CN109860990B - 基于集成基片间隙波导的宽带双极化天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于集成基片间隙波导的宽带双极化天线，其包括上层介质板、下层介质板以及设置在上层介质板和下层介质板之间的间隔介质板；上层介质板的上表面印刷有第一敷铜层，第一敷铜层上蚀刻有窗形缝隙，上层介质板的下表面印刷有两条正交放置的馈电微带线，两条馈电微带线至少部分延伸到窗形缝隙的下方；下层介质板的上表面印刷周期性排列的圆形金属贴片，下层介质板的下表面印刷有第二敷铜层，每一圆形金属贴片上设有贯穿下层介质板的金属过孔。本发明能够克服现有的双极化天线结构复杂、电磁屏蔽性能不强等缺点。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别是涉及基于集成基片间隙波导的宽带双极化天线。
背景技术
双极化天线是一种既有垂直极化方向又有水平极化方向的天线，传统的双极化天线是在缝隙耦合天线的基础上，结合双端口微带线实现。双极化天线具备以下优势：能提高无线通信系统的抗干扰能力、能够实现极化复用、极化捷变和收发同工、在不增加天线数量的前提下可提升通信容量等。目前双极化天线分为互相垂直放置的双端口微带双极化天线、正负45度交叉极化电磁偶极子天线、同轴馈电的双极化缝隙天线等形式。
近年来，集成基片间隙波导(ISGW)传输线被提出，该传输线基于多层PCB来实现,分为带脊的集成基片间隙波导和微带集成基片间隙波导两种结构。带脊的集成基片间隙波导一般由两层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间形成蘑菇型EBG(Electromagnetic Band Gap，电磁场带隙)结构，电磁波(准TEM波)只能沿着微带线传播，但是，由于带脊的集成基片间隙波导中微带脊与蘑菇型EBG结构处于同一层PCB板上，所以其微带脊会受到蘑菇型EBG结构的制约而不方便走线，在实际应用中存在局限性。
微带集成基片间隙波导由三层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板上全部印制周期性排列的蘑菇型EBG结构以构成PMC，在上层和底层间插入一块空白介质板来隔断上层PCB板和底层PCB板。由于有空白介质板的隔断，微带线布局灵活，不必担心受到周期结构制约。当这种集成基片间隙波导工作时，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。但是，同样地，PEC与PMC之间的蘑菇型EBG结构会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。
因此，上述两种结构的双极化天线存在结构复杂、电磁屏蔽性能不强等缺点。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供基于集成基片间隙波导的宽带双极化天线，能够克服现有的双极化天线结构复杂、电磁屏蔽性能不强等缺点。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供基于集成基片间隙波导的宽带双极化天线，包括上层介质板(1)、下层介质板(3)以及设置在所述上层介质板(1)和下层介质板(3)之间的间隔介质板(2)；所述上层介质板(1)的上表面印刷有第一敷铜层(11)，所述第一敷铜层(11)上蚀刻有窗形缝隙(12)，所述上层介质板(1)的下表面印刷有两条正交放置的馈电微带线(13)，两条所述馈电微带线(13)至少部分延伸到窗形缝隙(12)的下方；所述下层介质板(3)的上表面印刷周期性排列的圆形金属贴片(31)，所述下层介质板(3)的下表面印刷有第二敷铜层(32)，每一所述圆形金属贴片(31)上设有贯穿下层介质板(3)的金属过孔(33)。
优选的，所述馈电微带线(13)包括依次连接的50Ohm微带线(131)、四分之一波长阻抗转换器(132)和方形金属贴片(133)，所述方形金属贴片(133)延伸到窗形缝隙(12)的下方。
优选的，所述四分之一波长阻抗转换器(132)呈阶梯状。
优选的，所述上层介质板(1)、下层介质板(3)和间隔介质板(2)粘合在一起。
优选的，所述下层介质板(3)的上表面正对窗形缝隙(12)的范围内，仅包括8个圆形金属贴片(31)。
优选的，所述窗形缝隙(12)的长宽比为1：1。
优选的，所述上层介质板(1)、间隔介质板(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。
区别于现有技术的情况，本发明的有益效果是：通过采用三块介质板构成集成基片间隙波导(ISGW)天线，上层介质板的敷铜层上蚀刻有窗形缝隙，采用位于上层介质板的下表面并延伸到窗形缝隙下方的两条正交放置的馈电微带线激励窗形缝隙产生极化辐射，从而能够克服现有的双极化天线结构复杂、电磁屏蔽性能不强等缺点，具有结构简单、产生双向辐射、隔离性能优良、电磁屏蔽性能强、易加工、易与其他平面电路集成、超宽带等优点，可以用做5G及其他毫米波通信系统天线。
附图说明
图1是本发明实施例的基于集成基片间隙波导的宽带双极化天线的结构示意图。
图2是图1所示的宽带双极化天线的上层介质板的俯视示意图。
图3是图1所示的宽带双极化天线的上层介质板的仰视示意图。
图4是图1所示的宽带双极化天线的下层介质板的俯视示意图。
图5是图1所示的宽带双极化天线的下层介质板的仰视示意图。
图6是图1所示的宽带双极化天线的一端口和二端口的回波损耗示意图。
图7是图1所示的宽带双极化天线的一端口和二端口的隔离度示意图。
图8是图1所示的宽带双极化天线的一端口和二端口的的增益示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅图1至图5，本发明实施例的基于集成基片间隙波导的宽带双极化天线包括上层介质板1、下层介质板3以及设置在上层介质板1和下层介质板3之间的间隔介质板2。
上层介质板1的上表面印刷有第一敷铜层11，第一敷铜层11上蚀刻有窗形缝隙12，上层介质板1的下表面印刷有两条正交放置的馈电微带线13，两条馈电微带线13至少部分延伸到窗形缝隙12的下方。
下层介质板3的上表面印刷周期性排列的圆形金属贴片31，下层介质板3的下表面印刷有第二敷铜层32，每一圆形金属贴片31上设有贯穿下层介质板3的金属过孔33。每一圆形金属贴片31与其上的金属过孔33一起组成了蘑菇型EBG结构，这样，下层介质板3上就形成了周期性排列的蘑菇型EBG结构。
在本实施例中，馈电微带线13包括依次连接的50Ohm微带线131、四分之一波长阻抗转换器132和方形金属贴片133，方形金属贴片133延伸到窗形缝隙12的下方。通过这样设置，可以将50Ohm微带线131的特性阻抗与方形金属贴片133的负载阻抗相匹配。在具体设置时，四分之一波长阻抗转换器132可以呈阶梯状，也就是说，四分之一波长阻抗转换器132的宽度呈阶梯突变。同样的，50Ohm微带线131与四分之一波长阻抗转换器132的宽度也可以呈阶梯突变。
上层介质板1、间隔介质板2、下层介质板3、两条正交放置的馈电微带线13、周期性排列的蘑菇型EBG结构以及第二敷铜层32构成集成基片间隙波导结构，上层介质板1下表面的两条正交放置的馈电微带线13会激励窗形缝隙12产生辐射，两条正交放置的馈电微带线13经过阻抗转换到具有更大的负载阻抗的方形金属贴片133，以产生更多辐射，当窗形缝隙12长宽比值可比拟时即为宽缝，取缝隙的长宽为谐振电长度(约为二分之三波长)，调整方形金属贴片133的尺寸以及方形金属贴片133边缘到缝隙的距离时，回波损耗变化较大。
在实际应用中，为了获得所需的工作频带，需要合适地选取周期性排列的蘑菇型EBG结构中圆形金属贴片31和金属过孔33的尺寸以及蘑菇状EBG结构的周期，使蘑菇型EBG结构的阻带与集成基片间隙波导所传播的电磁波频带相适应。例如，在一种具体应用中，EBG结构没有铺满下层介质板3，而是在下层介质板3的上表面正对窗形缝隙12的范围内，仅包括8个圆形金属贴片31，也就是仅包括8个蘑菇型EBG结构。由于在下层介质板3的上表面正对窗形缝隙12的范围内去除了多个蘑菇型EBG结构，是为了在减小损耗、提高增益并提高隔离度中选择最优方案。
为了详细说明本实施例的宽带双极化天线，下面给出一个具体实例。在该具体实例中，上层介质板1上的窗形缝隙12的长宽比为1：1，下层介质板3的蘑菇型EBG结构为8×8阵列。上层介质板1、间隔介质板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；仿真及测试通过测试得到测试结果，如图6至图8所示，测试结果表明，该天线的-10dB阻抗带宽为27—40GHz(相对阻抗带宽为38.8％)，增益在32GHz处约为10dBi，隔离度达到20dB以上。
此外，本实施例的基于集成基片间隙波导的宽带双极化天线除了利用了正交极化技术以外，还应用了类寄生单元去耦技术，将两条正交放置的馈电微带线下方的8个蘑菇型EBG结构作为寄生单元，将两条正交放置的馈电微带线之间的耦合路径引入到新的与寄生单元的耦合路径上，从而实现降低耦合，提高隔离度的作用。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于集成基片间隙波导的宽带双极化天线，其特征在于，包括上层介质板（1）、下层介质板（3）以及设置在所述上层介质板（1）和下层介质板（3）之间的间隔介质板（2）；所述上层介质板（1）的上表面印刷有第一敷铜层（11），所述第一敷铜层（11）上蚀刻有窗形缝隙（12），所述上层介质板（1）的下表面印刷有两条正交放置的馈电微带线（13），两条所述馈电微带线（13）至少部分延伸到窗形缝隙（12）的下方；所述下层介质板（3）的上表面印刷周期性排列的圆形金属贴片（31），所述下层介质板（3）的下表面印刷有第二敷铜层（32），每一所述圆形金属贴片（31）上设有贯穿下层介质板（3）的金属过孔（33）；所述下层介质板（3）的上表面正对窗形缝隙（12）的范围内，仅包括8个圆形金属贴片（31），在下层介质板（3）的上表面正对窗形缝隙（12）的范围内去除多个蘑菇型EBG结构，使圆形金属贴片（31）数量仅为8个，以此减小损耗、提高增益并提高隔离度。
2.根据权利要求1所述的宽带双极化天线，其特征在于，所述馈电微带线（13）包括依次连接的 50Ohm 微带线（131）、四分之一波长阻抗转换器（132）和方形金属贴片（133），所述方形金属贴片（133）延伸到窗形缝隙（12）的下方。
3.根据权利要求2所述的宽带双极化天线，其特征在于，所述四分之一波长阻抗转换器（132）呈阶梯状。
4.根据权利要求1所述的宽带双极化天线，其特征在于，所述上层介质板（1）、下层介质板（3）和间隔介质板（2）粘合在一起。
5.根据权利要求1所述的宽带双极化天线，其特征在于，所述窗形缝隙（12）的长宽比为1：1。
6.根据权利要求1所述的宽带双极化天线，其特征在于，所述上层介质板（1）、间隔介质板（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。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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