CN102780092A - 一种基片集成波导频率可调缝隙天线 - Google Patents
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一种基片集成波导频率可调缝隙天线，属于天线技术领域。包括基片集成波导，基片集成波导的金属层（1）开矩形窗口（12），矩形窗口（12）内设置辐射金属贴片（13），辐射金属贴片（13）通过高阻馈线（14）穿出基片集成波导与偏置馈电金属片（15）相连；辐射金属贴片（13）和高阻馈线（14）与金属层（1）电隔离，穿出基片集成波导的高阻馈线（14）两侧连接扇形微带（16）；辐射金属贴片（13）的两侧与金属层（1）之间分别连接一个变容管（5）。本发明采用双缝结构来替代传统缝隙天线的单缝结构，易于提供直流偏置；背面金属层无电路结构，便于与支撑面固定，提高稳定性；本发明效率更高，更适于高频工作，并且在可调范围内性能变化不大。
Description
技术领域
本发明属于频率可调天线技术领域，特别涉及一种基片集成波导频率可调缝隙天线。
背景技术
软件无线电和其升级概念认知无线电是近年来移动通讯领域里的热门技术，能够灵活有效地管理频谱资源，极大地提高频谱利用率，降低工作频率接近系统之间的互扰。软件无线电和认知无线电要求天线具备可重构性，即依靠电或其他激励手段，能够改变天线的工作频率或极化方式。
缝隙天线可通过微带、共面波导等平面传输线馈电，以实现低剖面结构，但存在如下问题：1）馈线辐射对方向图产生恶化；2）辐射方向图受天线地大小影响很强；3）馈线和辐射单元分布于介质基片的两侧，无法与支撑面结合导致稳定性不高，适用场合受限。因此，基片集成波导馈电的缝隙天线赢得了广泛关注，可以很好解决上述问题，同时保持低剖面的特性。
但是，基片集成波导是单导体结构，其金属表面等势，无法实现电位差。相较微带等结构实现的频率可调天线，基片集成波导结构中对可调二极管（如PIN管、变容管等）的直流偏置非常困难。若：1）通过跨接线对变容管馈电，但此时跨接线处于缝隙附近，对辐射影响较大；2）通过另一层专门馈电电路实现偏压，但该层电路覆盖于缝隙之上，难以用于天线设计；3）在基片集成波导表面直接印刷馈电线路，但是这些电路会改变基片集成波导的电气性能，导致性能恶化严重。
因此，针对基片集成波导频率可调缝隙天线的设计尚无合适方案。
发明内容
本发明的目的是为了实现频率可调的基片集成波导缝隙天线，以满足新一代通信系统对天线频率可重构化的迫切需求。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种基片集成波导频率可调缝隙天线，包括介质层3、位于介质层3正面的金属层1和位于介质层3背面的金属层2；金属层1和金属层2之间通过三排金属化通孔4相连，并与介质层3一起构成基片集成波导结构；三排金属化通孔4中有两排相互平行、且位于金属层2宽边边缘处，另一排位于金属层2窄边边缘处、且垂直于相互平行的两排金属化通孔；位于金属层2窄边边缘偏离基片集成波导结构中心线的位置处开有窗口，窗口内没有金属化通孔；
金属层1偏离基片集成波导结构中心线的位置处开有矩形窗口12，矩形窗口12内具有辐射金属贴片13，辐射金属贴片13与高阻馈线14的一端相连，高阻馈线14从基片集成波导结构窄边边缘的窗口引出，高阻馈线14的另一端与偏置馈电金属片15相连；辐射金属贴片13通过矩形窗口12与金属层1实现电隔离，高阻馈线14通过两侧的槽结构与金属层1实现电隔离，穿出基片集成波导结构的高阻馈线14两侧连接有扇形微带16；辐射金属贴片13的两侧与金属层1之间分别连接有一个变容二极管5；
基片集成波导结构中没有金属化通孔4的窄边为信号输入端。
进一步的，为了在加工时更加准确的确定变容二极管5的位置，在矩形窗口12两侧需要跨接变容二极管5的位置处刻有定位标记121。定位标记121可以是矩形、三角形等缺口标记。
本发明将传统基片集成波导缝隙天线的单缝结构改变为双缝结构（金属辐射贴片13两侧与金属层1之间分别具有一条缝），在双缝中间形成相对于基片集成波导金属层1独立的金属辐射贴片13，此时金属层1和金属辐射贴片13二者间可以存在直流压降，便于对变容二极管5加载直流偏置；双缝结构偏离基片集成波导结构中心线，以切割表面电流从而辐射能量，因此其作为辐射结构存在，不会影响基片集成波导的性能。另一方面，基片集成波导表面的双缝结构等效为并联谐振回路，变容二极管5并联接入电路后，其电容值随外加偏压的变化而变化，从而改变谐振回路的谐振频率，最终实现缝隙天线的频率可调。在设计时，双缝结构的长度（即矩形窗口12的长度）可以选择为天线最短工作波长的二分之一；双缝结构中心（即矩形窗口12或辐射金属贴片13的几何中心）处距离金属层2窄边边缘所开窗口可以选择为天线最短工作波长的四分之一。
本发明采用了高阻馈线14、偏置馈电金属片15、扇形微带16构成直流偏置电路，直流偏置加在偏置馈电金属片15上，高阻馈线14和扇形微带16用以抑制射频信号，避免其进入直流回路。辐射金属贴片13和扇形微带16之间的高阻馈线14的长度可设置为天线中心工作频率对应工作波长的四分之一；扇形微带16的径长设置为天线中心工作频率对应工作波长的四分之一，夹角为50~70度。
本发明采用了渐变线17、馈电线18构成信号输入端，其本质为微带线对基片集成波导馈电。在实际使用中，可以根据需要，选择不同的馈电形式，如共面波导对基片集成波导馈电，同轴线对基片集成波导馈电。当本发明天线与基片集成电路形式的电路集成时，可省去此类结构。
本发明的有益效果：
（1）本发明采用双缝结构来替代传统缝隙天线的单缝结构，在基片集成波导频率可调天线应用时，易于提供直流偏置；
（2）本发明介质层背面的金属层没有任何电路结构，便于与支撑面固定，提高稳定性；
（3）相较微带等馈电的频率可调缝隙天线，本发明的天线效率更高，更适于高频工作，并且在可调范围内性能变化不大。
附图说明
图1是本发明提供的基片集成波导频率可调缝隙天线的结构三维示意图。
图2是本发明提供的基片集成波导频率可调缝隙天线的正面结构示意图。
图3是本发明提供的基片集成波导频率可调缝隙天线的正面结构示意图（具有定位标记121）。
具体实施方式
如图1、图2所示，一种基片集成波导频率可调缝隙天线，包括介质层3、位于介质层3正面的金属层1和位于介质层3背面的金属层2；金属层1和金属层2之间通过三排金属化通孔4相连，并与介质层3一起构成基片集成波导结构；三排金属化通孔4中有两排相互平行、且位于金属层2宽边边缘处，另一排位于金属层2窄边边缘处、且垂直于相互平行的两排金属化通孔；位于金属层2窄边边缘偏离基片集成波导结构中心线的位置处开有窗口，窗口内没有金属化通孔；
金属层1偏离基片集成波导结构中心线的位置处开有矩形窗口12，矩形窗口12内具有辐射金属贴片13，辐射金属贴片13与高阻馈线14的一端相连，高阻馈线14从基片集成波导结构窄边边缘的窗口引出，高阻馈线14的另一端与偏置馈电金属片15相连；辐射金属贴片13通过矩形窗口12与金属层1实现电隔离，高阻馈线14通过两侧的槽结构与金属层1实现电隔离，穿出基片集成波导结构的高阻馈线14两侧连接有扇形微带16；辐射金属贴片13的两侧与金属层1之间分别连接有一个变容二极管5；
基片集成波导结构中没有金属化通孔4的窄边为信号输入端，信号输入端通过渐变微带线17与馈电线18相连，输入信号采用共面波导馈入。
作为一个实例，基片集成波导频率可调缝隙天线被设计、加工、实验。选用的介质基片介电常数为3.5，厚度1.52mm，损耗角正切为0.0018。测试结果表明，基于SWV1405变容管，巴特勒矩阵中心频率的调节范围可覆盖的2.3~2.74GHz频率范围。在不同偏置电压下，回波损耗为-7~-15dB，增益1.6~3.8dBi，辐射效率49~67%。
Claims (7)
1.一种基片集成波导频率可调缝隙天线，包括介质层（3）、位于介质层（3）正面的金属层（1）和位于介质层（3）背面的金属层（2）；金属层（1）和金属层（2）之间通过三排金属化通孔（4）相连，并与介质层（3）一起构成基片集成波导结构；三排金属化通孔（4）中有两排相互平行、且位于金属层（2）宽边边缘处，另一排位于金属层（2）窄边边缘处、且垂直于相互平行的两排金属化通孔；位于金属层（2）窄边边缘偏离基片集成波导结构中心线的位置处开有窗口，窗口内没有金属化通孔；
金属层（1）偏离基片集成波导结构中心线的位置处开有矩形窗口（12），矩形窗口（12）内具有辐射金属贴片（13），辐射金属贴片（13）与高阻馈线（14）的一端相连，高阻馈线（14）从基片集成波导结构窄边边缘的窗口引出，高阻馈线（14）的另一端与偏置馈电金属片（15）相连；辐射金属贴片（13）通过矩形窗口（12）与金属层（1）实现电隔离，高阻馈线（14）通过两侧的槽结构与金属层（1）实现电隔离，穿出基片集成波导结构的高阻馈线（14）两侧连接有扇形微带（16）；辐射金属贴片（13）的两侧与金属层（1）之间分别连接有一个变容二极管（5）；
基片集成波导结构中没有金属化通孔（4）的窄边为信号输入端。
2.根据权利要求1所述的基片集成波导频率可调缝隙天线，其特征在于，所述信号输入端通过渐变微带线17与馈电线18相连，输入信号采用共面波导馈入。
3.根据权利要求1所述的基片集成波导频率可调缝隙天线，其特征在于，所述信号输入端与同轴电缆内导体相连，输入线号采用同轴电缆馈入。
4.根据权利要求1、2或3所述的基片集成波导频率可调缝隙天线，其特征在于，在矩形窗口（12）两侧需要跨接变容二极管（5）的位置处刻有定位标记（121）。
5.根据权利要求4所述的基片集成波导频率可调缝隙天线，其特征在于，所述定位标记（121）为矩形或三角形缺口标记。
6.根据权利要求1、2或3所述的基片集成波导频率可调缝隙天线，其特征在于，矩形窗口（12）的长度为天线最短工作波长的二分之一；矩形窗口（12）或辐射金属贴片（13）的几何中心距离金属层（2）窄边边缘所开窗口为天线最短工作波长的四分之一。
7.根据权利要求1、2或3所述的基片集成波导频率可调缝隙天线，其特征在于，辐射金属贴片（13）和扇形微带（16）之间的高阻馈线（14）的长度为天线中心工作频率对应工作波长的四分之一；扇形微带（16）的径长为天线中心工作频率对应工作波长的四分之一，夹角为50~70度。
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