CN107134651A - 一种加载偶极子阵列的基片集成波导的平面喇叭天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种加载偶极子阵列的基片集成波导的平面喇叭天线，包括依次设置的第一介质层、介质基片和第二介质层，其中介质基片上设置有集成波导的平面喇叭天线；第一介质层和第二介质层上对应所述平面喇叭天线口面处分别设置有第一偶极子阵列和第二偶极子阵列。本发明通过在介质基片的上下加载两片介质板，增大了平面喇叭天线的带宽；使用PCB技术，将三层介质片用结构件固定在一起，且所有结构均集成在基片中，无对加工精度要求很高的结构，在毫米波器件加工中极大节省了加工成本；加载偶极子阵列后与天线口面一起形成惠更斯元，引导电磁波定向端射辐射，使得本发明的加载偶极子阵列的基片集成波导的平面喇叭天线具有增益高、后向辐射低的特点。

Description

一种加载偶极子阵列的基片集成波导的平面喇叭天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域。更具体地，涉及一种使用基片集成波导的加载偶极子阵列的平面喇叭天线。

背景技术

喇叭天线是一种经典、结构简单、性能稳定的天线，既可以作为独立的天线，也可以用作其他天线的馈源。喇叭天线属于面天线，波导管终端渐变张开的圆形或矩形截面的微波天线，是使用最广泛的一类微波天线。喇叭天线可以分为四类：一、如图1(a)所示的圆波导馈电的喇叭一般是圆锥喇叭；二、矩形波导馈电的喇叭根据扩展的形式不同分为三种喇叭，即，如图1(b)所示的由扩展其窄边形成的E面扇形喇叭、如图1(c)所示的由扩展其宽边形成的H面扇形喇叭、如图1(d)所示的由扩展其宽边和窄边形成的角锥喇叭；三、TEM喇叭；四、脊波导喇叭。它的辐射场是由喇叭的口面尺寸与传播型决定的。其中，喇叭壁对辐射的影响可以利用几何绕射的原理来进行计算。如果喇叭的长度保持不变，口面尺寸与二次方相位差会随着喇叭张角的增大而增大，但增益则不会随着口面尺寸变化。如果需要扩展喇叭的频带，则需要减小喇叭颈部与口面处的反射；反射会随着口面尺寸加大反而减小。喇叭天线的结构比较简单，方向图也比较简单而容易控制，一般作为中等方向性天线。频带宽、腹瓣低和效率高的抛物反射面喇叭天线常用于微波中继通信。

基片集成波导SIW(Substrate integrated waveguide)是一种新的微波传输线形式，其利用金属通孔在介质基片上实现波导的场传播模式。SIW是介于微带与介质填充波导之间的一种传输线，SIW兼顾传统波导和微带传输线的优点，可实现高性能微波毫米波平面电路。如图2所示，基于基片集成波导的喇叭天线的提出，使得传统金属壁喇叭能够在介质基板上实现，这种平面喇叭天线体积小，加工简单，便于集成。这些优势在毫米波频段显得尤为关键。

虽然基片集成波导喇叭天线解决了传统金属壁喇叭体积大，不易集成的缺点，却也引入了新的问题：

(1)、由于采用了介质基片，使得喇叭天线在其口径处与空气存在不连续性，这种不连续性直接导致了喇叭天线的匹配变差，从而限制了带宽；

(2)、由于基片集成波导的厚度与波长相比相对较小，也进一步增加了口面处与空气的不连续性。

在毫米波应用中，高速率的数据传输往往需要较宽的带宽，且希望在宽带范围内增益平稳。因此，需要提供一种加载偶极子阵列的基片集成波导的平面喇叭天线。

发明内容

本发明的目的在于提供一种使用基片集成波导的加载偶极子阵列的、便于集成、带宽宽、增益高、后向辐射低的平面喇叭天线。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种加载偶极子阵列的基片集成波导的平面喇叭天线，包括依次设置的第一介质层、介质基片和第二介质层，其中

介质基片上设置有集成波导的平面喇叭天线；

第一介质层和第二介质层上对应平面喇叭天线口面处分别设置有第一偶极子阵列和第二偶极子阵列。

优选地，第一介质层远离介质基片一侧设置有第一结构件，第二介质层远离介质基片一侧设置有第二结构件。

进一步优选地，第一和第二结构件为环氧板。

优选地，环氧板介电常数为4～4.5。

优选地，第一和第二偶极子阵列包括对应设置的均匀分布的多个金属化通孔。

进一步优选地，第一介质层和第二介质层厚度相同，金属化通孔高度与第一介质层和第二介质层厚度相同。

优选地，金属化通孔设置于金属化圆环内。

优选地，平面喇叭天线口面处与对应介质基片的边缘处设置有延长区，用于加载第一和第二偶极子阵列和进行天线匹配。

优选地，平面喇叭天线还包括用于将空气波导转为基片集成波导的馈电结构，馈电结构在远离平面喇叭天线口面一侧设置，空气波导为标准Ka频段空气波导。

进一步优选地，介质基片包括与馈电结构相连的输入转接结构。

本发明的有益效果如下：

本发明的一种加载偶极子阵列的基片集成波导的平面喇叭天线，通过在介质基片的上下加载两片介质板，增大了平面喇叭天线的带宽；使用PCB技术，将三层介质片用结构件固定在一起，且所有结构均集成在基片中，无对加工精度要求很高的结构，在毫米波器件加工中极大节省了加工成本；加载偶极子阵列后与天线口面一起形成惠更斯元，引导电磁波定向端射辐射，使得本发明的加载偶极子阵列的基片集成波导的平面喇叭天线具有增益高、后向辐射低的特点。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出喇叭天线的结构与分类。

图2示出基于基片集成波导的平面喇叭天线结构示意图。

图3示出示例中喇叭天线的三维结构图。

图4示出示例中喇叭天线的侧视图。

图5示出示例中喇叭天线第一介质层的俯视图。

图6示出示例中喇叭天线的介质基片的俯视图。

图7示出天线S参数设计结果。

图8(a)示出示例中喇叭天线H面28GHz频点辐射方向图。

图8(b)示出示例中喇叭天线E面28GHz频点辐射方向图。

图9(a)示出示例中喇叭天线H面33GHz频点辐射方向图。

图9(b)示出示例中喇叭天线E面33GHz频点辐射方向图。

图10(a)示出示例中喇叭天线H面38GHz频点辐射方向图。

图10(b)示出示例中喇叭天线E面38GHz频点辐射方向图。

图11示出天线的增益与频率的曲线。

附图中：1、第一结构件；2、金属圆环；3、金属化通孔；4、第一介质层；5、介质基片；6、第二介质层；7、第二结构件；8、高度渐变的空气矩形波导；9、前端金属化通孔；10、金属圆环；11、金属层；12、延伸部；13、介质板；14、中端金属化通孔；15、后端金属化通孔。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

本发明中，通过在普通基片集成波导H面喇叭天线的基础上，在天线口径上下分别加载了介质层，并且在加载的介质中，通过金属化通孔的形式，引入了偶极子阵列。本发明中使用基片集成波导的加载偶极子阵列的平面喇叭天线，具有便于集成、带宽宽、增益高、后向辐射低的优点。

一种加载偶极子阵列的基片集成波导的平面喇叭天线，包括依次设置的第一介质层、介质基片和第二介质层，其中介质基片上设置有集成波导的平面喇叭天线；第一介质层和第二介质层上对应平面喇叭天线口面处分别设置有第一偶极子阵列和第二偶极子阵列。第一介质层远离介质基片一侧设置有第一结构件，第二介质层远离介质基片一侧设置有第二结构件。

本发明中，第一和第二结构件为环氧板。环氧板介电常数为4～4.5。第一和第二偶极子阵列包括对应设置的均匀分布的多个金属化通孔。第一介质层和第二介质层厚度相同，金属化通孔高度与第一介质层和第二介质层厚度相同。金属化通孔设置于金属化圆环内。平面喇叭天线口面处与对应介质基片的边缘处设置有延长区，用于加载第一和第二偶极子阵列和进行天线匹配。平面喇叭天线还包括用于将空气波导转为基片集成波导的馈电结构，馈电结构在远离平面喇叭天线口面一侧设置，空气波导为标准Ka频段空气波导。

本发明中，所增加的介质层和偶极子阵列可以作为阻抗匹配结构，调节原有喇叭天线的输入阻抗特性，从而改善天线的带宽特性。通过延伸和增加介质层，以及增加偶极子天线阵列，部分辐射能量可以从原有喇叭的辐射口径耦合至偶极子阵列，从而使得阵列产生辐射。偶极子阵列和原有喇叭口径的辐射场叠加，共同产生具有单向性的辐射场，从而改善和提升天线的辐射特性。

以H面喇叭天线为例进行说明如下：

如图3、图4所示，本示例中，加载偶极子阵列的基片集成波导的H面喇叭天线包括：依次设置的第一结构件1、第一介质层4、介质基片5、第二介质层6和第二结构件7，设置于远离平面喇叭天线口面一侧用于将空气波导转为基片集成波导的馈电结构。

其中，介质基片5为普通的基片集成波导H面喇叭天线，介质基片5上设置有与馈电结构相连的输入转接结构。第一介质层4和第二介质层6为两层加载的介质板，介质板上有均匀分布的金属化通孔3作为加载的偶极子阵列。第一结构件1和第二结构件7为环氧板，两层环氧板作为结构件固定三层结构的H面喇叭天线。

本示例中，如图5所示，第一介质层4作为加载层，在前端有均匀分布的前端金属化通孔9，数量为11个，通孔间隔为2.2mm，通孔直径为0.8mm。介质厚度为1.52mm，长度为40mm，宽度为30mm。金属圆环2的直径为1.0mm，厚度为0.035mm，便于将通孔金属化。喇叭天线所用的介质板和上下加载的介质板均为Rogers3003，厚度为1.52mm。偶极子阵列在天线口径上均匀分布，高度与介质板厚度相同，外径为0.8mm。环氧板介电常数为4-4.5，厚度为3mm。

本示例中，如图6所示，介质基片5是一个普通的基片集成波导H面喇叭天线，天线前端介质12延长2mm便于加载偶极子阵列且有利于天线匹配。金属圆环10与金属圆环2尺寸相同，与厚度为0.035mm的金属层11连接。后端金属化通孔15直径为0.8mm，周期为1.4mm。喇叭张开部分的中端金属化通孔14直径也为0.8mm，喇叭口面宽度为24mm。介质板13与铝制高度渐变的空气矩形波导8一起组成基片集成波导转空气波导的转接结构，并由标准Ka频段空气波导馈电。高度渐变的空气矩形波导8与介质板13一起组成空气波导转基片集成波导的转接结构，高度渐变的空气矩形波导8的右边是一个尺寸为标准Ka频段的矩形波导输入口，另接标准Ka频段空气波导转同轴的结构作为馈电结构，以便于测试。介质基片5整体结构为长方形，厚度为1.52mm，长度为51mm，宽度为30mm。且整个天线是对称结构，第二层介质层6与第一层介质层4相同，对称分布于介质基片5上下。

图7为测试和仿真的|S11|曲线，其-10dB带宽大于42.4％，即由图7可看出天线阻抗带宽大于42.4％，测试结果与仿真结果吻合较好，可以覆盖整个Ka频带。图8～10为天线带宽内三频点的方向图，在整个带宽方向图都较优，前后比低于-20dB，交叉极化低于-25dB。图11为天线的增益与频率的曲线。

需要说明的是，天线的物理尺寸与天线的工作频率有关，因此给出的尺寸范围采用工作波长归一化。原有喇叭天线所在的介质层的厚度为0.02-0.7λ_g，λ_g为中心频率对应的介质波长。所增加介质层的厚度为0.15-0.35λ_g。所增加的偶极子天线的数量与原有喇叭天线的口径宽度有关，相邻偶极子天线的间隔不大于λ_g。

应注意的是，本发明的加载偶极子阵列的基片集成波导的平面喇叭天线并不仅限于H面。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种加载偶极子阵列的基片集成波导的平面喇叭天线，其特征在于，包括依次设置的第一介质层、介质基片和第二介质层，其中

所述介质基片上设置有集成波导的平面喇叭天线；

所述第一介质层和第二介质层上对应所述平面喇叭天线口面处分别设置有第一偶极子阵列和第二偶极子阵列。

2.根据权利要求1所述的平面喇叭天线，其特征在于，所述第一介质层远离所述介质基片一侧设置有第一结构件，所述第二介质层远离所述介质基片一侧设置有第二结构件。

3.根据权利要求2所述的平面喇叭天线，其特征在于，所述第一和第二结构件为环氧板。

4.根据权利要求1所述的平面喇叭天线，其特征在于，所述环氧板介电常数为4～4.5。

5.根据权利要求1所述的平面喇叭天线，其特征在于，所述第一和第二偶极子阵列包括对应设置的均匀分布的多个金属化通孔。

6.根据权利要求5所述的平面喇叭天线，其特征在于，所述第一介质层和第二介质层厚度相同，所述金属化通孔高度与所述第一介质层和第二介质层厚度相同。

7.根据权利要求5所述的平面喇叭天线，其特征在于，所述金属化通孔设置于金属化圆环内。

8.根据权利要求1所述的平面喇叭天线，其特征在于，所述平面喇叭天线口面处与对应介质基片的边缘处设置有延长区，用于加载所述第一和第二偶极子阵列和进行天线匹配。

9.根据权利要求1所述的平面喇叭天线，其特征在于，所述平面喇叭天线还包括用于将空气波导转为基片集成波导的馈电结构，所述馈电结构在远离所述平面喇叭天线口面一侧设置，所述空气波导为标准Ka频段空气波导。

10.根据权利要求9所述的平面喇叭天线，其特征在于，所述介质基片包括与所述馈电结构相连的输入转接结构。