CN103022666B - 相位幅度阻抗校准的平面喇叭天线 - Google Patents

Abstract

相位幅度阻抗校准的平面喇叭天线涉及一种平面喇叭天线。该天线包括集成在一块介质基板（4）上的微带馈线（1）、喇叭天线（2）和金属化过孔（3），微带馈线（1）连接天线端口（5）和天线窄端口（6），喇叭天线（2）由第一金属平面（8）、第二金属平面（10）和两排金属化过孔喇叭侧壁（11）组成，由金属化过孔（3）构成的中间金属化过孔阵列（15）、左边金属化过孔阵列（21）和右边金属化过孔阵列（22），在喇叭天线（2）中形成四个介质填充波导，电磁波通过这些介质填充波导等幅同相到达天线口径面（20）上，且介质填充宽度使介质填充波导波阻抗等于自由空间波阻抗。该天线可以提高天线增益和减少回波损耗。

Description

相位幅度阻抗校准的平面喇叭天线

技术领域

本发明涉及一种平面喇叭天线，尤其是一种相位幅度阻抗校准的平面喇叭天线。

背景技术

喇叭天线在卫星通信、地面微波链路及射电望远镜等系统中有着广泛的应用。但是，三维喇叭天线的较大的几何尺寸和与平面电路工艺的不兼容使得它的成本较高，从而限制了其应用的发展。近年来，基片集成波导技术的提出和发展很好的促进了平面喇叭天线的发展。基片集成波导有尺寸小、重量轻、易于平面集成和加工制作简单等优点。基于基片集成波导的基片集成波导平面喇叭天线除了具有喇叭天线的特点外，还很好的实现了喇叭天线的小型化、轻型化，而且易于集成在微波毫米波平面电路中，但传统的基片集成波导平面喇叭天线的增益相对比较低，其原因在于由于喇叭口不断的张开，导致电磁波传播到喇叭口径面时出现相位不同步，口径电场强度的相位分布不均匀，辐射方向性和增益降低，而且口径面上电磁波的波阻抗不同于自由空间的波阻抗，在介质与喇叭分界面上引起了电磁波反射、影响了天线的回波损耗和辐射性能；另外口径面上电磁场的幅度也很不均匀，中间大两边小，这也影响天线的辐射性能。目前已有采用介质加载、介质棱镜等方法，矫正喇叭口径场相位的不同步，但是这些方法都不能改善口径面上喇叭天线与自由空间波阻抗的不一致，也不能改善口径面上电磁场幅度分布的均匀性，而且这些相位校准结构增加了天线的整体结构尺寸。

发明内容

技术问题:本发明的目的是提出一种相位幅度阻抗校准的平面喇叭天线，该平面喇叭天线内部嵌有金属化过孔阵列用以矫正天线口径面上电磁波的相位不一致、幅度的不均匀以及天线与自由空间波阻抗的不一致，提高天线的口径效率和增益，减少天线的反射。

技术方案：本发明的相位幅度阻抗校准的平面喇叭天线包括设置在介质基板上的微带馈线、基片集成波导喇叭天线和内嵌金属化过孔；所述微带馈线的一端是天线的输入输出端口，微带馈线的另一端与基片集成波导喇叭天线的窄端口相接；基片集成波导喇叭天线由位于介质基板一面的第一金属平面、位于介质基板另一面的第二金属平面和穿过介质基板连接第一金属平面和第二金属平面的两排金属化过孔喇叭侧壁组成；基片集成波导喇叭天线中内嵌的金属化过孔连接第一金属平面和第二金属平面，并构成金属化过孔阵列；中间金属化过孔阵列、左边金属化过孔阵列和右边金属化过孔阵列在喇叭天线中形成第一介质填充波导、第二介质填充波导、第三介质填充波导和第四介质填充波导。

金属化过孔阵列中，中间金属化过孔阵列位于基片集成波导喇叭天线的两个侧壁中间的位置，并把基片集成波导喇叭天线分为左右对称的两部分，在中间的金属化过孔阵列的两侧，对称的有左边介质填充波导和右边介质填充波导。

中间金属化过孔阵列是由头端部分、多边形和尾端部分三段相连构成，中间金属化过孔阵列的头端靠近基片集成波导喇叭天线的窄端口，中间金属化过孔阵列的尾端在天线口径面。

金属化过孔阵列中，左边金属化过孔阵列把左边介质填充波导分成第一介质填充波导和第二介质填充波导，右边金属化过孔阵列把右边的介质填充波导分成第三介质填充波导和第四介质填充波导。

左边金属化过孔阵列和右边金属化过孔阵列形状都是由头端部分、多边形和尾端部分三段相连构成，左边金属化过孔阵列和右边金属化过孔阵列的头端都朝着喇叭天线的窄端口的方向，左边金属化过孔阵列和右边金属化过孔阵列的尾端在天线口径面上。

中间金属化过孔阵列、左边金属化过孔阵列和右边金属化过孔阵列中的头端部分或者尾端部分的形状可以是直线、折线或指数线等，其长度可以是零或者是有限长度；中间金属化过孔阵列、左边金属化过孔阵列和右边金属化过孔阵列中的多边形可以是三角形、四边形、五边形或其它多边形，多边形的一条边或者多条边的形状可以是直线、弧线或其它曲线。

左边介质填充波导、右边介质填充波导、第一介质填充波导、第二介质填充波导、第三介质填充波导和第四介质填充波导的宽度均要保证其主模可以在左边介质填充波导、右边介质填充波导、第一介质填充波导、第二介质填充波导、第三介质填充波导和第四介质填充波导中传输而不被截止。

第一介质填充波导、第二介质填充波导、第三介质填充波导和第四介质填充波导的一端均朝着天线窄端口的方向，第一介质填充波导、第二介质填充波导、第三介质填充波导和第四介质填充波导另一端均在天线口径面上，并且第一介质填充波导、第二介质填充波导、第三介质填充波导和第四介质填充波导在天线口径面上端口的宽度一样；第一介质填充波导、第二介质填充波导、第三介质填充波导和第四介质填充波导在天线口径面端口的波阻抗都等于自由空间的波阻抗。

选择左边金属化过孔阵列中头端部分或多边形在左边介质填充波导中的位置，使得通过第一介质填充波导和第二介质填充波导中传输的两路电磁波等幅同相到达天线的口径面上辐射。

选择右边金属化过孔阵列中头端部分或多边形在右边介质填充波导中的位置，使得通过第三介质填充波导和第四介质填充波导中传输的两路电磁波等幅同相到达天线的口径面上辐射。

两排金属化过孔喇叭侧壁，由一段窄平行段接一段逐渐张开成喇叭形然后再接一段宽平行段构成。

金属化过孔喇叭侧壁中，相邻的两个金属化过孔的间距要小于或等于工作波长的十分之一，使得构成的金属化过孔喇叭侧壁能够等效为电壁；相邻的两个金属化过孔的间距要等于或者小于工作波长的十分之一，使得构成的中间金属化过孔阵列、左边金属化过孔阵列和右边金属化过孔阵列可以等效为电壁。

在介质填充波导中，电磁波主模(TE10模)的传播相速和波阻抗都与介质填充波导的宽度有关，介质填充波导的宽度越宽，主模的传播相速和波阻抗就越低；反之，介质填充波导的宽度越窄，主模的传播相速和波阻抗就越高。电磁波从微带馈线的一端输入，经过微带馈线的另一端进入基片集成波导喇叭天线，传播一段距离后，遇到中间的金属化过孔阵列，就分成功率相等的两路分别进入左右两个介质填充波导传输。左右两个介质填充波导完全对称，以左边的介质填充波导为例说明。当电磁波进入左边的介质填充波导传输后一段距离后，将遇到一个金属化过孔阵列，再被分成两路通过介质填充波导向口径面传输；调整中间金属化过孔阵列中多边形顶点的位置、调整左边的介质填充波导该金属化过孔阵列头端的位置以及金属化过孔阵列中多边形顶点的位置，可以改变这两路电磁波传输的相对相速，使得这两路电磁波同相到达天线的口径面，同时可以使得通过这两个介质填充波导传输的电磁波的功率也相等；电磁波在右边的介质填充波导中传输也是同样的情况，这样在天线的口径面四个宽度相等的端口，电磁波的相位和幅度都一致，因而达到提高天线的口径效率和增益的目的，而且由于电磁波在这四个介质填充波导中的波阻抗都等于自由空间的波阻抗，即介质填充波导的端口宽度a都满足条件也就是端口宽度a等于自由空间波长λ乘以介质相对介电常数ε的平方根再除于介质相对介电常数ε减1的平方根的两倍，因此天线口径面的反射就小。

有益效果：本发明相位幅度阻抗校准的平面喇叭天线的有益效果是，提高了天线口径面上电磁波的相位和幅度的一致性、同时又使得口径面上天线电磁波的波阻抗等于自由空间的波阻抗，从而提高了天线的增益和减小了天线的回波损耗。

附图说明

图1为相位幅度阻抗校准的平面喇叭天线正面结构示意图。

图2为相位幅度阻抗校准的平面喇叭天线反面结构示意图。

图中有：微带馈线1、基片集成波导喇叭天线2、内嵌金属化过孔3、介质基板4、天线的输入输出端口5，天线2的窄端口6、导带7、第一金属平面8、接地面9、第二金属平面10、金属化过孔喇叭侧壁11、天线的窄平行段12、天线的宽平行段13、金属化过孔阵列14、中间金属化过孔阵列15、左边介质填充波导16、右边介质填充波导17、中间金属化过孔阵列直线的头端18、中间金属化过孔阵列直线的尾端19、天线的口径面20、左边金属化过孔阵列21、右边金属化过孔阵列22、第一介质填充波导23、第二介质填充波导24、第三介质填充波导25和第四介质填充波导26。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明所采用的实施方案是：相位幅度阻抗校准的平面喇叭天线包括微带馈线1、基片集成波导喇叭天线2和内嵌金属化过孔3，这三部分都集成在同一块介质基板4上，微带馈线1的一端是天线的输入输出端口5，微带馈线1的另一端与基片集成波导喇叭天线2的窄端口6相接，微带馈线1的导带7与基片集成波导喇叭天线的第一金属平面8相接，微带馈线1的接地面9与基片集成波导喇叭天线的第二金属平面10相接；基片集成波导喇叭天线2由两个金属平面8和10及两排金属化过孔喇叭侧壁11组成，两个金属平面8和10分别位于介质基板4的两面，连接两个金属平面8和10的两排金属化过孔侧壁11，先是构成一段天线的窄平行段12、再逐渐张开成喇叭形、然后再变成天线的宽平行段13；在基片集成波导喇叭天线2中内嵌的金属化过孔3连接两个金属平面8和10，这些内嵌的金属化过孔3构成三个金属化过孔阵列14；其中中间的金属化过孔阵列15位于喇叭天线两侧壁11中间的位置，在中间的金属化过孔阵列15的两侧，对称的有左边介质填充波导16和右边介质填充波导17；中间金属化过孔阵列15形状是一段头端部分接多边形再接一段尾端部分，中间金属化过孔阵列15的头端18朝着喇叭天线的窄端口6的方向，中间金属化过孔阵列15的尾端19伸到喇叭天线的口径面20；在喇叭天线左边的介质填充波导16中有一个金属化过孔阵列21，把介质填充波导16分成第一介质填充波导23和第二介质填充波导24；在喇叭天线右边的介质填充波导17中，有一个金属化过孔阵列22，把介质填充波导17分成第三介质填充波导25和第四介质填充波导26；金属化过孔阵列21和22形状都是一段头端部分接多边形再接一段尾端部分，这些金属化过孔阵列21和22的头端都朝着喇叭天线2的窄端口6的方向、金属化过孔阵列21和22的尾端在喇叭天线2的口径面20上；这些金属化过孔阵列15、21和22在天线2的宽平行段13形成四个宽度相等的介质填充波导23、24、25和26，并且设定介质填充波导的宽度使得介质填充波导23、24、25和26在天线口径面的波阻抗都等于自由空间的波阻抗。

在介质填充波导中，电磁波主模(TE10模)的传播的相速和波阻抗都与介质填充波导的宽度有关，介质填充波导的宽度越宽，主模的传输相速和波阻抗就越低；反之，介质填充波导宽度越窄，主模的传输相速和波阻抗就越高。电磁波从天线的端口5进入微带馈线1的一端，经过微带馈线1进入基片集成波导喇叭天线2的窄端口6，传播一段距离后，遇到中间金属化过孔阵列15，由于对称性，电磁波就分成功率相等的两路分别进入左边介质填充波导16和右边介质填充波导17传输。左右两个介质填充波导16和17完全对称，以左边的介质填充波导16为例说明，当电磁波进入左边的介质填充波导16传输后一段距离后，将遇到一个左边金属化过孔阵列21，再被分成两路分别通过介质填充波导23和24向天线口径面20的方向传输，调整中间金属化过孔阵列15中多边形顶点的位置、调整左边介质填充波导16中金属化过孔阵列21的头端的位置以及金属化过孔阵列21中多边形顶点的位置，可以保证通过介质填充波导23和介质填充波导24传输的电磁波的功率相等，并且同相到达天线的口见面20；电磁波在右边的介质填充波导17中传输也是同样的情况，这样在天线的口径面四个宽度相等的端口，电磁波的相位和幅度都一致，因而达到提高天线的口径效率和增益的目的，而且由于电磁波在介质填充波导23、24、25和26中的波阻抗都等于自由空间的波阻抗，即介质填充波导23、24、25和26的端口宽度a都满足条件也就是端口宽度a等于自由空间波长λ乘以介质相对介电常数ε的平方根再除于介质相对介电常数ε减1的平方根的两倍，因此天线口径面的反射就小。

在工艺上，相位幅度阻抗校准的平面喇叭天线既可以采用普通的印刷电路板(PCB)工艺，也可以采用低温共烧陶瓷(LTCC)工艺或者CMOS、Si基片等集成电路工艺实现。其中金属化过孔3、11可以是空心金属通孔也可以是实心金属孔，也可以是连续的金属化壁，金属通孔的形状可以是圆形，也可以是方形或者其他形状的。

在结构上，由于要满足波阻抗相等条件，介质填充波导的端口宽度是一定的，因而天线口径面20的宽度就不能任意设定，因为要保持介质填充波导在端口的波阻抗等于自由空间的波阻抗，介质基板4的介电常数一定，则介质填充波导的端口宽度也一定，因此天线口径面处的介质填充波导数量增加一倍，天线的口径面20宽度也要增加一倍。依据同样的思路，可以再加四条金属化过孔阵列把四个介质填充波导分成八个介质填充波导，并使得通过这八个介质填充波导到达天线口径面20上的电磁波相位和功率一样、且端口波阻抗都等于自由空间的波阻抗，这样不仅天线的反射小，而且同时口径面20上的幅度分布更为均匀，但天线口径面20的总宽度要增加一倍。由于越靠近天线的金属化过孔侧壁11，电磁波到达天线口径面20的路程越远，因此相对于离金属化过孔侧壁11较远的介质填充波导，离金属化过孔侧壁11较近的介质填充波导的宽度相对较窄以得到较高的电磁波传输相速。天线中间金属化过孔阵列15、左边金属化过孔阵列21和右边金属化过孔阵列22中的多边形可以是三角形、四边形、五边形或其它多边形，这些多边形的一条边或者多条边的形状可以是直线、弧线或其它曲线；金属化过孔阵列21和22中的头端部分和尾端部分的形状可以是直线、折线、指数线等。

根据以上所述，便可实现本发明。

Claims (4)

1.一种相位幅度阻抗校准的平面喇叭天线，其特征在于该天线包括设置在介质基板(4)上的微带馈线(1)、基片集成波导喇叭天线(2)和内嵌金属化过孔(3)；所述微带馈线(1)的一端是天线的输入输出端口(5)，微带馈线(1)的另一端与基片集成波导喇叭天线(2)的窄端口(6)相接；基片集成波导喇叭天线(2)由位于介质基板(4)一面的第一金属平面(8)、位于介质基板(4)另一面的第二金属平面(10)和穿过介质基板(4)连接第一金属平面(8)和第二金属平面(10)的两排金属化过孔喇叭侧壁(11)组成；基片集成波导喇叭天线(2)中内嵌金属化过孔(3)连接第一金属平面(8)和第二金属平面(10)，并构成中间金属化过孔阵列(15)、左边金属化过孔阵列(21)和右边金属化过孔阵列(22)；中间金属化过孔阵列(15)位于基片集成波导喇叭天线(2)的两个侧壁(11)中间的位置，并把基片集成波导喇叭天线(2)分为左右对称的左边介质填充波导(16)和右边介质填充波导(17)；左边金属化过孔阵列(21)把左边介质填充波导(16)分成第一介质填充波导(23)和第二介质填充波导(24)，右边金属化过孔阵列(22)把右边的介质填充波导(17)分成第三介质填充波导(25)和第四介质填充波导(26)；

所述的中间金属化过孔阵列(15)是由头端部分、多边形和尾端部分三段相连构成，中间金属化过孔阵列(15)的头端(18)靠近基片集成波导喇叭天线(2)的窄端口(6)，中间金属化过孔阵列(15)的尾端(19)在天线口径面(20)；

所述的左边金属化过孔阵列(21)和右边金属化过孔阵列(22)形状都是由头端部分、多边形和尾端部分三段相连构成，左边金属化过孔阵列(21)和右边金属化过孔阵列(22)的头端都朝着喇叭天线的窄端口(6)的方向，左边金属化过孔阵列(21)和右边金属化过孔阵列(22)的尾端在天线口径面(20)上；

所述的中间金属化过孔阵列(15)、左边金属化过孔阵列(21)和右边金属化过孔阵列(22)中的头端部分或者尾端部分的形状是直线、或折线或指数线等；中间金属化过孔阵列(15)、左边金属化过孔阵列(21)和右边金属化过孔阵列(22)中的多边形是三角形、或四边形、或五边形或其它边数大于五的多边形；

选择左边金属化过孔阵列(21)中头端部分或多边形在左边介质填充波导(16)中的位置，使得通过第一介质填充波导(23)和第二介质填充波导(24)中传输的两路电磁波等幅同相到达天线的口径面(20)上辐射；

选择右边金属化过孔阵列(22)中头端部分或多边形在右边介质填充波导(17)中的位置，使得通过第三介质填充波导(25)和第四介质填充波导(26)中传输的两路电磁波等幅同相到达天线的口径面(20)上辐射。

2.根据权利要求1所述的一种相位幅度阻抗校准的平面喇叭天线，其特征在于所述的左边介质填充波导(16)和右边介质填充波导(17)的宽度均要保证其主模可以在左边介质填充波导(16)和右边介质填充波导(17)中传输而不被截止。

3.根据权利要求1所述的一种相位幅度阻抗校准的平面喇叭天线，其特征在于所述的第一介质填充波导(23)、第二介质填充波导(24)、第三介质填充波导(25)和第四介质填充波导(26)的宽度均要保证其主模可以在第一介质填充波导(23)、第二介质填充波导(24)、第三介质填充波导(25)和第四介质填充波导(26)中传输而不被截止。

4.根据权利要求1所述的一种相位幅度阻抗校准的平面喇叭天线，其特征在于所述的第一介质填充波导(23)、第二介质填充波导(24)、第三介质填充波导(25)和第四介质填充波导(26)的一端均朝着天线窄端口(6)的方向，第一介质填充波导(23)、第二介质填充波导(24)、第三介质填充波导(25)和第四介质填充波导(26)另一端均在天线口径面(20)上，并且第一介质填充波导(23)、第二介质填充波导(24)、第三介质填充波导(25)和第四介质填充波导(26)在天线口径面(20)上端口的宽度一样；第一介质填充波导(23)、第二介质填充波导(24)、第三介质填充波导(25)和第四介质填充波导(26)在天线口径面(20)端口的波阻抗都等于自由空间的波阻抗。