CN103022708B - 内嵌金属化过孔相位校准的基片集成波导天线 - Google Patents

Abstract

内嵌金属化过孔相位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）、喇叭天线（2）和内嵌金属化过孔（3），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，金属化过孔（3）在喇叭天线（2）中，多个金属化过孔（3）构成一列或数列过孔线阵（12），相邻两列线阵（12）、或者一列线阵（12）与一排喇叭侧壁（11），与第一金属平面（8）、第二金属平面（10）构成介质填充波导（13），介质填充波导（13）的一端在喇叭天线（2）内，另一端位置靠近天线的口径面（14）。该天线可以提高天线的增益。

Description

内嵌金属化过孔相位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，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；所述微带馈线的第一端口是该天线的输入输出端口，微带馈线的第二端口与基片集成波导喇叭天线相接；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；在喇叭天线中间设有由多个内嵌金属化过孔构成的一列或数列金属化过孔线阵；由相邻两列金属化过孔线阵、或者一列金属化过孔线阵与一排金属化过孔喇叭侧壁，第一金属平面和第二金属平面构成介质填充波导，该介质填充波导的外端口都平齐并靠近喇叭天线的口径面，但不在天线口径面上，这样可以避免口径面上出现电场的零场区。

微带馈线的导带与第一金属平面(8)相接，微带馈线(1)的接地面(9)与第二金属平面相接。

基片集成波导喇叭天线里有两个或两个以上的介质填充波导，这些介质填充波导的传输方向朝着天线的口径面。

介质填充波导的宽度要保证其主模可以在介质填充波导(13)中传输而不被截止。

一列或数列金属化过孔线阵中，调整相邻两列金属化过孔线阵之间的距离、或者调整一列金属化过孔线阵与基片集成波导喇叭天线(2)侧壁金属化过孔之间的距离，能够改变介质填充波导的宽度，进而调整在该介质填充波导(13)中电磁波传播的相速，使得到达介质填充波导端口电磁波的相位分布更均匀。

一列或数列金属化过孔线阵中，改变一列或者多列内嵌金属化过孔线阵的长度能够改变相应介质填充波导的长度，进而使得到达介质填充波导端口电磁波的相位分布更均匀。

金属化过孔线阵的形状可以是直线、折线或其它曲线。

金属化过孔线阵中，金属化过孔线阵中相邻的两个金属化过孔的间距小于或等于工作波长的十分之一，使得构成的金属化过孔线阵(12)能够等效为电壁。

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。

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，遇到一列或者数列金属化过孔阵列，就分成两路或者多路，进入介质填充波导传播，再通过介质填充波导靠近基片集成波导喇叭天线口径面的端口到达天线的口径面；在靠近天线口径面上的不同介质填充波导的端口的电磁波，是通过不同介质填充波导到达的，而且各路经过的路径长度有差异，到达天线口径面的边缘的电磁波所经过的路程较远，但经过的介质填充波导的宽度较窄，电磁波的相速较快；而到达天线口径面中心附近的电磁波所经过路程较近，但经过的介质填充波导的宽度较宽，电磁波的相速较慢。这样到达靠近天线口径面各个端口的电磁波的相位就可以保持一致，进而在天线口径面各处的相位也保持一致，就达到提高天线增益的目的。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相位分布。

有益效果：本发明内嵌金属化过孔相位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、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、第一端口5、第二端口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、金属化过孔阵列12、介质填充波导13、喇叭天线的口径面14和介质填充波导的端口15。

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5是金属化过孔相位校准基片集成波导平面喇叭天线的输入输出端口，微带馈线1的另一端6与基片集成波导喇叭天线2相接，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1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；基片集成波导喇叭天线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，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；内嵌金属化过孔3在基片集成波导喇叭天线2中，多个内嵌金属化过孔3构成一列或数列金属化过孔线阵12，这些金属化过孔3也连接第一金属平面8和第二金属平面10，相邻两列金属化过孔线阵12、或者一列金属化过孔线阵12与基片集成波导喇叭的一个侧壁11，与上下的第一金属平面8和第二金属平面10构成宽度恒定或者宽度变化的介质填充波导13，这些介质填充波导13的一个端口在基片集成波导喇叭天线2内离天线口径面14相对较远的位置，另一个端口15伸向基片集成波导喇叭天线的口径面14，但不到天线口径面14上，所有介质填充波导13靠近天线口径面14的端口15平齐，这些端口15宽度的相等或者不相等。

在介质填充波导13中，电磁波主模的传播相速与介质填充波导13的宽度有关，介质填充波导13的宽度越宽，主模传播的相速越低；反之，介质填充波导13的宽度越窄，主模传播的相速越高。电磁波从微带馈线1的一端5输入，经过微带馈线1的另一端6进入基片集成波导喇叭天线2，传播一段距离后，遇到一列或中数列金属化过孔线阵12，就分成两路或者多路，进入介质填充波导13传播，再通过介质填充波导13靠近基片集成波导喇叭天线口径面14的端口15到达天线的口径面14；在靠近天线口径面14上的不同介质填充波导13的端口15的电磁波，是通过不同介质填充波导13到达的，而且各路经过的路径长度有差异，到达天线口径面14的边缘的电磁波所经过的路程较远，而到达天线口径面14中心附近的电磁波所经过路程较近，但到达天线口径面14中心附近的电磁波所经过介质填充波导13的宽度比到达口径面14的边缘的电磁波所经过的介质填充波导13的宽度要宽，其相速相对较慢，这样口径面14的边缘的电磁波的平均相速比口径面14中心附近的电磁波的平均相速要快，这样到达靠近天线口径面14各个端口15的电磁波的相位就可以保持一致，进而在天线口径面14各处的相位也保持一致，就达到提高天线增益的目的。另外由于天线口径面14上除喇叭侧壁是零场区外，天线口径面14的其它区域没有零场区，这样天线口径面14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14附近实现特定的相位分布。

在工艺上，内嵌金属化过孔相位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，可以再增加金属化过孔阵列12把天线2分成更多的介质填充波导12，并使得通过这些介质填充波导12的电磁波同相到达介质填充波导的端口15再到达天线口径面14，这样天线口径面14上的相位分布更为均匀，而且增加介质填充波导12的数量并不一定要求同时增加天线口径面14的宽度，只要保证介质填充波导12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14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12，离金属化过孔侧壁11较近的介质填充波导12的宽度相对较窄以得到较高的电磁波传输相速。金属化过孔阵列12排列成的线形可以是直线、折线、指数线和其它曲线等。

根据以上所述，便可实现本发明。

Claims (5)

1.一种内嵌金属化过孔相位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)的第一端口(5)是该天线的输入输出端口，微带馈线(1)的第二端口(6)与基片集成波导喇叭天线(2)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；在喇叭天线(2)中间设有由多个内嵌金属化过孔(3)构成的一列或数列金属化过孔线阵(12)；由相邻两列金属化过孔线阵(12)、或者一列金属化过孔线阵(12)与一排金属化过孔喇叭侧壁(11)，第一金属平面(8)和第二金属平面(10)构成多个介质填充波导(13)，这些介质填充波导(13)的传输方向朝着天线的口径面(14)，介质填充波导(13)的外端口(15)都平齐并靠近喇叭天线的口径面(14)、但不到口径面(14)上；

所述的金属化过孔线阵(12)的形状是折线、指数线或其它曲线；

所述的一列或数列金属化过孔线阵(12)中，调整相邻两列金属化过孔线阵(12)之间的距离、或者调整一列金属化过孔线阵(12)与基片集成波导喇叭天线(2)侧壁金属化过孔(11)之间的距离，或者改变一列或者多列内嵌金属化过孔线阵(12)的长度，使得到达介质填充波导(13)端口(15)电磁波的相位分布更均匀。

2.根据权利要求1所述的一种内嵌金属化过孔相位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)与第一金属平面(8)相接，微带馈线(1)的接地面(9)与第二金属平面(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校准的基片集成波导天线，其特征在于所述的介质填充波导(13)的宽度要保证其主模可以在介质填充波导(13)中传输而不被截止。

4.根据权利要求1所述的一种内嵌金属化过孔相位校准的基片集成波导天线，其特征在于金属化过孔线阵(12)中，金属化过孔线阵(12)中相邻的两个金属化过孔(3)的间距小于或等于工作波长的十分之一，使得构成的金属化过孔线阵(12)能够等效为电壁。

5.根据权利要求1所述的一种内嵌金属化过孔相位校准的基片集成波导天线，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。