CN107196069B - 紧凑型基片集成波导背腔缝隙天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种紧凑型基片集成波导背腔缝隙天线，由两个等腰直角三角形背腔单元天线构成。单元天线是通过在等腰直角三角形基片集成波导谐振腔上表面中心对称区域开形缝隙，并由介质板下表面上的接地共面波导进行馈电。等腰直角三角形基片集成波导谐振腔工作模式为
Figure 100004_DEST_PATH_IMAGE002
模时，电场变化最剧烈的区域在腔体对称中心处，因此将矩形缝隙开在三角形腔对称中心处，缝隙上便会产生横向电场，电磁波被辐射到自由空间。本发明保留了传统背腔缝隙天线辐射性能好的优点，结构紧凑，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，大大减小了结构复杂度，降低了加工成本，也让平面电路集成变得更加容易。

Description

紧凑型基片集成波导背腔缝隙天线
技术领域
本发明涉及一种紧凑型基片集成波导背腔缝隙天线，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，提出了一种紧凑型基片集成波导背腔缝隙天线，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，利用微带三端口等功率分配器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一种紧凑型基片集成波导背腔缝隙天线，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：
本发明提供一种紧凑型基片集成波导背腔缝隙天线，包括设置在介质板上的两个等腰直角三角形背腔单元天线；每个所述等腰直角三角形背腔单元天线包括设置在介质板上的等腰直角三角形基片集成波导谐振腔、设置在等腰直角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，接地共面波导从等腰直角三角形基片集成波导谐振腔的一条直角边接入等腰直角三角形基片集成波导谐振腔，等腰直角三角形基片集成波导谐振腔上表面的矩形缝隙垂直于等腰直角三角形基片集成波导谐振腔的斜边；两个所述等腰直角三角形基片集成波导谐振腔斜边所在的侧壁相接，构成正方形天线阵；介质板的下表面还设置有由微带线构成的馈电网络，微带线分别与两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，所述微带线与接地共面波导的中心导带等宽。
作为本发明的进一步优化方案，每个所述等腰直角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，金属化通孔间的距离小于金属化通孔直径的两倍。
作为本发明的进一步优化方案，矩形缝隙的长度为半个谐振波长。
作为本发明的进一步优化方案，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，所述由微带线构成的馈电网络是一个微带三端口等功率分配器。
作为本发明的进一步优化方案，两条所述矩形缝隙在同一直线上。
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，三角形谐振腔天线有着方便布局、结构紧凑的有点，并且在面积和工作模式相同的条件下，三角形谐振腔天线有着更高的辐射效率。利用三端口等功率分配器将单元天线结构组成正方形二单元天线阵列，该阵列天线结构紧凑，和单元结构相比方向性较强，并且辐射效率高。
附图说明
图1是本发明中阵列天线实施例的三维结构图。
图2是本发明中阵列天线实施例的俯视图。
图3是本发明中阵列天线实施例的仰视图。
图4是本发明中单元天线的三维结构图。
图5是本发明中单元天线的俯视图。
图6是本发明中单元天线的仰视图。
其中，1-微带线；2-接地共面波导；3-介质板，4-金属化通孔；5-上层金属层；6-矩形辐射缝隙；7-下层金属层。
图7是本发明中单元天线实施例的仿真电场等值线分布图。
图8是本发明中单元天线实施例的仿真的S参数图。
图9是本发明中单元天线实施例的仿真E面方向图。
图10是本发明中单元天线实施例的仿真H面方向图。
图11是本发明中阵列天线实施例的仿真电场等值线分布图。
图12是本发明中阵列天线实施例的仿真的S参数图。
图13是本发明中阵列天线实施例的仿真E面方向图。
图14是本发明中阵列天线实施例的仿真H面方向图。
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：
本发明公开了一种紧凑型基片集成波导背腔缝隙天线，由两个等腰直角三角形背腔单元天线构成。等腰直角三角形背腔单元天线是通过在等腰直角三角形基片集成波导谐振腔上表面中心对称区域开矩形缝隙，并由介质板下表面上的接地共面波导进行馈电来实现的。而，等腰直角三角形基片集成波导谐振腔是由三排首尾相接的金属化通孔、介质板和介质板上下表面的两层金属层构成的。当谐振腔体工作模式为
Figure DEST_PATH_IMAGE002
模时，电场变化最剧烈的区域在腔体对称中心处，因此将矩形缝隙开在谐振腔的对称中心处，且垂直于等腰直角三角形谐振腔的斜边，矩形缝隙上便会产生横向电场，电磁波被辐射到自由空间。和矩形或这圆形谐振腔相比，等腰直角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。接着，采用三端口等功率分配器，组成了二单元正方形天线阵。该正方形天线中，两个用于馈电的接地共面波导分别设置在正方形天线阵的一对对边上。该正方形天线阵保留了传统背腔缝隙天线辐射性能好的优点，结构紧凑，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，大大减小了结构复杂度，降低了加工成本，也让平面电路集成变得更加容易。
接地共面波导位于等腰直角三角形基片集成波导谐振腔下表面，可通过调节接地共面波导伸入谐振腔体内的长度，来达到降低反射系数的目的。为了使测量方便，将接地共面波导的中心导带与等宽度的50欧姆微带线相连接。50欧姆微带线构成一个微带三端口等功率分配器作为馈电网络，将两个单元天线结构组成阵列天线，另外两单元天线的输入信号相位差为180度。
本发明一种紧凑型基片集成波导背腔缝隙天线，其结构如图1至图6所示，包括设置在介质板上的两个等腰直角三角形背腔单元天线；每个所述等腰直角三角形背腔单元天线包括设置在介质板上的等腰直角三角形基片集成波导谐振腔、设置在等腰直角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，接地共面波导从等腰直角三角形基片集成波导谐振腔的一条直角边接入等腰直角三角形基片集成波导谐振腔，等腰直角三角形基片集成波导谐振腔上表面的矩形缝隙垂直于等腰直角三角形基片集成波导谐振腔的斜边；两个所述等腰直角三角形基片集成波导谐振腔斜边所在的侧壁相接，构成正方形天线阵；介质板的下表面还设置有由微带线构成的馈电网络，微带线分别与两个接地共面波导的中心导带连接。
本发明的整个天线单元，包括矩形辐射缝隙和馈电结构都被制作在基片集成波导谐振腔上，其中，等腰直角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。为了使谐振腔的能量泄露被抑制到几乎可以忽略的水平，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。接地共面波导蚀刻在下层金属面，从谐振腔体的一条直边处伸入，为了方便测量，接地共面波导的中心导带和等宽带的50欧姆微带线相连。矩形辐射缝隙位于谐振腔体上层金属面的对称中心处，且垂直于谐振腔体的斜边，长度约为谐振波长的二分之一，，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。对于等腰直角三角形基片集成波导谐振腔，谐振腔对称中心区域的电场变化剧烈，因此矩形辐射缝隙上便会产生横向电场，电磁能量被辐射到自由空间。
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7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，缝隙处电场强度最大。从图8可以看出，天线仿真的工作中心频率为10.02GHz，在工作带宽内，天线的仿真回波损耗最低达到-38.7dB，所以很好地满足了阻抗匹配要求。当天线谐振在中心工作频率时，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9和图10表示，可以看出，天线两个切面的交叉极化都处于较低的水平，天线的辐射性能较好，辐射效率高。
和矩形或圆形基片集成波导谐振腔相比，等腰直角三角基片集成波导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，采用微带三端口等功率分配器，组成了1*2的正方形天线阵，其中，微带三端口等功率分配器是非对称结构，天线两输入信号存在180度相位差。
介质板中电场等值线的分布如图11所示，辐射缝隙处电场强度最大，两个辐射结构产生的横向电流方向相同。从图12可以看出，在工作带宽内，阵列天线和单元天线结构的仿真中心工作频率相同，回波损耗最低达到-39.6dB，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12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8.17dB，是在中心工作频点处实现的。天线谐振在中心工作频率时，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13和图14表示，可以看出，天线两个切面的交叉极化都处于较低的水平。可以看出，该阵列天线保留了传统背腔缝隙天线辐射性能好的优点，同时较单元天线而言，天线阵方向性较强，并且最大增益提高了2.5dB左右。除此之外，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。
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 (8)

1.紧凑型基片集成波导背腔缝隙天线，其特征在于，包括设置在介质板上的两个等腰直角三角形背腔单元天线；每个所述等腰直角三角形背腔单元天线包括设置在介质板上的等腰直角三角形基片集成波导谐振腔、设置在等腰直角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，接地共面波导从等腰直角三角形基片集成波导谐振腔的一条直角边接入等腰直角三角形基片集成波导谐振腔，等腰直角三角形基片集成波导谐振腔上表面的矩形缝隙垂直于等腰直角三角形基片集成波导谐振腔的斜边；
两个所述等腰直角三角形基片集成波导谐振腔斜边所在的侧壁相接，构成正方形天线阵；
介质板的下表面还设置有由微带线构成的馈电网络，微带线分别与两个接地共面波导的中心导带连接。
2.根据权利要求1所述的紧凑型基片集成波导背腔缝隙天线，其特征在于，所述微带线与接地共面波导的中心导带等宽。
3.根据权利要求1所述的紧凑型基片集成波导背腔缝隙天线，其特征在于，每个所述等腰直角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。
4.根据权利要求3所述的紧凑型基片集成波导背腔缝隙天线，其特征在于，金属化通孔间的距离小于金属化通孔直径的两倍。
5.根据权利要求1所述的紧凑型基片集成波导背腔缝隙天线，其特征在于，矩形缝隙的长度为半个谐振波长。
6.根据权利要求1所述的紧凑型基片集成波导背腔缝隙天线，其特征在于，介质板的厚度小于介质波长。
7.根据权利要求1所述的紧凑型基片集成波导背腔缝隙天线，其特征在于，所述由微带线构成的馈电网络是一个微带三端口等功率分配器。
8.根据权利要求1所述的紧凑型基片集成波导背腔缝隙天线，其特征在于，两条所述矩形缝隙在同一直线上。
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