CN110021813B - 一种基片集成渐变宽度表面波天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基片集成渐变宽度表面波天线，包括金属地板、上层金属板、介质板、短路过孔和馈电探针，所述上层金属板和金属地板分别位于介质板的上、下表面，所述上层金属板设有沿着横向渐变宽度的空槽，所述短路过孔沿所述空槽的边缘排列，所述馈电探针设置在所述空槽的纵向中心位置，且穿过介质板。本发明实现了高增益，低旁瓣电平的端射辐射，提供了较宽的阻抗带宽，具有易集成、低剖面和容易加工的特点。
Description
技术领域
本发明涉及通讯天线领域，特别涉及一种基片集成渐变宽度表面波天线。
背景技术
表面波天线是一种常用的端射天线，传统的基于电介质的表面波天线主要有介质棒和介质平板两种结构，逐渐减小介质棒沿着传播方向的结构参数或者对介质平板的厚度，可以使得表面波天线获得较好的辐射性能。但是，这种渐变结构不易加工。
常用的高增益端射天线实现方案有：
(1)介质波导缝隙天线；
(2)在矩形波导宽面上挖纵向窄缝隙的漏波天线；
(3)准TEM导波结构漏波天线。
上述方案(1)需要逐渐减小介质波导的厚度，这种结构是不容易加工的；上述方案(2)由于色散系数比较大，在端射方向上的增益带宽比较窄；上述方案(3)需要空气作为媒介，并且不易加工。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基片集成渐变宽度表面波天线，实现高增益的端射辐射，并提供较宽的阻抗带宽。
为实现上述目的，本发明提出的一种基片集成渐变宽度表面波天线，包括金属地板、上层金属板、介质板、短路过孔和馈电探针，所述上层金属板和金属地板分别位于介质板的上、下表面，所述上层金属板设有沿着横向渐变宽度的空槽，所述短路过孔沿所述空槽的边缘排列，所述馈电探针设置在所述空槽的纵向中心位置，且穿过介质板。
优选地，所述上层金属板的空槽长边和短边的长度分别为12mm、4mm，所述空槽沿着横向的长度为151.5mm。其中，所述空槽的长边和短边与上层金属板宽边的距离为3mm。
优选地，所述短路过孔内表面覆铜，短路过孔的直径为1mm，相邻两个短路过孔的间距为1.5mm。
优选地，所述馈电探针与上层金属板的空槽长边的距离为3.5mm。
优选地，所述介质板为固体电介质，介质板的长边为184.5mm，宽边为40mm。
优选地，所述金属地板和上层金属板为等大矩形。所述金属地板和上层金属板为平面结构，且都紧贴介质板。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
1、本发明采用了介质集成波导技术，解决了传统表面波天线不易加工的问题，具有易集成、低剖面和容易加工的特点。
2、本发明在上层金属板引入渐变宽度的空槽，该渐变宽度的结构有助于表面波和空间波的转换，使得表面波相对松弛地附着在集成波导上，从而实现了高增益，低旁瓣电平和大3dB增益带宽的端射辐射。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例所述表面波天线的结构示意图；
图2为本发明实施例所述表面波天线的俯视图；
图3是本发明实施例所述表面波天线的侧视图；
图4是本发明的反射系数图；
图5是本发明的峰值增益和总效率图；
图6(a)、图6(b)是本发明在频率为20GHz时，phi＝0°和phi＝90°的滚动角平面上的辐射方向图；
图6(c)、图6(d)是本发明在频率为22GHz时，phi＝0°和phi＝90°的滚动角平面上的辐射方向图；
图6(e)、图6(f)是本发明在频率为24GHz时，phi＝0°和phi＝90°的滚动角平面上的辐射方向图。
附图标记说明：
| 标记 | 名称 | 标记 | 名称 |
| 1 | 馈电探针 | 2 | 金属地板 |
| 3 | 上层金属板 | 4 | 短路过孔 |
| 5 | 渐变宽度的空槽 | 6 | 介质板 |
| L<sub>a</sub> | 空槽沿着横向的长度 | L<sub>g</sub> | 介质板的长边 |
| L<sub>1</sub> | 空槽长(宽)边的位置 | L<sub>2</sub> | 空槽短(宽)边的位置 |
| W<sub>g</sub> | 介质板的宽边 | W<sub>1</sub> | 空槽长(宽)边的长度 |
| W<sub>2</sub> | 空槽短(宽)边的长度 | d<sub>f</sub> | 馈电探针的位置 |
| d | 短路过孔的直径 | p | 短路过孔的间距 |
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作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。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
如图1至图3所示，本发明实施例所述基片集成渐变宽度表面波天线，包括馈电探针1，金属地板2，上层金属板3，短路过孔4和介质板6，所述金属地板2和所述上层金属板3分别位于所述介质板6的上、下表面，上层金属板3设有沿着横向渐变宽度的空槽5，所述短路过孔4沿着空槽5的边缘排列，在空槽5的纵向中心位置设有馈电探针1，所述馈电探针穿过介质板6。
在本实施例中，如图2所示，上层金属板3带有沿着横向渐变宽度的空槽5，空槽5的长(宽)边为W1，短(宽)边为W2，空槽5沿着横向的长度为La。所述上层金属板3的空槽5的长(宽)边与上层金属板3的宽边的距离为L1，空槽5的短(宽)边与上层金属板3的宽边的距离为L2。
所述短路过孔4的内表面覆铜，短路过孔的参数根据天线性能和阻抗匹配要求确定。在本实施例中，所述短路过孔4分布在所述上层金属板3的空槽5的边缘；短路过孔4的直径为d，每两个相邻的短路过孔4之间的间距为p。
所述馈电探针1的位置根据天线的性能和阻抗匹配的要求确定，使得该表面波天线在馈电探针的馈电位置上的输入阻抗与所连接的信号传输线的阻抗相同。在本实施例中，所述馈电探针1位于空槽5的纵向中心处，与空槽的长(宽)边的距离为df。
进一步的，所述介质板6为固体电介质，在本实施例中，介质板6的长边为Lg，宽边为Wg。所述金属地板2和上层金属板3为等大矩形，且与介质板6的横截面的维度一致。为了达到低剖面，易集成的效果，所述金属地板2和上层金属板3为平面结构，且都紧贴介质板6。
更进一步的，本实施例所述表面波天线采用印刷电路板技术制作而成。
本发明的一个较佳实施例的实景操作具体如下：
所述天线装配在介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度h为3mm的电介质层上；上层金属板3的渐变宽度的空槽5的长(宽)边W1的长度为12mm，短(宽)边W2的长度为4mm。所述空槽5沿着横向的长度La为151.5mm，空槽5的长(宽)边和短(宽)边与上层金属板3两边的宽边的距离L1、L2为3mm。所述介质板6的长边Lg的长度为184.5mm，宽边Wg的长度为40mm。所述短路过孔4的直径d为1mm，相邻两个短路过孔的间距p为1.5mm。所述馈电探针1与空槽5的长(宽)边的距离df为3.5mm。
图4是本发明的反射系数曲线图，从图中可以看出：当频率大于17GHz时，|S11|<-10dB，且测量的结果和电磁仿真(ANSYS HFSS)的结果比较吻合。
图5是本发明的峰值增益和总效率图，从图中可以看出，当上层金属板为无限大时，天线的峰值增益最大能达到20.4dBi。当上层金属板的维度为有限值时，仿真结果显示，频率大于18.5GHz的频带内的峰值增益都比较高。最终测量结果表明天线最大峰值增益有17.7dB，且天线的3dB增益带宽为19GHz-24.5GHz。注意到在天线的3dB增益带宽内，天线的总辐射效率都超过90％。
图6(a)至图6(f)是本发明分别工作在20GHz，22GHz和24GHz，phi＝0°和phi＝90°的滚动角平面上的辐射方向图。从图中方向图可以看出，该天线具有良好的端射性能，旁边电平小于-10dB，交叉极化可以忽略，且测量的结果和电磁仿真(ANSYS HFSS)的结果比较吻合。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种基片集成渐变宽度表面波天线，其特征在于，包括金属地板、上层金属板、介质板、短路过孔和馈电探针，所述上层金属板和金属地板分别位于介质板的上、下表面，所述上层金属板设有沿着横向渐变宽度的空槽，所述短路过孔沿所述空槽的边缘排列，所述馈电探针设置在所述空槽的纵向中心位置，且穿过介质板。
2.如权利要求1所述的基片集成渐变宽度表面波天线，其特征在于，所述上层金属板的空槽长边和短边的长度分别为12mm、4mm，所述空槽沿着横向的长度为151.5mm。
3.如权利要求2所述的基片集成渐变宽度表面波天线，其特征在于，所述空槽的长边和短边与上层金属板宽边的距离为3mm。
4.如权利要求2所述的基片集成渐变宽度表面波天线，其特征在于，所述短路过孔内表面覆铜，短路过孔的直径为1mm，相邻两个短路过孔的间距为1.5mm。
5.如权利要求2所述的基片集成渐变宽度表面波天线，其特征在于，所述馈电探针的位置根据天线的性能和阻抗匹配的要求确定，以使该表面波天线在馈电探针的馈电位置上的输入阻抗与所连接的信号传输线的阻抗相同。
6.如权利要求5所述的基片集成渐变宽度表面波天线，其特征在于，所述馈电探针与上层金属板的空槽长边的距离为3.5mm。
7.如权利要求2所述的基片集成渐变宽度表面波天线，其特征在于，所述介质板为固体电介质，介质板的长边为184.5mm，宽边为40mm。
8.如权利要求1至7中任一权利要求所述的基片集成渐变宽度表面波天线，其特征在于，所述金属地板和上层金属板为等大矩形。
9.如权利要求8所述的基片集成渐变宽度表面波天线，其特征在于，所述金属地板和上层金属板为平面结构，且紧贴介质板。
10.如权利要求8所述的基片集成渐变宽度表面波天线，其特征在于，所述表面波天线采用印刷电路板技术制作而成。
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