特别用于微波成像系统的宽带天线
阅读说明：本技术 特别用于微波成像系统的宽带天线 (Broadband antenna, in particular for microwave imaging systems ) 是由 亚历山大·曼内斯基 于 2020-02-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种集成到印刷电路(10)中的天线结构,该印刷电路(10)包括具有相同介电常数但不同厚度的两个介电层(52、56),位于所述第一介电层(52)的第一表面(51)上的平衡螺旋辐射元件(60),和穿过具有与所述平衡天线相同阻抗的平衡双线线路(70)的平衡天线的电源,其特征在于,所述平衡双线线路(70)将所述平衡螺旋天线(60)与位于所述第二层(56)的第二表面(57)的一对微带传输线(80)互连,其中每个微带线(80)的阻抗等于所述双线传输线(70)的阻抗的一半,并且其特征在于,对应于所述平衡微带线(80),在所述第一层(52)的第二表面(53)相对应的所述第二层(56)的第一表面(55)上,设置接地面(85),所述接地面根据所述第二介电层(56)的厚度和所述微带(80)之间的距离确定所述平衡微带线的传输阻抗。(The invention relates to an antenna structure integrated into a printed circuit (10), the printed circuit (10) comprising two dielectric layers (52, 56) having the same dielectric constant but different thicknesses, a balanced helical radiating element (60) located on a first surface (51) of the first dielectric layer (52), and a power supply passing through a balanced antenna having a balanced two-wire line (70) having the same impedance as the balanced antenna, characterized in that the balanced two-wire line (70) interconnects the balanced helical antenna (60) with a pair of microstrip transmission lines (80) located on a second surface (57) of the second layer (56), wherein the impedance of each microstrip line (80) is equal to half the impedance of the two-wire transmission line (70), and in that, in correspondence of the balanced microstrip line (80), on a first surface (55) of the second layer (56) corresponding to a second surface (53) of the first layer (52), a ground plane (85) is provided which determines the transmission impedance of the balanced microstrip line in dependence on the thickness of the second dielectric layer (56) and the distance between the microstrips (80).)
技术领域
本发明的应用领域是宽带平面辐射结构，优选在15GHz到50GHz的频率范围内工作，其可用作设计用于微波成像系统的发射/接收天线阵列的构建块。
背景技术
50年代初在俄亥俄州立大学(美国)担任教授，1954年至1957年在伊利诺伊大学任教，Victor Rumsey对互补天线系列，即阻抗恒定且等于所有频率下自由空间阻抗一半的天线系列产生了浓厚的兴趣。
自互补天线的一个特点是其金属部分与非金属部分一致，即第二部分可以通过平面或空间中的刚性运动叠加在第一部分上。
可以设计许多自互补的几何形状。Rumsey在研究这些结构多年后，确定如果天线的形状仅根据角度指定，则阻抗和辐射特性与频率无关。这条定律在今天被称为Rumsey原理。
1958年，伊利诺伊大学的John Dyson在实验中应用了Rumsey原理，他建造了第一个具有频率无关特性的螺旋天线。
美国海军的Arthur Marston和Henri Coleman完善了一种互补天线，称为双臂阿基米德螺旋天线，他们分别在1958年和1959年为其配备了定向性能并获得了相关解决方案的专利。
最近，许多生产螺旋天线的方法被提出并获得了专利，例如，专利US5313216和US6137453。
专利US8390529特别展示了一种多层印刷电路结构，其中螺旋天线被安置在第一层的第一表面上，接地面位于第一层的第二表面(也对应于第二层的第一表面)上。该接地面代表着将传统的解决方案并入印刷电路，使螺旋天线的辐射具有单方向性。接地面也位于第二层的第二表面上。该接地面用作天线电源系统连接的接地面，例如同轴电缆的屏蔽导电编织物。
该解决方案即使具有并入印刷电路的优点，也不可能获得优化的宽带辐射特性，特别是在传输天线和接收天线之间的阻抗匹配和传输方面。这种限制是由第一层的厚度相当于构成该层的材料本身的四分之一波长的倍数的频率上的共振引起的。
图1中的附图显示了符合专利US8390529的天线的频率响应(参数S21)。可以看到由共振和响应缺乏均匀性引起的问题。
专利US8390529中所示结构的第二个问题是不可能使用第二层的第二表面来实现传输线和组装超频电路，因为它是用于连接天线电源的接地面。
专利US8390529中所示结构的第三个问题是相邻天线之间的耦合，如相同专利的图2所示，这是由于一部分电磁功率可能通过第一层的介电材料而引起的。因此，该解决方案不适用于天线阵列的构建。
文献US6335710描述了一种天线结构，该天线结构连续包括放置在铁电材料层和电介质层之间的螺旋天线，铁电材料层可以具有80和1500之间的介电常数。然而，就其在微波成像系统中的使用而言，这种天线不能用于宽带平面辐射结构中，因为它是一种可调谐的天线，它的频带很窄。具体来说，该天线的Q因子非常高，可以控制从铁电材料层反射的波。
发明内容
本发明的目的是通过提出一种性能优于已知天线的天线来完善现有技术。
为此，本发明根据所附独立权利要求提出了一种天线结构和印刷电路。在从属权利要求中描述了实施例。
本发明包括将天线结构并入印刷电路，该印刷电路包括具有相同介电常数但不同厚度(第一层为ha，至少为最大工作波长的1/8，第二层为hTL)的两个介电层，位于第一介电层的第一表面上的平衡螺旋辐射元件，和平衡天线的电源，其穿过具有与平衡天线相同阻抗的平衡双线线路，其特征在于，所述平衡双线线路将所述平衡螺旋天线与位于所述第二层的第二表面的一对微带传输线互连，其中每个微带线被匹配为具有等于双线传输线的阻抗的一半的阻抗，并且其特征在于，与平衡微带线对齐，在相当于所述第一层的第二表面的所述第二层的第一表面上定位接地面，所述接地面根据第二介电层的厚度和微带之间的距离确定所述平衡微带线的传输阻抗。
附图说明
本发明的其他特征、目的和优点将在参考附图阅读以下详细描述时变得显而易见，附图通过非限制性示例给出，其中：
图1显示了根据专利US8390529的天线的频率响应(参数S21)；
图2示出了根据本发明的天线的频率响应(参数S21)；
图3示出了根据本发明的与安装在普通印刷电路上的超频组件相关联的天线的安装示例；
图4示出了图3的变体，更准确地示出了根据本发明的两个相邻天线的安装示例，与安装在共享印刷电路上的各个超频组件相关联；
图5示出了根据本发明的平衡螺旋天线，位于第一层的第一表面上；
图6示出了根据本发明的天线的第一层的第二表面(对应于第二层的第一表面)上的地面的视图；
图7显示了将天线连接到超频芯片以及将芯片彼此连接的微带传输线，以及
图8至17示出了根据本发明的天线的不同透视图、平面图或截面图。
具体实施方式
在附图中，可以看到根据本发明的天线50，该天线50集成到印刷电路10中。
天线50包括两个电介质层52、56。每个介电层52、56具有第一表面51、55或上表面，以及与第一表面51、55相对的第二表面53、57或下表面。第一层52的第二表面53朝向第二层56的第一表面55定位。
两个介电层52、56具有相同的介电常数但厚度不同。第一层52的厚度标记为ha。它至少等于最大工作波长的1/8。这样，由第一电介质层52形成的厚度就不会产生共振，天线50可以在宽带频率下工作。
在一个实施例中，为了限制天线结构的整体尺寸，第一层52的厚度ha小于或等于最大工作波长的一半。这就得出：
其中λmax是最大工作波长。
例如，第一电介质层52的厚度ha等于最大工作波长的四分之一(1/4λmax)。
第二层56的厚度标记为hTL。
第一层52和第二层56可以由任何合适的介电材料制成，特别是能够用于生产印刷电路的任何介电材料。它们的介电常数εr也很低，以保证天线结构辐射，并且能量不被限制在第一层52中。例如，第一和第二层52、56的介电材料的介电常数εr可大于或等于2且小于或等于4。
天线50还包括位于第一介电层52的第一表面51上的平衡螺旋辐射元件60和穿过具有与平衡辐射元件50相同阻抗的平衡双线线路70的平衡天线50的电源。
在一个实施例中，辐射元件60包括两个对称臂61、62。臂61和62从天线50的中心，即它们与电源连接的地方，逐渐向其圆周发散。本发明不限于附图中所示的特定实施例，无论是天线的每个臂的几何形状还是臂的数量。
平衡双线线路70将平衡螺旋辐射元件50与位于第二层56的第二表面57上的一对微带传输线80互连。每个微带线80被匹配为具有等于双线传输线路70的阻抗的一半的阻抗。与平衡微带线80对齐，在第二层56的第一表面55上，对应于第一层52的第二表面53，定位接地面85，其根据第二介电层56的厚度hTL和微带之间的距离gTL确定平衡微带线80的传输阻抗。
在一个实施例中，第二层56的厚度hTL严格小于第一层52的厚度ha。实际上，如上所述，为了允许天线结构的辐射，第一层的厚度ha至少等于λmax/8。此外，第二层的厚度hTL由微带传输线80的尺寸，特别是其厚度确定。然而，只要合理厚度的微带传输线是优选的，厚度hTL仍然很小并且在任何情况下都小于第一层的厚度ha。
此外，如图9和图11所示，平衡双线线路未连接到接地面85。更准确地说，接地面85在平衡双线线路70的导线附近具有基本上圆形的孔，其直径大于线路70的每条导线的直径，使得接地面85在距所述导线一定距离处延伸。
在一个实施例中，微带线80的连接部分被配置为与电源连接，并且基本上平行于接地面85延伸，在接近平衡双线线路70的导线(其基本上垂直延伸并且距接地面85一定距离)时略微发散，以便每条线80与平衡双线线路70的相关导线对齐。因此，微带线80的连接部分的这种配置使得微带线80和平衡双线线路70之间的阻抗完美匹配，改善了功率传输并消除了功率反射。
在一个实施例中，螺旋辐射元件60的臂61和62的供电点之间的螺旋辐射元件60的阻抗Zant被配置为基本等于100Ω(精确到20％)。此外，平衡双线线路70在其导线之间具有基本等于螺旋辐射元件60的阻抗Zant的阻抗，即大约100Ω(精确到20％)。此外，选择每个微带传输线80的阻抗，使得每条线相对于地的阻抗大约等于50Ω，使得线80之间的阻抗大约等于100Ω(精确到20％)。由于该配置，可以在与微带线80相同的层上(即，在第二层56的第二表面57上)直接组装超频组件20(对于超频组件20，输入和输出的平衡阻抗在大多数情况下大约等于100Ω)，不需要在元件20和微带传输线80之间添加中间匹配组件，例如balun(平衡-不平衡)元件。这种直接连接在图7中特别明显，图7显示了直接组装在天线结构上的超频组件，无需添加匹配电路或包含balun的外部线路。由于balun是一种非常笨重和昂贵的组件，这种移除具有显著降低天线结构的总体尺寸和成本的优点。
螺旋辐射元件50由壁90包围，壁90由垂直金属连接件92组成，连接件92之间的间距sv小于最小工作波长的1/4，以便获得能够容纳微波场的有效屏蔽：
在具有发散臂61、62的天线50的情况下，壁90可以基本上为圆形。
由于螺旋辐射元件60形成电偶极子，所以臂61、62的曲线长度优选基本上等于最大工作波长λmax的一半，使得导线61、62的外端处的电流为零。因此，壁90的尺寸应确保螺旋辐射元件60的最大直径Do在最大波长的0.5到1.5倍之间：0.75λmax≤Do≤1.5λmax。
此外，申请人已根据经验(实验)确定，为了限制微波场的辐射面积，同时限制壁90对螺旋辐射元件阻抗的影响，壁的平均内径Dov符合下式：
(Do+0.005λmax)≤Dov≤(Do+0.25λmax)
在实施例的一种形式中，第二介电层56的整个第二表面57(除了微带传输线80周围的表面及其与平衡双线线路70的连接)由射频吸收材料层59覆盖，以使天线的辐射图单向而不产生任何谐振现象。在实施例的一种形式中，层59的吸收材料可包括吸收宽光谱毫米波的材料和/或吸收高损耗弹性体微波的材料。该层90使得可以断开相邻天线的耦合，从而使相同天线之间的功率传输保持最小。
天线的设计参数如下：
0.75λmax≤Do≤1.5λmax
(Do+0.005λmax)≤Dov≤(Do+0.25λmax)
其中：Do表示辐射元件的外径，即其最大直径。
Dov表示壁的平均内径90。
Zant表示螺旋辐射元件60的阻抗。
εeff表示螺旋辐射元件60的有效介电常数。
εr表示第一层52的介电常数。
例如，对于具有介电常数εr等于3的第一层52的天线结构，螺旋辐射元件60的阻抗大约等于135Ω。
根据本发明的这种结构的天线结构具有许多优点：
-整个工作频率范围内的最佳阻抗匹配特性。
-整个工作范围内的频率响应均匀且恒定(见图2)。
-相邻天线之间的强解耦。
适合集成在安装有超频组件20的同一印刷电路上，具有极大的生产经济性(图7)。
-根据本发明的另一有利特征，第一层的厚度小于最大工作波长的一半。
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