CN108550987A - 一种基于siw的双频缝隙阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于SIW的双频缝隙阵列天线，包括双层介质基板，上层介质板上表面为印刷金属馈线，下层介质基板上表面覆铜后刻蚀馈电缝隙、低频辐射缝隙和高频辐射缝隙，下表面覆铜，并且在下层介质板四边加金属化过孔，将两层介质版组装重叠，下层介质板和其上下表面的金属将会形成一个SIW腔，能量由上层的印刷金属馈线通过馈电缝隙进入下层的SIW腔并形成TE20模，实现了不同频段的辐射，低频辐射阵列分列于天线中轴线两侧，高频辐射阵列位于中轴线上，实现了双频天线的设计和较好的方向图辐射效果。本发明可同时用于微波波段和毫米波波段应用，增益高、带宽宽、损耗小、低剖面、易加工。
Description
技术领域
本发明涉及微波和毫米波技术领域，尤其涉及一种基于SIW的双频缝隙阵列天线。
背景技术
基于SIW结构的器件以其易集成和低损耗的优点被广泛运用于微波和毫米波应用领域(如滤波器，天线，功率分配器等)，高次模可以解决由于频率升高而产生的误差问题；而且，频率大于波导截止频率的电磁波可以在波导中传播，这个特性提供了多频率传输的可能，多频带天线的利用可以减少整个系统中应用的天线数量，从而使得系统的稳定性得以提高；此外，缝隙天线损耗低，结构简单，所以常常用在高速飞机上。因此具有上述特性的天线将在微波和毫米波通信系统中具有重大的理论意义和工程价值。
虽然近来已经提出并研究了基于SIW的各种多频缝隙天线，然而就目前而言，很少有设计可以实现较大的频率间隔，因此很难突破应用场景的局限性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供了一种基于SIW的双频缝隙阵列天线，可同时用于微波波段和毫米波波段，具有带宽宽、损耗小、低剖面、易加工、成本低的特点。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种基于SIW的双频缝隙阵列天线，包含上层介质基板和下层介质基板；
所述上层介质基板、下层介质基板为大小相同的矩形，上层介质基板重叠并固定在所述下层介质基板上形成天线，下层介质基板两条短边中点的连线和天线的中轴线在同一条直线上；
所述上层介质板上表面印刷有金属馈线；
所述下层介质基板的上表面覆铜后刻蚀有馈电缝隙、2X条低频辐射缝隙和Y条高频辐射缝隙，下表面覆铜作为地，X为大于等于1的自然数，Y为大于等于2的自然数；
所述下层介质基板上设有若干贯穿其上下表面覆铜的金属化过孔，所述若干金属化过孔形成关于天线中轴线对称的呈矩形的SIW腔，将所述馈电缝隙、2X条低频辐射缝隙和Y条高频辐射缝隙包含在其内；
所述馈电缝隙位于所述天线的中轴线上，所述金属馈线末端位于馈电缝隙正上方，用于将能量通过馈电缝隙耦合进入下层的SIW腔并形成TE20模；
所述2X条低频辐射缝隙均和天线的中轴线平行、对应设置在所述TE20模的两个基膜上、关于天线的中轴线对称，形成低频缝隙阵列，工作频率为预先设定的第一工作频段；
所述Y个高频辐射缝隙等距设置、均垂直于天线的中轴线，且均关于天线的中轴线自身对称，形成高频缝隙阵列，工作频率为预先设定的第二工作频段，所述第二工作频段高于所述第一工作频段。
作为本发明一种基于SIW的双频缝隙阵列天线进一步的优化方案，所述SIW腔垂直于天线中轴线的边的边长其中，fc(TE20)是TE20模式下SIW腔的截止频率、即所述预设的第一工作频段的最低频率，c0是自由空间中的光速，d是金属化过孔的直径，x是相邻金属化过孔之间的距离，εr是介质基板的介电常数。
作为本发明一种基于SIW的双频缝隙阵列天线进一步的优化方案，所述金属化过孔的半径为0.3mm，相邻金属化过孔间的距离为1mm。
作为本发明一种基于SIW的双频缝隙阵列天线进一步的优化方案，X的值为3。
作为本发明一种基于SIW的双频缝隙阵列天线进一步的优化方案，Y的值为4。
工作时，下层介质板和其上下表面的金属将会形成一个SIW腔，能量由上层的印刷金属馈线通过馈电缝隙进入下层的SIW腔并形成TE20模，低频缝隙阵列、高频缝隙阵列实现了不同频段的辐射，低频缝隙阵列分列于天线中轴线两侧，高频缝隙阵列位于中轴线上，通过优化低频辐射缝隙和高频辐射缝隙的大小、位置排列，能够实现双频段工作和较好的方向图辐射效果。通过延长波导的长度，并适当调整了馈线的尺寸以增大导电面，改善Ka波段的辐射方向图。
有益效果：本发明提供的技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1)该天线采用全新的双层介质板耦合馈电形式，通过耦合缝隙激励在SIW腔内产生TE20模，不需要额外的馈电网络，降低了系统复杂程度，提高了稳定性；
2)该天线通过对低频、高频辐射缝隙的大小和位置排列的设计，可同时工作在微波和毫米波波段，较之以往的双频天线，频段跨度更大，频带更宽；
3)该天线通过延长波导的长度，并适当调整了馈线的尺寸，较之现有的毫米波波段缝隙天线，改善了波瓣分裂的情况，并具有高增益的特性。
附图说明
图1为本发明天线的结构示意图；
图2为本发明天线的侧视图；
图3为本发明天线主要结构参数的尺寸图；
图4(a)、(b)分别为本发明在第一工作频段、第二工作频段天线的回波损耗随频率变化的仿真和实测对比图；
图5为本发明天线在10GHz时的E面方向图；
图6为本发明天线在10GHz时的H面方向图；
图7为本发明天线在37GHz时的E面方向图；
图8为本发明天线在37GHz时的H面方向图。
图中，1-金属馈线，2-馈电缝隙，3-低频辐射缝隙，4-高频辐射缝隙，5-金属化通孔，6-上层介质基板，7-下层介质基板。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
如图1、图2、图3所示，所述上层、下层介质基板大小相同，厚度为0.875mm，长度为55mm，宽度为33mm，上层介质基板上表面印刷着金属馈线，下层介质基板上表面为馈电缝隙和辐射缝隙，下表面覆铜作为腔体的地，且在下层介质板四边加金属化过孔，加工后的两块介质基板需重叠并固定作为天线整体。
上层介质板上表面印刷有金属馈线；下层介质基板的上表面覆铜后刻蚀有馈电缝隙、2X条低频辐射缝隙和Y条高频辐射缝隙，下表面覆铜作为地，X为大于等于1的自然数，Y为大于等于2的自然数。
下层介质基板上设有若干贯穿其上下表面覆铜的金属化过孔，若干金属化过孔形成关于天线中轴线对称的呈矩形的SIW腔，将馈电缝隙、2X条低频辐射缝隙和Y条高频辐射缝隙包含在其内。
2X条低频辐射缝隙均和天线的中轴线平行、对应设置在TE20模的两个基膜上、关于天线的中轴线对称，形成低频缝隙阵列，工作频率为预先设定的第一工作频段；
Y个高频辐射缝隙等距设置、均垂直于天线的中轴线，且均关于天线的中轴线自身对称，形成高频缝隙阵列，工作频率为预先设定的第二工作频段，第二工作频段高于第一工作频段。
本实施例中，X取3，Y取4。
金属馈线末端位于馈电缝隙正上方，如图3中钩状结构所示，可将能量通过馈电缝隙耦合进入下层的SIW腔并形成TE20模；
金属化过孔贯穿下层介质板和其上下表面的覆铜，排列在天线辐射缝隙和馈电缝隙外侧四周形成一个SIW腔，金属通孔直径为0.6mm，相邻通孔间距离为1mm，SIW腔的宽度与可由公式：计算，其中W表示SIW的宽度，而fc(TE20)是TE20模式SIW的截止频率、即预先设定的第一工作频段的最低频率，c0是自由空间中的光速，d是通孔的直径，x是相邻通孔之间的距离。
考虑到SIW的高通特性，在设计SIW尺寸时，我们应该将截止频率设置为低频值。
馈电缝隙位于两层介质版的中间，能量由此进入下层的SIW腔，缝隙越窄越利于TE20模的形成，也能起到减少其他模式干扰的作用。
6个较大的辐射缝隙位于两层介质版的中间，是下层介质基板上表面覆铜后刻蚀形成，组成低频缝隙阵列，缝隙为矩形谐振缝隙，长度约为1/2低频介质波长，低频介质波长由预设的第一工作频段和介质板介电常数决定。
4个较小的辐射缝隙位于两层介质版的中间，是下层介质基板上表面覆铜后刻蚀形成，组成高频缝隙阵列，长度约为1/2高频介质波长，高频介质波长由预设的第一工作频段和介质板介电常数决定。
该基于SIW的双频缝隙阵列天线的具体制造过程为：首先选取对应参数的介质基板，在上层介质基板上表面印刷金属馈线，下层介质基板上表面为覆铜后在相应位置刻蚀出馈电缝隙、低频辐射缝隙和高频辐射缝隙，下表面覆铜作为腔体的地，且在下层介质板四边加金属化过孔，加工后的两块介质基板需按照图一所示重叠并固定作为天线整体。
采用电磁仿真软件对天线尺寸进行优化，最初每个子阵列只有两个辐射缝隙。仿真的辐射方向图表明，Ka波段的辐射束出现了恶化分裂，即主辐射方向偏离了狭缝平面(H平面)的法线方向。SIW缝隙天线的辐射方向图与理想的缝隙天线不同，特别是在E面。这是因为位于其缝隙所在的波导壁尺寸有限。波导长度越长，导电面越大，波束波动越大，但波动范围越小，逐渐接近半圆。出于上述原因，延长波导的长度，并适当调整馈线的尺寸可以实现更好的性能。最终该结构的尺寸为55毫米×33毫米×1.675毫米，优化后的参数如下：
| 参数 | 数值(mm) |
| siwW | 28 |
| siwL | 40 |
| s1l | 9.8 |
| s1w | 1.75 |
| d1 | 9.8 |
| y1 | 8.17 |
| s2l | 2.586 |
| s2w | 0.6 |
| d2 | 5.172 |
| y2 | 5.89 |
其中，siwW为SIW腔的宽度，siwL为SIW腔的长度，s1l为低频辐射缝隙的长度，s1w为低频辐射缝隙的宽度，d1为低频辐射缝隙单元间距离，y1、y2为低频缝隙偏离中线两种距离，s2l为低频辐射缝隙的长度，s2w为低频辐射缝隙的宽度，d2为低频辐射缝隙单元间距离。
图4(a)、(b)分别为本发明在第一工作频段、第二工作频段天线的回波损耗随频率变化的仿真和实测对比图，可以看出天线在两个频段均有较好的谐振特性，具有较宽的辐射带宽；图5为本发明天线在10GHz时的E面方向图；图6为本发明天线在10GHz时的H面方向图；图7为本发明天线在37GHz时的E面方向图；图8为本发明天线在37GHz时的H面方向图，由以上测试方向图和仿真结果对比图可以看出，天线在两个频段均具有良好的前后比，且两个选取频点的增益达10.9dBi(10GHz)和9.05dBi(37GHz)，具有高增益特性。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于SIW的双频缝隙阵列天线，其特征在于，包含上层介质基板和下层介质基板；
所述上层介质基板、下层介质基板为大小相同的矩形，上层介质基板重叠并固定在所述下层介质基板上形成天线，下层介质基板两条短边中点的连线和天线的中轴线在同一条直线上；
所述上层介质板上表面印刷有金属馈线；
所述下层介质基板的上表面覆铜后刻蚀有馈电缝隙、2X条低频辐射缝隙和Y条高频辐射缝隙，下表面覆铜作为地，X为大于等于1的自然数，Y为大于等于2的自然数；
所述下层介质基板上设有若干贯穿其上下表面覆铜的金属化过孔，所述若干金属化过孔形成关于天线中轴线对称的呈矩形的SIW腔，将所述馈电缝隙、2X条低频辐射缝隙和Y条高频辐射缝隙包含在其内；
所述馈电缝隙位于所述天线的中轴线上，所述金属馈线末端位于馈电缝隙正上方，用于将能量通过馈电缝隙耦合进入下层的SIW腔并形成TE20模；
所述2X条低频辐射缝隙均和天线的中轴线平行、对应设置在所述TE20模的两个基膜上、关于天线的中轴线对称，形成低频缝隙阵列，工作频率为预先设定的第一工作频段；
所述Y个高频辐射缝隙等距设置、均垂直于天线的中轴线，且均关于天线的中轴线自身对称，形成高频缝隙阵列，工作频率为预先设定的第二工作频段，所述第二工作频段高于所述第一工作频段。
2.根据权利要求1所述的基于SIW的双频缝隙阵列天线，其特征在于，所述SIW腔垂直于天线中轴线的边的边长其中，fc(TE20)是TE20模式下SIW腔的截止频率、即所述预设的第一工作频段的最低频率，c0是自由空间中的光速，d是金属化过孔的直径，x是相邻金属化过孔之间的距离，εr是介质基板的介电常数。
3.根据权利要求2所述的基于SIW的双频缝隙阵列天线，其特征在于，所述金属化过孔的半径为0.3mm，相邻金属化过孔间的距离为1mm。
4.根据权利要求1所述的基于SIW的双频缝隙阵列天线，其特征在于，X的值为3。
5.根据权利要求1所述的基于SIW的双频缝隙阵列天线，其特征在于，Y的值为4。
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