CN109950688A - 微带型isgw圆极化缝隙行波天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了微带型ISGW圆极化缝隙行波天线，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两个长度方向相交的两个矩形缝隙，上层介质板的下表面印刷有沿预定方向设置的馈电微带线，两个矩形缝隙的长度方向均不与预定方向平行；下层介质板的上表面印刷有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，金属过孔与第二敷铜层连接。本发明能够克服现有的圆极化行波天线结构复杂、电磁屏蔽性能不强等缺点。

Description

微带型ISGW圆极化缝隙行波天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，特别是涉及微带型ISGW圆极化缝隙行波天线。

背景技术

圆极化天线由于具有良好的兼容性和具有良好的抗干扰能力，因而被广泛运用于导航卫星、雷达和移动通信等场景中。到目前为止，在毫米波段工作的圆极化天线可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，面对毫米波段运用，传统的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)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 BandGap，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，难以保证沿微带线的准TEM波的传播。

因此，上述两种结构的圆极化行波天线存在结构复杂、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微带型ISGW圆极化缝隙行波天线，能够克服现有的圆极化行波天线结构复杂、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：提供微带型ISGW圆极化缝隙行波天线，包括上层介质板(1)、下层介质板(2)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)上蚀刻有两个长度方向相交的两个矩形缝隙(12)，所述上层介质板(1)的下表面印刷有沿预定方向设置的馈电微带线(13)，两个所述矩形缝隙(12)的长度方向均不与所述预定方向平行；所述下层介质板(3)的上表面印刷有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)，所述金属过孔(33)与第二敷铜层(32)连接。

优选的，所述上层介质板(1)、间隔介质板(2)和下层介质板(3)粘合在一起。

优选的，所述馈电微带线(13)的宽度呈阶梯过渡。

优选的，所述上层介质板(1)采用Rogers5880板材，厚度为0.508mm，所述间隔介质板(2)采用Rogers4350板材，厚度为0.254mm，所述下层介质板(3)采用Rogers4003C板材，厚度为0.813mm。

优选的，两个所述矩形缝隙(12)的长度方向均与预定方向形成41.5°的夹角。

优选的，两个所述矩形缝隙(12)的几何中心点在馈电微带线(13)上的投影相距1.8mm。

优选的，两个所述矩形缝隙(12)的几何中心点到馈电微带线(13)中心线的垂线距离均为1.8mm。

优选的，所述金属过孔(33)构成4×6阵列。

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天线，三块介质板分别为有覆铜层的上层介质板，有电磁场带隙的下层介质板以及分隔上、下层介质板的间隔介质板，上层介质板的覆铜层上蚀刻有两个矩形缝隙，上层介质板下表面的馈电微带线激励两个矩形缝隙产生圆极化辐射，形成ISGW圆极化行波天线，从而能够克服现有的圆极化行波天线结构复杂、电磁屏蔽性能不强等缺点，具有结构简单，抗干扰能力强，易加工，易集成，带宽较宽等优点，可以应用于5G及其他射频、微波和毫米波无线通信系统。

附图说明

图1是本发明实施例的微带型ISGW圆极化缝隙行波天线的结构示意图。

图2是图1所示的微带型ISGW圆极化缝隙行波天线的上层介质板的俯视示意图。

图3是图1所示的微带型ISGW圆极化缝隙行波天线的上层介质板的仰视示意图。

图4是图1所示的微带型ISGW圆极化缝隙行波天线的下层介质板的俯视示意图。

图5是图1所示的微带型ISGW圆极化缝隙行波天线的下层介质板的仰视示意图。

图6是图1所示的微带型ISGW圆极化缝隙行波天线端口1馈电时的回波损耗、轴比和增益的仿真结果示意图。

图7是图1所示的微带型ISGW圆极化缝隙行波天线端口2馈电时的回波损耗、轴比和增益的仿真结果示意图。

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，本发明实施例的微带型ISGW圆极化缝隙行波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上蚀刻有两个长度方向相交的两个矩形缝隙12，上层介质板1的下表面印刷有沿预定方向设置的馈电微带线13，两个矩形缝隙12的长度方向均不与预定方向平行。其中，预定方向例如为上层介质板1的长度方向，馈电微带线13的两端可以沿预定方向延伸至上层介质板1的两边边缘。两个矩形缝隙12的长度方向的夹角在0-90°之间。馈电微带线13的宽度可以呈阶梯过渡，例如，馈电微带线13中间部分的宽度大于两侧部分的宽度。

下层介质板3的上表面印刷有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，金属过孔33与第二敷铜层32连接。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。

间隔介质板2用于分隔上层介质板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。在本实施例中，上层介质板1、下层介质板3和间隔介质板2可以粘合在一起

馈电微带线13的两个端部作为两个端口，当一个端口(称作端口1)连接同轴探针，另一个端口(称作端口2)连接50欧姆匹配负载，当端口2连接50欧姆匹配负载，端口1连接同轴探针。

在本实施例中，如图2所示，两个矩形缝隙12的长度方向均与预定方向形成41.5°的夹角，两个矩形缝隙12的几何中心点在馈电微带线13上的投影相距1.8mm，两个矩形缝隙12的几何中心点到馈电微带线13中心线的垂线距离均为1.8mm。

上层介质板1上的第一敷铜层11作为理想电导体，下层介质板2相当于理想磁导体。上层介质板1、间隔介质板2、下层介质板3、第一敷铜层11、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构成了微带型集成基片间隙波导结构。上层介质板1下表面的馈电微带线13会激励两个矩形缝隙12产生辐射。当矩形缝隙12的尺寸固定时，加长或缩短馈电微带线13长度，回波损耗变化较大，但轴比变化较小。

由于两个矩形缝隙12的长度方向均与预定方向形成41.5°的夹角，也就是均与馈电微带线13形成41.5°的夹角，以此产生两个正交电场分量，形成圆极化电磁波。

本实施例的微带型ISGW圆极化缝隙行波天线在实际应用中具有以下特性：

当其他参数固定不变时，如果两个矩形缝隙12的长边增大，天线的阻抗带宽保持不变，低频和高频谐振点均向低频端偏移，非谐振点处的回波损耗增大；如果两个矩形缝隙12的长边减小，天线的阻抗带宽保持不变，低频和高频谐振点均向高频端偏移，非谐振点处的回波损耗增大。

当其他参数固定不变时，如果两个矩形缝隙12的几何中心点在馈电微带线13上的投影间距增大，天线轴比带宽减小，最小轴比所在的频点向低频端移动；如果两个矩形缝隙12的几何中心点在馈电微带线13上的投影间距减小，天线轴比带宽减小，最小轴比所在的频点向高频端移动。

当其他参数固定不变时，如果两个矩形缝隙12的长度方向与预定方向形成的夹角增大，天线轴比带宽减小，最小轴比所在的频点向高频端移动；如果两个矩形缝隙12的长度方向与预定方向形成的夹角减小，天线轴比带宽减小，最小轴比所在的频点向低频端移动。

当其他参数固定不变时，如果两个矩形缝隙12的几何中心点到馈电微带线13中心线的垂线距离增大，天线轴比带宽减小，最小轴比所在的频点向低频端移动；如果两个矩形缝隙12的几何中心点到馈电微带线13中心线的垂线距离减小，天线轴比带宽减小，最小轴比所在的频点向高频端移动。

当其他参数固定不变时，如果端口1连接同轴探针，端口2连接50欧姆匹配负载时，天线辐射右旋圆极化波；如果端口2连接同轴探针，端口1连接50欧姆匹配负载时，天线辐射左旋圆极化波。

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、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，金属过孔33构成4×6阵列，也就是说，蘑菇型EBG结构构成4×6阵列。

为了详细说明本实施例的微带型ISGW圆极化缝隙行波天线，下面给出一个具体实例。在该具体实例中，上层介质板1采用Rogers5880板材，厚度为0.508mm，间隔介质板2采用Rogers4350板材，厚度为0.254mm，下层介质板3采用Rogers4003C板材，厚度为0.813mm。通过仿真及测试得到测试结果，如图6和图7所示，测试结果表明，当端口1馈电时，该天线的-10dB阻抗带宽17.8～32.4GHz(相对带宽为58.1％)，3dB轴比带宽为18.6～24.6GHz(相对带宽为36.1％)，增益在23GHz处约为5dBi；当端口2馈电时，该天线的-10dB阻抗带宽17.8～32.5GHz(相对带宽为58.1％)，3dB轴比带宽为18.8～23.3GHz(相对带宽为21.3％)，增益在23GHz处约为5.7dBi。图中，S₁₁表示回波损耗。

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 (8)

1.一种微带型ISGW圆极化缝隙行波天线，其特征在于，包括上层介质板(1)、下层介质板(2)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)上蚀刻有两个长度方向相交的两个矩形缝隙(12)，所述上层介质板(1)的下表面印刷有沿预定方向设置的馈电微带线(13)，两个所述矩形缝隙(12)的长度方向均不与所述预定方向平行；所述下层介质板(3)的上表面印刷有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)，所述金属过孔(33)与第二敷铜层(32)连接。

2.根据权利要求1所述的微带型ISGW圆极化缝隙行波天线，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)粘合在一起。

3.根据权利要求1所述的微带型ISGW圆极化缝隙行波天线，其特征在于，所述馈电微带线(13)的宽度呈阶梯过渡。

4.根据权利要求1所述的微带型ISGW圆极化缝隙行波天线，其特征在于，所述上层介质板(1)采用Rogers5880板材，厚度为0.508mm，所述间隔介质板(2)采用Rogers4350板材，厚度为0.254mm，所述下层介质板(3)采用Rogers4003C板材，厚度为0.813mm。

5.根据权利要求1或4所述的微带型ISGW圆极化缝隙行波天线，其特征在于，两个所述矩形缝隙(12)的长度方向均与预定方向形成41.5°的夹角。

6.根据权利要求1或4所述的微带型ISGW圆极化缝隙行波天线，其特征在于，两个所述矩形缝隙(12)的几何中心点在馈电微带线(13)上的投影相距1.8mm。

7.根据权利要求1或4所述的微带型ISGW圆极化缝隙行波天线，其特征在于，两个所述矩形缝隙(12)的几何中心点到馈电微带线(13)中心线的垂线距离均为1.8mm。

8.根据权利要求1或4所述的微带型ISGW圆极化缝隙行波天线，其特征在于，所述金属过孔(33)构成4×6阵列。