CN108777354B - 一种基于siw谐振腔加载的微带贴片天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于SIW谐振腔加载的微带贴片天线，包括从下到上层叠设置的金属地层、介质基片、方形贴片层以及中心馈电的SMA同轴激励输入端口，所述介质基片设有金属化通孔阵列，金属化通孔阵列与方形贴片层以及金属地层共同围成一个方形基片集成波导腔体。通过加载方形基片集成波导腔体引入新的谐振点，增强了天线带宽。本发明结构简单紧凑、低剖面、易于集成、方向性良好，可被应用于各类高频段尤其是毫米波电路设计中，具有广泛的应用前景。

Description

一种基于SIW谐振腔加载的微带贴片天线
技术领域
本发明属于天线设计技术，特别是一基于SIW谐振腔加载的微带贴片天线。
背景技术
随着微波技术的发展,人们对于微波系统和微波器件集成化和小型化的需求越来越高，微带贴片天线因其剖面低、易集成、成本低等优点,已经得到了深入的研究和广泛的应用，是当前微波毫米波电路中最常采用的形式,然而在微波毫米波系统中,微带天线较难获得高增益和宽工作频带。现有技术中，拓宽天线带宽的方法主要有有以下几种：采用特殊材料的介质基片，附加阻抗匹配网络，增加基片厚度，采用多层介质基片以及共面寄生贴片等。
增加介质基片厚度或者降低介质基片的相对介电常数,这种方法虽然能够增加贴片天线带宽但随之而来的天线辐射效率也会大大降低；2014年，Quan Wei Lin,Hang Wong，Xiu Yin Zhang和Hau Wah Lai在IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATION LETTERS上发表“Printed Meandering Probe-Fed Circularly Polarized Patch Antenna WithWide Bandwidth”，提出利用蜿蜒探针馈电结构，并采用了四层介质基片获得了42.3％的阻抗匹配带宽，但是该设计的天线辐射方向图随频率变化而变化且有较高的交叉极化，交叉极化达到-15dB，结构复杂，制造成本高。
2015年，Shuo Liu，Shi-Shan Qi，Wen Wu，和Da-Gang Fang在IEEE TRANSACTIONSON ANTENNAS AND PROPAGATION上发表“Single-Feed Dual-Band Single/Dual-Beam U-Slot Antenna for Wireless Communication Application”，通过在辐射贴片上蚀刻U形槽获得了7.3％的天线带宽，但是这种方法也存在较高的交叉极化，交叉极化达到-18dB，且结构设计复杂，制造成本高。
综上所述，现有拓展微带贴片天线带宽的方法存在各种限制，结构复杂制造成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于SIW谐振腔加载的微带贴片天线。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于SIW谐振腔加载的微带贴片天线包括从下到上层叠设置的金属地层、介质基片、方形贴片层以及中心馈电的SMA同轴激励输入端口，所述介质基片上设有金属化通孔阵列，金属化通孔阵列与方形贴片层以及金属地层共同围成一个方形基片集成波导腔体，金属化通孔阵列即为方形基片集成波导腔体的四条边，方形基片集成波导腔体与方形贴片层共有一个中心点，且两者的角位移为45゜，方形基片集成波导腔体四条边中间开设有同样大小的耦合窗口。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)结构简单，低剖面：本发明结构简单紧凑，剖面仅有0.023λ0，其中λ0是自由空间工作波长，可在单片PCB板上实现，易于加工集成，生产成本低；2)带宽拓宽、方向性良好：本发明通过在介质基片上加载方形基片集成波导(SIW)腔体，通过SMA同轴中心馈电激励起SIW腔体的主模TE101，并与方形贴片的TM20模式互相耦合，形成了具有两个谐振点的通带，带宽可以拓展到12.78％,远高于同样尺寸大小的传统微带贴片天线，且增益能达到5.9dB,通带内增益可以保持在5dB以上，具有良好的辐射特性，此外，对于方形贴片层的低阶模式和高阶模通过采取中心馈电的方式可以有效抑制，从而又能保证带外良好的抑制。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明基于SIW谐振腔加载的微带贴片天线的立体结构示意图。
图2是本发明基于SIW谐振腔加载的微带贴片天线的侧面示意图。
图3是实施例1的结构尺寸示意图。
图4是实施例1的S11参数仿真结果图。
图5是实施例1的Realized Gain参数仿真结果图。
图6是实施例1中谐振频率点为3.4GHz时的天线辐射方向图。
图7是实施例1中谐振频率点为3.67GHz时的天线辐射方向图。
下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
结合图1所示，一种基于SIW谐振腔加载的微带贴片天线，包括从下到上层叠设置的金属地层1、介质基片2、方形贴片层3以及中心馈电的SMA同轴激励输入端口4，所述介质基片2上设有金属化通孔阵列5，金属化通孔阵列5与方形贴片层3以及金属地层1共同围成一个方形基片集成波导腔体7，金属化通孔阵列5即为方形基片集成波导腔体7的四条边，方形基片集成波导腔体7与方形贴片层3共有一个中心点，且两者的角位移为45゜，方形基片集成波导腔体7四条边中间开设有同样大小的耦合窗口6。
进一步的实施例中，所述方形基片集成波导SIW腔体7和方形贴片层3的尺寸根据所需工作频率可进行调节，具体公式为：
Figure BDA0001674184280000031
Figure BDA0001674184280000032
其中f TM20，fTE101分别是方形贴片层3工作模式TM20和方形基片集成波导腔体7工作模式TE101的频率，c是自由空间中的光速，w1是方形贴片层3的边长，w2是方形基片集成波导腔体7的边长，εr是介质基片2的相对介电常数。
进一步的实施例中，所述方形贴片层3和方形基片集成波导SIW腔体7的边长尺寸分别为51.6mm和39.5mm。
优选地，所述金属化通孔阵列5中每个金属化通孔的直径为0.7mm，相邻两个金属化通孔的距离为2mm。
优选地，耦合窗口6的边长为12mm。
进一步的实施例中，所述介质基片2采用Rogers 5880，其相对介电常数为2.2，厚度为2mm。
本发明的工作原理为：
所述SMA同轴激励输入端口4位于方形贴片3和方形基片集成波导SIW腔体7中心处，可以激励起方形基片集成波导SIW腔体7的主模TE101模，然后再经由方形基片集成波导SIW腔体7四边即金属化通孔阵列开设的耦合窗口6耦合起方形贴片层3的TM20模式。此外，由于激励是由方形贴片中心处激励，从贴片的场分布可以得知贴片的低阶模式TM10，TM11和高阶模TM21在方形贴片中心处电场为零，故这些模式不会激励起，因此又能保证良好的带外抑制。根据方形贴片层工作模式TM20模和方形基片集成波导SIW腔体7工作模式TE101的频率计算公式可知，通过调节两者的边长尺寸能够调整两个工作模式的谐振频率位置，并通过进一步调节耦合窗口6的大小来调整这两个工作模式之间的耦合程度，最后可以形成具有两个极点的通带，从而拓展了贴片天线的带宽。
下面结合实施例对本发明做进一步解释。
实施例1
如图2所示，一种基于SIW谐振腔加载的微带贴片天线，包括从下到上层叠设置的金属地层1、介质基片2、方形贴片层3以及SMA同轴激励输入端口4，所述介质基片2上设有金属化通孔阵列5，金属化通孔阵列5与方形贴片层3以及金属地层1共同围成一个方形基片集成波导SIW腔体7，金属化通孔阵列5即为方形基片集成波导腔体7的四条边，方形基片集成波导腔体7与方形贴片层3共有一个中心点，且两者的角位移为45゜，方形基片集成波导腔体7四条边中间开设有同样大小的耦合窗口6。
如图3所示，本实施例是以中心频率为3.53GHz的基于SIW谐振腔加载的微带贴片天线的仿真模型为具体实施例，所采用的介质基片2相对介电常数为2.2，厚度为2mm，损耗角正切为0.0009，整个结构的剖面约为0.023λ0，其中λ0为自由空间中心频率对应的波长。本实施例的基于SIW谐振腔加载的微带贴片天线的各尺寸参数如下：W1＝82mm，W2＝51.6mm，W3＝39.5mm，W4＝12mm，
d＝0.7mm，p＝2mm，其中W1是金属地层和介质基片的边长，W2是方形贴片层的边长，W3是方形基片集成波导(SIW)腔体的边长，W4是耦合窗口的宽度，d是金属化通孔直径，p是相邻金属化通孔间间距。
本实施例的基于SIW谐振腔加载的微带贴片天线是在电磁仿真软件HFSS.13中建模仿真的。图4是本实施例中基于SIW谐振腔加载形式的微带贴片天线的S11参数仿真结果图，从图中可以看出，本贴片天线的通带中心频率为3.53GHz，-10dB相对带宽为12.78％，远高于同样尺寸大小的传统微带贴片天线，本实施例中的基于SIW谐振腔加载的微带贴片天线具有良好的带宽拓展特性。
图5是本实施例的基于SIW谐振腔加载的微带贴片天线的Realized Gain参数仿真结果图，从图中可以看出，天线在通带内增益比较稳定能够保持在5dB以上，最高增益能够达到5.9dB，天线增益特性良好。
图6、图7分别是本实施例的基于SIW谐振腔加载的微带贴片天线在两个谐振点3.4GHz，3.67GHz处的天线辐射方向图，从图中可以看出，本实施例的E面辐射方向图为锥状辐射，H面辐射方向图是全向性辐射，天线辐射特性良好。
综上所述，本发明充分利用SIW谐振腔和方形微带贴片场分布特性,通过巧妙的安置方形贴片与方形SIW谐振腔的位置，使其两个工作模式互相耦合，在两个模式辐射特性一致的前提下，最终实现了微带贴片天线带宽拓展。本发明具有结构简单、低剖面、带宽增强、增益高、辐射效率高等优点,非常适用于现代无线通信系统。

Claims (5)

1.一种基于SIW谐振腔加载的微带贴片天线，其特征在于，包括从下到上层叠设置的金属地层(1)、介质基片(2)、方形贴片层(3)以及中心馈电的SMA同轴激励输入端口(4)，所述介质基片(2)上设有金属化通孔阵列(5)，金属化通孔阵列(5)与方形贴片层(3)以及金属地层(1)共同围成一个方形基片集成波导腔体(7)，金属化通孔阵列(5)即为方形基片集成波导腔体(7)的四条边，方形基片集成波导腔体(7)与方形贴片层(3)共有一个中心点，且两者的角位移为45゜，方形基片集成波导腔体(7)四条边中间开设有同样大小的耦合窗口(6)；
所述方形基片集成波导(SIW)腔体(7)和方形贴片层(3)的尺寸根据所需工作频率可进行调节，具体公式为：
Figure FDA0002250639320000011
Figure FDA0002250639320000012
其中fTM20，fTE101分别是方形贴片层(3)工作模式TM20和方形基片集成波导腔体(7)工作模式TE101的频率，c是自由空间中的光速，w1是方形贴片层(3)的边长，w2是方形基片集成波导腔体(7)的边长，εr是介质基片(2)的相对介电常数。
2.根据权利要求1所述的基于SIW谐振腔加载的微带贴片天线，其特征在于，所述方形贴片层(3)和方形基片集成波导(SIW)腔体(7)的边长尺寸分别为51.6mm和39.5mm。
3.根据权利要求2所述基于SIW谐振腔加载的微带贴片天线，其特征在于，所述金属化通孔阵列(5)中每个金属化通孔的直径为0.7mm，相邻两个金属化通孔的距离为2mm。
4.根据权利要求2所述的基于SIW谐振腔加载的微带贴片天线，其特征在于，耦合窗口(6)的边长为12mm。
5.根据权利要求1所述的基于SIW谐振腔加载的微带贴片天线，其特征在于，所述介质基片(2)采用Rogers 5880，其相对介电常数为2.2，厚度为2mm。
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