CN110061357A - 一种同侧差分馈电式基片集成波导缝隙天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种同侧差分馈电式基片集成波导缝隙天线，包括由金属化通孔阵列组成的基片集成波导腔体和用于连接差分电路的差分馈电传输线，所述差分馈电传输线的两路传输线位于基片集成波导腔体的同一侧，所述差分馈电传输线的两路传输线通过过渡结构与基片集成波导腔体相连，所述基片集成波导腔体的顶层或者底层上设置有若干矩形辐射缝隙。本发明在继承传统对侧差分馈电技术的共模抑制基础上，使得天线差分对距离很大程度缩短、整体结构紧凑，适合与差分电路直接集成，此外，同侧差分馈电技术的应用还使得基片集成波导背腔天线能够更易激励起高次模式，实现高增益的辐射特性，在实际工程应用中具有很高应用价值。

Description

一种同侧差分馈电式基片集成波导缝隙天线
技术领域
本发明涉及微波与毫米波天线技术领域，具体涉及一种同侧差分馈电式基片集成波导缝隙天线。
背景技术
差分电路由于具有较好的共模噪声抑制、高线性度和高动态范围等诸多优点，在通信系统中被广泛使用。为了更好与差分电路集成，国内外学者提出了形式各异的差分天线。这些差分天线使用差分对直接馈电无需平衡-非平衡转换结构，省去了片上或者片外巴伦，实现了整个电路从有源到无源的全差分架构。其中，差分馈电的基片集成波导缝隙天线因其低剖面、小尺寸、易加工、易与平面电路集成等优点受到了广泛研究和应用。
但是，这些差分馈电的基片集成波导缝隙天线通常使用对侧差分的馈电技术，差分对分别位于天线的两侧。因此两端口间的距离较长，需要设计额外的转换或过渡结构，不利于与差分电路集成并带来一定的损耗以及差分信号相位和幅度的不平衡。
所以，需要一个新的技术方案来解决上述问题。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种同侧差分馈电式基片集成波导缝隙天线，其采用同侧差分馈电的方式能够在继承传统对侧差分馈电技术的共模抑制特性基础上，很大程度缩短差分对的距离，使天线整体结构更加紧凑，便于与差分电路直接集成，同时更好地利用了高次模式，实现高增益的辐射特性。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种同侧差分馈电式基片集成波导缝隙天线，包括由金属化通孔阵列组成的基片集成波导腔体和用于连接差分电路的差分馈电传输线，所述差分馈电传输线的两路传输线位于基片集成波导腔体的同一侧，所述差分馈电传输线的两路传输线通过过渡结构与基片集成波导腔体相连，所述基片集成波导腔体的顶层或者底层上设置有若干矩形辐射缝隙。
本发明上述结构中，过渡结构从功能上可以实现对基片集成波导的馈电，从阻抗上可以实现馈电传输线阻抗到基片集成波导阻抗的渐变，实现匹配。
进一步的，所述差分馈电传输线的两路传输线均通过金丝键合线与差分电路直接相连。
进一步的，所述差分馈电传输线的两路传输线对称分布在缝隙天线上。差分馈电传输线位于天线的同一侧，两路传输线位置相邻，传输的信号幅度相同、相位相反。这种紧邻的差分对使得可以与差分电路直接相连，而无需任何额外转换或过渡结构。
进一步的，所述差分馈电传输线为微带传输线或接地共面波导传输线。
本发明中因为采用了同侧差分馈电的方式，不同尺寸和形状的基片集成波导腔体将会激励不同模式的腔内电磁场，矩形辐射缝隙的位置与数量与基片集成波导内的模式有关。在差模状态下，矩形辐射缝隙横向切割基片集成波导腔体宽壁表面电流，实现辐射；在共模状态下，矩形辐射缝隙不切割电流，无法正常辐射，形成共模抑制。
本发明中同侧差分馈电的固有特性使得基片集成波导激励的模式沿结构中心对称线是严格相位相反的，因此能够很容易激励起高次TEn20模式，进而允许在天线上设计多个辐射缝隙，实现高增益的辐射特性，同时保持较好的共模抑制。而对侧差分馈电激励的模式与传统单端馈电基片集成波导背腔缝隙天线模式类似，以TEn10模式为主，更容易受低次模干扰，其模式辐射效果不如TEn20。
有益效果：本发明与现有技术相比，具备如下优点：
1、差分馈电传输线位于天线的同一侧，差分对之间的距离得到了很大程度缩短、整体结构紧凑，有利于天线与差分电路直接集成，而无需任何额外转换或过渡结构，避免了额外转换或过渡结构带来损耗，并且保证了差分信号相位和幅度的平衡。
2、同侧差分馈电的固有特性使得基片集成波导缝隙天线能够很容易激励起高次TEn20模式，进而允许在天线上设计多个辐射缝隙，实现高增益的辐射特性，同时保持较好的共模抑制。
附图说明
图1为谐振在TE120模式的同侧馈电的基片集成波导背腔缝隙天线俯视图；
图2为谐振在TE120模式的同侧馈电的基片集成波导背腔缝隙天线侧视图；
图3为谐振在TE120模式的同侧馈电的基片集成波导背腔缝隙天线仿真结果图；
图4为谐振在TE220模式的同侧馈电的基片集成波导背腔缝隙天线俯视图；
图5为谐振在TE220模式的同侧馈电的基片集成波导背腔缝隙天线侧视图；
图6为谐振在TE220模式的同侧馈电的基片集成波导背腔缝隙天线仿真结果图；
图7为差分接地共面波导与芯片直接键合的基片集成波导背腔缝隙天线俯视图；
图8为差分接地共面波导与芯片直接键合的基片集成波导背腔缝隙天线侧视图；
图9为差分接地共面波导与芯片直接键合的基片集成波导背腔缝隙天线仿真结果图；
图10为同侧馈电的基片集成波导缝隙阵列天线俯视图；
图11为同侧馈电的基片集成波导缝隙阵列天线侧视图；
图12为同侧馈电的基片集成波导缝隙阵列天线仿真结果图；
图13为谐振在TE120模式的同侧馈电的基片集成波导背腔缝隙天线立体图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
实施例1：
本实施例中同侧差分馈电式基片集成波导缝隙天线处于谐振在TE120模式下，如图1、图2和图13所示，天线包括由金属化通孔阵列组成的第一基片集成波导腔体31和差分馈电传输线1，金属化通孔阵列的具体排列如图1所示，差分馈电传输线1的两路传输线位于第一基片集成波导腔体31的同一侧且对称设置，差分馈电传输线1的两路传输线分别通过两个耦合结构2(过渡结构)与第一基片集成波导腔体31耦合，差分馈电传输线1的两路传输线均通过金丝键合线6与差分电路5直接相连，第一基片集成波导腔体31的顶层设置有一个第一矩形辐射缝隙41，此第一矩形辐射缝隙41位于第一基片集成波导腔体31的顶层中间位置。
本实施例中在差模状态下，第一基片集成波导腔体31谐振在TE120模式，第一矩形辐射缝隙41沿着图1所示的方向设计因此能够恰好切割基片集成波导腔体的表面电流，实现高增益辐射；在共模状态下，第一基片集成波导腔体31谐振在TE110模式下，矩形缝隙不切割电流，无法正常辐射，所以形成共模抑制。
利用上述同侧差分馈电式基片集成波导缝隙天线进行仿真实验，图3为仿真结果图，由图3可知：该天线工作于10GHz，具有极佳共模抑制性能与低交叉极化。
实施例2：
本实施例中同侧差分馈电式基片集成波导缝隙天线处于谐振在TE220模式下，如图4和图5所示，天线包括由金属化通孔阵列组成的第二基片集成波导腔体32和差分馈电传输线1，金属化通孔阵列的具体排列如图4所示，差分馈电传输线1的两路传输线位于第二基片集成波导腔体32的同一侧且对称设置，差分馈电传输线1的两路传输线分别通过两个耦合结构2(过渡结构)与第二基片集成波导腔体32耦合，差分馈电传输线1的两路传输线均通过金丝键合线6与差分电路5直接相连，第二基片集成波导腔体32的顶层设置有三个第二矩形辐射缝隙42，这三个第二矩形辐射缝隙42中有一个位于第二基片集成波导腔体32的顶层中间位置且靠近差分馈电传输线1，另外两个分别靠近金属化通孔阵列处且位于第二基片集成波导腔体32远离差分馈电传输线1端，具体如图4所示。
本实施例中在差模状态下，第二基片集成波导腔体32谐振在TE220模式，三个第二矩形辐射缝隙42沿着图4所示的方向设计因此能够恰好切割基片集成波导腔体的表面电流，实现高增益辐射；在共模状态下，第二基片集成波导腔体32谐振在TE210模式下，矩形缝隙不切割电流，无法正常辐射，所以形成共模抑制。
利用上述同侧差分馈电式基片集成波导缝隙天线进行仿真实验，图6为仿真结果图，由图6可知：该天线工作于10GHz，增益可达8.5dBi，具有极佳共模抑制性能与低交叉极化。
实施例3：
本实施例中同侧差分馈电式基片集成波导缝隙天线采用差分接地共面波导与芯片直接键合的方式，如图7和图8所示，天线包括由金属化通孔阵列组成的第三基片集成波导腔体33和差分馈电传输线1(本实施例为差分接地共面波导传输线)，金属化通孔阵列的具体排列如图7所示，差分馈电传输线1的两路传输线位于第三基片集成波导腔体33的同一侧且对称设置，差分馈电传输线1的两路传输线分别通过两个耦合结构2(过渡结构)与第三基片集成波导腔体33耦合，差分馈电传输线1的两路传输线均通过金丝键合线6与差分电路5直接相连，第三基片集成波导腔体33的底层设置有一个第三矩形辐射缝隙43，此第三矩形辐射缝隙43位于第三基片集成波导腔体33的底层中间位置。
如图7和图8所示，本实施例中差分馈电传输线1的周围均设置有金属化通孔，这种金属化通孔阵列的结构设计主要用以减少差分馈电传输线1的互耦，同时减少接地共面波导的表面波损耗。
利用上述同侧差分馈电式基片集成波导缝隙天线进行仿真实验，图9为仿真结果图，由图9可知：该天线工作于9.6GHz，背面辐射，具有极佳共模抑制性能与低交叉极化。
实施例4：
如图10和图11所示，本实施例中同侧差分馈电式基片集成波导缝隙天线包括由金属化通孔阵列组成的第四基片集成波导腔体34和差分馈电传输线1，金属化通孔阵列的具体排列如图10所示，差分馈电传输线1的两路传输线位于第四基片集成波导腔体34的同一侧且对称设置，差分馈电传输线1的两路传输线分别通过两个耦合结构2(过渡结构)与第四基片集成波导腔体34耦合，差分馈电传输线1的两路传输线均通过金丝键合线6与差分电路5直接相连，第四基片集成波导腔体34的顶层设置有六个第四矩形辐射缝隙44组成缝隙阵列。
本实施例中在差模状态下，该基片集成波导缝隙阵列天线类似于将传统谐振式波导缝隙阵列天线对折，使结构更加紧凑，增益可高达10dBi。
利用上述同侧差分馈电式基片集成波导缝隙天线进行仿真实验，图12为仿真结果图，由图12可知：该阵列天线工作于14.1GHz，增益可达9.8dBi，具有低交叉极化。

Claims (5)

1.一种同侧差分馈电式基片集成波导缝隙天线，包括由金属化通孔阵列组成的基片集成波导腔体和用于连接差分电路的差分馈电传输线，其特征在于：所述差分馈电传输线的两路传输线位于基片集成波导腔体的同一侧，所述差分馈电传输线的两路传输线通过过渡结构与基片集成波导腔体相连，所述基片集成波导腔体的顶层或者底层上设置有若干矩形辐射缝隙。
2.根据权利要求1所述的一种同侧差分馈电式基片集成波导缝隙天线，其特征在于：所述差分馈电传输线的两路传输线均通过金丝键合线与差分电路直接相连。
3.根据权利要求1所述的一种同侧差分馈电式基片集成波导缝隙天线，其特征在于：所述差分馈电传输线的两路传输线对称分布在缝隙天线上。
4.根据权利要求1所述的一种同侧差分馈电式基片集成波导缝隙天线，其特征在于：所述差分馈电传输线为微带传输线或接地共面波导传输线。
5.根据权利要求1所述的一种同侧差分馈电式基片集成波导缝隙天线，其特征在于：所述矩形辐射缝隙的设置和分布方式为：根据基片集成波导腔体激励出的腔内电磁场模式，来确定矩形辐射缝隙的位置和数量。
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