CN107134653B - 基于基片集成波导谐振腔的平面紧凑型缝隙天线阵列 - Google Patents

基于基片集成波导谐振腔的平面紧凑型缝隙天线阵列 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于基片集成波导谐振腔的平面紧凑型缝隙天线阵列，由四个等边三角形背腔单元天线构成。等边三角形背腔单元天线是通过在等边三角形基片集成波导谐振腔上表面中心区域开槽，并由介质板下表面上的接地共面波导进行馈电。三角形基片集成波导谐振腔是通过在上下表面为金属的介质上打三排首尾相接的金属通孔来实现的，当谐振腔工作模式为
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时，电场变化最剧烈的区域在腔体中心处，因此将矩形缝隙开在三角形腔中心处，这样缝隙上便会产生位移电流，电磁波被辐射出去。和矩形或圆形谐振腔相比，等边三角谐振腔有着方便布局，结构紧凑的优点，并且在面积和工作模式相同的条件下，有着更高的辐射效率。

Description

基于基片集成波导谐振腔的平面紧凑型缝隙天线阵列
技术领域
本发明涉及一种基于基片集成波导谐振腔的平面紧凑型缝隙天线阵列，属于微波技术领域。
背景技术
随着现代通信技术的迅速发展和应用，对通信系统的小型化、集成化和高性能化提出了更高的要求。天线是通信系统中一个很重要的组成部分，其性能的好坏，会直接影响到整个系统性能的优劣。传统的背腔缝隙天线具有体积大、结构复杂和成本高等缺点，因此需要去设计重量轻、成本低和易于与平面电路集成的低剖面高增益缝隙天线。
为了减小天线体积，降低加工成本，提高天线辐射效率，提出了一种基于等边三角形谐振腔的平面缝隙单元天线，在保留了传统背腔缝隙天线优点的基础上，天线厚度却远远小于传统背腔缝隙天线，结构更简单，易于和平面电路集成。该单元天线和矩形或圆形谐振腔相比，在面积和工作模式相同的条件下，有着更高的辐射效率，结构更加紧凑，方便布局。因此，基于单元天线结构，合理设计馈电网络，组成结构紧凑的阵列天线。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出基于基片集成波导谐振腔的平面紧凑型缝隙天线阵列，在保留传统背腔缝隙天线优点的基础上，要大大减小天线体积，简化天线结构，降低天线成本和集成复杂度。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
本发明提供一种基于基片集成波导谐振腔的平面紧凑型缝隙天线阵列，包括设置在介质板上的四个等边三角形背腔单元天线，四个等边三角形背腔单元天线成交指状排列分布；每个所述等边三角形背腔单元天线包括设置在介质板上的等边三角形基片集成波导谐振腔、设置在等边三角形基片集成波导谐振腔上表面金属层的中心处的矩形缝隙以及设置在介质板下表面的用于馈电的接地共面波导，其中，接地共面波导从等边三角形基片集成波导谐振腔的一边接入等边三角形基片集成波导谐振腔，且等边三角形基片集成波导谐振腔上表面的矩形缝隙平行于前述接地共面波导接入等边三角形基片集成波导谐振腔的接入边；介质板的下表面还设置有由微带线构成的馈电网络，微带线分别与四个接地共面波导的中心导带连接。
作为本发明的进一步优化方案，所述微带线两侧的介质板上未设置金属层。
作为本发明的进一步优化方案，每个所述接地共面波导的中心导带均与矩形缝隙垂直。
作为本发明的进一步优化方案，四个等边三角形背腔单元天线之间存在间隙。
作为本发明的进一步优化方案，所述由微带线构成的馈电网络包括三个三端口的等功率分配器。
作为本发明的进一步优化方案，每个所述矩形缝隙的长度均为半个谐振波长。
作为本发明的进一步优化方案，所述介质板的厚度远小于介质波长。
作为本发明的进一步优化方案，每个所述等边三角形基片集成波导谐振腔由分别设置在介质板上、下表面的金属层以及设置在介质板上的三排首尾相接的金属化通孔构成。
作为本发明的进一步优化方案，所述金属化通孔的直径大于金属化通孔间距的二分之一且小于波导工作波长的十分之一。
作为本发明的进一步优化方案，所述四条矩形缝隙不在同一直线上。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：在保留了传统背腔缝隙天线高辐射性能优点基础上，本发明中的单元天线结构简单、成本低且更易于和平面电路集成。与矩形或者圆形谐振腔天线相比，等边三角形谐振腔有着方便布局、结构紧凑的有点，并且在面积和工作模式相同的条件下，等边三角形谐振腔天线有着更高的辐射效率。通过合理设计馈电网络，基于单元结构，提出了结构紧凑的错位线阵。该阵列天线的有较高的辐射效率、旁瓣低、方向性强。
附图说明
图1是本发明天线阵列的结构三维结构图。
图2是本发明中单元天线的三维结构图。
图3是本发明中单元天线的俯视图。
图4是本发明中单元天线的仰视图。
图5是本发明中天线阵列的馈电网络。
其中，1-矩形缝隙，2-上层金属层，3-金属通孔，4-微带线，5-接地共面波导，6-下层金属层，7-介质板。
图6是本发明中单元天线实施例的仿真电场等值线分布图。
图7是本发明中单元天线实施例的仿真和测量的S参数图。
图8是本发明中单元天线实施例的仿真E面增益方向图。
图9是本发明中单元天线实施例的仿真H面增益方向图。
图10是本发明中天线阵列实施例的仿真电场等值线分布图。
图11是本发明中天线阵列实施例的仿真和测量的S参数图。
图12是本发明中天线阵列实施例的仿真E面增益方向图。
图13是本发明中天线阵列实施例的仿真H面增益方向图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明公开了一种基于基片集成波导谐振腔的平面紧凑型缝隙天线阵列，由四个等边三角形背腔单元天线构成。单元天线是通过在等边三角形基片集成波导谐振腔上表面中心区域开槽，并由介质板下表面上的接地共面波导进行馈电。三角形基片集成波导谐振腔是通过在上下表面为金属的介质上打三排首尾相接的金属通孔来实现的，当谐振腔工作模式为时，电场变化最剧烈的区域在腔体中心处，因此将矩形缝隙开在三角形腔中心处，这样缝隙上便会产生位移电流，电磁波被辐射出去。和矩形或圆形谐振腔相比，等边三角谐振腔有着方便布局，结构紧凑的优点，并且在面积和工作模式相同的条件下，有着更高的辐射效率。因此，通过合理设计馈电网络，组成了1*4的错位天线阵。该阵列天线保留了传统背腔缝隙天线辐射性能好的优点：方向性强、旁瓣低。同时整个天线，包括辐射结构、馈电结构和背腔完全制作在单层介质板上，大大减小了加工复杂度，降低了加工成本，也让平面电路集成变得更加容易。
本发明提供一种基于基片集成波导谐振腔的平面紧凑型缝隙天线阵列，其结构如图1所示。本发明的天线阵列包括设置在介质板上的四个等边三角形背腔单元天线，四个等边三角形背腔单元天线成交指状排列分布。如图2至图4所示，每个所述等边三角形背腔单元天线包括设置在介质板上的等边三角形基片集成波导谐振腔、设置在等边三角形基片集成波导谐振腔上表面金属层的中心处的矩形缝隙以及设置在介质板下表面的用于馈电的接地共面波导，其中，接地共面波导从等边三角形基片集成波导谐振腔的一边接入等边三角形基片集成波导谐振腔，且等边三角形基片集成波导谐振腔上表面的矩形缝隙平行于前述接地共面波导接入等边三角形基片集成波导谐振腔的接入边；其中，等边三角形基片集成波导谐振腔是由分别设置在介质板上、下表面的金属层以及设置在介质板上的三排首尾相接的金属化通孔构成。本发明中，相邻单元天线的放置方式相反，矩形缝隙作为辐射缝隙，辐射缝隙不在同一直线上，但相邻两缝隙的垂直间距较小，形成错位线阵。
介质板的下表面还设置有由微带线构成的馈电网络，微带线分别与四个接地共面波导的中心导带连接。由微带线构成的馈电网络包括三个三端口的等功率分配器，如图5所示，端口Port2和端口Port3输出电流的相位相同，端口Port4和端口Port5输出电流的相位相同，且端口Port2、3和端口Port2、4的电流相位差为180度。
为了使能量泄露被抑制到几乎可以忽略的程度，等边三角形基片集成波导谐振腔的金属化通孔直径大于金属化通孔间距的二分之一且小于波导工作波长的十分之一，且介质板的厚度要远远小于介质波长。矩形辐射缝隙位于谐振腔体上层金属层的中心，平行于一排金属通孔，长度约为介质波长的二分之一，这样才能保证天线在其他结构参数相同的情况下，有着更好的辐射效率。
接地共面波导位于下层金属层，垂直于矩形辐射缝隙。为满足阻抗匹配要求，可通过调节共面波导伸入腔体的长度，以达到降低反射系数的目的。为了方便测量，接地共面波导的中心导带和等宽的微带线相连。对于等边三角形基片集成波导谐振腔，电场变化最剧烈的区域位于谐振腔边缘，在矩形辐射缝隙中会产生垂直于缝隙的电场，电磁波便被辐射出去。
利用三维电磁仿真软件对所提出的单元天线结构进行仿真，可得到如图6所示的介质板中电场等值线的分布图，可以看出，天线的工作模式为TE 120模，从图7可以看出，天线仿真的工作中心频率为12.1GHz，-10dB阻抗带宽为150MHz，在工作带宽内，天线的仿真回波损耗最低达到-33.9dB，所以满足阻抗匹配要求。当天线工作在8.25GHz时，E面和H面的主极化和交叉极化的远场辐射方向图分别如图8和图9表示，可以看出，在-40度到40度之间，天线两辐射面的主极化方向图几乎一致，天线两个切面的交叉极化都处于非常低的水平，天线的辐射性能较好，辐射效率高。仿真得到的E面和H面的半功率波束宽度分别为114度和81度。
和矩形或圆形谐振腔相比，等边三角谐振腔有着方便布局，结构紧凑的优点，并且在面积和工作模式相同的条件下，有着更高的辐射效率。因此，通过合理设计馈电网络，组成了1*4的错位天线阵。介质板中电场等值线的分布如图10所示，可以看出，4个辐射缝隙上产生的横向电流方向相同。从图11可以看出，在工作带宽内，阵列天线仿真的中心工作频率为12.13GHz，-10dB阻抗带宽为160MHz，回波损耗最低达到-30.3dB，阻抗匹配性能较好。另外阵列天线随工作频率变化的仿真增益也绘制在图10中，结果表明在以中心工作频率为中心的小范围频段内，阵列天线获得了较高的增益，仿真最大增益值为10.88dB，是在12.13GHz频点实现的。天线工作在谐振频率时，E面和H面的主极化和交叉极化的远场辐射方向图分别如图11和图12表示，可以看出，天线两个切面的交叉极化都处于非常低的水平。不难发现该阵列天线E面上的主极化方向图和阵元E面上的主极化方向图变化趋势大体上一致，这是由于阵元间距非常小，可以近似认为该阵列天线的阵元排布在同一条直线上，即在ox方向只存在一个阵元。另外，从天线H面方向图可以看出，第一旁瓣要比主瓣低12dB左右，该阵列天线保留了传统背腔缝隙天线辐射性能好的优点，同时方向性强，且旁瓣低。
除此之外，整个平面紧凑型缝隙天线阵列，包括辐射结构、馈电结构和背腔单元完全制作在单层介质板上，大大减小了加工复杂度，降低了加工成本，也让平面电路集成变得更加容易。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.基于基片集成波导谐振腔的平面紧凑型缝隙天线阵列，其特征在于，包括设置在介质板上的四个等边三角形背腔单元天线，四个等边三角形背腔单元天线成交指状排列分布，相邻等边三角形背腔单元天线的放置方式相反；
每个所述等边三角形背腔单元天线包括设置在介质板上的等边三角形基片集成波导谐振腔、设置在等边三角形基片集成波导谐振腔上表面金属层的中心处的矩形缝隙以及设置在介质板下表面的用于馈电的接地共面波导，其中，接地共面波导从等边三角形基片集成波导谐振腔的一边接入等边三角形基片集成波导谐振腔，且等边三角形基片集成波导谐振腔上表面的矩形缝隙平行于前述接地共面波导接入等边三角形基片集成波导谐振腔的接入边；
介质板的下表面还设置有由微带线构成的馈电网络，所述由微带线构成的馈电网络包括第一至第三三端口等功率分配器，第一三端口等功率分配器的输出端口分别连接四个等边三角形背腔单元天线中放置方式相同的两个等边三角形背腔单元天线中的接地共面波导的中心导带，第二端口等功率分配器的输出端口分别连接四个等边三角形背腔单元天线中放置方式相同的另两个等边三角形背腔单元天线中的接地共面波导的中心导带，第三三端口等功率分配器的输出端口分别连接第一和第二三端口等功率分配器的输入端口，且第三三端口等功率分配器的输出端口至第一三端口等功率分配器的输入端口间的微带线长度与第三三端口等功率分配器的输出端口至第二三端口等功率分配器的输入端口间的微带线长度相差半个波长，使得第一和第二三端口等功率分配器的输出端口的电流相位差为180度。
2.根据权利要求1所述的基于基片集成波导谐振腔的平面紧凑型缝隙天线阵列，其特征在于，所述微带线两侧的介质板上未设置金属层。
3.根据权利要求1所述的基于基片集成波导谐振腔的平面紧凑型缝隙天线阵列，其特征在于，每个所述接地共面波导的中心导带均与矩形缝隙垂直。
4.根据权利要求1所述的基于基片集成波导谐振腔的平面紧凑型缝隙天线阵列，其特征在于，四个等边三角形背腔单元天线之间存在间隙。
5.根据权利要求1所述的基于基片集成波导谐振腔的平面紧凑型缝隙天线阵列，其特征在于，每个所述矩形缝隙的长度均为半个谐振波长。
6.根据权利要求1所述的基于基片集成波导谐振腔的平面紧凑型缝隙天线阵列，其特征在于，所述介质板的厚度远小于介质波长。
7.根据权利要求1所述的基于基片集成波导谐振腔的平面紧凑型缝隙天线阵列，其特征在于，每个所述等边三角形基片集成波导谐振腔由分别设置在介质板上、下表面的金属层以及设置在介质板上的三排首尾相接的金属化通孔构成。
8.根据权利要求7所述的基于基片集成波导谐振腔的平面紧凑型缝隙天线阵列，其特征在于，所述金属化通孔的直径大于金属化通孔间距的二分之一且小于波导工作波长的十分之一。
9.根据权利要求1所述的基于基片集成波导谐振腔的平面紧凑型缝隙天线阵列，其特征在于，所述四条矩形缝隙不在同一直线上。
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