CN103700947B

CN103700947B - 基片集成波导圆极化天线

Info

Publication number: CN103700947B
Application number: CN201310747193.2A
Authority: CN
Inventors: 徐自强; 张根; 吴波; 刘昊; 廖家轩; 汪澎; 尉旭波; 杨邦朝
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2013-12-30
Filing date: 2013-12-30
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2033-12-30
Also published as: CN103700947A

Abstract

本发明公开了一种增益较高的基片集成波导圆极化天线。该天线包括介质基板以及设置在介质基板表面的上表面金属层、下表面金属层，所述介质基板上设置有正六边形基片集成波导腔体，所述上表面金属层上设置有共地共面波导结构以及与共地共面波导结构相连的微带馈线形成输入端，所述下表面金属层上设置有“十”字形交叉缝隙形成辐射单元。这种结构的天线增益远高于现有的圆极化天线，因此，本发明所述的基片集成波导圆极化天线性能较好，而且本发明所述的基片集成波导圆极化天线抗雨雾干扰能力强，且当圆极化波通过电离层时，不受法拉第旋转效应的影响，适合在微波毫米波技术领域推广应用。

Description

基片集成波导圆极化天线

技术领域

本发明涉及微波毫米波技术领域，具体涉及一种基片集成波导圆极化天线。

背景技术

天线在无线通信系统中，实现着有线链路和无线链路之间的相互转化和连接，是无线通信系统中的关键部件，天线的研究对于无线通信技术的发展有着重要影响。

天线经过上百年的发展，有着多种多样的形式，也有着各自不同的特点。传统微波天线一般采用金属波导或者微带贴片结构。矩形金属波导天线具有高增益、低损耗、高功率容量等优异特性，但是由于矩形波导天线体积较庞大，加工精度要求高，同时它难以和介质基片上的平面微波毫米波电路集成，这些因素使得整个系统的体积比较大、设计成本和结构复杂度比较高，也导致了传统矩形波导天线难以满足现代通信系统发展的要求。微带贴片天线是当前微波毫米波电路中常采用的形式，但是在微波毫米波系统中，微带天线较难获得高增益和宽工作频带。因此在高频微波系统中，微带贴片天线也不是首选形式。

随着微波技术的发展，人们对于微波系统和微波器件集成化和小型化的需求越来越高，基片集成波导（SIW）这种新型的传输线结构正好能满足以上所提出的的新要求。基片集成波导完全集成于介质基片中，它具有与矩形波导相似的传输特性，因此利用SIW技术实现的SIW缝隙天线一方面继承了传统矩形金属波导缝隙天线的优点，同时克服了传统矩形金属波导的缺点，能够将阵列天线和微波毫米波电路集成于同一块介质基片中，容易实现线极化、圆极化、双频和双极化的工作方式，并可以利用传统的PCB加工技术实现，设计成本和生产成本比较低廉，从而很适合于高频微波毫米波系统的设计。

如上所述，SIW天线的一个突出优点就是容易实现圆极化，因此可以方便应用于卫星通信、移动通信等系统中。圆极化天线，是指其辐射电磁波的电场矢量随时间变化的轨迹是个圆形，有左旋向、右旋向之分。左旋圆极化天线只能辐射或接收左旋圆极化波，右旋圆极化天线只能辐射或接收右旋圆极化波。所以，工作在圆极化情况下的天线的收、发性能直接与来波的极化特性有关。在卫星通信系统、遥控遥测技术中，由于其无线链路的特殊性，电磁波会受大气、雨衰、电离层等的影响。在这些系统中，单一极化方式很难满足要求，圆极化天线的应用就显得十分重要，这是因为圆极化波有以下两个特点：当圆极化波入射到圆对称目标(平面，球面等)时，反射波是反旋向的，使得反射波不能被原天线所接收，这一性质使其有抗雨雾干扰的能力，当圆极化波通过电离层时，不受法拉第旋转效应的影响，因此圆极化天线在卫星通信、遥控遥测领域有着广泛的需求和应用。圆极化天线还广泛应用在其他方面，在电子对抗中，使用圆极化天线可以干扰和侦查敌方的各种线极化及椭圆极化方式的无线电波；在剧烈摆动或滚动的飞行器上安置圆极化天线，可以在任何状态下都收到信息；在电视广播中，由于多径效应会使接收图像重影加剧，如果电视发射台和接收机采用圆极化天线后，可望减弱或消除由建筑物多次反射而造成的重影现象。正由于圆极化天线的应用范围日益扩大，推动着圆极化天线的不断发展。现有的圆极化天线虽然能够实现上述目的，但是其天线的增益较低，导致天线的性能不能达到最优。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种增益较高的基片集成波导圆极化天线。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：该基片集成波导圆极化天线，包括介质基板以及设置在介质基板表面的上表面金属层、下表面金属层，所述介质基板上设置有金属化通孔阵列，所述金属化通孔阵列贯穿上表面金属层、介质基板、下表面金属层并与上表面金属层、下表面金属层共同围成一个正六边形基片集成波导腔体，所述上表面金属层上设置有共地共面波导结构以及与共地共面波导结构相连的微带馈线形成输入端，所述下表面金属层上设置有“十”字形交叉缝隙形成辐射单元。

进一步的是，所述共地共面波导结构位于正六边形基片集成波导腔体的上、下两个相对顶点连线上。

进一步的是，所述“十”字形交叉缝隙的每条支臂与正六边形基片集成波导腔体上、下两个相对顶点连线成45°夹角。

进一步的是，所述金属化通孔阵列的金属孔半径为0.5mm，相邻两个金属孔之间的间距为1.5mm。

进一步的是，所述介质基板采用Rogers 5880，其介电常数为2.2，厚度为0.508mm。

本发明的有益效果：本发明所述的基片集成波导圆极化天线通过在下表面金属层上设置有“十”字形交叉缝隙形成辐射单元，配合上表面金属层上设置的共地共面波导结构，可以激励起正六边形基片集成波导腔体内随相位变化的准TM₁₁₀的两个正交简并模，从而形成一个单腔双模左旋圆极化天线，通过调节“十”字形交叉缝隙两臂长度之间的差异，可以实现左旋或右旋圆极化，这种结构的天线增益远高于现有的圆极化天线，因此，本发明所述的基片集成波导圆极化天线性能较好，而且本发明所述的基片集成波导圆极化天线抗雨雾干扰能力强，且当圆极化波通过电离层时，不受法拉第旋转效应的影响，此外，本发明采用双模正六边形谐振腔，兼具双模矩形设计灵活和双模圆形谐振腔高Q值的优点，具有损耗低、体积小、集成度高、易于设计和加工。

附图说明

图1是本发明基片集成波导圆极化天线的俯视图；

图2是本发明基片集成波导圆极化天线的侧视图；

图3是本发明实施例所述的基片集成波导圆极化天线的尺寸结构示意图；

图4是本发明实施例所述的基片集成波导圆极化天线仿真模型的S11参数图；

图5是本发明实施例所述的基片集成波导圆极化天线仿真模型的轴比、增益仿真图；

图中标记说明：介质基板1、上表面金属层2、下表面金属层3、金属化通孔阵列4、正六边形基片集成波导腔体5、共地共面波导结构6、微带馈线7、“十”字形交叉缝隙8。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

如图1、2所示，该基片集成波导圆极化天线，包括介质基板（1）以及设置在介质基板（1）表面的上表面金属层（2）、下表面金属层（3），所述介质基板（1）上设置有金属化通孔阵列（4），所述金属化通孔阵列（4）贯穿上表面金属层（2）、介质基板（1）、下表面金属层（3）并与上表面金属层（2）、下表面金属层（3）共同围成一个正六边形基片集成波导腔体（5），所述上表面金属层（2）上设置有共地共面波导结构（6）以及与共地共面波导结构（6）相连的微带馈线（7）形成输入端，所述下表面金属层（3）上设置有“十”字形交叉缝隙（8）形成辐射单元。本发明所述的基片集成波导圆极化天线通过在下表面金属层（3）上设置有“十”字形交叉缝隙（8）形成辐射单元，配合上表面金属层（2）上设置的共地共面波导结构（6），可以激励起正六边形基片集成波导腔体（5）内随相位变化的准TM110的两个正交简并模，从而形成一个单腔双模左旋圆极化天线，通过调节“十”字形交叉缝隙（8）两臂长度之间的差异，可以实现左旋或右旋圆极化，这种结构的天线增益远高于现有的圆极化天线，因此，本发明所述的基片集成波导圆极化天线性能较好，而且本发明所述的基片集成波导圆极化天线抗雨雾干扰能力强，且当圆极化波通过电离层时，不受法拉第旋转效应的影响。此外，本发明采用双模正六边形谐振腔，兼具双模矩形设计灵活和双模圆形谐振腔高Q值的优点，具有损耗低、体积小、集成度高、易于设计和加工。

在上述实施方式中，为了进一步提高天线的增益，所述共地共面波导结构（6）位于正六边形基片集成波导腔体（5）的上、下两个相对顶点连线上。进一步的是，所述“十”字形交叉缝隙（8）的每条支臂与正六边形基片集成波导腔体（5）的上、下两个相对顶点连线成45°夹角。当“十”字形交叉缝隙（8）的左臂长12.7mm，缝隙右臂长11.9mm，可以实现天线的左旋圆极化，当“十”字形交叉缝隙（8）的左臂长11.9mm，缝隙右臂长12.7mm，可以实现天线的左旋圆极化。。

实施例

本实施例是以中心频率为10.175GHz的基片集成波导圆极化天线的仿真模型为具体实施例。所用介质基板1为Rogers 5880，其介电常数为2.2，厚度为0.508mm。采用半径为0.5mm的金属化通孔阵列作为基片集成波导腔的腔壁，孔间距为1.5mm。图3为实施例所述的基片集成波导圆极化天线的尺寸结构示意图，具体参数如下表所示：

符号

L_ms

W_ms

L_cpw

g_cpw

L_s1

L_s2

参数(mm)

4.0

1.5

4.2

0.8

12.7

11.9

符号

W_s

h

L_c

r_c

α

参数(mm)

0.7

0.508

6.2

9.5

45⁰

利用电磁仿真软件Ansoft HFSS对上述基片集成波导圆极化天线进行模型的建立与仿真。该实施例所述的基片集成波导圆极化天线仿真模型的S11参数如图4所示，该天线的中心频率为10.175GHz，仿真结果表明，该天线-10dB阻抗带宽为9.96GHz至10.22GHz，带宽约为2.6%。该实施例所述的基片集成波导圆极化天线仿真模型的轴比、增益仿真图如图5所示，-3dB轴比带宽约为0.8%，因此轴比带宽成为限制该圆极化天线工作带宽的最主要因素。该天线最大增益达到6.6dBi，在整个-3dB轴比带宽内增益都超过6dBi，远高于同等尺寸大小的传统贴片或缝隙天线。仿真结果显示，该基片集成波导圆极化天线增益较高，具有优良的性能，设计及优化较为方便简单，在集成应用中具有突出优点。

Claims

1.基片集成波导圆极化天线，其特征在于：包括介质基板(1)以及设置在介质基板(1)表面的上表面金属层(2)、下表面金属层(3)，所述介质基板(1)上设置有金属化通孔阵列(4)，所述金属化通孔阵列(4)贯穿上表面金属层(2)、介质基板(1)、下表面金属层(3)并与上表面金属层(2)、下表面金属层(3)共同围成一个正六边形基片集成波导腔体(5)，所述上表面金属层(2)上设置有共地共面波导结构(6)以及与共地共面波导结构(6)相连的微带馈线(7)形成输入端，所述下表面金属层(3)上设置有“十”字形交叉缝隙(8)形成辐射单元，所述共地共面波导结构(6)位于正六边形基片集成波导腔体(5)的上、下两个相对顶点连线上，当“十”字形交叉缝隙(8)的左臂长12.7mm，缝隙右臂长11.9mm，可以实现天线的左旋圆极化，当“十”字形交叉缝隙(8)的左臂长11.9mm，缝隙右臂长12.7mm，可以实现天线的右旋圆极化。

2.如权利要求1所述的基片集成波导圆极化天线，其特征在于：所述“十”字形交叉缝隙(8)的每条支臂与正六边形基片集成波导腔体(5)上、下两个相对顶点连线成45°夹角。

3.如权利要求2所述的基片集成波导圆极化天线，其特征在于：所述金属化通孔阵列(4)的金属孔半径为0.5mm，相邻两个金属孔之间的间距为1.5mm。

4.根据权利要求1至3中任意一项权利要求所述的基片集成波导圆极化天线，其特征在于：所述介质基板(1)采用Rogers 5880，其介电常数为2.2，厚度为0.508mm。