CN109830800A - 一种基于人工磁导体的双频siw缝隙天线 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种基于人工磁导体的双频SIW缝隙天线，该双频SIW缝隙天线包括天线介质基板以及分别设置在天线介质基板上表面的顶层金属层和下表面的底层金属层，在天线介质基板的下面还设置有周期性的人工磁导体结构，人工磁导体结构由上至下依次为上表面、介质层和下表面，所述上表面为具有圆环和十字交叉缝隙的第一顶层金属层，下表面为第一底层金属层。本发明首先引入人工磁导体结构，目的是为了让缝隙天线下半部分的场反射到上半部分，利用人工磁导体结构同相反射特性的周期性，实现对双频SIW缝隙天线的双频谐振点性能的改善，减小副瓣带来的损耗，提高天线的方向性和增益，改善了天线的回波损耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于人工磁导体的双频SIW缝隙天线，可用于毫米波技术领域。
背景技术
近年来，超材料已经成为微波领域的一个研究热点，受到广泛的关注，其中人工磁导体是一种周期结构构成的具有近似磁导体特性的人工电磁材料，具有同相位反射特性，在合适的频段会具有磁导体特性，同时可能具有电磁间隙现象。可以明显提高微波集成电路，微波印刷天线，微波高能加速器，激光腔等的性能。研究电磁波在人工磁导体材料中的传播特性，可发掘其潜在的应用价值，并对完善电磁波理论体系具有深刻的学术意义。
然而基于人工磁导体的双频SIW缝隙天线的引入，减小了天线的尺寸，提高了天线的增益和改善了天线的回波损耗，为基于SIW天线性能的提高提供了一条可行的思路。
近年来，出现了许多基于人工磁导体的增益增强型微带天线的研究，但是对于双频SIW的缝隙天线的研究还没有涉猎。与它们相比，双频SIW缝隙天线性能的改善更具有易于布局的特点，亟待开发。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种基于人工磁导体的双频SIW缝隙天线。
本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：一种基于人工磁导体的双频SIW缝隙天线，
包括天线介质基板以及分别设置在天线介质基板上表面的顶层金属层和下表面的底层金属层，
在天线介质基板的下面还设置有周期性的人工磁导体结构，所述人工磁导体结构由上至下依次为上表面、介质层和下表面，
所述上表面为具有圆环和十字交叉缝隙的第一顶层金属层，所述下表面为第一一底层金属层。
优选地，所述人工磁导体结构设置于距双频SIW缝隙天线的下方，人工磁导体结构与双频SIW缝隙天线的间距为4.8mm。
优选地，所述天线介质基板的四周均布设有金属通孔，所述金属通孔与天线介质基片、顶层金属层、底层金属层构成一个SIW腔体结构，所述SIW腔体结构的中间设有一馈线，所述馈线的阻抗为50欧姆。
优选地，所述天线介质基板的下表面平行间隙设置有两条长短不一的缝隙，长条缝隙设置于下表面底层金属层的中央，短条缝隙在长条缝隙与金属通孔距离的1/2长度处，一条微带线分别通过一个共面波导结构接入双频SIW缝隙天线的上表面，所述微带线从双频SIW缝隙天线的上表面接入。
优选地，所述金属通孔设置在双频SIW缝隙天线上表面金属的四条边及上表面微带线的两侧。
优选地，所述双频SIW缝隙天线的形状为矩形。
优选地，所述人工磁导体结构由4×6的九宫格单元构成，人工磁导体结构的边长为一正方形结构。
优选地，所述人工磁导体结构采用Rogers 5880的介质板，其介电常数为2.2、厚度为1.0毫米；或人工磁导体结构采用Rogers 5880的介质板，其介电常数为2.2，厚度为0.787毫米。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明设计结构简单，易于工业加工。本技术方案首先引入一个小型化的双频SIW缝隙天线，较大程度地解决了缝隙天线具有相对较大尺寸的问题；其次，引入人工磁导体结构，进一步增大了基于SIW的缝隙天线的增益，为双频SIW缝隙天线增益的提高和回波损耗的改善打下了基础。
附图说明
图1为本发明中双频SIW缝隙天线的结构俯视示意图。
图2为本发明中双频SIW缝隙天线的结构3D示意图
图3为本发明中人工磁导体的单元结构三维剖析示意图。
图4为本发明中周期性的人工磁导体的三维剖析示意图。
图5为本发明中加载周期性人工磁导体的双频SIW缝隙天线的结构示意图。
图6为本发明中双频SIW缝隙天线的S参数仿真波形图。
图7为本发明中加载周期性人工磁导体的双频SIW缝隙天线S参数仿真波形图。
图8为本发明中双频SIW缝隙天线分别在7.5GHz的3D辐射方向图。
图9为本发明中双频SIW缝隙天线分别在12.8GHz的3D辐射方向图。
图10是本发明中加载周期性人工磁导体的双频SIW缝隙天线分别在7.5GH的3D辐射方向图。
图11是本发明中加载周期性人工磁导体的双频SIW缝隙天线分别在12.8GHz的3D辐射方向图。
具体实施方式
本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
本发明揭示了一种基于人工磁导体的双频SIW缝隙天线，如图1和图2所示，包括天线介质基板2以及分别设置在天线介质基板上表面的顶层金属层3和下表面的底层金属层4，所述顶层金属层3为具有馈电的顶层金属层。
在天线介质基板的下面还设置有周期性的人工磁导体结构，如图3所示，所述人工磁导体结构由上至下依次为上表面、介质层7和下表面，所述上表面为具有圆环和十字交叉缝隙的第一顶层金属层6，所述下表面为第底层金属层8。所述人工磁导体结构设置于距双频SIW缝隙天线的下方，双频SIW缝隙天线的具有双缝隙的底层金属层朝上，加载到人工磁导体上方，人工磁导体结构与双频SIW缝隙天线的间距为4.8mm，两者之间可以用泡沫进行支撑。
所述天线介质基板的四周均布设有金属通孔1，所述金属通孔1与天线介质基片2、顶层金属层3、底层金属层4构成一个S1W腔体结构，所述SIW腔体结构的中间设有一馈线，所述馈线的阻抗为50欧姆。所述金属通孔1设置在双频SIW缝隙天线上表面金属的四条边及上表面微带线的两侧。
天线介质基板的下表面平行间隙设置有两条长短不一的缝隙5，长条缝隙设置于下表面底层金属层的中央，短条缝隙在长条缝隙与金属通孔距离的1/2长度处，长缝隙产生低频的主辐射，短缝隙产生高频的寄生辐射。一条微带线分别通过一个共面波导结构接入双频SIW缝隙天线的上表面，所述微带线从双频SIW缝隙天线的上表面接入。所述双频SIW缝隙天线的形状为矩形。所述人工磁导体结构由4×6的九宫格单元构成，人工磁导体结构的边长为一正方形结构。
本发明实施例中，人工磁导体采用Rogers 5880的介质板，其介电常数为2.2、厚度为1.0毫米；或人工磁导体采用Rogers 5880的介质板，其介电常数为2.2、厚度为0.787毫米的双频SIW缝隙天线。一条微带线的阻抗均为50欧姆，这条微带线分别作为双频SIW缝隙天线的输入端，双频SIW缝隙天线的正下方是一个4×6的人工磁导体结构。
实施例1
如图2所示，一个波端口在SIW腔体的上表面上，即一条所述微带线在基片的上表面有馈电的顶层金属层上，微带线两侧分别设置两条相等的缝隙，同时沿相等的缝隙两侧边上设置金属通孔，同时在另外三条边上设置同样的金属通孔，其中，两个通孔的间距都相等。在双频SIW缝隙天线的下表面中央设置长的缝隙，缝隙长条和微带馈线这一侧的金属通孔之间的距离的1/2是短条缝隙，通过除去金属贴片部分形成。如图6所示的谐振腔S参数仿真波形图，横坐标代表频率，纵坐标代表S参数，其双频率点分别为7.5GHz和12.8GHz，回波损耗分别为大于27dB和17dB，如图8和图9所示是天线在双频点的增益分别为5.2dB和6.5dB，其工作性能良好。
实施例2
如图4所示，人工磁导体是由4×6的单元结构构成，每个单元结构是包括介质层上表面的圆环和十字交叉缝隙的顶层金属层，中间的介质层，介质层下表面的金属层，24个单元构成了人工磁导体结构。如图5所示是将双频SIW缝隙天线的具有双缝隙的底层金属层朝上，加载到人工磁导体上方，双频SIW缝隙天线和人工磁导体结构之间的距离是4.8mm。如图7所示是加载人工磁导体的双频SIW缝隙天线的S参数仿真波形图，横坐标代表频率，纵坐标代表S参数，其双频率点分别为7.5GHz和12.8GHz，回波损耗分别为大于23dB和27dB，如图10和图11所示是天线在双频点的增益分别为6.4dB和7.9dB，其工作性能良好。
本发明首先引入人工磁导体结构，目的是为了让缝隙天线下半部分的场反射到上半部分，利用人工磁导体结构同相反射特性的周期性，实现对双频SIW缝隙天线的双频谐振点性能的改善，减小副瓣带来的损耗，提高天线的方向性和增益，改善了天线的回波损耗。本发明结构简单，易于加工，性能良好，为今后研究高增益、小型化的天线打下基础。
本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于人工磁导体的双频SIW缝隙天线，其特征在于：
包括天线介质基板以及分别设置在天线介质基板上表面的顶层金属层和下表面的底层金属层，
在天线介质基板的下面还设置有周期性的人工磁导体结构，所述人工磁导体结构由上至下依次为上表面、介质层和下表面，
所述上表面为具有圆环和十字交叉缝隙的第一顶层金属层，所述下表面为第一底层金属层。
2.根据权利要求1所述的，其特征在于：所述人工磁导体结构设置于距双频SIW缝隙天线的下方，人工磁导体结构与双频SIW缝隙天线的间距为4.8mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于人工磁导体的双频SIW缝隙天线，其特征在于：所述天线介质基板的四周均布设有金属通孔，所述金属通孔与天线介质基片、顶层金属层、底层金属层构成一个SIW腔体结构，所述SIW腔体结构的中间设有一馈线，所述馈线的阻抗为50欧姆。
4.根据权利要求1所述的一种基于人工磁导体的双频SIW缝隙天线，其特征在于：所述天线介质基板的下表面平行间隙设置有两条长短不一的缝隙，长条缝隙设置于下表面底层金属层的中央，短条缝隙在长条缝隙与金属通孔距离的1/2长度处，一条微带线分别通过一个共面波导结构接入双频SIW缝隙天线的上表面，所述微带线从双频SIW缝隙天线的上表面接入。
5.根据权利要求1所述的一种基于人工磁导体的双频SIW缝隙天线，其特征在于：所述金属通孔设置在双频SIW缝隙天线上表面金属的四条边及上表面微带线的两侧。
6.根据权利要求1所述的一种基于人工磁导体的双频SIW缝隙天线，其特征在于：所述双频SIW缝隙天线的形状为矩形。
7.根据权利要求1所述的一种基于人工磁导体的双频SIW缝隙天线，其特征在于：所述人工磁导体结构由4×6的九宫格单元构成，人工磁导体结构的边长为一正方形结构。
8.根据权利要求7所述的一种基于人工磁导体的双频SIW缝隙天线，其特征在于：所述人工磁导体结构采用Rogers 5880的介质板，其介电常数为2.2、厚度为1.0毫米；或人工磁导体结构采用Rogers 5880的介质板，其介电常数为2.2，厚度为0.787毫米。
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