CN109860989A

CN109860989A - 基于集成基片间隙波导的圆极化缝隙天线

Info

Publication number: CN109860989A
Application number: CN201910260704.5A
Authority: CN
Inventors: 申东娅; 尤丹丹; 张秀普
Original assignee: Yunnan University YNU
Current assignee: Yunnan University YNU
Priority date: 2019-04-02
Filing date: 2019-04-02
Publication date: 2019-06-07

Abstract

本发明公开了基于集成基片间隙波导（ISGW）的圆极化缝隙天线，包括有金属覆层的上层介质板、有电磁带隙的下层介质板以及分隔上下两层介质板的中间层介质板。所述上层介质板上表面的第一敷铜层上蚀刻有一个矩形缝隙，在矩形缝隙的其中两对角上分别设置一个小矩形微扰贴片，将上层介质板下表面印刷的馈电微带线一端延伸至矩形缝隙下方，以激励矩形缝隙产生圆极化辐射，形成ISGW圆极化天线。这样的ISGW圆极化天线，具有结构简单，带宽较宽，抗干扰能力强，易加工集成等优点，可应用于5G及其他毫米波无线通信系统。

Description

基于集成基片间隙波导的圆极化缝隙天线

技术领域

本发明属于无线通信天线领域，特别是涉及基于PCB的ISGW圆极化缝隙天线。

背景技术

圆极化天线由于其具有良好的兼容性和抗干扰能力，被广泛应用于导航卫星、雷达和移动通信等多个不同的场景中。目前，毫米波段的圆极化天线大致分为微带圆极化天线、金属矩形波导（RW）圆极化天线和基片集成波导（SIW）圆极化天线。但是，传统的毫米波段圆极化天线存在一些问题，比如：纯金属的结构在毫米波段难以制造，基片集成波导（SIW）的电磁屏蔽性能不强、结构复杂。

近年来，集成基片间隙波导（ISGW）天线被提出，该天线基于多层PCB来实现, 分为带脊的ISGW和微带ISGW两种结构。带脊的ISGW一般由两层PCB构成，上层PCB外侧表面全敷铜构成理想电导体（PEC），下层PCB上印刷有微带线，微带线上带有一系列金属化过孔与下方金属地相连形成一种类似脊的结构，微带线两侧是周期性的蘑菇结构以形成理想磁导体（PMC）。由于PEC与PMC间形成EBG，电磁波（准TEM波）只能沿着微带线传播。但是，由于带脊的ISGW中微带线与蘑菇结构处于同一层PCB板上，所以其微带线会受到蘑菇结构的制约而不方便走线，在实际应用中存在局限性。

微带ISGW由三层PCB板构成。上层PCB板的外侧全覆铜形成PEC，内侧则印刷微带线，底层PCB板上全部印制蘑菇状周期结构以构成PMC，在上层和底层间插入一块中间介质板来隔断上层和底层。由于有中间层的隔断，微带线布局灵活，不必担心受到蘑菇状周期结构制约。当这种ISGW工作时，准TEM波会沿着微带线在微带线与PEC之间的介质基板内传播，这种工作模式和介质埋藏的微带线十分类似。同样地，PEC与PMC之间会产生EBG以阻止波在其他方向上的传播，以保证沿微带线的准TEM波的传播。但是，这样的微带天线存在电磁屏蔽性能还不够高、产生的带宽还不够宽等问题。

发明内容

本发明的目的是设计基于集成基片间隙波导的圆极化缝隙天线，以便更好地克服现有的圆极化天线结构复杂、带宽不足、电磁屏蔽性能不强等缺点，可将其应用于5G及其他毫米波通信系统。

本发明采用如下技术方案：

基于集成基片间隙波导的圆极化缝隙天线，包括上层介质板，中间层介质板，下层介质板，其中：

上层介质板的上表面印刷有第一敷铜层，上层介质板的下表面印刷有馈电微带线，在第一敷铜层靠近中间位置处蚀刻有矩形缝隙；所述矩形缝隙上设有微扰结构，以此产生两个正交电场分量，形成圆极化电磁波；

下层介质板的上表面设有若干金属圆形贴片，下层介质板的下表面印刷有第二敷铜层；下层介质板上打有若干金属过孔，所述金属过孔与圆形贴片的中间以及第二敷铜层贯通连接，一起组成蘑菇状的电磁带隙（EBG）阵列结构；

中间层介质板分隔上层介质板和下层介质板，使上层介质板和下层介质板之间形成间隙；

上层介质板、中间层介质板、下层介质板粘合在一起，形成一个整体；

上层介质板上的第一敷铜层为理想电导体（PEC），下层介质板相当于理想磁导体（PMC）；

上层介质板，中间层介质板，下层介质板，第一敷铜层，馈电微带线，EBG阵列结构，以及第二敷铜层共同构成集成基片间隙波导(ISGW)结构。

通过在上述ISGW结构的第一敷铜层蚀刻一个矩形缝隙，并在矩形缝隙上设置微扰结构，形成区别于传统的圆极化天线。

进一步地，所述馈电微带线的一端设为馈电端口，馈电端口设置于ISGW结构一个边的边缘；所述馈电微带线的另一端延伸至矩形缝隙的下方，以激励该缝隙产生辐射。所述馈电微带线的另一端进一步延伸至矩形缝隙的中间位置，获得较佳的回波损耗和轴比；所述矩形缝隙大小固定，加长或缩短馈电微带线长度时，回波损耗变化较大，但轴比变化较小。

这样的设计，可通过调整馈电微带线与矩形缝隙的相对位置以及馈电微带线长短，进一步影响轴比变化，特别是对回波损耗的影响作用较大。

进一步地，根据需要产生的工作频带，适当选取EBG阵列结构中圆形贴片和金属过孔的尺寸以及EBG阵列结构的周期，使EBG阵列结构的阻带与ISGW所传播的电磁波频带相适应。

在制造应用当中，要根据实际使用的工作频带大小，经反复的调整测试，选取确定EBG阵列结构中圆形贴片和金属过孔的尺寸大小，以及EBG阵列结构的周期数量，使EBG阵列结构的阻带与ISGW所传播的电磁波频带相匹配适应。

进一步地，所述微扰结构包括在矩形缝隙的两个对角位置分别设置的小矩形金属贴片一和金属贴片二。所述金属贴片一的宽边值固定、长边值升高时，天线的阻抗带宽和轴比带宽保持不变；所述金属贴片一的长边值固定、宽边值升高时，天线的阻抗带宽变宽，轴比带宽变窄；所述金属贴片二的宽边值固定、长边值升高时，天线的阻抗带宽变宽，轴比带宽变窄；所述金属贴片二的长边值固定、宽边值升高时，天线的阻抗带宽变宽，轴比带宽变窄。

在矩形缝隙上采用微扰结构，可以改变电流的流动，对圆极化的形成起到关键作用，进一步增强了圆极化缝隙天线的抗干扰能力；同时，可以通过改变微扰结构中小矩形金属贴片一和金属贴片二的长宽大小，可以更好地调整增强圆极化缝隙天线的阻抗带宽和轴比带宽。

进一步地，所述金属过孔、圆形贴片、金属贴片一和金属贴片二均为铜质材料。

该天线金属过孔、圆形贴片和金属贴片等选择导电性能良好的金属材料制成，最好是使用与第一、二敷铜层相同的铜质材料。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

通过采用基于ISGW的三层板结构，并设有带微扰结构的矩形缝隙，通过调整设置馈电微带线与矩形缝隙的相对位置和馈电微带线长短，以及微扰结构中两个金属贴片的大小、长宽比例，进一步优化圆极化缝隙天线的轴比、增益、回波损耗和电磁屏蔽等方面的性能，提高其阻抗带宽、轴比带宽和抗干扰能力，同时该天线结构简单，易于与其它平面电路集成应用。

附图说明

图1为本发明ISGW圆极化缝隙天线的结构示意图；

图2为本发明ISGW圆极化缝隙天线上层介质板上表面示意图；

图3为本发明ISGW圆极化缝隙天线上层介质板下表面示意图；

图4为本发明ISGW圆极化缝隙天线下层介质板上表面示意图；

图5为本发明ISGW圆极化缝隙天线下层介质板下表面示意图；

图6为本发明ISGW圆极化缝隙天线的回波损耗、轴比和增益图。

图中标记：1是上层介质板，2是中间层介质板，3是下层介质板，4是第二敷铜层，5是金属过孔，6是馈电微带线，7是馈电端口，8是矩形缝隙，9是第一敷铜层，10是圆形贴片，11是金属贴片一，12是金属贴片二，13是微扰结构。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

如图1至5所示，基于集成基片间隙波导的圆极化缝隙天线，包括上层介质板1，中间层介质板2，下层介质板3，其中：

上层介质板1的上表面印刷有第一敷铜层9，上层介质板1的下表面印刷有馈电微带线6，在第一敷铜层9靠近中间位置处蚀刻有矩形缝隙8；所述矩形缝隙（8）上设有微扰结构13，以此产生两个正交电场分量；

下层介质板3的上表面设有25个金属圆形贴片10，下层介质板3的下表面印刷有第二敷铜层4；下层介质板3上打有25个金属过孔5，所述金属过孔5与圆形贴片10的中间以及第二敷铜层4贯通连接，一起组成蘑菇状的电磁带隙（EBG）阵列结构；

中间层介质板2分隔上层介质板1和下层介质板3，使上层介质板1和下层介质板3之间形成间隙；上层介质板1、中间层介质板2、下层介质板3粘合在一起，形成一个整体；上层介质板1上的第一敷铜层9为理想电导体（PEC），下层介质板3相当于理想磁导体（PMC）；

上层介质板1，中间层介质板2，下层介质板3，第一敷铜层9，馈电微带线6，EBG阵列结构，以及第二敷铜层4共同构成集成基片间隙波导（ISGW）结构。

进一步地，所述馈电微带线6的一端设为馈电端口7，馈电端口7设置于ISGW结构一个边的边缘；所述馈电微带线6的另一端延伸至矩形缝隙8的下方，以激励该缝隙产生辐射。所述馈电微带线6的另一端进一步延伸至矩形缝隙8的中间位置，获得较佳的回波损耗和轴比；所述矩形缝隙8大小固定，加长或缩短馈电微带线6长度时，回波损耗变化较大，但轴比变化较小。

进一步地，根据需要产生的工作频带，适当选取EBG阵列结构中圆形贴片10和金属过孔5的尺寸以及EBG阵列结构的周期，使EBG阵列结构的阻带与ISGW所传播的电磁波频带相适应。

进一步地，所述微扰结构13包括在矩形缝隙8的两个对角位置分别设置的小矩形金属贴片一11和金属贴片二12。

进一步地，所述金属贴片一11的宽边值固定、长边值升高时，天线的阻抗带宽和轴比带宽保持不变；所述金属贴片一11的长边值固定、宽边值升高时，天线的阻抗带宽变宽，轴比带宽变窄；所述金属贴片二12的宽边值固定、长边值升高时，天线的阻抗带宽变宽，轴比带宽变窄；所述金属贴片二12的长边值固定、宽边值升高时，天线的阻抗带宽变宽，轴比带宽变窄。

以上金属过孔5、圆形贴片10、金属贴片一11和金属贴片二12均使用铜质材料。

上述结构的具体指标如下：下层介质板3上的蘑菇状EBG结构为5×5阵列，ISGW结构的整体尺寸为15×12×1.549mm³，上层介质板1、中间层介质板2和下层介质板3均采用Rogers5880板材，厚度分别为0.508mm、0.254mm和0.787mm。

仿真及测试结果如图6所示，该天线的-10dB阻抗带宽22.8-32GHz（相对带宽为32.8％），3dB轴比带宽为27.5-31GHz（相对带宽为12.5％），增益在28GHz处约为7.7dBi。以上表明，该天线在带宽、增益方面要优于传统的圆极化天线。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，皆应属于本发明的保护范围。

Claims

1.基于集成基片间隙波导的圆极化缝隙天线，包括上层介质板（1），中间层介质板（2），下层介质板（3），其特征在于：

所述上层介质板（1）的上表面印刷有第一敷铜层（9），上层介质板（1）的下表面印刷有馈电微带线（6），在第一敷铜层（9）靠近中间位置处蚀刻有矩形缝隙（8）；所述矩形缝隙（8）上设有微扰结构（13），以此产生两个正交电场分量；

所述下层介质板（3）的上表面设有若干金属圆形贴片（10），下层介质板（3）的下表面印刷有第二敷铜层（4）；下层介质板（3）上打有若干金属过孔（5），所述金属过孔（5）与圆形贴片（10）的中间以及第二敷铜层（4）贯通连接，一起组成蘑菇状的电磁带隙（EBG）阵列结构；

所述中间层介质板（2）分隔上层介质板（1）和下层介质板（3），使上层介质板（1）和下层介质板（3）之间形成间隙；

所述上层介质板（1）、中间层介质板（2）、下层介质板（3）粘合在一起，形成一个整体；

所述上层介质板（1）上的第一敷铜层（9）为理想电导体（PEC），下层介质板（3）相当于理想磁导体（PMC）；

所述上层介质板（1），中间层介质板（2），下层介质板（3），第一敷铜层（9），馈电微带线（6），EBG阵列结构，以及第二敷铜层（4）共同构成集成基片间隙波导（ISGW）结构。

2.如权利要求1所述的基于集成基片间隙波导的圆极化缝隙天线，其特征在于：所述微扰结构（13）包括在矩形缝隙（8）的两个对角位置分别设置的小矩形金属贴片一（11）和金属贴片二（12）。

3.如权利要求1或2所述的基于集成基片间隙波导的圆极化缝隙天线，其特征在于：所述馈电微带线（6）的一端设为馈电端口（7），馈电端口（7）设置于ISGW结构一个边的边缘；所述馈电微带线（6）的另一端延伸至矩形缝隙（8）的下方，以激励该缝隙产生辐射。

4.如权利要求3所述的基于集成基片间隙波导的圆极化缝隙天线，其特征在于：所述馈电微带线（6）的另一端进一步延伸至矩形缝隙（8）的中间位置，获得较佳的回波损耗和轴比；所述矩形缝隙（8）大小固定，加长或缩短馈电微带线（6）长度时，回波损耗变化较大，但轴比变化较小。

5.如权利要求4所述的基于集成基片间隙波导的圆极化缝隙天线，其特征在于：根据需要产生的工作频带，适当选取EBG阵列结构中圆形贴片（10）和金属过孔（5）的尺寸以及EBG阵列结构的周期，使EBG阵列结构的阻带与ISGW所传播的电磁波频带相适应。

6.如权利要求2、4或5所述的基于集成基片间隙波导的圆极化缝隙天线，其特征在于：所述金属贴片一（11）的宽边值固定、长边值升高时，天线的阻抗带宽和轴比带宽保持不变；所述金属贴片一（11）的长边值固定、宽边值升高时，天线的阻抗带宽变宽，轴比带宽变窄；所述金属贴片二（12）的宽边值固定、长边值升高时，天线的阻抗带宽变宽，轴比带宽变窄；所述金属贴片二（12）的长边值固定、宽边值升高时，天线的阻抗带宽变宽，轴比带宽变窄。

7.如权利要求6所述的基于集成基片间隙波导的圆极化缝隙天线，其特征在于：所述金属过孔（5）、圆形贴片（10）、金属贴片一（11）和金属贴片二（12）均为铜质材料。