CN104201465B - 一种基片集成波导天线 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种基片集成波导天线，能够满足宽带工作要求并且实现高效率。该天线包括：天线单元层、馈电网络层和平面波激励层，通过平面波激励层产生准平面波，进而通过平面波激励层上表面的覆铜层上的缝隙耦合至馈电网络层，经过馈电网络层将该准平面波进行功率分配并通过馈电网络层上表面的覆铜层上的缝隙耦合至天线单元层，最后由天线单元层上表面的覆铜层上的缝隙将该电磁波辐射至自由空间。本发明实施例为一种基片集成波导天线。
Description
技术领域
本发明实施例涉及天线技术领域，尤其涉及一种基片集成波导天线。
背景技术
随着印刷电路和光刻腐蚀技术的发展，波导结构有了更多样化的发展，其中基片集成波导是受到较多关注的一种新型波导形式，基片集成波导采用印刷电路工艺或低温共烧陶瓷工艺，通过在介质基板上蚀刻出紧密的平行金属化通孔，形成类似介质填充波导的结构，从而实现电磁波的传播。基于基片集成波导的高增益阵列天线研究一部分集中在波导缝隙天线方面，以解决加工精度高、成本高等问题，还有文献提出了基于基片集成波导的高增益平面阵列天线，采用短辐射缝隙的形式。
在实现现有技术的过程中，发明人发现现有技术存在如下问题：
目前提出的天线形式自身特性，仍难以满足宽带工作要求，且由于馈电网络复杂，不利于实现高效率。
发明内容
本发明实施例提供一种基片集成波导天线，能够满足宽带工作要求并且实现高效率。
第一方面，本发明实施例提供一种基片集成波导天线，包括：
天线单元层、馈电网络层和平面波激励层，所述天线单元层、所述馈电网络层和所述平面波激励层依次叠加在一起，所述馈电网络层位于所述天线单元层和所述平面波激励层之间；
所述平面波激励层包括介质基板和同轴端口，在所述介质基板的上下表面包括覆铜层，所述覆铜层包括至少一条上下通透的缝隙，所述介质基板包括所述金属化的孔洞，即所述孔洞内壁镀有金属，所述介质基板包括基片集成波导H面功分器，所述基片集成波导H面功分器由所述介质基板上的所述金属化的孔洞组成，在所述介质基板的上表面包括所述覆铜层，在所述介质基板的下表面包括所述覆铜层，所述同轴端口包括所述同轴端口外层的外导体和所述同轴端口内层的内导体，所述内导体与所述平面波激励层中的覆铜层相连接，所述外导体与所述平面波激励层中的覆铜层相连接。
结合第一方面，优选的，所述天线单元层包括天线单元，所述天线单元包括所述介质基板与所述覆铜层。
结合第一方面，优选的，所述馈电网络层包括所述介质基板，在所述介质基板的上下表面包括所述覆铜层。
结合第一方面，优选的，所述同轴端口所在位置的波导宽度满足TE10模的单模传输条件。
结合第一方面，优选的，所述金属化的孔洞为金属化的槽孔。
结合第一方面，优选的，通过所述同轴端口将信号馈入到所述平面波激励层，而后由所述平面波激励层中的所述H面功分器将所述信号转换为准平面波，并通过所述缝隙将所述准平面波耦合到所述馈电网络层中。
本发明实施例提供一种基片集成波导天线，该天线包括天线单元层、馈电网络层和平面波激励层，通过平面波激励层产生准平面波，进而通过平面波激励层上表面的覆铜层上的缝隙耦合至馈电网络层，经过馈电网络层将该准平面波进行功率分配并通过馈电网络层上表面的覆铜层上的缝隙耦合至天线单元层，最后由天线单元层上表面的覆铜层上的缝隙将该电磁波辐射至自由空间，能够提高天线的工作带宽并且提高天线的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基片集成波导天线的结构示意图一；
图2为本发明实施例提供的天线单元层的结构示意图一；
图3为本发明实施例提供的天线单元层的结构示意图二；
图4为本发明实施例提供的馈电网络层的结构示意图一；
图5为本发明实施例提供的馈电网络层的结构示意图二；
图6为本发明实施例提供的平面波激励层的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种基片集成波导天线的结构示意图二；
图8为本发明实施例提供的一种传统阵列天线的馈电网络拓扑示意图；
图9为本发明实施例提供的一种基片集成波导天线的仿真结果示意图；
图10为本发明实施例提供的一种基片集成波导天线的另一种仿真结果示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种基片集成波导天线，该天线在结构上可以为左右对称，图1展示了该天线以左右对称中心线为界的一个完整的对称部分，该天线包括天线单元层11、馈电网络层12和平面波激励层13，图1中所示为将上述三层分开展示的部分结构示意图；
如图2所示为上述天线单元层中的某个天线单元的示意图，该天线单元包括介质基板21和介质基板22，所述介质基板21包括金属化的槽孔2101，所述介质基板22包括金属化的槽孔2201，即所述槽孔2101和槽孔2201的内壁镀有金属，在所述介质基板21的下表面包括覆铜层23，在覆铜层23上也有槽孔2301，槽孔2301可以和介质基板21上的槽孔2101相重合，在所述介质基板21的上表面包括覆铜层24，在覆铜层24上也有槽孔2401，槽孔2401可以和介质基板21上的槽孔2101相重合，在覆铜层24上还包括上下通透的缝隙27；
在介质基板21上还包括馈电端口28，当电磁波经由该馈电端口28馈入到介质基板21内部后，通过介质基板21上表面的覆铜层24上的缝隙27耦合到上层介质基板22中，最后电磁波通过介质基板22上表面的覆铜层25上的缝隙26辐射到自由空间中，图3为从图2中的左侧面水平向右侧视时的侧视图，且为上述天线单元在进行电磁波传输的过程示意图，图3中的带箭头的虚线表示电磁波的传输，方格代表各层中的槽孔，横线上的缺口代表覆铜层上的缝隙。
图4为所述馈电网络层12中的某个基片集成波导E面功率分配器的结构示意图，该基片集成波导E面功率分配器包括介质基板31、32和33，在所述介质基板31、32和33上分别包括金属化的槽孔3101、3201和3301，在介质基板31的下表面包括覆铜层34，在所述介质基板31的上表面包括覆铜层35，在覆铜层35上包括上下通透的缝隙37，在上述覆铜层34和35上还分别包括槽孔3401和槽孔3501，该槽孔3401和槽孔3501可以与介质基板31上的槽孔3101重合，在介质基板33上表面包括覆铜层36，该覆铜层36上包括槽孔3601，槽孔3601可以和介质基板33上的槽孔3301重合，当需要将进入介质基板33中的电磁波传输到上层介质基板时，则该覆铜层36还可以包括上下通透的缝隙，其中，介质基板31的厚度可以为1毫米，介质基板32和33的厚度可以为0.5毫米；
在介质基板31上还包括馈电端口38，当电磁波经由该馈电端口38馈入到介质基板31内部后，通过介质基板31上表面的覆铜层35上的缝隙37耦合到上层介质基板32和33中，最后电磁波通过介质基板33上表面的覆铜层36上的缝隙传输到另一基片集成波导E面功率分配器或上述天线单元层11中；
图5为从图4中的左侧面水平向右侧视时的侧视图，且为上述基片集成波导E面功率分配器在进行电磁波传输的过程示意图，图5中的带箭头的虚线表示电磁波的传输，方格代表各层中的槽孔，横线上的缺口代表覆铜层上的缝隙，中间的横向虚线表示介质基板32和33之间的接触面；
需要注意的是，上述介质基板31、32和33组成了基片集成波导的E面功率分配器，通过控制介质基板33中金属化槽孔3301与缝隙37的相对位置就可以影响输出端口的幅度，实现不等分功率分配效果，同时该结构类似于波导E面功分器，也可以实现宽带工作特性，并且通过调节馈电网络层12中各个E面功率分配器的功分比，使每个天线单元内的馈电幅度锥削分布，就可以使天线实现低副瓣特性。
图6为平面波激励层13的结构示意图，该平面波激励层13包括介质基板41，在该介质基板41上包括金属化槽孔4101，在介质基板41的下表面包括覆铜层42，在覆铜层42上包括上下通透的槽孔4201，在介质基板41的上表面包括覆铜层43，在覆铜层43上包括上下通透的槽孔4301和上下通透的缝隙47，其中槽孔4201和槽孔4301可以与介质基板41上的槽孔4101重合，平面波激励层13还包括同轴端口44，同轴端44包括所述同轴端口44外层的外导体和所述同轴端口44内层的内导体，所述内导体与所述平面波激励层13中的覆铜层43相连接，所述外导体与所述平面波激励层13中的覆铜层42相连接，该连接关系如图1中所示，其中介质基板41的厚度可以为1毫米；
介质基板41上的槽孔组成基片集成波导H面功分器，当电磁波由同轴端口44馈入后进入H面功分器时，其传播模式为TE10模，然后通过H面功分器传输并从其多个谐振窗口输出后，就转换为介质基板41内的准平面波，然后由金属覆铜层43中的缝隙47传输到上述馈电网络层12中，采用准平面波对天线进行激励，可以避免传统并馈网络结构复杂的问题，能够将复杂的二维馈电方式简化为一维馈电方式，减小电磁波能量在传输过程中引起的路径损耗，提高天线效率。
需要说明的是，为了使基片集成波导阵列天线实现宽带、高增益、高效率工作特性，上述介质基板的横向长度可设置为上述电磁波中心频率对应工作波长的5倍以上，以实现较好的准平面波传输，上述覆铜层上的缝隙宽度理论值大约为中心频率对应波长的0.2倍，同轴端口44处的波导宽度应满足TE10模的单模传输条件。
需要注意的是，上述各个介质基板可以是介电常数为2.2的罗杰斯RT/duroid5880型号的介质基板，上述各个槽孔的内壁可以为非圆柱体，这里可以设置为方形结构的内壁，非圆柱体的内壁可以使得上述天线在进行仿真的时候，各个槽孔的反射模型相对于圆柱体内壁的反射模型更加简单，可以提高仿真时的仿真速度。
图7为从图1中的左侧面水平向右侧视时的侧视图，且图7为沿着图1中一条平行于该天线的水平分界线的侧视图，如图7所示，为上述天线单元层11、馈电网络层12和平面波激励层13叠加在一起时的结构示意图，图7中的带箭头的虚线表示电磁波的传输，方格代表各层中的槽孔，横线上的缺口代表覆铜层上的缝隙。
需要说明的是：上述平面波激励层13可以将阵列天线复杂的二维馈电网络简化为一维馈电网络，图8所示为传统的阵列天线馈电网络拓扑图，其中黑色为馈电网络路径，从图8中可以看出，传统阵列天线馈电时的馈电网络在同一个平面内，呈现为二维馈电方式，与本发明实施例中提出的方法比较，二维馈电方式结构复杂、传输路径长，容易造成较大传输损耗、降低天线效率，而本发明实施例中提出的方法采用准平面波对天线进行馈电，一方面可以利用传输过程中准平面波衰减系数小的特性；
另一方面可以避免传统馈电网络结构复杂的问题，能够将复杂的二维馈电方式简化为一维馈电方式，从而减小能量在传输过程中引起的损耗，提高天线效率。
需要说明的是，当本发明实施例提供的基片集成波导天线的工作频段的中心频率可以为25GHz，可以采用Rogers RT/duroid5880介质基板，厚度可以为1mm和0.5mm两种，该天线口径可以为97.2mm×66.6mm；
如图9所示，图9中给出了上述基片集成波导天线电压驻波比仿真曲线，其中横坐标表示该天线工作频率，纵坐标表示该天线的驻波比，可以看出在22.5GHz～27.5GHz的频带内，该天线的驻波比小于1.8，相对带宽为20％，因此该天线可以实现宽带工作。
如图10所示，图10中给出了基片集成波导天线工作时的中心频率在25GHz时的方向图仿真结果，其中横坐标表示方向角，纵坐标表示增益，可以看出在两个主面内的副瓣约为-13dB，增益为26.32dBi，可以计算出天线效率为75.9％，因此该天线可以实现高效率工作。
本发明实施例提供一种基片集成波导天线，该天线包括天线单元层、馈电网络层和平面波激励层，通过平面波激励层产生准平面波，进而通过平面波激励层上表面的覆铜层上的缝隙耦合至馈电网络层，经过馈电网络层将该准平面波进行功率分配并通过馈电网络层上表面的覆铜层上的缝隙耦合至天线单元层，最后由天线单元层上表面的覆铜层上的缝隙将该电磁波辐射至自由空间，能够提高天线的工作带宽并且提高天线的效率。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种基片集成波导天线，其特征在于，包括：
天线单元层、馈电网络层和平面波激励层，所述天线单元层、所述馈电网络层和所述平面波激励层依次叠加在一起，所述馈电网络层位于所述天线单元层和所述平面波激励层之间；
所述平面波激励层包括介质基板和同轴端口，在所述介质基板的上下表面包括覆铜层，所述覆铜层包括至少一条上下通透的缝隙，所述介质基板包括所述金属化的孔洞，即所述孔洞内壁镀有金属，所述介质基板包括基片集成波导H面功分器，所述基片集成波导H面功分器由所述介质基板上的所述金属化的孔洞组成，在所述介质基板的上表面包括所述覆铜层，在所述介质基板的下表面包括所述覆铜层，所述同轴端口包括所述同轴端口外层的外导体和所述同轴端口内层的内导体，所述内导体与所述平面波激励层中的覆铜层相连接，所述外导体与所述平面波激励层中的覆铜层相连接；
所述集成波导H面功分器用于将电磁波转换为准平面波。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述天线单元层包括天线单元，所述天线单元包括所述介质基板与所述覆铜层。
3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述馈电网络层包括所述介质基板，在所述介质基板的上下表面包括所述覆铜层。
4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述同轴端口所在位置的波导宽度满足TE10模的单模传输条件。
5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述金属化的孔洞为金属化的槽孔。
6.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，通过所述同轴端口将信号馈入到所述平面波激励层，而后由所述平面波激励层中的所述H面功分器将所述信号转换为准平面波，并通过所述缝隙将所述准平面波耦合到所述馈电网络层中。
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| GR01 | Patent grant | ||
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