CN106532256A - 一种宽频带圆极化基片集成波导天线 - Google Patents

Abstract

一种宽频带圆极化基片集成波导天线，包括由下至上依次设置的天线激励层、功分器层以及天线辐射层；天线激励层、功分器层和天线辐射层均包括由下至上依次设置的下表面覆铜层、介质基板层以及上表面覆铜层，天线激励层与同轴线外导体相连接，采用宽频带线极化谐振腔结构天线单元、连续旋转馈电技术，将每个谐振腔所得到的一定幅度和相位的电磁波，通过四个连续旋转90°的宽频带线极化天线单元辐射，最终叠加形成比较好的圆极化波，从而使得天线的带宽大大增加，同时各层之间通过匹配缝隙耦合的方式，使得天线的能量通过开槽缝隙先馈至功分器层，再馈至天线辐射层的谐振腔内，极大地提高了天线辐射效率。

Description

一种宽频带圆极化基片集成波导天线

技术领域

本发明涉及微波器件加工领域，具体涉及一种宽频带圆极化基片集成波导天线。

背景技术

随着微波技术向着更高频率发展，微波器件越来越趋向于小型集成化和量产化。金属波导元件由于体积大、成本高以及调试过程复杂等问题，其应用受到了严重制约，微带电路虽然结构紧凑、体积小、造价低，但是工作在高频带时其电磁辐射比较严重，传输损耗比较大。

基片集成波导技术是近些年提出的一种集成于介质基片、具有低损耗特性的新型波导结构，它是在上下底面为金属覆铜层的低损耗介质基片上，通过合理的金属化通孔阵列排布，从而在介质基片上实现传统的金属波导功能。基片集成波导的传播特性与矩形金属波导类似，具有高Q值、低损耗、易集成等优点，并且可以利用PCB工艺加以实现，工艺简单。

基片集成波导天线是基于基片集成波导技术而设计出来的天线，相比于传统天线，它在毫米波及其以上频段的传输损耗小，能够实现更高辐射效率，同时由于采用PCB技术加工，其加工简单、制作成本低。现有技术中名称为“基片集成波导圆极化天线”的专利，申请号为201310747193.2，该天线虽然满足了天线增益的需求，但由于此圆极化天线的相对带宽太窄(约为2.6％)，很难满足实际中的应用。名称为“一种宽带基片集成波导圆极化天线”，申请号为201310462528.6，该天线的性能比较优良，但其相对带宽还是较窄(约为14.5％)。由于圆极化天线的带宽在很大程度上影响着天线的实用程度，因此研制频带更宽、结构简单、成本低的圆极化基片集成波导天线是目前急需解决的一个难题。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种宽频带圆极化基片集成波导天线，其频带较传统结构得到了有效提高，并且结构简单，加工制作的成本较低。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

包括由下至上依次设置的天线激励层、功分器层以及天线辐射层；所述的天线激励层、功分器层和天线辐射层均包括由下至上依次设置的下表面覆铜层、介质基板层以及上表面覆铜层，下表面覆铜层、介质基板层、上表面覆铜层上均设有金属化槽孔，天线激励层通过金属化槽孔将同轴线TEM波转化为基片集成波导TE₁₀波；天线激励层与同轴线外导体相连接，天线激励层与功分器层之间通过开槽缝隙对电磁波进行耦合，功分器层使耦合的电磁波均分为四份并且使相位依次相差90°通过开槽缝隙馈入到天线辐射层中；所述的天线辐射层具有呈90°旋转对称的四个谐振腔结构天线单元，四个谐振腔结构天线单元均为宽带线极化工作模式，通过分别辐射线极化电磁波，叠加形成圆极化波。

所述的天线激励层包括由下至上依次设置的第一下表面覆铜层、第一介质基板层以及第一上表面覆铜层，第一下表面覆铜层与同轴线外导体相连接，第一下表面覆铜层、第一介质基板层和第一上表面覆铜层上位置相对应的设置有同轴馈电通孔、用于连接固定的非金属化通孔以及布置在同轴馈电通孔外周上的金属化槽孔，第一上表面覆铜层的中心位置设置有用于将电磁波耦合至功分器层中的第一耦合开槽缝隙。

所述的功分器层包括由下至上依次设置的第二下表面覆铜层、第二介质基板层以及第二上表面覆铜层，第二下表面覆铜层、第二介质基板层和第二上表面覆铜层上位置相对应的设置有金属化槽孔、用于连接固定的非金属化通孔以及用于预留同轴线焊点位置的空气孔，第二下表面覆铜层上设置有与第一耦合开槽缝隙位置对应、大小相等的第二耦合开槽缝隙，第二上表面覆铜层上关于平面中心对称设置有两对馈电开槽缝隙，并且相邻的两个馈电开槽缝隙夹角为90°。

所述的天线辐射层包括由下至上依次设置的第三下表面覆铜层、第三介质基板层以及第三上表面覆铜层，第三下表面覆铜层、第三介质基板层和第三上表面覆铜层上位置相对应的设有四个由金属化槽孔组成的矩形单元，以及用于连接固定的非金属化通孔；所述第三下表面覆铜层上每个由金属化槽孔组成的矩形单元内部设置有与馈电开槽缝隙位置对应、大小相等的辐射开槽缝隙，第三上表面覆铜层上在每个由金属化槽孔组成的矩形单元内部设置有矩形开槽结构的天线单元。

天线激励层、功分器层以及天线辐射层上的非金属化通孔位置对应、大小相等，非金属化通孔的数目均为七个，通过非金属化通孔进行各层之间无间隙连接固定。

所述的介质基板层均采用Arlon AD430材料制成，相对介电常数为4.3，长宽均为48mm，厚度为2.02mm。

所述的下表面覆铜层与上表面覆铜层长宽均为48mm，厚度为0.055mm。

所述的金属化槽孔的宽度均为1mm。

与现有技术相比，本发明的功分器层使电磁波均分为四份并且使相位依次相差90°通过开槽缝隙馈入到天线辐射层中，天线辐射层具有呈90°旋转对称的四个谐振腔结构线极化天线单元，采用连续旋转馈电技术，使每个谐振腔结构天线单元得到一定幅度和相位的电磁波，并且连续旋转90°向外辐射线极化波，最终叠加形成比较好的圆极化波，从而使得天线的带宽大大增加。天线激励层与功分器层之间通过开槽缝隙对电磁波进行耦合，功分器层再通过开槽缝隙将电磁波馈入到天线辐射层的谐振腔结构天线单元当中，极大地提高了天线辐射效率。通过天线激励层、功分器层以及天线辐射层叠加排列，极大程度的控制了天线尺寸，并使天线结构简单、紧凑，天线性能比较稳定。此外，本发明采用金属化槽孔结构代替了周期性金属化圆通孔，缩短了仿真时间，并且采用多层基片集成技术，能够通过现代工艺PCB技术加工制作，大大降低了制作的成本，也能够成批量生产，满足了生产要求。

附图说明

图1本发明的整体结构展开示意图；

图2本发明天线激励层展开的结构示意图；

图3本发明功分器层展开的结构示意图；

图4本发明天线辐射层展开的结构示意图；

图5本发明天线的仿真S11曲线图；

图6本发明天线的仿真AR曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1，本发明天线从下到上分别由三层结构组成，依次为天线激励层1、功分器层2和天线辐射层3。天线经由同轴线馈电至天线激励层1，并将能量通过其上表面缝隙耦合至功分器层2，功分器层2对电磁波能量进行合理的功率分配并通过其上表面缝隙传输到天线辐射层3，天线辐射层3中的各个天线单元得到合理的电磁波幅度和相位激励后，将能量辐射至自由空间。本发明通过天线激励层1将同轴线的TEM模式转化为基片集成波导TE₁₀模式，再通过缝隙耦合至功分器层2，功分器层2将耦合的电磁波能量四等分并依次产生90°相移送入天线辐射层3，天线辐射层3为四个90°依次旋转的谐振腔结构天线单元，四个天线单元均为线极化工作模式，分别辐射线极化电磁波，最终叠加形成圆极化波。该天线由于采用了宽频带线极化谐振腔结构天线单元、连续旋转馈电技术和基片集成波导技术，在36％左右的相对带宽内实现了良好的圆极化特性和阻抗匹配特性；同时天线采用多层介质基板层叠加结构，也使得天线整体结构简单紧凑、易加工，便于系统小型化和集成应用。

参见图2，天线激励层1包括由下至上依次设置的第一下表面覆铜层101、第一介质基板层102和第一上表面覆铜层103。第一下表面覆铜层101上设有第一激励层同轴馈电通孔1011、第一激励层金属化槽孔1012和七个第一激励层非金属化通孔1013。其中第一下表面覆铜层101与同轴线外导体相连接，同轴线内导体与第一上表面覆铜层103相连接用于给天线馈电。

第一介质基板层102上设有第二激励层同轴馈电通孔1021、第二激励层金属化槽孔1022、七个第二激励层非金属化通孔1023。其中第一介质基板层102和第一下表面覆铜层101以及第一上表面覆铜层103相接，中间没有间距。第二激励层金属化槽孔1022与第一下表面覆铜层101以及第一上表面覆铜层103贯穿相接，并且与第一下表面覆铜层101以及第一上表面覆铜层103上设有的第一激励层金属化槽孔1012和第三激励层金属化槽孔1031位置对应。第二激励层同轴馈电通孔1021为同轴线内导体与第一上表面覆铜层103相连接所留的孔洞。本发明采用了金属化槽孔结构，大大减少周期化金属圆孔加工的复杂度。

第一上表面覆铜层103上设有第三激励层同轴馈电通孔1031、第三激励层金属化槽孔1032、第一耦合开槽缝隙1033以及七个第三激励层非金属化的通孔1034。第一激励层同轴馈电通孔1011、第二激励层同轴馈电通孔1021以及第三激励层同轴馈电通孔1031的位置相对应，第一耦合开槽缝隙1033的位置在第一上表面覆铜层103的中心位置，用于将天线激励层1的电磁波耦合至功分器层2当中。

天线由同轴线馈电，经过尺寸合理设计的第二激励层金属化槽孔1022之后，将同轴线TEM波转化为基片集成波导TE₁₀波，通过第一耦合开槽缝隙1033，馈电至功分器层2。

参见图3，本发明的功分器层2包括由下至上依次进行设置的第二下表面覆铜层201、第二介质基板层202以及第二上表面覆铜层203。

第二下表面覆铜层201上设有第一空气孔2011、第二耦合开槽缝隙2012、第一功分器层金属化槽孔2013和七个第一功分器层非金属化通孔2014。其中第一空气孔2011用来预留同轴线焊点位置。第二耦合开槽缝隙2012与第一耦合开槽缝隙1033的大小相同、位置对应，用于匹配接收从天线激励层1耦合至功分器层2的电磁波。第二下表面覆铜层201与天线激励层1的第一上表面覆铜层103的相接，中间没有间距。

第二介质基板层202上设置有第二空气孔2021、第二功分器层金属化槽孔2022和七个第二功分器层非金属化通孔2023。其中第二空气孔2021与第二上表面覆铜层203以及第二下表面覆铜层201上的空气孔位置相同。且第二功分器层金属化槽孔2022与第二上表面覆铜层203以及第二下表面覆铜层201上设有的第一功分器层金属化槽孔2013以及第三功分器层金属化槽孔2032的位置对应。第二介质基板层202与第二下表面覆铜层201以及第二上表面覆铜层203相接，中间没有间距。

第二上表面覆铜层203上设置有第三空气孔2031、第三功分器层金属化槽孔2032、七个第三功分器层非金属化通孔2033、第一对馈电开槽缝隙2034及第二对馈电开槽缝隙2035。其中，第一对馈电开槽缝隙2034以及第二对馈电开槽缝隙2035均关于平面中心对称，它们分别将电磁波能量耦合至天线辐射层3。

电磁波从第二耦合开槽缝隙2012耦合到第二功分器层金属化槽孔2022，分别传播至上下两边，再分别传播至左右两边的第一对馈电开槽缝隙2034以及第二对馈电开槽缝隙2035中。由于电磁波传播至上下两边的长度为半波长，因而传播到两边时电磁波幅度相等、相位相差180°，而上下两边中心到左右两缝隙的距离相差四分之一波长，因此传播到左右开槽缝隙的电磁波幅度相等相位再次相差90°。由于整个第二功分器层金属化槽孔2022的合理设计，使耦合的电磁波能量均分四份，并且相位依次相差90°馈入到四个缝隙中，实现了功分器层2将电磁波能量四等分且依次移相90°的功能。

参见图4，本发明的辐射层3包括由下至上依次进行设置的第三下表面覆铜层301、第三介质基板层302以及第三上表面覆铜层303。

第三下表面覆铜层301上设有四个矩形第一辐射层金属化槽孔3011、中心对称的第一对辐射开槽缝隙3012和第二对辐射开槽缝隙3013、七个第一辐射层非金属化通孔3014。其中第一辐射层金属化槽孔3011与功分器层2的第二上表面覆铜层203相接，中间没有间距，且第一对辐射开槽缝隙3012和第一对馈电开槽缝隙2034的大小相同、位置对应，第二对辐射开槽缝隙3013和第二对馈电开槽缝隙2035的大小相同、位置也对应，开槽缝隙用于匹配接收天线功分层耦合至天线辐射层的电磁波。

第三介质基板层302上设有四个矩形第二辐射层金属化槽孔3021和七个第二辐射层非金属化通孔3022。第三介质基板层302与第三下表面覆铜层301及第三上表面覆铜层303相接，中间没有间距。其中，第二辐射层金属化槽孔3021与第三下表面覆铜层301以及第三上表面覆铜层303上设有的第一辐射层金属化槽孔3011和第三辐射层金属化槽孔3031大小相同、位置对应，形成了四个谐振腔结构，并且呈90°旋转对称。

第三上表面覆铜层303上设有四个矩形第三辐射层金属化槽孔3031、四个相同的天线单元3032以及七个第三辐射层非金属化通孔3033。其中，天线单元3032为矩形开槽结构，位置分别处在四个谐振腔中心，呈90°旋转对称分布。

由于第二辐射层金属化槽孔3021形成的谐振腔呈90°旋转对称分布，并且天线单元3032分别处于中心位置也呈90°旋转对称分布，同时耦合至天线辐射层的电磁波幅度相同、相位也依次相差90°，因此天线单元3032分别将谐振腔能量辐射出去，四个依次相差90°的线极化波叠加形成圆极化波。本发明采用的连续旋转馈电技术以及宽频带线极化谐振腔结构天线单元，使得天线的圆极化性能十分优良，相对带宽达到了很大，得到了能够实现更宽频带的圆极化基片集成波导天线。

本发明各层的七个非金属化通孔大小相同、位置对应，贯穿整个天线，用于天线的结构固定。所有介质基板均采用Arlon AD430材料，相对介电常数为4.3，长宽均为48mm，厚度为2.02mm；所有覆铜层长宽均为48mm，厚度为0.055mm；所有金属化槽孔宽度均为1mm。

参见图5，6，在13.5GHz～19.25GHz的频率范围内，本发明天线的驻波S11均在-10dB以下，同时天线的轴比AR也均在3dB以下，相对带宽达到了36％。相比于其他基片集成波导天线，例如专利号为201310747193.2和201310462528.6所公开的天线性能，其带宽分别只能达到2.6％和14.5％，与之相比，本发明天线的带宽有了很大的提高，性能十分优良，在同类型的天线中处于较高水平，满足了实际应用中对于更宽频带天线的要求。

本发明采用宽频带线极化谐振腔结构天线单元、连续旋转馈电技术，将每个谐振腔所得的一定幅度和相位的电磁波，通过四个连续旋转90°的宽频带线极化天线单元辐射，最终叠加形成比较好的圆极化波，从而使得天线的带宽大大增加。本发明采用了基片集成波导技术，通过天线各个功能层叠加排列的形式，极大程度的控制了天线的尺寸并且使天线结构简单、紧凑，性能稳定，并且各层之间通过匹配缝隙耦合的方式，使得天线的能量通过开槽缝隙馈至功分器层，再馈电至谐振腔内，极大地提高了天线辐射效率。此外本发明天线采用金属化槽孔结构代替了周期性金属化圆通孔，缩短了仿真时间，并且采用多层基片集成技术，能够通过现代工艺PCB加工制作，大大降低了制作的成本，能够成批量生产，满足了生产要求。

Claims (8)

1.一种宽频带圆极化基片集成波导天线，其特征在于：包括由下至上依次设置的天线激励层(1)、功分器层(2)以及天线辐射层(3)；所述的天线激励层(1)、功分器层(2)和天线辐射层(3)均包括由下至上依次设置的下表面覆铜层、介质基板层以及上表面覆铜层，下表面覆铜层、介质基板层、上表面覆铜层上均设有金属化槽孔，天线激励层(1)通过金属化槽孔将同轴线TEM波转化为基片集成波导TE₁₀波；天线激励层(1)与同轴线外导体相连接，天线激励层(1)与功分器层(2)之间通过开槽缝隙对电磁波进行耦合，功分器层(2)使耦合的电磁波均分为四份并且使相位依次相差90°通过开槽缝隙馈入到天线辐射层(3)中；所述的天线辐射层(3)具有呈90°旋转对称的四个谐振腔结构天线单元，四个谐振腔结构天线单元均为宽带线极化工作模式，通过分别辐射线极化电磁波，叠加形成圆极化波。

2.根据权利要求1所述的宽频带圆极化基片集成波导天线，其特征在于：天线激励层(1)包括由下至上依次设置的第一下表面覆铜层(101)、第一介质基板层(102)以及第一上表面覆铜层(103)，第一下表面覆铜层(101)与同轴线外导体相连接，第一下表面覆铜层(101)、第一介质基板层(102)和第一上表面覆铜层(103)上位置相对应的设置有同轴馈电通孔、用于连接固定的非金属化通孔以及布置在同轴馈电通孔外周上的金属化槽孔，第一上表面覆铜层(103)的中心位置设置有用于将电磁波耦合至功分器层(2)中的第一耦合开槽缝隙(1033)。

3.根据权利要求2所述的宽频带圆极化基片集成波导天线，其特征在于：所述的功分器层(2)包括由下至上依次设置的第二下表面覆铜层(201)、第二介质基板层(202)以及第二上表面覆铜层(203)，第二下表面覆铜层(201)、第二介质基板层(202)和第二上表面覆铜层(203)上位置相对应的设置有金属化槽孔、用于连接固定的非金属化通孔以及用于预留同轴线焊点位置的空气孔，第二下表面覆铜层(201)上设置有与第一耦合开槽缝隙(1033)位置对应、大小相等的第二耦合开槽缝隙(2012)，第二上表面覆铜层(203)上关于平面中心对称设置有两对馈电开槽缝隙，并且相邻的两个馈电开槽缝隙夹角为90°。

4.根据权利要求3所述的宽频带圆极化基片集成波导天线，其特征在于：所述的天线辐射层(3)包括由下至上依次设置的第三下表面覆铜层(301)、第三介质基板层(302)以及第三上表面覆铜层(303)，第三下表面覆铜层(301)、第三介质基板层(302)和第三上表面覆铜层(303)上位置相对应的设有四个由金属化槽孔组成的矩形单元，以及用于连接固定的非金属化通孔；所述第三下表面覆铜层(301)上每个由金属化槽孔组成的矩形单元内部设置有与馈电开槽缝隙位置对应、大小相等的辐射开槽缝隙，第三上表面覆铜层(303)上在每个由金属化槽孔组成的矩形单元内部设置有矩形开槽结构的天线单元(3032)。

5.根据权利要求4所述的宽频带圆极化基片集成波导天线，其特征在于：天线激励层(1)、功分器层(2)以及天线辐射层(3)上的非金属化通孔位置对应、大小相等，非金属化通孔的数目均为七个，通过非金属化通孔进行各层之间无间隙连接固定。

6.根据权利要求1所述的宽频带圆极化基片集成波导天线，其特征在于：所述的介质基板层均采用Arlon AD430材料制成，相对介电常数为4.3，长宽均为48mm，厚度为2.02mm。

7.根据权利要求1所述的宽频带圆极化基片集成波导天线，其特征在于：所述的下表面覆铜层与上表面覆铜层长宽均为48mm，厚度为0.055mm。

8.根据权利要求1所述的宽频带圆极化基片集成波导天线，其特征在于：所述的金属化槽孔的宽度均为1mm。