CN103943963B - 基于siw技术的双极化缝隙天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SIW技术的双极化缝隙天线，该双极化缝隙天线结合了SIW技术、双极化天线、缝隙天线的各个优点，以SIW技术为基础，在介质层的顶部覆铜层上增加了一个“回”形缝隙，通过调节“回”形缝隙的宽度大小来调节频率，使之在所要的频率上，并运用双极化天线的制作，组合了+45°和-45°两副极化方向相互正交的天线并同时工作在收发双工模式下，运用了耦合馈电，使之信号通过介质层底部的覆铜层靠缝隙往天线上部发射。该双极化缝隙天线结合了SIW技术、双极化天线、缝隙天线的各个优点，以SIW技术为基础，现了双极化缝隙天线的平面化和小型化，且能够实现天线与电路的一体化集成。

Description

基于SIW技术的双极化缝隙天线

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，尤其涉及一种基于SIW技术的双极化缝隙天线。

背景技术

天线是移动通信网络中的关键设备之一，是无线信号的出入口。如果把主设备比喻成移动通信系统的大脑，那么天线就可以比喻成嘴巴、眼睛或耳朵。天线质量的优劣直接决定移动通信网络的覆盖效果和用户感知的好坏。因此，天线对于移动通信的质量具有至关重要的作用，如果天线质量不好，即使主设备质量再好，网络性能也无法得到体现。

由于长期以来的产品价格导向，移动通信领域用于天线的投资比重越来越低。目前，天线的投资在整个移动通信网络中所占的比重不超过3%。过分地以价格因素为主导，导致天线厂商为了盈利和生存，更加降低对于天线材质、工艺、整体可靠性和稳定度的关注，由此带来的弊端逐渐显现。

实际应用中发现，在使用初期相当比例的天线性能良好，能够较好地满足网络覆盖需求，但是在网应用一段时间后，天线可靠性降低导致性能不再满足网络覆盖的要求。这正是由于天线的成本降低导致天线质量下降，无法长期在外部环境中应用。天线的质量造成移动通信网络站点故障率逐渐提高，闭站维修或者更换设备带来的损失甚至超过天线成本下降带来的投资节省。因此，重视和认真解决天线质量下降带来的各种问题，引导供应商生产满足运营商实际应用需求的天线，提升天线质量以满足网络覆盖效率和效果，提高网络覆盖的稳定度和可靠性，促进天线产业的良性发展，是整个产业界的责任，也是移动通信发展的必然要求。

天线的极化是指在天线最大的辐射方向上电场矢量的取向，是标志天线的重要特征。双极化天线在同一带宽内能发射两种信号，即同时发射或接受两个正交极化的电磁波。并同时工作在收发双工模式下，因此其最突出的优点是节省单个定向基站的天线数量。一般GSM数字移动通信网的定向基站（三扇区）要使用9根天线，每个扇形使用3根天线（空间分集，一发两收），如果使用双极化天线，每个扇形只需要1根天线；同时由于在双极化天线中，±45°的极化正交性可以保证+45°和-45°两副天线之间的隔离度满足互调对天线间隔离度的要求（≥30dB），因此双极化天线之间的空间间隔仅需20～30cm；另外，双极化天线具有电调天线的优点，在移动通信网中使用双极化天线同电调天线一样，可以降低呼损，减小干扰，提高全网的服务质量。如果使用双极化天线，由于双极化天线对架设安装要求不高，不需要征地建塔，只需要架一根直径20cm的铁柱，将双极化天线按相应覆盖方向固定在铁柱上即可，从而节省基建投资，同时使基站布局更加合理，基站站址的选定更加容易。

由于双极化天线特有的优点，能接收电磁波中全部极化信息，有强抗干扰、提高系统灵敏度和能构成变极化系统等能力，引起人们的广泛兴趣，在车辆防撞、电子侦探、电子对抗、无线电近感探测和雷达测量等系统中都能应用，有着很重大的意义。

而随着现代微波毫米波电路系统的高速发展，其功能越来越复杂、电性能指标越来越高，同时其体积越来越小、重量越来越轻；整个系统迅速向小型化、轻量化、高可靠性、多功能性和低成本方向发展。低成本、高性能、高成品率的微波毫米波技术对于开发商业化的低成本微波毫米波宽带系统非常关键。因此，迫切需要发展新的微波毫米波集成技术。

基片集成波导(SubstrateIntegratedWaveguide，SIW)技术是近几年提出的一种可以集成于介质基片中的具有低插损、低辐射、高功率容量等特性的新的导波结构，它可以有效地实现无源和有源集成，使微波毫米波系统小型化，甚至可把整个微波毫米波系统制作在一个封装内；而且它具有和传统矩形金属波导相类似的传输特性，它可以用来构成多种形式的波导器件，同时基片集成波导由于具有加工成本低、加工精度较高、体积小、重量轻、较低的辐射损耗、较强的抗干扰性以及较高的集成度等特点，它可以用来设计高集成度的微波毫米波系统。因此由其构成的微波毫米波甚至亚毫米波部件及子系统具有高Q值、高功率容电，易与其它平面电路和芯片集成等优点，同时由于整个结构完全为介质基片上的金属化通孔阵列所构成，所以这种结构可以利用普通PCB工艺、LTCC工艺、甚至薄膜电路工艺精确实现。与传统的波导形式微波毫米波器件的加工成本相比，基片集成波导微波毫米波器件的加工成本十分低廉，不需任何事后调试工作，非常适合微波毫米波电路的集成设计和大批量制作。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于SIW技术的双极化缝隙天线。

一种基于SIW技术的双极化缝隙天线，包括带有过孔的基板，所述基板包括介质层、位于介质层顶面的第一覆铜层、以及位于介质层底面的第二覆铜层，所述第一覆铜层上设有缝隙，所述第二覆铜层上设有馈电端；

所述缝隙绕成矩形，过孔分为两组且分别处在所述矩形的内外两侧；

所述的馈电端为矩形覆铜片，所述馈电端为2个，且正交排布于介质层底部；

第一组过孔绕成切角矩形，且位于缝隙绕成的矩形的内部，该切角矩形同侧的两个角部为斜边，所述的斜边分别与对应馈电端的一组对边垂直；

第二组过孔绕成开放矩形，且位于缝隙绕成的矩形的外部，该开放矩形同侧的两个角部为开放区域且每个开放区域的位置对应一个斜边；

第二组过孔在开放区域处沿垂直于对应斜边方向延伸排列至基板边缘。

各个斜边的对应馈电端应理解为从结构上看，与该斜边在几何位置上最近的馈电端。

过孔内部沉铜，贯穿介质层且将第一覆铜层和第二覆铜层导通。当过孔连续分布时相当于普通波导的壁，微波信号在里面传输且不会泄露。本发明设有两组，分别在缝隙绕成的矩形内外两侧，形成两个金属壁，与顶部（第一覆铜层）和底部（第二覆铜层）的金属覆铜一起形成波导，即基片集成波导（SubstrateIntegratedWaveguide，SIW）。对微波信号来说，只能在基片集成波导的内部传输而无法泄露出去，当在波导上部开槽（即缝隙），且槽的尺寸（即缝隙的长度）接近传输的微波的波长，满足谐振条件时，内部的信号就会从缝隙处辐射出去形成天线。

本发明中的馈电端为位于介质层底部的馈电覆铜片，馈电端和介质层顶层的第一覆铜层构成微带线，馈电端连接信号源，第一覆铜层开路（即没有跟任何金属相连接）。工作时微波信号从馈电端输入馈电微带线，通过耦合作用把微波信号传输进波导（即基片集成波导），然后通过缝隙把微波信号辐射出去。由于整个天线结构完全对称，通过设置两个内部结构对称的馈电端，即形成了双极化天线。

本发明结合了SIW技术、双极化天线、缝隙天线的各个优点，以SIW技术为基础，在介质层的顶部覆铜层上增加了一个“回”形缝隙，通过调节“回”形缝隙的尺寸（即所述矩形的周长）来调节缝隙的谐振频率，使之工作在所要的频率上。通过底部相垂直的耦合馈电网络，实现了双极化工作模式。

为防止馈电端与第二覆铜层短路，所述介质层底面设有矩形的两个环形未覆铜区域，该未覆铜区域的宽（短边）分别与斜边重合，且长度等于该斜边的长度。所述的矩形覆铜片设置于环形未覆铜区域的环内，保证馈电端与第二覆铜层之间不接触。

所述缝隙绕成的矩形的周长l为：

$l=\frac{\mathrm{\λ}}{\sqrt{\mathrm{\ϵ}}},$

其中λ为传输微波的波长，ε为介质层的介电常数，缝隙的宽度为1.5mm。

当需要传输的微波的波长不同时，对应的缝隙的长度也不同。考虑到介质层材料和厚度等参数对传输性能的影响，缝隙的周长接近于传输波长的电长度。

所述过孔的直径为0.4mm。

相邻两个过孔的中心之间的距离为1mm。

第一组过孔中的过孔到所述缝隙绕成矩形的对应边的距离为7.5mm。

第二组过孔中的过孔到所述缝隙绕成矩形的对应边的距离为2.6mm。

所述开放矩形的开放区域中延伸排列的过孔到馈电端的相应边的距离为5.2mm。

所述的介质层的材质为聚四氟乙烯或陶瓷。

本发明中过孔到缝隙的距离指过孔的中心到缝隙绕成的矩形对应边的距离。

本发明的基于SIW技术的双极化缝隙天线的优点在于：

1）利用SIW技术，实现了双极化缝隙天线的平面化和小型化，且能够实现天线与电路的一体化集成；

2）应用闭合矩形缝隙形成对称结构，有利于实现天线的双极化；

3）天线采用底部双馈电结构，有利于提高双极化的高隔离度，且应用开路微带线结构作为馈电网络，可以直接通过耦合形式将微波信号导入波导内。

附图说明

图1为本实施例的基于SIW技术的双极化缝隙天线的上表面结构示意图；

图2为本实施例的基于SIW技术的双极化缝隙天线的下表面结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种基于SIW技术的双极化缝隙天线，包括带有过孔的基板，所述基板包括介质层、位于介质层顶面的第一覆铜层、以及位于介质层底面的第二覆铜层。

如图1和图2所示，第一覆铜层上设有缝隙2，所述第二覆铜层上设有馈电端5，缝隙2绕成矩形，过孔分为两组且分别处在矩形（缝隙2绕成的矩形）的内外两侧，分别为处在矩形的内侧的第一组过孔3和处在矩形的外侧的第二组过孔1；

馈电端5为矩形覆铜片（本实施例的馈电端5的长为27mm，宽为7mm），为2个，且正交排布于介质层底部；

第一组过孔3绕成切角矩形，该切角矩形同侧的两个角部为斜边，所述的斜边分别与对应馈电端的一组对边垂直；

第二组过孔1绕成开放矩形，且位于缝隙绕成的矩形的外部，该开放矩形同侧的两个角部为开放区域且每个开放区域的位置对应一个斜边；

第二组过孔1在开放区域处沿垂直于对应斜边方向延伸排列至基板边缘。

其中，缝隙绕成的矩形的周长l为：

$l=\frac{\mathrm{\λ}}{\sqrt{\mathrm{\ϵ}}},$

其中λ为传输微波的波长，ε为介质层的介电常数，缝隙的宽度为1.5mm。

本实施例中过孔的直径为0.4mm，相邻两个过孔的中心之间的距离为1mm。第一组过孔3中的过孔到缝隙绕成矩形的对应边的距离d1=7.5mm。第二组过孔1中的过孔到缝隙绕成矩形的对应边的距离d2=2.6mm。开放矩形的开放区域中延伸排列的过孔到馈电端的相应边的距离为d3=5.2mm。馈电端4与斜边平行且靠近斜边的边到斜边的距离为d4=4.5mm。

为防止馈电端与第二覆铜层短路，底部介质层底部还设有未两个矩形未覆铜区域4，矩形未覆铜区域4的短边分别与对应的斜边重合，斜边的长度为7mm。开放矩形的开放区域中延伸排列的过孔到矩形未覆铜区域4的距离d5=3mm。

本实施例的基于SIW技术的双极化缝隙天线的回波损耗<-15dB，极化端口隔离度<-30dB，相对带宽10%。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于SIW技术的双极化缝隙天线，包括带有过孔的基板，所述基板包括介质层、位于介质层顶面的第一覆铜层、以及位于介质层底面的第二覆铜层，其特征在于，所述第一覆铜层上设有缝隙，所述第二覆铜层上设有馈电端；

所述缝隙绕成矩形，过孔分为两组且分别处在所述矩形的内外两侧；

所述的馈电端为矩形覆铜片，所述馈电端为2个，且正交排布于介质层底部；

第一组过孔绕成切角矩形，且位于缝隙绕成的矩形的内部，该切角矩形同侧的两个角部为斜边，所述的斜边分别与对应馈电端的一组对边垂直；

第二组过孔绕成开放矩形，且位于缝隙绕成的矩形的外部，该开放矩形同侧的两个角部为开放区域且每个开放区域的位置对应一个斜边；

第二组过孔在开放区域处沿垂直于对应斜边方向延伸排列至基板边缘；

所述介质层底面设有矩形的两个环形未覆铜区域，该两个未覆铜区域的短边分别与所述的两个斜边重合，且长度等于该斜边的长度，所述的矩形覆铜片设置于环形未覆铜区域的环内。

2.如权利要求1所述的基于SIW技术的双极化缝隙天线，其特征在于，所述缝隙绕成的矩形的周长l为：

$l=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{\sqrt{\mathrm{\&epsiv;}}},$

其中λ为传输微波的波长，ε为介质层的介电常数。

3.如权利要求2所述的基于SIW技术的双极化缝隙天线，其特征在于，所述过孔的直径为0.4mm。

4.如权利要求3所述的基于SIW技术的双极化缝隙天线，其特征在于，相邻两个过孔的中心之间的距离为1mm。

5.如权利要求4所述的基于SIW技术的双极化缝隙天线，其特征在于，第一组过孔中的过孔到所述缝隙绕成矩形的对应边的距离为7.5mm。

6.如权利要求5所述的基于SIW技术的双极化缝隙天线，其特征在于，第二组过孔中的过孔到所述缝隙绕成矩形的对应边的距离为2.6mm。

7.如权利要求6所述的基于SIW技术的双极化缝隙天线，其特征在于，所述开放矩形的开放区域中延伸排列的过孔到馈电端的相应边的距离为5.2mm。

8.如权利要求7所述的基于SIW技术的双极化缝隙天线，其特征在于，所述的介质层的材质为聚四氟乙烯或陶瓷。