CN103022706A - 内嵌金属化过孔相位幅度校准的基片集成波导天线 - Google Patents

Abstract

内嵌金属化过孔相位幅度校准的基片集成波导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）、基片集成波导喇叭天线（2）和内嵌金属化过孔（3），微带馈线（1）连接天线端口（5）和喇叭天线窄端口（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（12）、左边金属化过孔阵列（16）和右边金属化过孔阵列（17），在喇叭天线（2）中形成四个介质填充波导，这四个介质填充波导的一端都朝天线窄端口（6）方向，其另一端位置都靠近天线口径面（15）。该天线可以提高天线的增益。

Description

内嵌金属化过孔相位幅度校准的基片集成波导天线

技术领域

本发明涉及一种平面喇叭天线，尤其是一种内嵌金属化过孔相位幅度校准的基片集成波导天线。

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平面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。目前已有采用介质加载、介质棱镜等方法，矫正喇叭口径场，但是这些方法都只能改善相位分布的一致性，不能改善幅度分布的均匀性，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内嵌金属化过孔相位幅度校准的基片集成波导天线，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和幅度不一致、同时减少口径面零场区的数量，提高天线的口径效率和增益。

技术方案：本发明的内嵌金属化过孔相位幅度校准的基片集成波导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；在喇叭天线中有第一介质填充波导、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，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个端口都朝着天线窄端口的方向，其另一端口都平齐并靠近的天线口径面、但不在口径面上。

微带馈线的导带与基片集成波导喇叭天线的第一金属平面相接，微带馈线的接地面与基片集成波导喇叭天线的第二金属平面相接。

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形状是一段头端直线段接多边形再接一段尾端直线段，中间金属化过孔阵列的头端直线段朝着喇叭天线的窄端口的方向，中间金属化过孔阵列的尾端直线段伸向喇叭天线的口径面，但不到天线口径面。

左边金属化过孔阵列把左边的介质填充波导分成了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介质填充波导分成了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直线段、多边形和尾端直线段三段相连构成，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伸向天线口径面，但不到口径面上。

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；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直线段的形状可以是直线、折线或指数线等，其长度可以是零或者是有限长度。

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。

金属化过孔阵列中相邻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，主模传播的相速越低；反之，介质填充波导的宽度越窄，主模传播的相速越高。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，再被分成两路分别向口径面传输，调整在左边介质填充波导中左边金属化过孔阵列的头端及多边形顶点的位置，可以调整通过两个介质填充波导传输的电磁波的相对相速和相对功率，进而调整通过两个介质填充波导传输的电磁波在口径面上的相对相位和相对幅度；如果这两个介质填充波导在天线口径面附近的端口宽度相等，调整在左边介质填充波导中该金属化过孔阵列的头端及多边形顶点的位置，可以使得通过两个介质填充波导传输的电磁波的功率相等，同时还使得这两路电磁波同相到达介质填充波导的端口进而再到达天线的口径面；电磁波在右边的介质填充波导中传输也是同样的情况，以上述方式就可以控制在天线口径面附近电磁波的幅度和相位分布，如果保持在天线口径面附近的四个介质填充波导的端口宽度相等，并调整金属化过孔阵列的头端及多边形顶点的位置使得通过这四个介质填充波导传输电磁波的同功率同相到达介质填充波导的端口进而再到达天线口径面，就可以使得在天线口径面附近的场强相位和幅度分布均一致，这样就可以提高天线的口径效率和增益的目的。另外由于口径面上除喇叭侧壁是零场区外，口径面的其它区域没有零场区，这样口径面的场强分布也相对更均匀。同理也可以按照需要在天线的口径面附近实现特定的场强幅度和相位分布。

有益效果：本发明内嵌金属化过孔相位幅度校准的基片集成波导天线的有益效果是，矫正了天线口径面上电磁波的相位不一致、同时又使得天线口径面上电磁波的幅度分布更均匀，还避免在天线口径面上出现较多的零场区，从而提高了天线的口径效率和增益。

附图说明

图1为内嵌金属化过孔相位幅度校准的基片集成波导天线正面结构示意图。

图2为内嵌金属化过孔相位幅度校准的基片集成波导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、中间金属化过孔阵列12、左边介质填充波导13、右边介质填充波导14、天线的口径面15、左边金属化过孔阵列16、右边金属化过孔阵列17、第一介质填充波导18、第二介质填充波导19、第三介质填充波导20、第四介质填充波导21和介质填充波导的端口22。

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：内嵌金属化过孔相位幅度校准的基片集成波导天线包括微带馈线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由第一金属平面8和第二金属平面10及两排金属化过孔喇叭侧壁11组成，第一金属平面8和第二金属平面10分别位于介质基板4的两面，两排金属化过孔喇叭侧壁11连接第一金属平面8和第二金属平面10，并逐渐张开成喇叭形；在基片集成波导喇叭天线2中内嵌的金属化过孔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12、左边金属化过孔阵列16和右边金属化过孔阵列17；其中中间的金属化过孔阵列12位于喇叭天线2侧壁11中间的位置，该中间金属化过孔阵列12把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12的两侧，对称的有左边介质填充波导13和右边介质填充波导14，中间金属化过孔阵列12形状是一段头端直线段接多边形再接一段尾端直线段，中间金属化过孔阵列12的头端直线段靠着喇叭天线2的窄端口6的方向，中间金属化过孔阵列12的尾端直线段伸向喇叭天线口径面15，但不到口径面15；在喇叭天线2中的左边介质填充波导13中的左边金属化过孔阵列16把左边介质填充波导13分成了第一介质填充波导18和第二介质填充波导19；在喇叭天线2中的右边介质填充波导14中的右边金属化过孔阵列17把右边介质填充波导14分成了第三介质填充波20和第四介质填充波导21；左边金属化过孔阵列16和右边金属化过孔阵列17的形状都是一段头端直线段接多边形再接一段尾端直线段，左边金属化过孔阵列16和右边金属化过孔阵列17的头端都靠近喇叭天线2的窄端口6的方向、左边金属化过孔阵列16和右边金属化过孔阵列17的尾端伸向喇叭天线2的口径面15，但不到口径面15上，这样可以避免口径面15上出现电场的零场区；中间金属化过孔阵列12、左边金属化过孔阵列16和右边金属化过孔阵列17把基片集成波导喇叭天线2分成第一介质填充波导18、第二介质填充波导19、第三介质填充波导20和第四介质填充波导21，第一介质填充波导18、第二介质填充波导19、第三介质填充波导20和第四介质填充波导21靠近天线口径面15的端口22宽度的相等或者不等。

在介质填充波导中，电磁波主模（TE10模）的传播相速与介质填充波导的宽度有关，介质填充波导的宽度越宽，主模传播的相速越低；反之，介质填充波导的宽度越窄，主模传播的相速越高。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，传输一段距离后，遇到中间的金属化过孔阵列12，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13和右边介质填充波导14传输，左边介质填充波导13和右边介质填充波导14完全对称，以左边的介质填充波导13为例说明，当电磁波进入左边的介质填充波导13传输后一段距离后，将遇到一个金属化过孔阵列16，再被分成两路向天线口径面15的方向传输，调整在左边介质填充波导13中该金属化过孔阵列16的头端及多边形顶点的位置，可以调整通过第一介质填充波导18和第二介质填充波导19中传输的电磁波的相对相速和相对功率，进而调整通过第一介质填充波导18和第二介质填充波导19传输的电磁波在口径面15上的相对相位和相对幅度；如果第一介质填充波导18和第二介质填充波导19在天线口径面15上的端口22的宽度相等，调整在左边介质填充波导13中该金属化过孔阵列16的头端及多边形顶点的位置，可以使得通过第一介质填充波导18和第二介质填充波导19传输的电磁波的功率相等，并使得这两路电磁波同相到达介质填充波导的端口22进而再到达天线的口径面15，这样在天线口径面15附近的第一介质填充波导18和第二介质填充波导19端口22的场强幅度分布和相位都一样；电磁波在右边的介质填充波导14中传输也是同样的情况。以上述方式就可以控制在天线口径面15附近的电磁波的幅度和相位分布，如果保持在天线口径面15附近的第一介质填充波导18、第二介质填充波导19、第三介质填充波导20和第四介质填充波导21的端口宽度都相等，并调整中间金属化过孔阵列12、左边金属化过孔阵列16和右边金属化过孔阵列17的头端及多边形顶点的位置使得通过第一介质填充波导18、第二介质填充波导19、第三介质填充波导20和第四介质填充波导21传输电磁波的同功率同相到达这些介质填充波导的端口22再到达天线口径面15，就可以使得在天线口径面15附近第一介质填充波导18、第二介质填充波导19、第三介质填充波导20和第四介质填充波导21的四个端口22的场强相位和幅度分布均一致，这样就达到提高天线口径效率和增益的目的，另外由于天线口径面15上除喇叭侧壁11上是零场区外，天线口径面15上的其它区域没有零场区，这样口径面15的场强分布也相对更均匀。同理也可以按照需要在天线的口径面15上实现特定的场强幅度和相位分布。

在工艺上，内嵌金属化过孔相位幅度校准的基片集成波导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，依据同样的原理，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电磁波同相同幅度到达介质填充波导的端口再到达天线口径面15，这样同时天线口径面15上的幅度分布更为均匀，而且增加天线口径面15上的介质填充波导的数量并不一定要求同时增加天线口径面15的宽度，只要保证介质填充波导能够传输主模就可以。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15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。中间金属化过孔阵列12、左边金属化过孔阵列16和右边金属化过孔阵列17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；中间金属化过孔阵列12、左边金属化过孔阵列16和右边金属化过孔阵列17中的头端直线段或者尾端直线段可以是直线、折线、指数线或其它曲线。

根据以上所述，便可实现本发明。

Claims (10)

1.一种内嵌金属化过孔相位幅度校准的基片集成波导天线，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）中内嵌的金属化过孔（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（12）、左边金属化过孔阵列（16）和右边金属化过孔阵列（17）；在喇叭天线（2）中有第一介质填充波导（18）、第二介质填充波导（19）、第三介质填充波导（20）和第四介质填充波导（21），第一介质填充波导（18）、第二介质填充波导（19）、第三介质填充波导（20）和第四介质填充波导（21）的一个端口都朝着天线窄端口（6）的方向，其另一端口（22）都平齐并靠近的天线口径面（15）、但不在口径面（15）上。

2.根据权利要求1所述的一种内嵌金属化过孔相位幅度校准的基片集成波导天线，其特征在于微带馈线（1）的导带（7）与基片集成波导喇叭天线（2）的第一金属平面（8）相接，微带馈线的接地面（9）与基片集成波导喇叭天线（2）的第二金属平面（10）相接。

3.根据权利要求1所述的一种内嵌金属化过孔相位幅度校准的基片集成波导天线，其特征在于所述的中间金属化过孔阵列（12）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）分为左右对称的两部分，在中间的金属化过孔阵列（12）的两侧，对称的有左边介质填充波导（13）和右边介质填充波导（14）。

4.根据权利要求1或3所述的一种内嵌金属化过孔相位幅度校准的基片集成波导天线，其特征在于所述的中间金属化过孔阵列（12）形状是一段头端直线段接多边形再接一段尾端直线段，中间金属化过孔阵列（12）的头端直线段朝着喇叭天线（2）的窄端口（6）的方向，中间金属化过孔阵列（12）的尾端直线段伸向喇叭天线的口径面（15），但不到天线口径面（15）。

5.根据权利要求1或3所述的一种内嵌金属化过孔相位幅度校准的基片集成波导天线，其特征在于所述的左边金属化过孔阵列（16）把左边的介质填充波导（13）分成了第一介质填充波导（18）和第二介质填充波导（19）。

6.根据权利要求1或3所述的一种内嵌金属化过孔相位幅度校准的基片集成波导天线，其特征在于所述的右边金属化过孔阵列（17）把右边介质填充波导（14）分成了第三介质填充波导（20）和第四介质填充波导（21）。

7.根据权利要求1所述的一种内嵌金属化过孔相位幅度校准的基片集成波导天线，其特征在于所述的左边金属化过孔阵列（16）和右边金属化过孔阵列（17）形状都是由头端直线段、多边形和尾端直线段三段相连构成，左边金属化过孔阵列（16）和右边金属化过孔阵列（17）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（16）和右边金属化过孔阵列（17）的尾端伸向天线口径面（15），但不到口径面（15）上。

8.根据权利要求1所述的一种内嵌金属化过孔相位幅度校准的基片集成波导天线，其特征在于所述的中间金属化过孔阵列（12）、左边金属化过孔阵列（16）和右边金属化过孔阵列（17）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。

9.根据权利要求1所述的一种内嵌金属化过孔相位幅度校准的基片集成波导天线，其特征在于所述的中间金属化过孔阵列（12）、左边金属化过孔阵列（16）和右边金属化过孔阵列（17）中的直线段的形状可以是直线、折线或指数线等，其长度可以是零或者是有限长度。

10.根据权利要求1所述的一种内嵌金属化过孔相位幅度校准的基片集成波导天线，其特征在于所述的左边介质填充波导（13）、右边介质填充波导（14）、第一介质填充波导（18）、第二介质填充波导（19）、第三介质填充波导（20）和第四介质填充波导（21）的宽度要保证其主模可以在左边介质填充波导（13）、右边介质填充波导（14）、第一介质填充波导（18）、第二介质填充波导（19）、第三介质填充波导（20）和第四介质填充波导（21）中传输而不被截止。

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