CN106129612A - 一种基片集成波导馈电的宽频带偶极子天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基片集成波导馈电的宽频带偶极子天线，包括偶极子、平行双线、基片集成波导、内层地以及50Ω微带线，偶极子由平行双线进行偏馈，内层地与基片集成波导的上层表面共面，50Ω微带线与基片集成波导的底层背面共面，平行双线的其中一根线穿过内层地后连接到基片集成波导的上层表面，另一根线连接到基片集成波导的底层背面。本发明采用上述结构，能够降低馈电网络与辐射体的耦合，同时降低高频段损耗。

Description

一种基片集成波导馈电的宽频带偶极子天线
技术领域
本发明涉及天线领域，具体涉及一种基片集成波导馈电的宽频带偶极子天线。
背景技术
天线是无线电通信、广播、导航、雷达、测控、微波遥感、射电天文以及电子对抗等各种民用和军用无线电系统必不可少的设备之一。近几十年来，科学技术的飞速发展和人们生活的日益现代化和社会化，对电子技术的应用提出了更高的要求。在许多应用领域中，如电视、广播、遥测技术、宇航和卫星通讯等，不仅要求高质量地传输信息，还要求设备的宽带化。为此，与无线电设备发展趋势相适应，宽频带天线的研究也日益活跃，成为天线学科研究领域中的一个重要分支。
与此同时，作为众多天线类型之一的偶极子天线，以其简单的结构、稳定的性能，至今仍被广泛应用。但是，传统的偶极子天线阻抗匹配带宽很小，通常不大于10％。为了提高偶极子天线的阻抗匹配带宽，国内外许多研究者做出了巨大的努力。
目前，绝大多数偶极子天线采用平行馈电，即天线馈电网络与辐射体位于同一平面，此种馈电方式会导致馈电网络与辐射体的耦合严重。另外，虽然也有偶极子天线采用垂直馈电，但其为带状线馈电，此种馈电方式在高频段损耗严重。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基片集成波导馈电的宽频带偶极子天线，解决目前的偶极子天线要么馈电网络与辐射体的耦合严重，要么高频段损耗严重的问题。
本发明为实现上述目的，采用以下技术方案实现：
一种基片集成波导馈电的宽频带偶极子天线，包括偶极子、平行双线、基片集成波导、内层地以及50Ω微带线，偶极子由平行双线进行偏馈，内层地与基片集成波导上表面共面，50Ω微带线的导带与基片集成波导的下表面共面，平行双线的其中一根线穿过内层地后连接到基片集成波导的上层表面，另一根线连接到基片集成波导的底层背面。
在本方案中，偶极子由平行双线进行偏馈，基片集成波导作为一种封闭式传输线，相比于半开放式传输线，如微带线、带状线等，对天线馈电具有低损耗特性，而整个天线由50Ω微带线进行馈电，并实现垂直馈电，本发明作为垂直馈电的窄偶极子，能够实现18％的阻抗匹配带宽，相对于传统的可集成的垂直巴伦来说，拓宽了频带；另外，由于采用了垂直馈电，而半波振子与馈电网络之间存在内层地，半波振子的辐射能量不会进入馈电网络，因此可降低天线与馈电网络间的耦合。
进一步地，作为优选技术方案，所述内层地上开设有一个圆形缺口，平行双线的一根线穿过该圆形缺口后连接至基片集成波导的上表面。圆形缺口让平行双线中连接50Ω微带线的那根线可直接穿过内层地，加之圆形具有良好的对称性，过渡效果相对较好。
进一步地，作为优选技术方案，还包括用于连接50Ω微带线与基片集成波导的过渡带。过渡带用于实现阻抗的匹配。
进一步地，作为优选技术方案，所述过渡带包括渐变段和平直段，渐变段较宽的一端与基片集成波导相连，渐变段较窄的一端与平直段的一端相连，平直段的另一端与50Ω微带线相连。采用渐变段加平直段的结构形式作为过渡带，能够使过渡带的带宽最大，从而避免限制了整个天线的带宽。
进一步地，作为优选技术方案，所述基片集成波导的上表面开设有一个方形缺口。在基片集成波导上开设方形缺口能够实现电容电感效应，进而对天线阻抗进行补偿，实现宽频带。
进一步地，作为优选技术方案，所述方形缺口的长度为0.15～0.19λ、宽度为0.05～0.07λ，其中λ为中心频率处电磁波在介质中的波长。
进一步地，作为优选技术方案，所述偶极子的总长度为0.5～0.7λ，宽度为0.05～0.07λ，偏馈比例为2.5:1～3:1，馈点距短路面距离为1/4基片集成波导中心频率处波导波长。
进一步地，作为优选技术方案，所述平行双线由多层堆叠金属化过孔形成。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
(1)本发明采用平行双线对偶极子进行偏馈，并采用基片集成波导馈电，大大降低了高频段由馈线造成的损耗。
(2)本发明通过在基片集成波导上开设一个方形缺口，实现了灵活调谐。
(3)本发明通过在50Ω微带线与基片集成波导之间设置过渡段，较好地实现了阻抗匹配。
(4)本发明十分适合采用LTCC、多层PCB等多层电路加工技术实现，具有很集成度高、频带宽的优点。
附图说明
图1是本发明天线的立体图；
图2是本发明天线的俯视图；
图3是本发明天线的侧视图；
图4是本发明天线的S11仿真结果；
图5是本发明天线的增益仿真结果；
图6是本发明天线32GHz的H面和E面方向图仿真结果；
图7是本发明天线35GHz的H面和E面方向图仿真结果；
图8是本发明天线39GHz的H面和E面方向图仿真结果。
其中，图6至图8中，左边为H面方向图，右边为E面方向图，方向图中实线代表主极化方向图，虚线代表交叉极化方向图。
图中附图标记对应的名称为：1、偶极子，2、平行双线，3、圆形缺口，4、基片集成波导，5、方形缺口，6、过渡带，7、内层地，8、50Ω微带线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例：
如图1所示，本实施例所述的一种基片集成波导馈电的宽频带偶极子天线，包括偶极子1、平行双线2、基片集成波导4、内层地7以及50Ω微带线8，偶极子1由平行双线2进行偏馈，内层地7与基片集成波导4上表面共面，50Ω微带线8导带与基片集成波导4的下表面共面，平行双线2的其中一根线穿过内层地7后连接到基片集成波导4的上层表面，另一根线连接到基片集成波导4的底层背面。
为了不影响平行双线2与内层地7之间的连接，本实施例在内层地7上开设一个圆形缺口3，平行双线2的一根线穿过该圆形缺口3后连接至基片集成波导4的上表面，另外，本申请的发明人经过大量的试验发现，圆形缺口3不宜过大或过小，过大会导致偶极子背瓣增大，过小会导致加工困难，过渡失败，当圆形缺口的直径为0.15～0.19λ时，则可很好地避免上述问题的出现。
为了避免限制整个天线的带宽，本实施例还包括用于连接50Ω微带线8与基片集成波导4的过渡带6，具体地，过渡带6包括渐变段和平直段，渐变段较宽的一端与基片集成波导4相连，渐变段较窄的一端与平直段的一端相连，平直段的另一端与50Ω微带线8相连。
为了实现电容电感效应，进而对天线阻抗进行补偿，实现宽频带，本实施例可在基片集成波导4的上表面开设一个方形缺口5，而方形缺口5可选择如下参数：长度为0.15～0.19λ、宽度为0.05～0.07λ，其中λ为中心频率处电磁波在介质中的波长。
本实施例的偶极子1的总长度为0.5～0.7λ，宽度为0.05～0.07λ，偏馈比例为2.5:1～3:1，馈点距短路面距离约为1/4基片集成波导中心频率处波导波长。本实施例采用这样的参数设置后，更好地实现了阻抗的匹配。
另外，本实施例的平行双线2由多层堆叠金属化过孔形成，十分适合采用LTCC、多层PCB等多层电路技术加工实现，整个天线的垂直部分可以利用多层堆叠金属化通孔实现，水平部分可以利用印刷金属实现，便于集成。
下面以具体的实例来对本发明做进一步说明，具体如下：
本实例采用LTCC多层电路加工技术实现，基板材料为FerroA6M，介电常数为5.9，每层基板厚度为0.094mm，每层金属厚度为0.01mm，表层金属为金，内层金属为银，天线工作频段为Ka频段。
本发明基片集成波导馈电的宽频带偶极子天线共10层，即h1＝0.094mm×10＝0.94mm。其中，偶极子1位于第1层介质正面，即顶层。馈线平行双线2为多层堆叠金属化过孔，其中一根线贯通10层介质并通过内层地7中的圆形缺口3连接到基片集成波导4与50Ω微带线8共面的一面，另一根线贯通第1到9层介质，与内层地7相连。方形缺口5位于第10层介质正面。50Ω微带线与基片集成波导4通过过渡段(6)相连，以实现阻抗匹配。内层地7位于第10层介质正面，50Ω微带线位于第10层介质背面，即底层背面。
如图2、3所示，本发明基片集成波导馈电的新型高集成度宽频带偶极子天线的具体尺寸如表1所示(单位：mm)：
表1天线的具体尺寸表
w w1 w2 w3 w4 l l1 l2
2.6 0.15 0.2 0.53 0.2 2.6 2.71 1.7
l3 l4 l5 s d1 d2 d3 h1
0.61 1.31 0.6 0.3 0.6 0.2 0.1 0.94
h2
0.85
其中，w为基片集成波导4宽度，w1为馈电微带线8线宽，w2为偶极子1宽度，w3微带到基片集成波导过渡6三角渐变处于基片集成波导相连的宽度，w4为匹配缝隙5的宽度，l为基片集成波导4的长度，l1为偶极子1的总长度，l2为偶极子的长臂长度，l3为偶极子的短臂长度，l4为微带到基片集成波导过渡6的三角渐变长度，l5为匹配缝隙5的长度，s为通孔的间距，d1为内层地圆形缺口3的直径，d2为馈电平行双线2的圆盘结构的直径(该圆盘结构增强了平行双线与各介质层之间的电连通性)，d3为馈电平行双线2的直径，h1为天线的总厚度，h2为偶极子距离基片集成波导的厚度。
如图4～8为仿真结果图，其中，图4为回波损耗-频率曲线图，其纵坐标为S11，S11的绝对值为回波损耗，横坐标表示频率；图5为天线增益-频率曲线图，其纵坐标表示天线增益，横坐标表示频率，由图4，5可以看出，本发明天线实现了20％的-10-dB阻抗带宽并在32.4GHz实现了4.9dBi的最大增益。由图6-8可以看出，辐射能量集中在边射方向(broadside)，具有良好的定向辐射特性。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基片集成波导馈电的宽频带偶极子天线，其特征在于：包括偶极子(1)、平行双线(2)、基片集成波导(4)、内层地(7)以及50Ω微带线(8)，偶极子(1)由平行双线(2)进行偏馈，内层地(7)与基片集成波导(4)上表面共面，50Ω微带线(8)的导带与基片集成波导(4)的下表面共面，平行双线(2)的其中一根线穿过内层地(7)后连接到基片集成波导(4)的上层表面，另一根线连接到基片集成波导(4)的底层背面。
2.根据权利要求1所述的一种基片集成波导馈电的宽频带偶极子天线，其特征在于：所述内层地(7)上开设有一个圆形缺口(3)，平行双线(2)的一根线穿过该圆形缺口(3)后连接至基片集成波导(4)的上表面。
3.根据权利要求1或2所述的一种基片集成波导馈电的宽频带偶极子天线，其特征在于：还包括用于连接50Ω微带线(8)与基片集成波导(4)的过渡带(6)。
4.根据权利要求3所述的一种基片集成波导馈电的宽频带偶极子天线，其特征在于：所述过渡带(6)包括渐变段和平直段，渐变段较宽的一端与基片集成波导(4)相连，渐变段较窄的一端与平直段的一端相连，平直段的另一端与50Ω微带线(8)相连。
5.根据权利要求1所述的一种基片集成波导馈电的宽频带偶极子天线，其特征在于：所述基片集成波导(4)的上表面开设有一个方形缺口(5)。
6.根据权利要求5所述的一种基片集成波导馈电的宽频带偶极子天线，其特征在于：所述方形缺口(5)的长度为0.15～0.19λ、宽度为0.05～0.07λ，其中λ为中心频率处电磁波在介质中的波长。
7.根据权利要求1所述的一种基片集成波导馈电的宽频带偶极子天线，其特征在于：所述偶极子(1)的总长度为0.5～0.7λ，宽度为0.05～0.07λ，偏馈比例为2.5:1～3:1，馈点距短路面距离为1/4基片集成波导中心频率处波导波长。
8.根据权利要求1所述的一种基片集成波导馈电的宽频带偶极子天线，其特征在于：所述平行双线(2)由多层堆叠金属化过孔形成。
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