CN106099374A - 一种介质加载的siw棱锥喇叭天线及其设计方法 - Google Patents

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郑向闻
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Abstract

本发明属于微波无源器件领域，涉及微波，传输线技术，尤其涉及一种介质加载的SIW棱锥喇叭天线。该介质加载的SIW棱锥喇叭天线，包括SIW传输线、SIW棱锥和加载介质三部分。SIW棱锥基于SIW且沿E面和H面张口，SIW棱锥的喉部与SIW传输线相适应连接，完成信号的馈入；SIW棱锥的口径与加载介质相适应连接。SIW棱锥型喇叭天线的加载介质为柱状菲涅尔透镜。本发明引入基于SIW的棱锥型喇叭天线，与此同时，喇叭口通过介质加载进一步提高本喇叭天线的增益，降低了半功率波束宽度，从而增大方向性以及作用距离，增强抗干扰能力；实现体积小，半功率波束宽度窄，较大增益的积极效果。

Description

一种介质加载的SIW棱锥喇叭天线及其设计方法
技术领域
本发明属于微波无源器件领域，涉及微波，传输线技术。尤其涉及一种介质加载的SIW棱锥喇叭天线。
背景技术
基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide.SIW)是一种可以集成于介质基片中的新型传输线结构。SIW通常是在介质基板上打两排金属通孔，基板两面覆以金属。SIW结构具有传统波导和微带型结构传输线的优势。即具有低辐射、低插损、较高Q值、高功率容量、小型化、易于连接等优点。
棱锥型喇叭天线在微波通信领域有着广泛的应用，它的主要功能是在比波导更大的口径上产生均匀的相位波前，从而获得更好的定向性。它具有高增益，宽带宽，易于加工的优点。但是它的缺点也比较明显，体积较大，应用中需要转接互连结构，难于与平面电路集成。
SIW的提出和发展在一定程度上解决了这个问题。到目前为止，对于SIW天线的研究都是对H面扇形喇叭天线和介质加载H面透镜天线的研究。H面扇形喇叭天线优势在于易于集成、体积小。但是，H面扇形喇叭天线带宽窄，有高的背向辐射。介质加载H面透镜天线中的加载介质都是为矩形介质块或者椭圆介质块，优势在于提高了天线的增益。但是，增益受介质块长度的限制，且旁瓣较多。
发明内容
针对上述存在问题或不足，为实现体积小，半功率波束宽度窄，较大增益，本发明提供了一种介质加载的SIW棱锥喇叭天线及其设计方法。
该介质加载的SIW棱锥喇叭天线，包括SIW传输线、SIW棱锥和加载介质三部分。
所述SIW棱锥基于SIW且沿E面和H面张口，SIW棱锥的喉部与SIW传输线相适应连接，完成信号的馈入；SIW棱锥的口径与加载介质相适应连接。
所述SIW棱锥天线的传输线和棱锥部分用同种介电常数基板构成。
所述加载介质为柱状菲涅尔透镜，具体是指：各介质柱柱高相同且至少一个侧面为平面，将各介质柱平面的侧面连续排列连接于棱锥的口径面形成一个与其相适宜的排列面，即排列面一边为介质柱的柱高与aE相等，另一边与aH相等。
其设计方法为：
步骤1、选定板材，根据SIW传输线与矩形波导的尺寸等效公式，得出SIW的各个参数：通孔尺寸d，同行相邻通孔间距p，SIW传输线两行金属通孔之间距离w，并通过HFSS优化，其中通孔为方孔时d为边长，圆孔时d为直径；
步骤2、确定SIW棱锥型喇叭天线的棱锥长度以及辐射口径面的尺寸；
根据棱锥天线的设计原理，首先确定SIW棱锥的长度L，然后确定E面口径aE，H面口径aH，并通过HFSS优化；
步骤3、确定加载的柱状菲涅尔透镜介质的尺寸；根据菲涅透镜的基本设计方法，确定柱状介质的底面尺寸；
步骤4、对天线口径及柱状菲涅尔透镜介质的尺寸通过HFSS进行综合优化，得到最终优化结果。
本发明是基于SIW的棱锥型喇叭天线，与此同时，喇叭口即棱锥的口径通过介质加载进一步提高天线的增益，降低了半功率波束宽度，从而增大方向性以及作用距离，增强抗干扰能力。
附图说明
图1是本发明无介质加载的SIW棱锥型喇叭天线立体示意图；
图2是本发明介质加载的SIW棱锥型喇叭天线的H面俯视示意图；
图3是本发明介质加载的SIW棱锥型喇叭天线的立体示意图；
图4是本发明无介质加载的SIW棱锥型喇叭天线的E面和H面增益图；
图5是本发明无介质加载的SIW棱锥型喇叭天线的E面和H面辐射天线图；
图6是本发明介质加载的SIW棱锥型喇叭天线的回波损耗图；
图7是本发明介质加载的SIW棱锥型喇叭天线的驻波比；
图8是本发明介质加载的SIW棱锥型喇叭天线的E面和H面增益图；
图9是本发明介质加载的SIW棱锥型喇叭天线的E面和H面辐射天线图；
附图标记：1-半椭圆形的短轴，2-半椭圆形的半长轴，3-柱状菲涅尔透镜介质的柱高，a1-与aH连接的直角三角形底边，t1-直角三角形高。
具体实施方式
本实施例在电磁仿真软件HFSS中进行，介质均采用Teflon(介电常数为2.1)，且SIW的金属通孔采用方孔设计，每个方孔的边长用圆孔的直径代替。SIW中的金属通孔为方孔或圆孔时性能一致。
该介质加载的SIW棱锥喇叭天线工作波段为X波段，中心频率为10GHz，端口的阻抗为50欧姆。
步骤1、根据X波段SIW传输线与矩形波导的尺寸等效公式 得出X波段基本SIW的各个参数：通孔边长d，相邻金属通孔孔间距p，SIW传输线两排金属通孔之间距离w。
介质基板的参数为：相对介电常数为2.1，损耗正切为0.001,厚度t＝0.16mm。通过计算和优化得到SIW的相关参数值：d＝0.8mm，p＝1.4mm，w＝14mm。
步骤2、SIW棱锥的长度为L，根据棱锥天线的设计原理，计算出aE和aH，然后微调aE和aH的值，得到最优值，L＝45.54mm，aE＝25mm，aH＝52mm。
步骤3、在喇叭天线端口加载柱状菲涅尔透镜介质，加载介质的底面为六个直角三角形和一个半椭圆形。六个直角三角形相同，其与aH连接边是直角边为底边a1，t1为直角三角形另一条直角边即高。半椭圆形短轴1为2×a1且与aH中心重合，半长轴2＝t1；六个直角三角形以半椭圆形长轴为中心呈镜像分布，每侧三个直角三角形顺序连接，其中直角三角形高边紧邻半椭圆的一侧，a1在口径面上。介质柱的高与E面口径等高。根据菲涅透镜的基本设计方法，确定柱状菲涅尔透镜介质的尺寸，a1＝6.5mm，t1＝14mm，8×a1＝aH。
步骤4、用HFSS对天线口径及柱状菲涅尔透镜介质的尺寸进行优化，得到最终优化结果：aE＝18mm，aH＝53mm，a1＝6.625mm，t1＝15mm。
如图4—图5所示，无介质加载的SIW棱锥型喇叭天线E面增益和H面增益为10,3dBi。E面的半功率波束宽度为82°，主瓣与第一旁瓣的增益差为10dBi；H面的半功率波束宽度为38°，主瓣与第一旁瓣的增益差为18dBi。如图6—图7所示，在整个X波段回波损耗小于-10dB，驻波小于1.8。如图8—图9所示，该介质加载的SIW棱锥型喇叭天线的E面增益和H面增益为11dBi。E面的半功率波束宽度为52°，主瓣与第一旁瓣的增益差为15dBi；H面的半功率波束宽度为33°，主瓣与第一旁瓣的增益差为20dBi。对比图4—图5可知，由于介质的加载，E面的半功率波束宽度压窄了30°，主瓣与第一旁瓣的增益差增大5dBi；H面的半功率波束宽度压窄了5°，主瓣与第一旁瓣的增益差增大2dBi。说明介质加载的SIW棱锥型喇叭天线提高了该天线的增益，压窄了该天线的半功率波束宽度，增加了主瓣与第一旁瓣的增益差。

Claims (4)

1.一种介质加载的SIW棱锥喇叭天线，其特征在于：包括SIW传输线、SIW棱锥和加载介质三部分；
所述SIW棱锥基于SIW且沿E面和H面张口，SIW棱锥的喉部与SIW传输线相适应连接，完成信号的馈入；SIW棱锥的口径与加载介质相适应连接；
所述SIW棱锥天线的传输线和棱锥部分用同种介电常数基板构成；
所述加载介质为柱状菲涅尔透镜，具体是指：各介质柱柱高相同且至少一个侧面为平面，将各介质柱平面的侧面连续排列连接于棱锥的口径面形成一个与其相适宜的排列面，即排列面一边为介质柱的柱高与aE相等，另一边与aH相等。
2.如权利要求1所述介质加载的SIW棱锥喇叭天线，其特征在于：
所述柱状菲涅尔透镜为六个直角三角形和一个半椭圆形；六个直角三角形相同，其与aH连接边是直角边即底边a1，t1为直角三角形另一条直角边即高，半椭圆形短轴1为2×a1且与aH中心重合，半长轴2＝t1；六个直角三角形以半椭圆形长轴为中心呈镜像分布，每侧三个直角三角形顺序连接，其中直角三角形的t1紧邻半椭圆的一侧，a1在口径面上，介质柱的高与E面口径等高，8×a1＝aH。
3.如权利要求2所述介质加载的SIW棱锥喇叭天线，其特征在于：具体参数为d＝0.8mm，p＝1.4mm，w＝14mm，a1＝6.625mm，t1＝15mm，aE＝18mm，aH＝53mm，L＝45.54mm；其中d为方通孔边长，p为同行相邻通孔间距，w为SIW传输线两行金属通孔之间距离，L为SIW棱锥的长度。
4.如权利要求1所述介质加载的SIW棱锥喇叭天线，其设计方法为：
步骤1、选定板材，根据SIW传输线与矩形波导的尺寸等效公式，得出SIW的各个参数：通孔尺寸d，同行相邻通孔间距p，SIW传输线两行金属通孔之间距离w，并通过HFSS优化，其中通孔为方孔时d为边长，圆孔时d为直径；
步骤2、确定SIW棱锥型喇叭天线的棱锥长度以及辐射口径面的尺寸；
根据棱锥天线的设计原理，首先确定SIW棱锥的长度L，然后确定E面口径aE，H面口径aH，并通过HFSS优化；
步骤3、确定加载的柱状菲涅尔透镜介质的尺寸；
根据菲涅透镜的基本设计方法，确定柱状介质的底面尺寸；
步骤4、对天线口径及柱状菲涅尔透镜介质的尺寸通过HFSS优化，得到最终优化结果。
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