CN109037925A - 一种基片集成脊间隙波导及宽带圆极化漏波天线 - Google Patents

一种基片集成脊间隙波导及宽带圆极化漏波天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基片集成脊间隙波导及宽带圆极化漏波天线。所述基片集成脊间隙波导包括上层介质板、上层外围金属化过孔、上层矩形金属贴片、两个矩形环状金属贴片、下层介质板、下层外围金属化过孔、金属脊、电磁带隙EBG结构、金属地、馈电探针、匹配探针；下层中央两排金属化过孔和哑铃状金属贴片构成基片集成金属脊；电磁带隙EBG结构由设置于哑铃状金属贴片中间矩形条带两侧的周期性蘑菇状结构单元构成，用于限制电磁波向两侧泄漏；上下两层介质板紧密贴合。宽带圆极化漏波天线为：上层矩形金属贴片上表面设置缝隙阵列，实现圆极化辐射。本发明保持了漏波天线宽频带和频率扫描特性的同时，实现了圆极化和高增益平坦度的特性。

Description

一种基片集成脊间隙波导及宽带圆极化漏波天线
技术领域
本发明涉及波导型器件技术领域，特别是一种基片集成脊间隙波导及宽带圆极化漏波天线。
背景技术
漏波天线具备特有的宽工作频带和频率扫描特性，在防撞雷达、无线定位等领域有着广泛的应用。圆极化天线有助于减少无线通信中极化失配、多径效应带来的不良影响。因此，圆极化漏波天线在智能公路交通系统、列车自动控制系统中具有良好的应用前景。
脊间隙波导具有传输损耗小，工作频段易于设计，带宽宽等优点，因此结合脊间隙波导，设计上层辐射缝隙阵列结构，形成漏波天线是惯用的手段。然而，传统脊间隙波导为金属腔体结构，加工难度大、成本高。此外，在漏波天线的设计中，在较宽的工作频带内保持良好的增益平坦度是一个难点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基片集成脊间隙波导及宽带圆极化漏波天线，从而在保持宽工作频带和频率扫描特性的同时，在整个工作频带内实现圆极化和高增益平坦度。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基片集成脊间隙波导，包括上层介质板、上层外围金属化过孔、上层矩形金属贴片、矩形环状金属贴片一、矩形环状金属贴片二、下层介质板、下层外围金属化过孔、金属脊、电磁带隙EBG结构、金属地、馈电探针、匹配探针；
上层矩形金属贴片设置于上层介质板的上表面，上层外围金属化过孔设置于上层介质板四周，矩形环状金属贴片一设置于上层介质板的下表面，上层矩形金属贴片通过上层外围金属化过孔与矩形环状金属贴片一连通；所述矩形环状金属贴片二设置于下层介质板的上表面，下层外围金属化过孔设置于下层介质板四周，金属地设置于下层介质板的下表面，矩形环状金属贴片二通过下层外围金属化过孔与金属地连通；所述上层介质板与下层介质板紧密贴合，矩形环状金属贴片一、矩形环状金属贴片二完全重合，保证上层矩形金属贴片、上层外围金属化过孔、下层外围金属化过孔、金属地整体连接导通。
进一步地，所述金属脊由下层中央两排金属化过孔、哑铃状金属贴片构成；哑铃状金属贴片设置于下层介质板的上表面，且哑铃状金属贴片与馈电探针、匹配探针满足阻抗匹配；下层中央两排金属化过孔设置于哑铃状金属贴片中间矩形条带边缘，哑铃状金属贴片通过下层中央两排金属化过孔与金属地连通。
进一步地，所述电磁带隙EBG结构由周期性蘑菇状结构单元构成，周期性蘑菇状结构单元分别设置于哑铃状金属贴片中间矩形条带两侧，用于限制电磁波向两侧泄漏；
每个蘑菇状结构单元由小方形金属贴片和中央金属化过孔组成；小方形金属贴片设置于下层介质板的上表面，中央金属化过孔设置于下层介质板内，小方形金属贴片通过中央金属化过孔与金属地连通。
进一步地，所述馈电探针和匹配探针分别穿过哑铃状金属贴片两端的圆孔与上层矩形金属贴片相连，馈电探针和匹配探针分别通过圆孔与金属脊耦合。
一种基于基片集成脊间隙波导的宽带圆极化漏波天线，上层矩形金属贴片上表面设置缝隙阵列，实现圆极化辐射。
进一步地，所述缝隙阵列由两列沿中心线依次成对排布的缝隙构成，各缝隙中心与中心线距离四分之一波导波长，相邻两对缝隙之间距离一个波导波长，每对缝隙内部中心间距四分之一波导波长，且与中心线夹角分别成正负45度。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)继承了传统脊间隙波导传输损耗小的优点，并且将传统结构中的金属脊和EBG结构采用金属化过孔技术集成到介质板中，将空气层由介质层替代，整体结构更加紧凑，易于加工和集成，加工成本大大降低；(2)通过调整辐射缝隙阵列各单元的间距与排列方式，使天线实现圆极化辐射特性；(3)通过调整辐射缝隙阵列各单元的尺寸，使各缝隙单元长度依次递增，令各缝隙处辐射的能量尽可能平均，使得天线在工作频带内的轴比性能更优，再结合如上所述基片集成脊间隙波导传输损耗小的特性，使天线在工作频带内的增益平坦度更优。
附图说明
图1为本发明的基片集成脊间隙波导的结构示意图，其中(a)为上层结构的三维结构图，(b)为下层结构的三维结构图。
图2为根据本发明的基片集成脊间隙波导的电磁带隙(EBG)结构单元的结构示意图。
图3为根据本发明的基片集成脊间隙波导的俯视图，其中(a)为上层结构的俯视图，(b)为下层结构的俯视图。
图4为根据本发明的漏波天线的上层结构的俯视图。
图5为根据本发明的漏波天线的回波损耗曲线图。
图6为根据本发明的漏波天线的传输损耗曲线图。
图7为根据本发明的漏波天线的主辐射方向轴比曲线图。
图8为根据本发明的漏波天线的E面辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明利用漏波天线宽工作频带和频率扫描的特性，为拓宽其应用范围，实现了圆极化特性，并且在工作频带内实现了高增益平坦度。传统漏波天线由传输结构和辐射结构组成。
本发明传输结构为一种基于基片集成脊间隙波导结构，金属脊两侧的周期性蘑菇状结构构成电磁带隙结构，限制电磁波向两侧泄漏，从馈电端向匹配端，电磁波沿金属脊和上层金属贴片中的缝隙进行传播，因此该传输结构传输损耗很小。
本发明辐射结构为上层缝隙阵列，该缝隙阵列由两列沿中心线依次成对排布的缝隙构成，每对缝隙之间距离一个波导波长，每对缝隙内部中心间距四分之一波导波长，且与中心线夹角分别成正负45度。由于辐射缝隙阵列如上设置，因此辐射的电磁波会产生极化正交相位相差90度的两种模式，两种模式合成从而实现圆极化辐射。从辐射端向匹配端，辐射缝隙的长度依次递增，使得各缝隙处辐射的能量尽可能平均，实现良好的轴比特性；再结合上述传输损耗小的特性，该天线在工作频带内增益平坦度良好。
结合图1(a)～(b)、图2、图3(a)～(b)，本发明基片集成脊间隙波导，包括上层介质板1、上层外围金属化过孔2、上层矩形金属贴片4、矩形环状金属贴片一5、矩形环状金属贴片二6、下层介质板7、下层外围金属化过孔8、金属脊9、电磁带隙EBG结构10、金属地11、馈电探针12、匹配探针13；
上层矩形金属贴片4设置于上层介质板1的上表面，上层外围金属化过孔2设置于上层介质板1四周，矩形环状金属贴片一5设置于上层介质板1的下表面，上层矩形金属贴片4通过上层外围金属化过孔2与矩形环状金属贴片一5连通；所述矩形环状金属贴片二6设置于下层介质板7的上表面，下层外围金属化过孔8设置于下层介质板7四周，金属地11设置于下层介质板7的下表面，矩形环状金属贴片二6通过下层外围金属化过孔8与金属地11连通；所述上层介质板1与下层介质板7紧密贴合，矩形环状金属贴片一5、矩形环状金属贴片二6完全重合，保证上层矩形金属贴片4、上层外围金属化过孔2、下层外围金属化过孔8、金属地11整体连接导通。
进一步地，所述金属脊9由下层中央两排金属化过孔14、哑铃状金属贴片15构成；哑铃状金属贴片15设置于下层介质板7的上表面，且哑铃状金属贴片15与馈电探针12、匹配探针13满足阻抗匹配；下层中央两排金属化过孔14设置于哑铃状金属贴片15中间矩形条带边缘，哑铃状金属贴片15通过下层中央两排金属化过孔14与金属地11连通。
进一步地，所述电磁带隙EBG结构10由周期性蘑菇状结构单元构成，周期性蘑菇状结构单元分别设置于哑铃状金属贴片15中间矩形条带两侧，用于限制电磁波向两侧泄漏；
每个蘑菇状结构单元由小方形金属贴片16和中央金属化过孔17组成；小方形金属贴片16设置于下层介质板7的上表面，中央金属化过孔17设置于下层介质板7内，小方形金属贴片16通过中央金属化过孔17与金属地11连通。
进一步地，所述馈电探针12和匹配探针13分别穿过哑铃状金属贴片15两端的圆孔与上层矩形金属贴片4相连，馈电探针12和匹配探针13分别通过圆孔与金属脊9耦合。
结合图4，一种基于上述任一基片集成脊间隙波导的宽带圆极化漏波天线，上层矩形金属贴片4上表面设置缝隙阵列3，实现圆极化辐射。
进一步地，所述缝隙阵列3由两列沿中心线依次成对排布的缝隙构成，各缝隙中心与中心线距离四分之一波导波长，相邻两对缝隙之间距离一个波导波长，每对缝隙内部中心间距四分之一波导波长，且与中心线夹角分别成正负45度。
本发明的漏波天线中，所述金属贴片、金属脊以及金属地均为铜皮材质；所述介质板为罗杰斯5880板材，其介电常数为2.2。
本发明的优点在于，保持了漏波天线特有的宽工作频带和频率扫描特性的同时，在其整个工作频带内实现圆极化和高增益平坦度。
本发明的工作原理为：上层矩形金属贴片4没有缝隙阵列3为完整金属贴片时，本发明整体构成一种基片集成脊间隙波导的传输结构，能量由馈电探针12馈入，电磁波沿金属脊9和上层矩形金属贴片4之间的缝隙向匹配端传播，周期性蘑菇状结构构成电磁带隙EBG结构10限制电磁波不向两侧泄漏，因此传输损耗很小。在传统脊间隙波导结构中，金属脊和上层金属贴片之间的缝隙为空气，金属脊和EBG结构由金属块实现。本发明采用介质板填充金属脊9和上层矩形金属贴片4之间的缝隙，采用金属化过孔技术将金属脊9和电磁带隙EBG结构10集成到介质板中，使得整体结构非常紧凑，易于加工和集成。该新型传输结构的工作频带范围主要由周期性蘑菇状结构的尺寸和间距决定。
当上层矩形金属贴片4上刻有周期性缝隙阵列3时，电磁波在传输过程中会从缝隙阵列3泄漏产生辐射，并且实现宽带频率扫描特性。该缝隙阵列3由两列沿中心线依次成对排布的缝隙构成，各缝隙中心与中心线距离四分之一波导波长，相邻两对缝隙之间距离一个波导波长，每对缝隙内部中心间距四分之一波导波长，且与中心线夹角分别成正负45度。因此辐射的电磁波会产生极化正交相位相差90度的两种模式，两种模式合成实现圆极化辐射。
漏波天线为行波结构，从馈电端向匹配端传输结构中的能量越来越少。本发明从馈电端向匹配端辐射缝隙的长度依次递增，使得各缝隙处辐射的能量尽可能平均，实现良好的轴比特性；再结合上述基片集成脊间隙波导传输损耗小的特性，该天线在工作频带内增益平坦度良好。
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1
本实施例中，基片集成脊间隙波导及基于该波导的漏波天线结构尺寸如图1(a)～(b)、图2、图3(a)～(b)、图4，该漏波天线仿真结果如图5、图6、图、7以及图8所示，本发明保持了漏波天线宽频带和频率扫描特性，并且实现了圆极化和高增益平坦度的特性，在12GHz至15GHz频带范围内实现了-1°到47°的圆极化频率扫描特性，平均增益达到11dBic，增益平坦度小于2dB。
本发明通过改善漏波天线的增益平坦度，能有效提高漏波天线在无线定位、无线通信等应用中的性能。

Claims (6)

1.一种基片集成脊间隙波导，其特征在于，包括上层介质板(1)、上层外围金属化过孔(2)、上层矩形金属贴片(4)、矩形环状金属贴片一(5)、矩形环状金属贴片二(6)、下层介质板(7)、下层外围金属化过孔(8)、金属脊(9)、电磁带隙EBG结构(10)、金属地(11)、馈电探针(12)、匹配探针(13)；
上层矩形金属贴片(4)设置于上层介质板(1)的上表面，上层外围金属化过孔(2)设置于上层介质板(1)四周，矩形环状金属贴片一(5)设置于上层介质板(1)的下表面，上层矩形金属贴片(4)通过上层外围金属化过孔(2)与矩形环状金属贴片一(5)连通；所述矩形环状金属贴片二(6)设置于下层介质板(7)的上表面，下层外围金属化过孔(8)设置于下层介质板(7)四周，金属地(11)设置于下层介质板(7)的下表面，矩形环状金属贴片二(6)通过下层外围金属化过孔(8)与金属地(11)连通；所述上层介质板(1)与下层介质板(7)紧密贴合，矩形环状金属贴片一(5)、矩形环状金属贴片二(6)完全重合，保证上层矩形金属贴片(4)、上层外围金属化过孔(2)、下层外围金属化过孔(8)、金属地(11)整体连接导通。
2.根据权利要求1所述的基片集成脊间隙波导，其特征在于，所述金属脊(9)由下层中央两排金属化过孔(14)、哑铃状金属贴片(15)构成；哑铃状金属贴片(15)设置于下层介质板(7)的上表面，且哑铃状金属贴片(15)与馈电探针(12)、匹配探针(13)满足阻抗匹配；下层中央两排金属化过孔(14)设置于哑铃状金属贴片(15)中间矩形条带边缘，哑铃状金属贴片(15)通过下层中央两排金属化过孔(14)与金属地(11)连通。
3.根据权利要求1所述的基片集成脊间隙波导，其特征在于，所述电磁带隙EBG结构(10)由周期性蘑菇状结构单元构成，周期性蘑菇状结构单元分别设置于哑铃状金属贴片(15)中间矩形条带两侧，用于限制电磁波向两侧泄漏；
每个蘑菇状结构单元由小方形金属贴片(16)和中央金属化过孔(17)组成；小方形金属贴片(16)设置于下层介质板(7)的上表面，中央金属化过孔(17)设置于下层介质板(7)内，小方形金属贴片(16)通过中央金属化过孔(17)与金属地(11)连通。
4.根据权利要求1所述的基片集成脊间隙波导，其特征在于，所述馈电探针(12)和匹配探针(13)分别穿过哑铃状金属贴片(15)两端的圆孔与上层矩形金属贴片(4)相连，馈电探针(12)和匹配探针(13)分别通过圆孔与金属脊(9)耦合。
5.一种基于权利要求1～4任一基片集成脊间隙波导的宽带圆极化漏波天线，其特征在于，上层矩形金属贴片(4)上表面设置缝隙阵列(3)，实现圆极化辐射。
6.根据权利要求5所述的基于基片集成脊间隙波导的宽带圆极化漏波天线，其特征在于，所述缝隙阵列(3)由两列沿中心线依次成对排布的缝隙构成，各缝隙中心与中心线距离四分之一波导波长，相邻两对缝隙之间距离一个波导波长，每对缝隙内部中心间距四分之一波导波长，且与中心线夹角分别成正负45度。
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