CN106099375A - 一种基于siw的超宽带h面喇叭天线 - Google Patents

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文光俊
王瑞振
黄勇军
张浩彬
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Abstract

本发明公开了一种基于SIW的超宽带H面喇叭天线，包括从下往上层叠的金属底板和介质基板，介质基板上开设有呈喇叭状排布的金属过孔，在介质基板上金属过孔形成的喇叭口径处设有金属贴片，金属贴片上开设有由喇叭口径处向外延伸的对称弯折缝隙；位于喇叭口径外的介质基板上开设有沿天线的辐射方向排布的空气孔，空气孔位于金属贴片的前端；介质基板内设有上脊、下脊和馈电转换结构，上脊与馈电转换结构的一端相连。本发明的超宽带H面喇叭天线，结构简单，端射性能好，剖面低，加工方便，具有覆盖很宽的频段范围以及正端射方向增益较高等特点。与常规喇叭天线相比，其剖面和重量都大大降低。

Description

一种基于SIW的超宽带H面喇叭天线
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于SIW的超宽带H面喇叭天线。
背景技术
基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide，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。
反辐射导弹上所用的测向天线要求天线能够具有较强的抗金属性能，能够应用于金属单体表面而天线本身的电性能并不受影响。同时，由于反辐射导弹的特殊应用，要求测向天线具有较好的端射性能，较小的剖面以及较宽的带宽。目前已知端射天线如八木天线、对数周期天线和锥削缝天线等都存在体积较大，带宽较窄以及抗金属特性较差等缺点。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，提供一种可在宽频带范围内实现在端射方向辐射，具有增益高，剖面低等特点的基于SIW的超宽带H面喇叭天线。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种基于SIW的超宽带H面喇叭天线，包括从下往上层叠的金属底板和介质基板，介质基板上开设有呈喇叭状排布的金属过孔，在介质基板上金属过孔形成的喇叭口径处设有金属贴片，金属贴片上开设有由喇叭口径处向外延伸的对称弯折缝隙；位于喇叭口径外的介质基板上开设有沿天线的辐射方向排布的空气孔，空气孔位于金属贴片的前端；介质基板内设有上脊、下脊和馈电转换结构，上脊与馈电转换结构的一端相连。
优选地，所述馈电转换结构的另一端与SMA接头的内芯相连，SMA接头的接地端与金属底板相连。
优选地，所述空气孔的半径沿天线的辐射方向逐渐变大。
优选地，所述空气孔分为三组，每组空气孔包括三排半径相同的空气孔，沿天线的辐射方向，每组空气孔的半径逐渐变大。
优选地，所述馈电转换结构呈圆台状，其较大的底面与上脊接触。
优选地，所述介质基板上开设有连接孔，馈电转换结构安装在连接孔中，连接孔的半径等于馈电转换结构较大的底面的半径。
优选地，所述介质基板上开设有调节孔，调节孔位于对称弯折缝隙之间。
优选地，所述上脊和下脊结构相同，它们均位于天线的轴对称中间处。
优选地，所述金属贴片呈椭圆状，其中心位置位于天线的轴对称中心线上。
优选地，所述金属底板的面积大于介质基板的面积，金属底板的尺寸为介质基板的尺寸再向四周分别扩展0mm～30mm。
本发明的有益效果是：本发明所提供的一种可用于金属表面的基于SIW的超宽带H面喇叭天线，结构简单，端射性能好，剖面低，加工方便，具有覆盖很宽的频段范围以及正端射方向增益较高等特点。与常规喇叭天线相比，其剖面和重量都大大降低。
附图说明
图1是本发明超宽带H面喇叭天线的结构示意图；
图2是本发明超宽带H面喇叭天线的剖视图；
图3是本发明超宽带H面喇叭天线的发射系数S11仿真结果图；
图4是本发明超宽带H面喇叭天线在7GHz和9GHz的辐射方向图；
图5是本发明超宽带H面喇叭天线在11GHz、13GHz、15GHz和17GHz的辐射方向图。
附图标记说明：1、金属底板；2、介质基板；3、金属过孔；4、金属贴片；5、对称弯折缝隙；6、空气孔；7、上脊；8、下脊；9、馈电转换结构；10、SMA接头；11、连接孔；12、调节孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：
如图1和图2所示，本发明的一种基于SIW的超宽带H面喇叭天线，包括金属底板1和介质基板2，金属底板1位于整个天线的最下端，为天线的主要支撑结构。介质基板2设于金属底板1上，金属底板1的面积大于介质基板2的面积，金属底板1的尺寸为介质基板2的尺寸再向四周分别扩展0mm～30mm。
介质基板2上开设有呈喇叭状排布的金属过孔3，金属过孔3进行金属化，其作用相当于金属喇叭。在介质基板2上金属过孔3形成的喇叭口径处设有金属贴片4，金属贴片4呈椭圆状，经pcb工艺加工而成，其中心位置位于天线的轴对称中心线上，金属贴片4的轴比为1～1.4，其短轴半径为24mm～32mm。
金属贴片4上开设有由喇叭口径处向外延伸的对称弯折缝隙5，对称弯折缝隙5的宽度为0.5mm～2mm。两条对称弯折缝隙5的一端在喇叭口径内部，其在喇叭的开口处发生弯折，弯折角度为20°～45°，对称弯折缝隙5缝隙沿着弯折方向一直延伸至金属贴片4的边缘。
位于喇叭口径外的介质基板2上开设有沿天线的辐射方向排布的空气孔6，空气孔6位于金属贴片4的前端，紧邻金属贴片4。空气孔6的半径沿天线的辐射方向逐渐变大，由金属贴片4向介质基板2边缘处分为三组逐渐变大，每组空气孔包括三排半径相同的空气孔，沿天线的辐射方向，每组空气孔6的半径逐渐变大。三组空气孔的作用是逐渐改变介质基板的有效介电常数，使之向空气的介电常数渐变。
空气孔6的半径为0.2mm～2.5mm，相邻两组空气孔6内径变化的大小为0.5mm～1.4mm，空气孔6之间的圆心距为5mm～7mm。
介质基板2内设有上脊7、下脊8和馈电转换结构9，上脊7与馈电转换结构9的一端相连。馈电转换结构9的另一端与SMA接头10的内芯相连，SMA接头10的接地端与金属底板1相连。
上脊7和下脊8机构相同，其的宽度为3mm～5mm，厚度为0.6mm～1.6mm，它们均位于天线的轴对称中间处。
馈电转换结构9呈圆台状，其材质为金属，其较大的底面与上脊7焊接相连，其较小的底面半径与所用SMA接头的内芯半径相同。
介质基板2上开设有连接孔11，馈电转换结构9安装在连接孔11中，作为馈电接口。连接孔11的半径等于馈电转换结构9较大的底面的半径，尺寸为3.5mm～5.5mm。
介质基板2上开设有调节孔12，调节孔12位于对称弯折缝隙5弯折之间，用于降低介质基板的有效介电常数。
以下通过具体的实施例对本发明的超宽带H面喇叭天线作进一步说明。
实施例一
介质基板2的厚度为4mm，长宽尺寸为115mm*66mm。金属底板1在天线的辐射方向比介质基板2大30mm，其余三个方向均大10mm，金属底板1的厚度为0.5mm。上脊7和下脊8的宽度为4.5mm，厚度为1mm。连接孔11的半径为4.5mm。对称弯折缝隙5的宽度为1mm。金属贴片4的短半轴为28mm，离心率为1.1。沿天线的辐射方向分布的三组空气孔的半径依次为0.7mm、1.4mm和2.1mm，相邻行列的空气孔之间的圆心距为5mm。
图3是超宽带H面喇叭天线的发射系数S11仿真结果图，从图3中可以看出，超宽带H面喇叭天线能在6GHz-18GHz的频段范围内实现垂直极化辐射，反射系数均在-8dB以下，具有较好的阻抗匹配效果。
图4是超宽带H面喇叭天线在7GHz和9GHz的辐射方向图，图5是在11GHz、13GHz、15GHz和17GHz的辐射方向图。从图4和图5可以看出，超宽带H面喇叭天线在整个频段内方向图稳定，端射性能好，端射方向的增益大，均大于4.5dB。
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 (10)

1.一种基于SIW的超宽带H面喇叭天线，其特征在于：包括从下往上层叠的金属底板(1)和介质基板(2)，介质基板(2)上开设有呈喇叭状排布的金属过孔(3)，在介质基板(2)上金属过孔(3)形成的喇叭口径处设有金属贴片(4)，金属贴片(4)上开设有由喇叭口径处向外延伸的对称弯折缝隙(5)；位于喇叭口径外的介质基板(2)上开设有沿天线的辐射方向排布的空气孔(6)，空气孔(6)位于金属贴片(4)的前端；介质基板(2)内设有上脊(7)、下脊(8)和馈电转换结构(9)，上脊(7)与馈电转换结构(9)的一端相连。
2.根据权利要求1所述的基于SIW的超宽带H面喇叭天线，其特征在于：所述馈电转换结构(9)的另一端与SMA接头(10)的内芯相连，SMA接头(10)的接地端与金属底板(1)相连。
3.根据权利要求1所述的基于SIW的超宽带H面喇叭天线，其特征在于：所述空气孔(6)的半径沿天线的辐射方向逐渐变大。
4.根据权利要求1或3所述的基于SIW的超宽带H面喇叭天线，其特征在于：所述空气孔(6)分为三组，每组空气孔包括三排半径相同的空气孔，沿天线的辐射方向，每组空气孔(6)的半径逐渐变大。
5.根据权利要求1所述的基于SIW的超宽带H面喇叭天线，其特征在于：所述馈电转换结构(9)呈圆台状，其较大的底面与上脊(7)接触。
6.根据权利要求5所述的基于SIW的超宽带H面喇叭天线，其特征在于：所述介质基板(2)上开设有连接孔(11)，馈电转换结构(9)安装在连接孔(11)中，连接孔(11)的半径等于馈电转换结构(9)较大的底面的半径。
7.根据权利要求1所述的基于SIW的超宽带H面喇叭天线，其特征在于：所述介质基板(2)上开设有调节孔(12)，调节孔(12)位于对称弯折缝隙(5)之间。
8.根据权利要求1所述的基于SIW的超宽带H面喇叭天线，其特征在于：所述上脊(7)和下脊(8)结构相同，它们均位于天线的轴对称中间处。
9.根据权利要求1所述的基于SIW的超宽带H面喇叭天线，其特征在于：所述金属贴片(4)呈椭圆状，其中心位置位于天线的轴对称中心线上。
10.根据权利要求1所述的基于SIW的超宽带H面喇叭天线，其特征在于：所述金属底板(1)的面积大于介质基板(2)的面积，金属底板(1)的尺寸为介质基板(2)的尺寸再向四周分别扩展0mm～30mm。
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