CN103022707B - 阻抗校准的平面喇叭天线 - Google Patents

Abstract

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）构成的金属化过孔阵列（14），在喇叭天线（2）中形成多个介质填充波导（16），介质填充波导（16）一端朝天线窄端口（6）方向，其另一端在天线口径面（15）上，且其宽度使介质填充波导（16）的波阻抗等于自由空间波阻抗。该天线可以减少天线的回波损耗和提高天线增益。

Description

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。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，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与自由空间波阻抗的不一致，减少天线的反射和改善天线的增益。

技术方案：本发明的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；金属化过孔阵列在喇叭天线中形成多个介质填充波导，介质填充波导一端朝着天线的窄端口方向，其另一端在天线口径面上，且其在天线口径面上的宽度相等并且使介质填充波导波阻抗等于自由空间波阻抗。

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。

金属化过孔阵列的形状可以是一段直线，也可以是直线、折线或指数线等其它曲线。

金属化过孔阵列的头端朝着基片集成波导喇叭天线的窄端口方向，金属化过孔阵列的尾端在天线口径面上。

介质填充波导的宽度均要保证其主模可以这些介质填充波导中传输而不被截止。

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(11)能够等效为电壁；金属化过孔阵列中，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，使得构成的金属化过孔阵列可以等效为电壁。

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。

在介质填充波导中，电磁波主模(TE10模)的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，主模的波阻抗就越低；反之，介质填充波导的宽度越窄，主模的波阻抗就越高。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，遇到金属化过孔阵列，就分成多路分别进入多个介质填充波导传输，再通过这些介质填充波导传输到天线的口径面上辐射。由于在天线的口径面上电磁波在介质填充波导中的波阻抗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：本发明阻抗校准的平面喇叭天线的有益效果是，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，从而减小了天线的回波损耗和增加了天线增益。

附图说明

图1为阻抗校准的平面喇叭天线正面结构示意图。

图2为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、天线的口径面15和介质填充波导16。

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：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，先是构成一段窄平行段12、再逐渐张开成喇叭形、然后再变成一段宽平行段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构成多个金属化过孔阵列14；这些金属化过孔阵列14的形状是直线或者折线，金属化过孔阵列14的头端朝着天线的窄端口6的方向，金属化过孔阵列14的尾端在天线的口径面15上；这些金属化过孔阵列14在天线的宽平行段13把天线分成多个介质填充波导16，这些介质填充波导16的一端朝着天线的窄端口6方向，介质填充波导16的另一端在天线口径面15上，而且这些介质填充波导16在天线口径面15上端口的宽度均相同，并且这些介质填充波导16的端口宽度均使得介质填充波导16的波阻抗等于自由空间的波阻抗，也就是介质填充波导的端口宽度a都满足条件即也就是端口宽度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。

在介质填充波导16中，电磁波主模(TE10模)的波阻抗都与介质填充波导16的宽度有关，介质填充波导16的宽度越宽，主模的波阻抗就越低；反之，介质填充波导16的宽度越窄，主模的波阻抗就越高。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，传播一段距离后，遇到金属化过孔阵列14，就分成多路分别进入多个介质填充波导16传输，再通过这些介质填充波导16传输到天线的口径面15上辐射。由于在天线的口径面15上，，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；因此电磁波在介质填充波导16中的波阻抗等于自由空间的波阻抗，这样天线口径面15的反射就小。

在工艺上，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16的端口宽度是一定的，因而天线口径面15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16的端口宽度也一定，因此天线口径面15处的介质填充波导数量增加，天线的口径面15宽度也要增加。依据同样的思路，可以增加金属化过孔阵列14的数量和增加介质填充波导的数量，并使得这些介质填充波导端口波阻抗都等于自由空间的波阻抗，这样这样不仅天线的反射小，天线的增益也相应增加。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。天线的宽平行段13的长度可以很短，也可以为零，这时金属化过孔侧壁11的形状就是一段窄平行段12加一段逐渐张开的喇叭形，这时只要保证介质填充波导16在天线口径面15上的波阻抗等于自由空间的波阻抗即可。金属化过孔阵列14形状可以是直线、弧线或其它曲线。

根据以上所述，便可实现本发明。

Claims (8)

1.一种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)，并构成金属化过孔阵列(14)；金属化过孔阵列(14)在喇叭天线(2)中形成多个介质填充波导(16)，介质填充波导(16)一端朝着天线的窄端口(6)方向，其另一端在天线口径面(15)上，且各介质填充波导(16)在天线口径面(15)上的宽度相等并且使介质填充波导(16)波阻抗等于自由空间波阻抗。

2.根据权利要求1所述的一种阻抗校准的平面喇叭天线，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所述的一种阻抗校准的平面喇叭天线，其特征在于所述的金属化过孔阵列(14)的形状可以是直线、折线、指数线或者其它曲线。

4.根据权利要求1或3所述的一种阻抗校准的平面喇叭天线，其特征在于所述的金属化过孔阵列(14)的头端朝着基片集成波导喇叭天线(2)的窄端口(6)方向，金属化过孔阵列(14)的尾端在天线口径面(15)上。

5.根据权利要求1所述的一种阻抗校准的平面喇叭天线，其特征在于所述的介质填充波导(16)的宽度均要保证其主模可以在这些介质填充波导(16)中传输而不被截止。

6.根据权利要求1所述的一种阻抗校准的平面喇叭天线，其特征在于所述的金属化过孔喇叭侧壁(11)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(11)能够等效为电壁。

7.根据权利要求1或6所述的一种阻抗校准的平面喇叭天线，其特征在于所述的两排金属化过孔喇叭侧壁(11)，先是构成一段窄平行段(12)、再逐渐张开成喇叭形、然后再变成一段宽平行段(13)。

8.根据权利要求1所述的一种阻抗校准的平面喇叭天线，其特征在于所述的金属化过孔阵列(14)中，相邻的两个金属化过孔(3)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(14)可以等效为电壁。