CN107437663A - 一种siw角锥天线及其设计方法 - Google Patents

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汪晓光
李丽华
张宇希
董师伶
梁新鹏
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Abstract

本发明属于微波无源器件领域，具体涉及一种SIW角锥天线及其设计方法。该SIW角锥天线，包括SIW传输线和SIW角锥两部分；SIW角锥在E面和H面两面张口，SIW角锥的喉部与SIW传输线相适应连接，完成信号的馈入；SIW角锥的口径与外界相接，完成与自由空间的阻抗匹配和信号辐射。口径宽度即H面长度为同频率下增益为由最佳增益法所得到的矩形波导角锥天线的宽度；口径高度即E面长度t1使口径的等效阻抗与外界空间匹配满足驻波要求；增长SIW角锥的长度可调节驻波；SIW角锥天线的传输线和角锥部分用同种基板构成。本发明实现了一种增益高、带宽宽、前后比高、易于互连的SIW角锥天线。

Description

一种SIW角锥天线及其设计方法
技术领域
本发明属于微波无源器件领域，具体涉及一种SIW角锥天线及其设计方法。
背景技术
基片集成波导(substrate integrated waveguide:SIW)是上世纪90年代提出的一种新型波导结构，其基本结构为在低损耗介质基板上下两面覆以金属铜，基板两边加以金属化通孔阵列。SIW具有损耗低，体积小，成本低，品质因数高，易于与其他无源、有源器件集成的优势，因此，在微波、毫米波通信器件和系统的开发研究领域受到了越来越多的关注。
矩形波导角锥天线具有良好的辐射特性，例如它具有对称的方向图、高的增益和非常宽的带宽，且矩形波导角锥天线易于加工制造，因而在很多应用中都被广泛使用。但是，使用矩形波导来构建角锥天线也有很明显的缺点，比如说体积大、应用中需要转接互连结构。
SIW和传统的矩形波导具有相似的特性，如果能够使用SIW结构来构建角锥天线，则能够大大的减小传输线和互连结构的体积。现有的铣工艺能够直接在聚四氟乙烯上加工SIW角锥，为SIW角锥天线的制造提供了条件。
到目前为止，对于SIW角锥天线的研究都是对H面扇形喇叭天线的研究，H面扇形喇叭天线优势在于易于集成、体积小。但是，H面扇形喇叭天线带宽窄，有高的背向辐射。12年提出的W波段H面扇形喇叭天线，中心频率为91.09GHz，在接近2GHz的带宽内回波损耗小于10.15dB，增益仅有5.04dBi；14年提出的低副瓣改进H面扇形喇叭天线，中心频率为50.8GHz，在接近0.5GHz的带宽内回波损耗小于10dB，增益仅有8.36dBi，前后比为5.91dB。
发明内容
针对上述存在问题或不足，为实现SIW角锥天线高增益、宽带宽、前后比高、易于互连的目的，本发明提供了一种SIW角锥天线及其设计方法。
一种SIW角锥天线，包括SIW传输线和SIW角锥两部分，其特征在于：所述SIW角锥在E面和H面两面张口，SIW角锥的喉部与SIW传输线相适应连接，完成信号的馈入；所述SIW角锥的口径与外界相接，完成与自由空间的阻抗匹配和信号辐射；
所述口径宽度即H面长度由公式a1＝a′确定，其中a′为同频率下增益为由最佳增益法所得到的矩形波导角锥天线的宽度；
所述口径高度即E面长度t1的取值使口径的等效阻抗与外界空间匹配满足驻波要求，口径等效阻抗其中λ0为空间波长，反射系数其中z0为自由空间阻抗，值为377Ω，驻波比
所述SIW角锥的长度L由公式确定，增长角锥长度可以调节驻波；
所述SIW角锥天线的传输线和角锥部分用同种介电常数＜3的基板构成。
上述SIW角锥天线的设计方法，包括以下步骤：
步骤1：选定板材，介电常数为εr，利用SIW和矩形波导的等效公式确定SIW传输线宽度w，高度t，金属通孔直径d和孔间距p；
步骤2：确定SIW角锥天线口径的尺寸以及角锥长度；
天线口径的宽度即H面长度a1取同频率下由最佳增益法所得到的矩形波导角锥天线宽度，即a1＝a′；
天线口径的高度即E面长度t1取值使口径的等效阻抗与外界空间匹配满足驻波要求；
口径等效阻抗其中λ0为空间波长；
反射系数其中z0为自由空间阻抗，值为377Ω；
驻波比
角锥的长度L取天线口径宽度a1与3倍空间波长比值，即增长角锥长度可以调节驻波；
步骤3：在HFSS中按步骤2和步骤1得到的SIW角锥天线参数构建模型，然后调节SIW传输线的高度t，以抑制高次模在喇叭中的传输，得到更均匀的口径照射，得到良好的驻波；
步骤4：将步骤3得到的SIW角锥天线模型于HFSS里，微调参数，得到满足驻波和增益的设计。
上述中自由空间阻抗为377Ω，但是实际仿真中因为天线口径处存在边缘电容，驻波效果优于实际计算值；由于口径的增大，增益提高，而且与自由空间的匹配也变得更好，使得带宽加宽，前后比提高；使用SIW作为传输线，易于与平面电路互连。
本发明的有益效果为：本发明提出了一种增益高、带宽宽、前后比高、易于互连的SIW角锥天线，并给出了设计的参考值。
附图说明
图1为实施例SIW角锥天线的结构图；
图2为实施例SIW角锥天线10GHz的S11参数仿真结果；
图3为实施例SIW角锥天线10GHz的三维场方向图；
图4为实施例SIW角锥天线10GHz的E面直角坐标场方向图；
图5为实施例SIW角锥天线10GHz的H面直角坐标场方向图；
图6为实施例SIW角锥天线8.1GHz的极坐标方向图；
图7为实施例SIW角锥天线12GHz的极坐标方向图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
实施例
一种X波段SIW角锥天线的设计方法，包括以下步骤：
步骤1：利用SIW和矩形波导的等效公式确定SIW宽度w＝16mm，金属通孔直径d＝0.8mm和孔间距p＝1.2mm，选择PolyflonCuflon板材，介电常数为2.1，损耗角正切为0.00045，基板厚度t＝0.508mm；
步骤2：x波段矩形波导角锥天线宽度取45mm，则本次SIW角锥天线口径的宽度a1取45mm；为了满足和外界空间匹配，口径的高t1度取值26mm；角锥长度取L取22.5mm；
步骤3：在HFSS中按步骤2和步骤1得到的SIW角锥天线参数构建模型，然后调节SIW传输线的高度t，在t＝2.8mm，驻波良好；
步骤4：将步骤3得到的SIW角锥天线模型于HFSS里，微调参数，得到满足驻波和增益的设计。最终的设计参数为：w＝13.8mm,d＝0.8mm,p＝1.2mm,t＝2.8mm,t1＝26mm,a1＝50mm,L＝40.3mm；
由图2、3、4、5、6、7、可知，实施例得到的SIW角锥天线在8.1G-12GHz的范围内回波损耗小于-10.62dB，10GHz时最高增益达到12.1dB，E面的半功率波束宽度为56°，H面的半功率波束宽度为37°，前后比为13.79dB。8.1GHz和12GHz时最高增益分别达到10.64GHz和12.6GHz。

Claims (2)

1.一种SIW角锥天线，包括SIW传输线和SIW角锥两部分，其特征在于：所述SIW角锥在E面和H面两面张口，SIW角锥的喉部与SIW传输线相适应连接，完成信号的馈入；SIW角锥的口径与外界相接，完成与自由空间的阻抗匹配和信号辐射；
所述口径宽度即H面长度由公式a1＝a′确定，其中a′为同频率下增益为由最佳增益法所得到的矩形波导角锥天线的宽度；
所述口径高度即E面长度t1的取值使口径的等效阻抗与外界空间匹配满足驻波要求，口径等效阻抗其中λ0为空间波长，反射系数其中z0为自由空间阻抗，值为377Ω，驻波比
所述SIW角锥的长度L由公式确定，增长角锥长度可以调节驻波；
所述SIW角锥天线的传输线和角锥部分用同种介电常数＜3的基板构成。
2.如权利要求1所述SIW角锥天线的设计方法，包括以下步骤：
步骤1、选定板材，介电常数为εr，利用SIW和矩形波导的等效公式确定SIW传输线宽度w，高度t，金属通孔直径d和孔间距p；
步骤2、确定SIW角锥天线口径的尺寸以及角锥长度；
天线口径的宽度即H面长度a1取同频率下由最佳增益法所得到的矩形波导角锥天线宽度，即a1＝a′；
天线口径的高度即E面长度t1取值使口径的等效阻抗与外界空间匹配满足驻波要求；口径等效阻抗其中λ0为空间波长；反射系数其中z0为自由空间阻抗，值为377Ω，驻波比
角锥的长度L取天线口径宽度a1与3倍空间波长比值，即增长角锥长度可以调节驻波；
步骤3、在HFSS中按步骤2和步骤1得到的SIW角锥天线参数构建模型，然后调节SIW传输线的高度t，得到良好的驻波；
步骤4、将步骤3得到的SIW角锥天线模型于HFSS里，微调参数，得到满足驻波和增益的设计。
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