實例進行制備，在第一基片采用干法刻蝕工藝實現第一個漸變槽結構的刻蝕。

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槽，所述饋電矩形波導槽與所述第二線性漸變槽一體成型。

s3對所述刻蝕后的第一、第二基片進行金層濺射；

具體的，對兩片加工后的硅片進行金層濺射，形成金屬邊界條件。

s4將所述第一、第二基片通過金-金熱壓鍵合工藝合成整體，并經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，根據對位標記，將兩層金屬化硅片結合成整體；同時通過劃片形成本發(fā)明的圓極化天線單元，并對劃片截面進行金屬化，在本發(fā)明一個實例中圓極化天線單元的劃片尺寸為7mm×10mm×0.8mm。

以上所述的具體實施方式，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施方式而已，并不用于限定本發(fā)明的保護范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。