CN104167608A

CN104167608A - 基于折叠基片集成波导馈电的平衡Vivaldi开槽天线

Info

Publication number: CN104167608A
Application number: CN201410390103.3A
Authority: CN
Inventors: 夏雷; 唐亦尘; 胡亮; 延波; 徐锐敏
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2014-08-08
Filing date: 2014-08-08
Publication date: 2014-11-26

Abstract

本发明公开了一种基于折叠基片集成波导馈电的平衡Vivaldi开槽天线。包括从上到下依次层叠排列的第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层和第三金属层；所述第一金属层包括相连的第一矩形金属板和第一矩形开槽扇形金属板，所述第一介质层包括相连的第一介质基板和第二介质基板，所述第二金属层包括相连的第二矩形金属板和第二矩形开槽扇形金属板，所述第二介质层包括相连的第三介质基板和第四介质基板，所述第三金属层包括相连的第三矩形金属板和第三矩形开槽扇形金属板。本发明的有益效果是：本发明使用折叠基片集成波导的馈电结构，具有低损耗，小型化，低交叉极化的优点。

Description

基于折叠基片集成波导馈电的平衡Vivaldi开槽天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种基于折叠基片集成波导馈电的平衡Vivaldi开槽天线。

背景技术

基片集成波导substrate integrated waveguide-SIW的概念由加拿大蒙特利尔大学的吴柯教授于2001年正式提出，最初的目的是为了寻找低成本、低损耗、高Q值的微波振荡器。SIW继承了传统波导器件的高Q值和高功率容量的特性，并且具有平面电路的易于加工、造价低和易集成等优点。基片集成波导是一种新的微波传输线形式，其利用金属过孔在介质基片上实现波导的场传播模式。它由介质基片上下底面的金属片和两侧由金属化通孔代替的波导壁组成，可以看成是传统金属波导和微带线的综合。基片集成波导构成的谐振腔便于平面集成和具有较高的Q值。波导就常用于高频情况，但是波导体积大，不易于集成。所以产生了一种新的观点：基片集成波导(SIW)。基片集成波导是介于微带与介质填充波导之间的一种传输线。基片集成波导兼顾传统波导和微带传输线的优点，可实现高性能微波毫米波平面电路。加拿大的Poly Grames Research Center是基片集成波导技术的发源地，国内的东南大学在该领域进行了深入研究并获得丰硕成果。南京理工大学也开展了一些工作并获得了一定的成果。以SIW作为平台的微波器件如功率分配器、定向耦合器、滤波器、振荡器等等都具备了良好的性能。但是SIW的横向尺寸很大，无法满足系统小型化和集成化的要求。基于折叠矩形波导的两种思路，基片集成的折叠波导已经被提出并且已经有了一些应用。其中1987年Zhang等用矩量法分析了有T隔板的波导的传输特性，1988年Chen等理论分析了折叠波导的结构，用数值方法重点分析了波导内的场分布情况，但是没有指出它与原矩形波导之间的传输特性的差异。2004年Hong提出了实现折叠波导谐振腔的两种方法，指出四分之一波长谐振器的优点。2005年Grigoropoulos和Young提出将折叠波导应用于基片集成波导中，并且用它设计了带通滤波器，同时基片集成T隔板波导用来设计了一个缝隙天线。2008年Che等对折叠基片集成波导folded substrate integratedwaveguide-FSIW的传输特性作了比较详尽的理论分析，给出相关的公式，为FSIW的设计提供了理论依据和支持。折叠基片集成波导(Folded Substrate Integrated Waveguide,FSIW)是由基片集成波导(SIW)结构中间横向折叠而来，折叠后高度变为原SIW高度的两倍，宽度为原SIW的一半左右，原先SIW的上表面折叠后经层压在中间形成金属面，并与右边的壁留出了间隔，间隔的大小就是原SIW的高度。传统的Vivaldi天线的带宽受馈电结构的限制，对跖Vivaldi天线交叉极化较高，两者皆存在缺陷。平衡Vivaldi天线是对对跖Vivaldi天线的改进。平衡Vivaldi天线结构为三次结构，采用带状线馈电。相比于对跖Vivaldi天线，平衡Vivaldi天线是对跖Vivaldi天线结构的基础上增加了一层金属对称层电路，形成了一种上下两层关于中间金属层对称的结构。该结构有效地降低了天线的交叉极化电平。对跖Vivaldi天线交叉极化差主要是由于电场与介质所在平面存在倾角造成的。对于平衡Vivaldi天线，电场从介质基片中间金属覆层馈入，由中间金属层分别指向外侧的两金属层，这样电场的总场方向平行于天线平面，进而使得天线的交叉极化得到很大的改善。目前，常用的平衡Vivaldi天线的馈电方式为带状线馈电，平衡Vivaldi天线结构为三层，正好对应带状线的三层金属结构。但是对于带状线馈电方式，存在损耗较大的问题。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提出了一种基于折叠基片集成波导馈电的平衡Vivaldi开槽天线。

本发明的技术方案是：一种基于折叠基片集成波导馈电的平衡Vivaldi开槽天线，包括从上到下依次层叠排列的第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层和第三金属层；所述第一金属层包括相连的第一矩形金属板和第一矩形开槽扇形金属板；所述第一介质层包括相连的第一介质基板和第二介质基板，所述第一介质基板两侧分别具有第一金属化通孔阵列和第二金属化通孔阵列，所述第二介质基板两侧分别具有第三金属化通孔阵列和第四金属化通孔阵列；所述第二金属层包括相连的第二矩形金属板和第二矩形开槽扇形金属板；所述第二介质层包括相连的第三介质基板和第四介质基板，所述第三介质基板两侧分别具有第五金属化通孔阵列和第六金属化通孔阵列，所述第四介质基板两侧分别具有第七金属化通孔阵列和第八金属化通孔阵列；所述第三金属层包括相连的第三矩形金属板和第三矩形开槽扇形金属板。

进一步地，上述第一矩形金属板、第一介质基板、第一金属化通孔阵列、第二金属化通孔阵列、第二矩形金属板、第三介质基板、第五金属化通孔阵列、第六金属化通孔阵列和第三矩形金属板构成折叠基片集成波导。

进一步地，上述第一矩形开槽扇形金属板、第二介质基板、第三金属化通孔阵列、第四金属化通孔阵列、第二矩形开槽扇形金属板、第四介质基板、第七金属化通孔阵列、第八金属化通孔阵列和第三矩形开槽扇形金属板构成平衡Vivaldi天线。

进一步地，上述第一矩形开槽扇形金属板、第二矩形开槽扇形金属板和第三矩形开槽扇形金属板的边缘都具有矩形槽。

进一步地，上述第二矩形开槽扇形金属板具有矩形槽的一边贴齐第三金属化通孔阵列所在水平线。

本发明的有益效果是：本发明的基于折叠基片集成波导馈电的平衡Vivaldi开槽天线采用折叠基片集成波导向平衡Vivaldi开槽天线馈电，使本发明同时具备折叠基片集成波导的优点和平衡Vivaldi开槽天线的优点；本发明使用折叠基片集成波导的馈电结构，具有低损耗，小型化，低交叉极化的优点。

附图说明

图1是本发明的基于折叠基片集成波导馈电的平衡Vivaldi开槽天线的立体结构爆破示意图。

图2是本发明的基于折叠基片集成波导馈电的平衡Vivaldi开槽天线的俯视图。

图3是本发明的基于折叠基片集成波导馈电的平衡Vivaldi开槽天线A-A方向的截面剖视图。

其中，1、第一金属层；10、第一矩形金属板；11、第一矩形开槽扇形金属板；2、第一介质层；20、第一介质基板；21、第二介质基板；22、第一金属化通孔阵列；23、第二金属化通孔阵列；24、第三金属化通孔阵列；25、第四金属化通孔阵列；3、第二金属层；30、第二矩形金属板；31、第二矩形开槽扇形金属板；4、第二介质层；40、第三介质基板；41、第四介质基板；42、第五金属化通孔阵列；43、第六金属化通孔阵列；44、第七金属化通孔阵列；45、第八金属化通孔阵列；5、第三金属层；50、第三矩形金属板；51、第三矩形开槽扇形金属板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的基于折叠基片集成波导的平衡Vivaldi开槽天线作进一步说明。

如图1所示，为本发明的基于折叠基片集成波导馈电的平衡Vivaldi开槽天线的立体结构爆破示意图。其包括从上到下依次层叠排列的第一金属层1、第一介质层2、第二金属层3、第二介质层4和第三金属层5；所述第一金属层1包括相连的第一矩形金属板10和第一矩形开槽扇形金属板11；所述第一介质层2包括相连的第一介质基板20和第二介质基板21，所述第一介质基板20两侧分别具有第一金属化通孔阵列22和第二金属化通孔阵列23，所述第二介质基板21两侧分别具有第三金属化通孔阵列24和第四金属化通孔阵列25；所述第二金属层3包括相连的第二矩形金属板30和第二矩形开槽扇形金属板31；所述第二介质层4包括相连的第三介质基板40和第四介质基板41，所述第三介质基板40两侧分别具有第五金属化通孔阵列42和第六金属化通孔阵列43，所述第四介质基板41两侧分别具有第七金属化通孔阵列44和第八金属化通孔阵列45；所述第三金属层5包括相连的第三矩形金属板50和第三矩形开槽扇形金属板51。

如图2所示，为本发明的基于折叠基片集成波导馈电的平衡Vivaldi开槽天线的俯视图。如图3所示，为本发明的基于折叠基片集成波导馈电的平衡Vivaldi开槽天线A-A方向的截面剖视图。上述第一矩形金属板10、第一介质基板20、第一金属化通孔阵列22、第二金属化通孔阵列23、第二矩形金属板30、第三介质基板40、第五金属化通孔阵列42、第六金属化通孔阵列43和第三矩形金属板50构成折叠基片集成波导。上述第一矩形开槽扇形金属板11、第二介质基板21、第三金属化通孔阵列24、第四金属化通孔阵列25、第二矩形开槽扇形金属板31、第四介质基板41、第七金属化通孔阵列44、第八金属化通孔阵列45和第三矩形开槽扇形金属板51构成平衡Vivaldi天线。上述第一矩形开槽扇形金属板11、第二矩形开槽扇形金属板31和第三矩形开槽扇形金属板51的边缘都具有矩形槽。上述第二矩形开槽扇形金属板31具有矩形槽的一边贴齐第三金属化通孔阵列24所在水平线。

下面结合附图和本发明的具体结构对本发明的基于折叠基片集成波导馈电的平衡Vivaldi开槽天线的工作原理和过程作进一步说明。能量由第一矩形金属板10、第一介质基板20、第一金属化通孔阵列22、第二金属化通孔阵列23、第二矩形金属板30、第三介质基板40、第五金属化通孔阵列42、第六金属化通孔阵列43和第三矩形金属板50组成的折叠基片集成波导馈入。这里的第一矩形金属板10、第一金属化通孔阵列22、第二金属化通孔阵列23、第二矩形金属板30、第五金属化通孔阵列42、第六金属化通孔阵列43和第三矩形金属板50均为金属材质，并且第一矩形金属板10与第一金属化通孔阵列22和第二金属化通孔阵列23之间、第一金属化通孔阵列22和第二金属化通孔阵列23与第二矩形金属板30之间、第二矩形金属板30与第五金属化通孔阵列42和第六金属化通孔阵列43之间、第五金属化通孔阵列42和第六金属化通孔阵列43与第三矩形金属板50之间相互接触良好，使信号能够在各结构之间顺畅传输。这里的第一矩形金属板10与第一矩形开槽扇形金属板11相连，第二矩形金属板30与第二矩形开槽扇形金属板31相连，第三矩形金属板50与第三矩形开槽扇形金属板51相连，使能量完全馈入到平衡Vivaldi开槽天线内。然后能量从第一介质层2和第二介质层4中间的第二矩形开槽扇形金属板31馈入，并由该金属板分别指向外侧的第一矩形开槽扇形金属板11和第三矩形开槽扇形金属板51向外辐射。这里的第一矩形开槽扇形金属板11、第三金属化通孔阵列24、第四金属化通孔阵列25、第二矩形开槽扇形金属板31、第七金属化通孔阵列44、第八金属化通孔阵列45和第三矩形开槽扇形金属板51均为金属材质，并且第一矩形开槽扇形金属板11与第四金属化通孔阵列25之间、第二矩形开槽扇形金属板31与第三金属化通孔阵列24和第七金属化通孔阵列44之间、第三矩形开槽扇形金属板51与第八金属化通孔阵列45之间相互接触良好，是信号能够在各结构之间顺畅传输。这里由第二矩形开槽扇形金属板31指向第一矩形开槽扇形金属板11的电场和由第二矩形开槽扇形金属板31指向第三矩形开槽扇形金属板51的电场的合成总电场方向平行于第二矩形开槽扇形金属板31所在平面，使得天线的交叉极化得到降低。本发明的基于折叠基片集成波导馈电的平衡Vivaldi开槽天线的第一矩形开槽扇形金属板11和第二矩形开槽扇形金属板31和第三矩形开槽扇形金属板51上的矩形槽，使得第一矩形开槽扇形金属板11、第二矩形开槽扇形金属板31和第三矩形开槽扇形金属板51上的电流分布发生改变，进而使得电场方向发生改变，通过适当选择矩形槽的参数，能够使交叉极化进一步降低。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种基于折叠基片集成波导馈电的平衡Vivaldi开槽天线，其特征在于：包括从上到下依次层叠排列的第一金属层(1)、第一介质层(2)、第二金属层(3)、第二介质层(4)和第三金属层(5)；所述第一金属层(1)包括相连的第一矩形金属板(10)和第一矩形开槽扇形金属板(11)；所述第一介质层(2)包括相连的第一介质基板(20)和第二介质基板(21)，所述第一介质基板(20)两侧分别具有第一金属化通孔阵列(22)和第二金属化通孔阵列(23)，所述第二介质基板(21)两侧分别具有第三金属化通孔阵列(24)和第四金属化通孔阵列(25)；所述第二金属层(3)包括相连的第二矩形金属板(30)和第二矩形开槽扇形金属板(31)；所述第二介质层(4)包括相连的第三介质基板(40)和第四介质基板(41)，所述第三介质基板(40)两侧分别具有第五金属化通孔阵列(42)和第六金属化通孔阵列(43)，所述第四介质基板(41)两侧分别具有第七金属化通孔阵列(44)和第八金属化通孔阵列(45)；所述第三金属层(5)包括相连的第三矩形金属板(50)和第三矩形开槽扇形金属板(51)。

2.如权利要求1所述的基于折叠基片集成波导馈电的平衡Vivaldi开槽天线，其特征在于：所述第一矩形金属板(10)、第一介质基板(20)、第一金属化通孔阵列(22)、第二金属化通孔阵列(23)、第二矩形金属板(30)、第三介质基板(40)、第五金属化通孔阵列(42)、第六金属化通孔阵列(43)和第三矩形金属板(50)构成折叠基片集成波导。

3.如权利要求1所述的基于折叠基片集成波导馈电的平衡Vivaldi开槽天线，其特征在于：所述第一矩形开槽扇形金属板(11)、第二介质基板(21)、第三金属化通孔阵列(24)、第四金属化通孔阵列(25)、第二矩形开槽扇形金属板(31)、第四介质基板(41)、第七金属化通孔阵列(44)、第八金属化通孔阵列(45)和第三矩形开槽扇形金属板(51)构成平衡Vivaldi天线。

4.如权利要求1所述的基于折叠基片集成波导馈电的平衡Vivaldi开槽天线，其特征在于：所述第一矩形开槽扇形金属板(11)、第二矩形开槽扇形金属板(31)和第三矩形开槽扇形金属板(51)的边缘都具有矩形槽。

5.如权利要求1或4所述的基于折叠基片集成波导馈电的平衡Vivaldi开槽天线，其特征在于：所述第二矩形开槽扇形金属板(31)具有矩形槽的一边贴齐第三金属化通孔阵列(24)所在水平线。