CN101026263B - 衬底集成波导小型棱镜式喇叭天线 - Google Patents

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本发明涉及一种衬底集成波导小型棱镜式喇叭天线。它包括介质基板，在介质基板上设置两排金属柱，该两排金属柱分别形成互相连接的衬底集成矩形波导和H面喇叭段，该两排金属柱形成H面喇叭段张口的两壁，在该H面喇叭段的喇叭口设置一个与介质基板相连的圆弧形辐射面；所述的衬底集成矩形波导的两排金属柱连接微带馈线，该微带馈线由50欧姆微带线和锥形变换组成；所述的衬底集成矩形波导和H面喇叭段所在介质基板的上下表面为金属。本发明集中了波导和微带线的优点，体积和重量均大大减小；其平面结构易于和其他平面电路或系统连接；具有很高程度的集成性，可以实现天线的小型化，易于伪装；有较强的方向性和较高的增益；结构简单，制作方便，成本低。

Description

衬底集成波导小型棱镜式喇叭天线
一技术领域
本发明涉及小型化喇叭天线，特别是一种衬底集成波导小型棱镜式喇叭天线。 
二背景技术
喇叭天线作为天线家族的一个重要成员，起着由波导模到自由空间模平滑过渡的作用。这种平滑过渡可减小反射，从而达到增强辐射的效果。喇叭天线具有增益高，反射小和工作频带宽等特点，且工艺上容易实现。常用的喇叭天线由波导段与具有一定张角和长度的喇叭组成，具有较好的方向性和较高的增益，但其体积大，而且难以与平面电路集成，因而很难满足现代技术的发展对器件及系统小型化、集成化的要求；微带线具有体积小、重量轻、易于集成等优点，但是其功率容量小，Q值低，因而在某些方面的应用受到限制。近年来，有人提出一种新型的设计平台——衬底集成矩形波导，即通过加工在微带衬底上的两排金属柱，把矩形波导制作到微带衬底上(“Integrated microstrip and rectangular waveguide in planar form”，IEEE Microwave andWireless Comp.Lett.，Vol.11，No.2，2001，pp.68-70)。这种新型传输线融合了矩形波导和微带线的优点，不仅体积小、重量轻、可承受较高的功率门限，而且Q值也较高。目前，已经有一些微波毫米波的无源和有源器件被设计在这种新型传输线上，理论和实验均表明这些器件具有非常突出的特点，兼具矩形波导器件和微带器件的双重优点，因而在微波毫米波混合集成电路(HMIC)以及毫米波集成电路(MMIC)中得到了很大的应用。另外，也有人提出衬底集成波导开槽天线，通过在衬底集成波导表面设计按一定规律排列的缝隙，可以实现电磁波信号的辐射(“Simulation and experiment on SIW slotarray antennas，”IEEE Microwave and Wireless Comp.Lett.，Vol.14，No.9，2004，pp446-448)。但是，迄今为止尚无人用这种新型平台来设计喇叭天线。 
三发明内容
本发明的目的在于提供一种方向性强、增益高、体积小、重量轻、低剖面，并易于和微带及共面波导等平面电路或系统相连接的衬底集成波导小型棱镜式喇叭天线。 
实现本发明目的的技术方案为：一种衬底集成波导棱镜式喇叭天线，包括介质基板，在该介质基板上设置两排金属柱，该两排金属柱分别形成互相连接的衬底集成矩形波导和H面喇叭段，该两排金属柱形成所述H面喇叭段张口的两壁，在该H面喇叭段的喇叭口设置一个与所述介质基板相连的圆弧形辐射面；所述的衬底集成矩形波导的两排金属柱连接微带馈线，该微带馈线由50欧姆微带线和锥形变换组成；所述的衬底集成矩形波导和H面喇叭段所在所述介质基板的上下表面为金属。 
本发明衬底集成矩形波导H面棱镜式喇叭天线的所述介质基板的厚度为0.32λg～0.49λg，介电常数范围为2～15，其中λg为介质衬底中传播波长。 
本发明衬底集成矩形波导H面棱镜式喇叭天线的增强天线方向性的所述圆弧形辐射面为聚四氟乙烯陶瓷复合介质TF-1/2。 
本发明衬底集成矩形波导H面棱镜式喇叭天线的所述两排金属柱的金属柱的直径小于0.2λg，相邻两金属柱之间的间距不大于金属柱直径的两倍。 
本发明衬底集成矩形波导H面棱镜式喇叭天线的形成衬底集成波导的两排金属柱之间的间距为0.64λg～0.96λg，所述衬底集成矩形波导长为1λg～5λg，所述H面喇叭段长为3λg～10λg，喇叭的张角为10～90度，喇叭弧形端口为圆弧。 
本发明衬底集成矩形波导H面棱镜式喇叭天线的所述50欧姆微带线宽3.8mm，长2mm；锥形变换长10mm，宽端宽度为5.32mm。 
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)利用衬底集成波导来设计传统的喇叭天线，集中了波导和微带线的优点，体积和重量均大大减小，仅为传统喇叭天线的二十分之一；(2)其平面结构易于和其他平面电路或系统连接，通过简单的锥形结构就可实现和微带或共面波导馈线的连接；(3)这些变换和衬底集成波导的H面棱镜式喇叭天线共用同一介质衬底，具有很高程度的集成性，可以实现天线的小型化，易于伪装；(4)把辐射口面设计成圆弧形，有较强的方向性和较高的增益，即在11％的带宽内，回波损耗低于10dB，最大方向增益可达10dB；(5)结构简单，制作方便，成本低。 
四附图说明
附图是本发明衬底集成波导小型棱镜式喇叭天线的平面结构示意图。 
五具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。 
结合附图，本发明衬底集成波导棱镜式喇叭天线，包括介质基板1，该介质基板1的厚度为2mm，该介质基板1的厚度可以为0.32λ～0.49λ，介电常数为10.2，该介质基板1的介电常数范围可以为2～15。在介质基板1上设置两排金属柱2、3，该两排金属柱2、3分别形成互相连接的衬底集成矩形波导4和H面喇叭段5，该两排金属柱2、3形成H面喇叭段5张口的两壁，两排金属柱2、3的金属柱的半径为0.4mm，相邻两金属柱之间的间距为1mm，该两排金属柱2、3的金属柱的直径小于0.2λg，相邻两金属柱之间的间距不大于金属柱直径的两倍；两排金属柱2、3之间的间距为7.112mm，该两排金属柱2、3之间的间距可以为0.64～0.96λ，衬底集成矩形波导4长3.4mm，其实该衬底集成矩形波导4长只要大于1λ，其长度可以根据工程需要选取；H面喇叭段5长16.8mm，其实该H面喇叭段5长只要大于3λ，其长度可以根据工程需要确定，喇叭的张角为20度，该喇叭的张角可以为10～90度，喇叭弧形端口为直径14mm的圆弧；50欧姆微带线7宽3.8mm，长2mm；锥形变换8长10mm，宽端宽度为5.32mm。另外，根据所选用的介质基板1的厚度和介电常数不同，50欧姆微带线7的宽度可以改变。锥形变换8的尺寸的确定取决于介质基板1、工作频段以及H面喇叭段5的尺寸。在该H面喇叭段5的喇叭口设置一个与介质基板1相连的圆弧形辐射面6，该圆弧形辐射面6是增强天线方向性，为聚四氟乙烯陶瓷复合介质TF-1/2；所述的衬底集成矩形波导4的两排金属柱2连接微带馈线，该微带馈线由50欧姆微带线7和锥形变换8组成；所述的衬底集成矩形波导4和H面喇叭段5所在介质基板1的上下表面为金属。该金属可以为铜、铝或镀银等。本发明衬底集成波导棱镜式喇叭天线适用的频率范围为S-U波段。 
测试结果表明：本发明衬底集成波导棱镜式喇叭天线在11％的带宽内，回波损耗低于10dB，最大方向增益可达10dB。总体积(含微带转换)为39mm*14mm*2mm，重量不足100克。 
本发明衬底集成波导棱镜式喇叭天线的制作过程如下： 
(1)、首先，确定TE10和TE20两种模式的截止频率，选定介质基板的特性参数，包 括介电常数10.2和衬底厚度2mm。 
(2)、根据理论分析公式，确定金属柱的直径0.8mm以及相邻金属柱的间距1mm。 
(3)、根据工作频段，确定喇叭端口的宽度，即两排金属柱之间的距离7.112mm。 
(4)、根据喇叭天线设计原理确定喇叭的张角20度以及喇叭的长度16.8mm。 
(5)、由于电磁波在不同介质面会产生折射，若喇叭口为平面则方向性较差。因此将喇叭口面设置为弧形，由光学聚焦原理可知弧形的曲率决定了聚焦的程度。此种喇叭能产生很好的方向性，且可通过调整圆弧曲率来改变天线的半功率波瓣宽度，同时也可由此改变天线的增益。 
(6)、根据光学聚焦原理将天线口面设置为圆弧形是本设计的关键，圆弧上下面无金属，圆弧直径等于口面长度。 
(7)、本发明是为适应微波毫米波混合集成电路与毫米波集成电路的应用而设计的，因而天线馈电端也特别设计了到微带的转换，也可以由同轴线进行波导激励，以便更好地和其他微波毫米波混合集成电路或者毫米波集成电路相连接。 
(8)、微带变换和衬底集成波导的H面喇叭天线是设计在同一介质衬底板上，成为一个整体结构，无需额外的组装以及调试附件，因此非常适合集成化以及批量生产的要求。 

Claims (6)

1.一种衬底集成波导棱镜式喇叭天线，包括介质基板(1)，其特征在于在该介质基板(1)上设置两排金属柱(2，3)，该两排金属柱(2，3)分别形成互相连接的衬底集成矩形波导(4)和H面喇叭段(5)，该两排金属柱(2，3)形成所述H面喇叭段(5)张口的两壁，在该H面喇叭段(5)的喇叭口设置一个与所述介质基板(1)相连的圆弧形辐射面(6)；所述的衬底集成矩形波导(4)的两排金属柱(2，3)连接微带馈线，该微带馈线由50欧姆微带线(7)和锥形变换(8)组成；所述的衬底集成矩形波导(4)和H面喇叭段(5)所在所述介质基板(1)的上下表面为金属。
2.根据权利要求1所述的衬底集成波导棱镜式喇叭天线，其特征在于：所述介质基板(1)的厚度为0.32λg～0.49λg，介电常数范围为2～15，其中λg为介质衬底中传播波长。
3.根据权利要求1或2所述的衬底集成波导棱镜式喇叭天线，其特征在于：增强天线方向性的所述圆弧形辐射面(6)为聚四氟乙烯陶瓷复合介质TF-1/2。
4.根据权利要求1所述的衬底集成波导棱镜式喇叭天线，其特征在于：所述两排金属柱(2，3)的金属柱的直径小于0.2λg，相邻两金属柱之间的间距不大于金属柱直径的两倍。
5.根据权利要求1或4所述的衬底集成波导棱镜式喇叭天线，其特征在于：形成衬底集成波导(4)的两排金属柱(2，3)之间的间距为0.64λg～0.96λg，所述衬底集成矩形波导(4)长为1λg～5λg，所述H面喇叭段(5)长为3λg～10λg，喇叭的张角为10～90度，喇叭弧形端口为圆弧。
6.根据权利要求1或2所述的衬底集成波导棱镜式喇叭天线，其特征在于：所述50欧姆微带线(7)宽3.8mm，长2mm；锥形变换(8)长10mm，宽端宽度为5.32mm。
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