CN109616762A - 一种Ka波段高增益基片集成波导波纹天线及系统 - Google Patents

一种Ka波段高增益基片集成波导波纹天线及系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种Ka波段高增益基片集成波导波纹天线及系统。所述天线包括介质层、附着在介质层上表面的第一金属层和附着在介质层下表面的第二金属层；所述第一金属层、介质层和第二金属层上均开设有一个通孔，且通孔的形状相同，三个通孔的上下位置相对应；所述第一金属层上有若干个镂空的同心圆环；所述介质层上设置有金属过孔结构；所述第一金属层和所述第二金属层通过金属过孔结构连通。本发明还提供了一种天线系统，包括匹配波导、标准矩形波导和上述的天线；所匹配波导与所述第二金属层连接，所述标准矩形波导与所述匹配波导连接。本发明具有增益高、带宽宽、E面和H面主瓣波束宽度窄、交叉极化低等优点。

Description

一种Ka波段高增益基片集成波导波纹天线及系统
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种Ka波段高增益基片集成波导波纹天线及系统。
背景技术
毫米波技术的快速发展，不论是在军事领域还是在民用领域，都有极大的应用前景。在军事领域中可以应用于星际间通信或中继、毫米波频段的保密通信和毫米波敌我识别系统等；而在民用领域可以应用于宽带多媒体移动通信系统、测量雷达、车船防撞、地形测绘、射电天文、以交互式大容量电视广播及卫星的毫米波链路系统等诸多方面。特别是近几年，5G通信技术逐渐普及，其高频段信号在传输路径中损耗比较大，需要高增益和高指向性的天线系统。
为了解决Ka波段天线的增益问题，现有技术中提出了一种金属波纹天线，其使用矩形波导缝隙馈电，并在缝隙周围使用直的金属凹槽，使得天线的方向图在E面实现了窄波束，而在H面依然是宽波束(具体参考文献：M.Beruete,I.Campillo,J.Dolado,J.Rodr′E.Perea,F.Falcone,and M.Sorolla,“Low-profile corrugated feederantenna,”IEEE Antennas Wireless Propag.Lett.,vol.4,pp.378–380,2005.)为了减小方向图H面的波束宽度，现有技术中还提出了双层金属结构的波纹天线(具体参考文献：S.Alkaraki,Y.Gao,and C.Parini,“Dual layer corrugated plate antenna,”IEEEAntennas Wireless Propag.Lett.,vol.16,pp.2086–2089,2017.)。进一步的，现有技术中还提供了一种方案是使用圆形的金属凹槽技术，由全金属结构构成(具体参考文献：M.Beruete,I.Campillo,J.S.Dolado,J.E.Rodriguez-Seco,E.Perea,F.Falcone,andM.Sorolla,“Very low-profile”bull’s eye”feeder antenna,”IEEE Antennas WirelessPropag.Lett.,vol.4,pp.365–368,2005.)。在相关技术中，Ka波段天线具有增益低、带宽窄、体积大、重量重、不便加工的缺陷，该类天线的驻波、交叉极化、波束宽度、增益、频带宽度等指标很难同时达到理想状态，从而影响天线性能和应用范围。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于单层印制电路板(PCB)的准环形波纹技术的Ka波段高增益天线。该天线采用准圆弧型介质基片集成波导做为天线辐射单元，使用标准矩形波导馈电，可以实现天线的高增益、窄波束、高极化纯度的性能指标。具体技术方案如下：
一种Ka波段高增益基片集成波导波纹天线，所述天线包括介质层、附着在介质层上表面的第一金属层和附着在介质层下表面的第二金属层；
所述第一金属层、介质层和第二金属层上均开设有一个通孔，且通孔的形状相同，三个通孔的上下位置相对应；所述第一金属层上有若干个镂空的同心圆环；所述介质层上设置有金属过孔结构；所述第一金属层和所述第二金属层通过金属过孔结构连通。
优选地，所述金属过孔结构由两个关于介质层中心对称的子过孔结构组成，每一个子过孔结构由若干列扇形排列的金属过孔组成。
优选地，所述通孔的正面为矩形和位于矩形短边的两个半圆构成的组合形状。
优选地，每一个过孔结构中金属过孔的列数是同心圆环个数的2倍。
优选地，由金属过孔排列成的所有扇形的圆心与介质层上的通孔的中心重合。
优选地，所述金属过孔位于圆环正下方位置的两侧且与圆环在介质层上的正投影相切。
优选地，所述每列扇形排列的金属过孔中的相邻金属过孔之间等间距。
优选地，所述镂空的同心圆环的数量为5个。
本发明还提供一种Ka波段高增益基片集成波导波纹天线系统，包括匹配波导、标准矩形波导和上述的天线；所述匹配波导内壁形状与所述天线中的通孔形状相同，所匹配波导与所述第二金属层连接，所述标准矩形波导与所述匹配波导连接。
采用本发明获得的有益效果：本发明具有增益高、带宽宽、E面和H面主瓣波束宽度窄、交叉极化低等优点；采用的PCB加工工艺简单，制造周期快，可批量化生产，天线成本低；同时本发明重量较轻，易于集成在用户终端。
附图说明
图1为本发明结构的分解示意图；
图2为本发明中第一金属层的正视图；
图3为本发明中介质层的正视图；
图4为本发明第二金属层的正视图；
图5为匹配波导的结构图；
图6为标准矩形波导的结构图；
图7为实施例中本发明天线的E面和H面测试的方向图；
图8为实施例中本发明天线的反射系数与频率的关系图；
图9为实施例中本发明天线的增益与频率的关系图。
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。
如图1所示，一种Ka波段高增益基片集成波导波纹天线，所述天线包括介质层1、附着在介质层上表面的第一金属层2和附着在介质层下表面的第二金属层3；
所述第一金属层2、介质层1和第二金属层3上均开设有一个通孔11、21、31，且通孔的形状相同，通孔11、通孔21、通孔31的上下位置相对应；
所述第一金属层上有若干个镂空的同心圆环22；
所述介质层上设置有两个关于介质层中心对称的子过孔结构12，每一个子过孔结构12由若干列扇形排列的金属过孔组成；
所述第一金属层和所述第二金属层通过金属过孔连通。
本实施例中第一金属层、第二金属层均为铜层，通过印刷电路板实现上述结构，第一金属层上镂空有5个同心的圆环，圆环的圆心与第一金属层上的通孔的中心重合，第一个圆环的内环半径4.5mm，第二个圆环的内环半径13.6mm，第三个圆环的内环半径为22.7mm，第四个圆环的内环半径为31.8mm，第五个圆环的内环半径为40.9mm；各个圆环的宽度均为1.07mm。
介质层为基板材料，可选择Rogers板材，介电常数为2.94，厚1.016mm，也可以采用现有技术中其它在毫米波段具有较低损耗的介质作为介质层。
所述通孔的正面为矩形和位于矩形短边的两个半圆构成的组合形状。通孔的矩形尺寸为6.2mm×2mm，半圆半径为1mm；
每一个过孔结构中金属过孔的列数是10列，且由金属过孔排列成的所有扇形的圆心重合，所述金属过孔位于圆环正下方位置的两侧且与圆环在介质层上的正投影相切，所述每列扇形排列的金属过孔中的相邻金属过孔之间等间距。实施例中，金属过孔的直径为0.25mm，相邻金属过孔间距为0.56mm。每个扇形区域的扇形角度为160°；
实施例中，所有的金属过孔与镂空的圆环构成了基片集成波导(SIW)，本发明主要是利用金属表面的爬行波在SIW中圆环处激励起同相位的电场，从而产生辐射，实现远场的同相叠加得到高增益。设计的过程主要是通过调整SIW圆环的位置以及尺寸实现同相激励，从而在天线法线方向实现辐射场的同相叠加，即就是实现天线的高增益和好的指向性。
天线要有良好的驻波，即良好的匹配效果，在馈电端需要有匹配过渡段。因此，本发明还提出了一个过渡波导用来匹配天线和标准波导，从而实现了良好的匹配效果。一种天线系统，在上述天线结构上还包括匹配波导、标准矩形波导；所述匹配波导内壁形状与所述通孔的形状相同，所匹配波导与所述第二金属层连接，所述标准矩形波导与所述匹配波导连接。实施例中，匹配波导起到阻抗匹配的功能，如图5为匹配波导的结构图，图6为标准矩形波导的结构图。
通过对本发明天线的实验验证，本发明可以在Ka波段可以实现高增益、窄波束、高极化纯度。图7为实施例中本发明天线的E面和H面测试的方向图；可以看出，天线的E面方向图和H面都有较好的方向性，其中，E面的半功率角度6.8度，H面的半功率宽度12.7度。图8为实施例中本发明天线的反射系数与频率的关系图，可以看出，天线具有良好的匹配特性，在30GHz-36.5GHz都可以正常工作。图9为实施例中本发明天线的增益与频率的关系图，可以看出，天线的最大增益在30.5GHz达到最大，为20.7dBi。
本发明馈电方式除了上述说明的矩形波导馈电以外还有同轴馈电、微带线馈电等多种方式，构成新的天线系统；另外，本发明并未限定介质基片集成波导所构成的形状，可以是多样的，除了上述介绍的圆环形外，还可采用椭圆、方形、扇形圆弧等多种样式。
本发明是一种工作在Ka波段的天线，可以将传输线上的导行电磁波转换为空间传波的无线电磁波，用于未来毫米波通信的射频前端以及需要辐射Ka波段频率的设备上。本发明天线作为一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介(通常是自由空间)中传播的电磁波，或者进行相反的变换。在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都可以采用本发明天线结构。

Claims (9)

1.一种Ka波段高增益基片集成波导波纹天线，其特征在于：所述天线包括介质层、附着在介质层上表面的第一金属层和附着在介质层下表面的第二金属层；
所述第一金属层、介质层和第二金属层上均开设有一个通孔，且通孔的形状相同，三个通孔的上下位置相对应；
所述第一金属层上有若干个镂空的同心圆环；
所述介质层上设置有金属过孔结构；
所述第一金属层和所述第二金属层通过金属过孔结构连通。
2.如权利要求1所述的一种Ka波段高增益基片集成波导波纹天线，其特征在于：所述金属过孔结构由两个关于介质层中心对称的子过孔结构组成，每一个子过孔结构由若干列扇形排列的金属过孔组成。
3.如权利要求1所述的一种Ka波段高增益基片集成波导波纹天线，其特征在于：所述通孔的正面为矩形和位于矩形短边的两个半圆构成的组合形状。
4.如权利要求2所述的一种Ka波段高增益基片集成波导波纹天线，其特征在于：每一个过孔结构中金属过孔的列数是同心圆环个数的2倍。
5.如权利要求2所述的一种Ka波段高增益基片集成波导波纹天线，其特征在于：由金属过孔排列成的所有扇形的圆心与介质层上的通孔的中心重合。
6.如权利要求4所述的一种Ka波段高增益基片集成波导波纹天线，其特征在于：所述金属过孔位于圆环正下方位置的两侧且与圆环在介质层上的正投影相切。
7.如权利要求2所述的一种Ka波段高增益基片集成波导波纹天线，其特征在于：所述每列扇形排列的金属过孔中的相邻金属过孔之间等间距。
8.如权利要求1所述的一种Ka波段高增益基片集成波导波纹天线，其特征在于：所述镂空的同心圆环的数量为5个。
9.一种Ka波段高增益基片集成波导波纹天线系统，其特征在于：包括匹配波导、标准矩形波导和如权利要求1所述的天线；所述匹配波导内壁形状与所述天线中的通孔形状相同，所匹配波导与所述第二金属层连接，所述标准矩形波导与所述匹配波导连接。
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