CN104733864B - 缝隙内嵌相位幅度校准的平面喇叭天线 - Google Patents

Abstract

缝隙内嵌相位幅度校准的平面喇叭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)、基片集成波导喇叭天线(2)和缝隙(3)，微带馈线(1)连接天线端口(5)和喇叭天线窄端口(6)，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)上的中间缝隙(12)、左边缝隙(16)和右边缝隙(17)，在喇叭天线(2)中形成四个子喇叭，四个子喇叭的一端都离天线窄端口(6)较近，其另一端靠近但不到天线口径面(15)上。该天线可以提高天线的增益。

Description

缝隙内嵌相位幅度校准的平面喇叭天线

技术领域

本发明涉及一种平面喇叭天线，尤其是一种缝隙内嵌相位幅度校准的平面喇叭天线。

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，口径电场强度的幅度分布也不均匀，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，不能改善幅度分布的均匀性，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缝隙内嵌相位幅度校准的平面喇叭天线，在该天线上下两个平行的金属面上，有多条缝隙用以矫正天线口径面上电磁波的相位和幅度不一致，同时避免口径面缝隙引起的场强不均匀、增加有效辐射面积，提高天线的口径效率和增益。

技术方案：本发明的缝隙内嵌相位幅度校准的平面喇叭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缝隙；所述微带馈线的一端是天线的输入输出端口，微带馈线的另一端与基片集成波导喇叭天线的窄端口相接；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；第一金属平面和第二金属平面有多条缝隙，缝隙的长度超过一个波长，并构成中间缝隙、左边缝隙和右边缝隙；中间缝隙位于基片集成波导喇叭天线的两个侧壁中间的位置，并把基片集成波导喇叭天线分为左右对称的左边子喇叭和右边子喇叭；左边缝隙把左边的子喇叭分成了第一子喇叭和第二子喇叭；右边缝隙把右边子喇叭分成了第三子喇叭和第四子喇叭；第一子喇叭、第二子喇叭、第三子喇叭和第四子喇叭的一个端口朝着天线窄端口的方向，其另一端口靠近但不到天线口径面；

所述的中间缝隙、左边缝隙和右边缝隙形状都是由头端部分、多边形和尾端部分三段依次相连构成，中间缝隙、左边缝隙和右边缝隙的头端都靠近喇叭天线的窄端口的方向，中间缝隙、左边缝隙和右边缝隙的尾端靠近但不到天线口径面；

选择左边缝隙中头端部分或多边形在左边子喇叭中的位置，使得在第一子喇叭和第二子喇叭中传输的电磁波的功率相等；

改变左边缝隙中头端部分或多边形在左边子喇叭中的位置，使得在通过第一子喇叭和第二子喇叭中传输的电磁波同相到达天线的口径面；

选择右边缝隙中头端部分或多边形在右边子喇叭中的位置，使得在第三子喇叭和第四子喇叭中传输的电磁波的功率相等；

改变右边缝隙中中头端部分或多边形在右边子喇叭中的位置，使得在通过第三子喇叭和第四子喇叭中传输的电磁波同相到达天线的口径面。

所述的中间缝隙、左边缝隙和右边缝隙中的多边形是三角形、或四边形、或五边形或其它边数大于五的多边形；中间缝隙、左边缝隙和右边缝隙中的头端部分和尾端部分的形状是直线、或折线或指数线。

所述的左边子喇叭和右边子喇叭的宽度要保证电磁波可以在左边子喇叭和右边子喇叭中传输而不被截止。

所述的第一子喇叭、第二子喇叭、第三子喇叭和第四子喇叭的宽度要保证电磁波可以在第一子喇叭、第二子喇叭、第三子喇叭和第四子喇叭中传输而不被截止。

所述的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能够等效为电壁。

缝隙离天线口径面的距离约为半个波长。

在基片集成波导喇叭天线的底面金属平面上的缝隙与顶面金属平面上的缝隙一一对应，在基片集成波导喇叭天线底面金属平面上的缝隙与顶面金属平面上的缝隙的形状一样、数量相等，底面金属平面上的缝隙在底面金属平面上的位置与顶面金属平面上的缝隙在顶面金属平面上的位置一样。

在子喇叭中，电磁波的传播相速与子喇叭的宽度有关，子喇叭的宽度越宽，主模传播的相速越低；反之，子喇叭的宽度越窄，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，遇到中间的缝隙，就分成功率相等的两路分别进入左右两个子喇叭传输，左右两个子喇叭完全对称，以左边的子喇叭为例说明，当电磁波进入左边的子喇叭传输后一段距离后，将遇到左边缝隙，再被分成两路向口径面传输，调整在左边子喇叭中该缝隙的头端部分及多边形顶点的位置，可以调整通过两个子喇叭传输的电磁波的相对相速和相对功率，进而调整通过两个子喇叭传输的电磁波在口径面上的相对相位和相对幅度；如果这两个子喇叭在天线口径面附近的端口宽度相等，调整在左边子喇叭中该缝隙的头端及多边形顶点的位置，可以使得通过两个子喇叭传输的电磁波的功率相等，同时还使得这两路电磁波同相到达天线的口径面，这样在天线口径面附近的这两个子喇叭端口的场强幅度分布和相位都一样；电磁波在右边的子喇叭中传输也是同样的情况。以上述方式就可以控制在天线口径面上电磁波的幅度和相位分布，如果保持在天线口径面附近的四个子喇叭的端口宽度相等，并调整缝隙的头端部分及多边形顶点的位置使得通过这四个子喇叭传输电磁波的同功率同相到达天线口径面，就可以使得在天线口径面上四个端口的场强相位和幅度分布均一致，这样就可以提高天线的口径效率和增益的目的。同理也可以按照需要在天线的口径面上实现特定的场强幅度和相位分布。

另外如果缝隙到口径面上，由于缝隙内部的场强相对缝隙两边的场强要小一些，特别是缝隙比较宽时更是如此，这样导致天线口径面上缝隙所在的区域场强比较小，使得场强发布不均匀；但缝隙离口径面有一定距离，就可以避免上述问题，这样口径面的场强分布也相对更均匀以及天线的有效辐射面积也变大。

有益效果：本发明缝隙内嵌相位幅度校准的平面喇叭天线的有益效果是，可以按照需要调整天线口径面上的相位和幅度分布，可以提高天线口径面上的相位和幅度分布的一致性，避免了缝隙引起的幅度不均匀，从而增加了天线的口径效率和增益。

附图说明

图1为缝隙内嵌相位幅度校准的平面喇叭天线正面结构示意图。

图2为缝隙内嵌相位幅度校准的平面喇叭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、缝隙3、介质基板4、天线的输入输出端口5，天线2的窄端口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、中间缝隙12、左边子喇叭13、右边子喇叭14、天线的口径面15、左边缝隙16、右边缝隙17、第一子喇叭18、第二子喇叭19、第三子喇叭20和第四子喇叭21。

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：缝隙内嵌相位幅度校准的平面喇叭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和缝隙3；所述微带馈线1的一端是天线的输入输出端口5，微带馈线1的另一端与基片集成波导喇叭天线2的窄端口6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；第一金属平面8和第二金属平面10有多条缝隙3，缝隙3的长度超过一个波长，并构成中间缝隙12、左边缝隙16和右边缝隙17；中间缝隙12位于基片集成波导喇叭天线2的两个侧壁11中间的位置，并把基片集成波导喇叭天线2分为左右对称的左边子喇叭13和右边子喇叭14；左边缝隙16把左边的子喇叭13分成了第一子喇叭18和第二子喇叭19；右边缝隙17把右边子喇叭14分成了第三子喇叭20和第四子喇叭21；第一子喇叭18、第二子喇叭19、第三子喇叭20和第四子喇叭21的一个端口朝着天线窄端口6的方向，其另一端口靠近但不到天线口径面15；

所述的中间缝隙12、左边缝隙16和右边缝隙17形状都是由头端部分、多边形和尾端部分三段依次相连构成，中间缝隙12、左边缝隙16和右边缝隙17的头端都靠近喇叭天线的窄端口6的方向，中间缝隙12、左边缝隙16和右边缝隙17的尾端靠近但不到天线口径面15；

选择左边缝隙16中头端部分或多边形在左边子喇叭13中的位置，使得在第一子喇叭18和第二子喇叭19中传输的电磁波的功率相等；

改变左边缝隙16中头端部分或多边形在左边子喇叭13中的位置，使得在通过第一子喇叭18和第二子喇叭19中传输的电磁波同相到达天线的口径面15；

选择右边缝隙17中头端部分或多边形在右边子喇叭14中的位置，使得在第三子喇叭20和第四子喇叭21中传输的电磁波的功率相等；

改变右边缝隙17中中头端部分或多边形在右边子喇叭14中的位置，使得在通过第三子喇叭20和第四子喇叭21中传输的电磁波同相到达天线的口径面15。

所述的中间缝隙12、左边缝隙16和右边缝隙17中的多边形是三角形、或四边形、或五边形或其它边数大于五的多边形；中间缝隙12、左边缝隙16和右边缝隙17中的头端部分和尾端部分的形状是直线、或折线或指数线。

所述的左边子喇叭13和右边子喇叭14的宽度要保证电磁波可以在左边子喇叭13和右边子喇叭14中传输而不被截止。

所述的第一子喇叭18、第二子喇叭19、第三子喇叭20和第四子喇叭21的宽度要保证电磁波可以在第一子喇叭18、第二子喇叭19、第三子喇叭20和第四子喇叭21中传输而不被截止。

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。

缝隙3离天线口径面15的距离约为半个波长。

在子喇叭中，电磁波的传播相速与子喇叭的宽度有关，子喇叭的宽度越宽，主模传播的相速越低；反之，子喇叭的宽度越窄，主模传播的相速越高。电磁波从天线的端口5进入微带馈线1的一端，经过微带馈线1进入基片集成波导喇叭天线2的窄端口6，传输一段距离后，遇到中间的缝隙12，由于对称性，电磁波就分成功率相等的两路分别进入左边子喇叭13和右边子喇叭14传输，左边子喇叭13和右边子喇叭14完全对称，以左边的子喇叭13为例说明，当电磁波进入左边的子喇叭13传输后一段距离后，将遇到左边缝隙16，再被分成两路向天线口径面15的方向传输，调整在左边子喇叭13中左边缝隙16的头端部分及多边形顶点的位置，可以调整通过第一子喇叭18和第二子喇叭19中传输的电磁波的相对相速和相对功率，进而调整通过第一子喇叭18和第二子喇叭19传输的电磁波在口径面15上的相对相位和相对幅度；如果第一子喇叭18和第二子喇叭19在天线口径面15附近的端口宽度相等，调整在左边子喇叭13中该缝隙16的头端及多边形顶点的位置，可以使得通过第一子喇叭18和第二子喇叭19传输的电磁波的功率相等，同时还使得这两路电磁波同相到达天线的口径面15，这样在天线口径面15附近的第一子喇叭18和第二子喇叭19端口的场强幅度分布和相位都一样；电磁波在右边子喇叭14中传输也是同样的情况。以上述方式就可以控制在天线口径面15上电磁波的幅度和相位分布，如果保持在天线口径面15附近的第一子喇叭18、第二子喇叭19、第三子喇叭20和第四子喇叭21的端口宽度都相等，并调整中间缝隙12、左边缝隙16和右边缝隙17的头端部分及多边形顶点的位置使得通过第一子喇叭18、第二子喇叭19、第三子喇叭20和第四子喇叭21传输电磁波的同功率同相到达天线口径面15，就可以使得在天线口径面15附近的四个端口的场强相位和幅度分布均一致，这样就可以提高天线的口径效率和增益的目的。同理也可以按照需要在天线的口径面15上实现特定的场强幅度和相位分布。

另外如果缝隙3到口径面15上，由于缝隙3内部的场强相对缝隙3两边的场强要小一些，特别是缝隙3比较宽时更是如此，这样导致天线口径面15上缝隙所在的区域场强比较小，使得场强发布不均匀；但缝隙3离口径面15有一定距离，就可以避免上述问题，这样口径面15的场强分布也相对更均匀以及天线的有效辐射面积也变大。

在工艺上，缝隙内嵌相位幅度校准的平面喇叭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，可以再加四条缝隙把四个子喇叭分成八个子喇叭，并使得通过这八个子喇叭到达天线口径面15上的电磁波同相且功率一样，这样同时天线口径面15上的幅度分布更为均匀，而且增加天线口径面15上的子喇叭的数量并不一定要求同时增加天线口径面15的宽度，只要保证子喇叭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15的路程越远，因此相对于离金属化过孔侧壁11较远的子喇叭，离金属化过孔侧壁11较近的子喇叭的宽度相对较窄以得到较高的电磁波传输相速。中间缝隙12、左边缝隙16和右边缝隙17中的多边形可以是三角形、四边形、五边形或其它边数大于五的多边形，这些多边形的一条边或者多条边的形状可以是直线、弧线或其它曲线；中间缝隙12、左边缝隙16和右边缝隙17中的头端部分或者尾端部分可以是直线、折线、指数线或其它曲线。

根据以上所述，便可实现本发明。

Claims (5)

1.一种缝隙内嵌相位幅度校准的平面喇叭天线，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)和缝隙(3)；所述微带馈线(1)的一端是天线的输入输出端口(5)，微带馈线(1)的另一端与基片集成波导喇叭天线(2)的窄端口(6)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；第一金属平面(8)和第二金属平面(10)均有三条缝隙(3)，第一金属平面(8)和第二金属平面(10)缝隙(3)的数量一样，而且第一金属平面(8)上各条缝隙(3)的位置与第二金属平面(8)上各条缝隙(3)的位置相同，缝隙(3)的长度超过一个波长；第一金属平面(8)和第二金属平面(10)上相对位置相同的缝隙(3)构成中间缝隙(12)、左边缝隙(16)和右边缝隙(17)；中间缝隙(12)位于基片集成波导喇叭天线(2)的两个侧壁(11)中间的位置，并把基片集成波导喇叭天线(2)分为左右对称的左边子喇叭(13)和右边子喇叭(14)；左边缝隙(16)把左边子喇叭(13)分成了第一子喇叭(18)和第二子喇叭(19)；右边缝隙(17)把右边子喇叭(14)分成了第三子喇叭(20)和第四子喇叭(21)；第一子喇叭(18)、第二子喇叭(19)、第三子喇叭(20)和第四子喇叭(21)的一个端口朝着天线窄端口(6)的方向，其另一端口靠近但不到天线口径面(15)；

所述的中间缝隙(12)、左边缝隙(16)和右边缝隙(17)形状都是由头端部分、多边形和尾端部分三段依次相连构成，中间缝隙(12)、左边缝隙(16)和右边缝隙(17)的头端部分都靠近喇叭天线的窄端口(6)的方向，中间缝隙(12)、左边缝隙(16)和右边缝隙(17)的尾端部分靠近但不到天线口径面(15)；

选择左边缝隙(16)中头端部分或多边形在左边子喇叭(13)中的位置，使得在第一子喇叭(18)和第二子喇叭(19)中传输的电磁波的功率相等；

改变左边缝隙(16)中头端部分或多边形在左边子喇叭(13)中的位置，使得在第一子喇叭(18)和第二子喇叭(19)中传输的电磁波同相到达天线的口径面(15)；

选择右边缝隙(17)中头端部分或多边形在右边子喇叭(14)中的位置，使得在第三子喇叭(20)和第四子喇叭(21)中传输的电磁波的功率相等；

改变右边缝隙(17)中头端部分或多边形在右边子喇叭(14)中的位置，使得在第三子喇叭(20)和第四子喇叭(21)中传输的电磁波同相到达天线的口径面(15)；

中间缝隙(12)、左边缝隙(16)和右边缝隙(17)的尾端部分离天线口径面(15)的距离约为半个波长。

2.根据权利要求1所述的一种缝隙内嵌相位幅度校准的平面喇叭天线，其特征在于所述的中间缝隙(12)、左边缝隙(16)和右边缝隙(17)中的多边形是三角形、或四边形、或五边形或其它边数大于五的多边形；中间缝隙(12)、左边缝隙(16)和右边缝隙(17)中的头端部分和尾端部分的形状是直线、或折线或指数线。

3.根据权利要求1所述的一种缝隙内嵌相位幅度校准的平面喇叭天线，其特征在于所述的左边子喇叭(13)和右边子喇叭(14)的宽度要保证电磁波可以在左边子喇叭(13)和右边子喇叭(14)中传输而不被截止。

4.根据权利要求1所述的一种缝隙内嵌相位幅度校准的平面喇叭天线，其特征在于所述的第一子喇叭(18)、第二子喇叭(19)、第三子喇叭(20)和第四子喇叭(21)的宽度要保证电磁波可以在第一子喇叭(18)、第二子喇叭(19)、第三子喇叭(20)和第四子喇叭(21)中传输而不被截止。

5.根据权利要求1所述的一种缝隙内嵌相位幅度校准的平面喇叭天线，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。