CN110190403A - 高增益半模基片集成波导半圆形腔电小天线 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了高增益半模基片集成波导半圆形腔电小天线，包括介质基片、顶层金属层及与底层金属层；介质基片上开设有两组金属化通孔；顶层金属层的一侧连接有半圆形金属贴片，两组金属化通孔、介质基片、顶层金属层、底层金属层之间形成半模基片集成波导半圆形腔，半模基片集成波导半圆形腔的工作频率与所述半圆形金属贴片的半径相匹配；底层金属层上开设有一凹槽、凹槽内设置有中心导带且中心导带的一端与微带馈线相连接，中心导带的另一端与底层金属层相连通并形成共面波导转换结构。本发明中引入带有半圆形金属贴片的半模基片集成波导半圆腔，结构紧凑，加工难度降低，制作成本低，且性能稳定，相对于目前的半模基片集成波导半圆形腔天线，该发明工作在更低的工作频率却拥有相同的辐射效果。

Description

高增益半模基片集成波导半圆形腔电小天线

技术领域

本发明涉及一种小型化天线，尤其涉及一种高增益半模基片集成波导半圆形腔电小天线，属于微波技术领域。

背景技术

由于基片集成波导易于制造的特点，因此将基片集成波导技术应用于谐振腔设计中后，基片集成技术的谐振腔可以加工成任意的形状，目前矩形、圆形、三角形、六边形等形状的谐振腔均得到了一定的研究，不同的形状适用于不同的环境，可以得到各式各样的性能。基于谐振腔的天线技术也因此得以平面化。基片集成波导谐振腔天线剖面低、功率容量大、损耗小，适用于各种收发系统和结构。

目前，圆形腔的研究最为深入，半模基片集成波导半圆腔天线是一种新兴的天线形式，它除了具有半模基片集成波导体积小、重量轻、损耗低、Q值高的电路特点外，还具有成本低、易于与现有平面微波电路集成的制造特点。因此，将小型化半模基片集成波导天线应用于高性能、高集成度的现代微波毫米波无源器件和有源电路具有重要的意义。因此，如何进一步减小半模基片集成波导谐振腔天线电尺寸是一项重要的研究。

然而，天线电尺寸的减小在一定程度上减小了原天线的辐射口径，辐射口径的减小势必影响了增益，因此，目前半模基片集成波导谐振腔天线小型化技术都是在牺牲增益性能的基础之上完成的，且只能工作在更低的频率，但是，在一些高增益需求的场合，这类电小天线的应用便受到了限制。

综上所述，如何提供一种高增益的半模基片集成波导半圆腔电小天线，就本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明提供了一种高增益半模基片集成波导半圆形腔电小天线，在微波集成化及小型化电路中具有重要的价值。

本发明的技术解决方案是：

高增益半模基片集成波导半圆形腔电小天线，包括介质基片、与介质基片上表面相触接的顶层金属层、及与介质基片下表面相触接的底层金属层；所述介质基片上开设有两组金属化通孔，每组金属化通孔均呈弧形排列；所述顶层金属层的一侧连接有半圆形金属贴片，所述半圆形金属贴片与顶层金属层一体成型，两组金属化通孔、介质基片、顶层金属层、底层金属层之间形成半模基片集成波导半圆形腔，半模基片集成波导半圆形腔的工作频率与所述半圆形金属贴片的半径尺寸相匹配；所述底层金属层上开设有一凹槽、凹槽内设置有中心导带且中心导带的一端与微带馈线相连接，中心导带的另一端与底层金属层相连通并形成共面波导转换结构，微带馈线与共面波导转换结构均位于底层金属层的同侧并与半圆形金属贴片相对设置；顶层金属层、介质基片与底层金属层依序叠合，中心导带在所述介质基片上的投影位于两组所述金属化通孔之间。

优选地，两组所述金属化通孔包括第一组金属化通孔与第二组金属化通孔，第一组金属化通孔与第二组金属化通孔均包括10个等距排列的金属化通孔。

优选地，所述第一组金属化通孔与所述第二组金属化通孔之间存在空隙，第一组金属化通孔、空隙及第二组金属化通孔依次相连呈半圆形，所述半圆形的圆心为第一圆心。

优选地，所述半圆形金属贴片的圆心为第二圆心，且第二圆心与所述第一圆心相重合。

优选地，所述第一圆心在所述底层金属层上的投影位于所述微带馈线所在的直线上。

优选地，所述半圆形金属贴片的半径为0.75mm~3.25mm。

优选地，所述中心导带的宽度与所述微带馈线的宽度相同且均小于所述凹槽的宽度，中心导带的长度与凹槽的长度相同。

优选地，所述顶层金属层上与所述半圆形金属贴片相对的一侧边缘、所述介质基片的一侧边缘及所述微带馈线的一侧边缘三者在水平面上的投影相重合。

本发明提供了一种高增益半模基片集成波导半圆形腔电小天线，具有以下技术效果：

本发明设计结构简单，工作频点低，增益表现稳定，适合应用于现代微波毫米波电小天线领域，同时，本发明中引入带有半圆形金属贴片的半模基片集成波导半圆腔，结构紧凑，加工难度降低，制作成本低，且性能稳定，相对于目前的半模基片集成波导半圆形腔天线，该发明工作在更低的工作频率却拥有相同的辐射效果。

以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。

附图说明

图1是本发明的三维结构示意图；

图2是本发明的三维剖分图；

图3是本发明的俯视图；

图4是本发明中表面电流分布俯视图；

图5是本发明中有无半圆贴片S参数仿真结果对比图；

图6是本发明在7.3GHz的E面和H面主极化和交叉极化的方向图；

图7是不同半径的半圆形金属贴片对天线工作频率的影响。

其中，1－介质基片，11－第一组金属化通孔，12－第二组金属化通孔，13－空隙，14－金属化通孔，2－顶层金属层，21－半圆形金属贴片，3－底层金属层，31－凹槽，32－中心导带，33－微带馈线。

具体实施方式

高增益半模基片集成波导半圆形腔电小天线，如图1-3所示，包括介质基片1、与介质基片1上表面相触接的顶层金属层2、及与介质基片1下表面相触接的底层金属层3。

介质基片1上开设有两组金属化通孔，每组金属化通孔均呈弧形排列，在本实施例中，两组金属化通孔包括第一组金属化通孔11与第二组金属化通孔12，第一组金属化通孔11与第二组金属化通孔12均包括10个等距排列的金属化通孔14，并且第一组金属化通孔11与第二组金属化通孔12之间存在空隙13，第一组金属化通孔11、空隙13及第二组金属化通孔12依次相连呈半圆形，设该半圆形的圆心为第一圆心。在本发明的技术方案中，介质基片1为Rogers 5880介质板，介电常数为2.2，厚度为0.5毫米，第一组金属化通孔11、空隙13及第二组金属化通孔12依次相连所形成的半圆形的半径为9.4mm。

顶层金属层2的一侧连接有半圆形金属贴片21，半圆形金属贴片21与顶层金属层2一体成型，设半圆形金属贴片21的圆心为第二圆心，且第二圆心与所述第一圆心相重合。

两组金属化通孔、介质基片1、顶层金属层2、底层金属层3之间形成半模基片集成波导半圆形腔，半模基片集成波导半圆形腔的工作频率与半圆形金属贴片21的半径尺寸相匹配。具体地说，随着半圆形金属贴片21的尺寸增加，半模基片集成波导半圆腔的工作频率不断降低。半圆形金属贴片21的引入，一方面使得半模基片集成波导半圆腔天线的电尺寸得到一定程度的减小，另一方面，增大了天线的辐射口径，使其保持了较高的天线增益，制作工艺简单，成本低廉。然而，当半圆形金属贴片21的半径过小时，半圆形金属贴片21对半模基片集成波导半圆形腔电小天线的影响有限，不能起到高增益的效果；当半圆形金属贴片21的半径过大时，半圆形金属贴片21会破坏半圆形谐振腔的模式，因此，半圆形金属贴片21的半径范围为0.75mm~3.25mm，在这个范围数值内取值可达到不影响增益前提的情况下，减小半模基片集成波导半圆形腔电小天线的尺寸，如图7所示。在本实施例中，半圆形金属贴片21的半径优选为2.25mm。

另外，本发明技术方案中的半圆形金属贴片21相对于其他形状而言，可减小对半模基片集成波导半圆形腔的影响，这是由于其他形状有棱角，而棱角会影响半模基片集成波导半圆形腔的谐振和开口处的辐射效果。因此，本发明中顶层金属层2的一侧连接有半圆形金属贴片21。

底层金属层3上开设有一凹槽31、凹槽31内设置有中心导带32且中心导带32的一端与微带馈线33相连接，中心导带32的另一端与底层金属层3相连通并形成共面波导转换结构，微带馈线33与共面波导转换结构均位于底层金属层3的同侧并与半圆形金属贴片21相对设置，微带馈线33通过共面波导转换结构给半模基片集成波导半圆形腔馈电；且第一圆心在底层金属层3上的投影位于微带馈线33所在的直线上。在本实施例中，凹槽31的长度为5.1mm，凹槽31的宽度为2.7mm，中心导带32的宽度与所述微带馈线33的宽度相同均为1.5mm且均小于凹槽31的宽度，中心导带32位于凹槽31的中间位置，中心导带32与底层金属层3共面，中心导带32的中心线到凹槽31两边缘的距离相等。另外，中心导带32的长度与凹槽31的长度相同。

顶层金属层2、介质基片1与底层金属层3依序叠合，中心导带32在所第二组金属化通孔12述介质基片1上的投影位于两组所述金属化通孔14之间，在本实施例中，中心导带32在介质基片1上的投影位于位于第一组金属化通孔11与之间的空隙13处。顶层金属层2上与所述半圆形金属贴片21相对的一侧边缘、所述介质基片1的一侧边缘及所述微带馈线33的一侧边缘三者在水平面上的投影相重合。

本实施例用实验数据进一步阐明了本发明中引入半圆形金属贴片21的有益效果：图4是本发明的表面电流分布俯视图。本发明还对半模基片集成波导半圆腔天线是否带有半圆形金属贴片21的回波损耗进行了仿真与测试，如图5所示。由此可知，本发明的工作带宽为7.27GHz~7.34GHz，中心频率为7.3GHz，相对带宽为1%。输入端口的回波损耗大于10dB。当去掉半圆形金属贴片21之后，天线工作于8.13GHz。图6为本发明的E面和H面的主极化和交叉极化测试结果，从图6中可以看出该半模基片集成波导半圆腔电小天线的最大增益为5.8dB，前后比大于15dB，交叉极化均小于-18dB，其最大增益与无半圆形金属贴片21情况相同，但电尺寸有了显著的减小。

本发明公开的一种高增益半模基片集成波导半圆腔电小天线，是在半模基片集成波导半圆形腔的外侧添加了半圆形金属贴片，在微调半圆形腔物理尺寸的前提下，改变辐射电流的流向，大幅降低了工作频率，使其在低于谐振频率的频点工作。同时，增加的额外金属贴片从另一角度看增加了谐振腔的辐射口径，达到提高增益的效果。本发明能顺利实现高增益半模基片集成波导半圆腔电小天线，相对于同等技术的半模基片集成波导半圆形腔天线，不但拥有相同的辐射增益，很好的前后比和交叉极化，同时将天线的电尺寸大大减小。

应该注意的是，上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。

Claims (8)

1.高增益半模基片集成波导半圆形腔电小天线，其特征在于：包括介质基片（1）、与介质基片（1）上表面相触接的顶层金属层（2）、及与介质基片（1）下表面相触接的底层金属层（3）；所述介质基片（1）上开设有两组金属化通孔，每组金属化通孔均呈弧形排列；所述顶层金属层（2）的一侧连接有半圆形金属贴片（21），所述半圆形金属贴片（21）与顶层金属层（2）一体成型，两组金属化通孔、介质基片（1）、顶层金属层（2）、底层金属层（3）之间形成半模基片集成波导半圆形腔，半模基片集成波导半圆形腔的工作频率与所述半圆形金属贴片（21）的半径尺寸相匹配；所述底层金属层（3）上开设有一凹槽（31）、凹槽（31）内设置有中心导带（32）且中心导带（32）的一端与微带馈线（33）相连接，中心导带（32）的另一端与底层金属层（3）相连通并形成共面波导转换结构，微带馈线（33）与共面波导转换结构均位于底层金属层（3）的同侧并与半圆形金属贴片（21）相对设置；顶层金属层（2）、介质基片（1）与底层金属层（3）依序叠合，中心导带（32）在所述介质基片（1）上的投影位于两组所述金属化通孔（14）之间。

2.根据权利要求1所述的高增益半模基片集成波导半圆形腔电小天线，其特征在于：两组所述金属化通孔（14）包括第一组金属化通孔（11）与第二组金属化通孔（12），第一组金属化通孔（11）与第二组金属化通孔（12）均包括10个等距排列的金属化通孔（14）。

3.根据权利要求1所述的高增益半模基片集成波导半圆形腔电小天线，其特征在于：所述第一组金属化通孔（11）与所述第二组金属化通孔（12）之间存在空隙（13），第一组金属化通孔（11）、空隙（13）及第二组金属化通孔（12）依次相连呈半圆形，所述半圆形的圆心为第一圆心。

4.根据权利要求3所述的高增益半模基片集成波导半圆形腔电小天线，其特征在于：所述半圆形金属贴片（21）的圆心为第二圆心，且第二圆心与所述第一圆心相重合。

5.根据权利要求4所述的高增益半模基片集成波导半圆形腔电小天线，其特征在于：所述第一圆心在所述底层金属层（3）上的投影位于所述微带馈线（33）所在的直线上。

6.根据权利要求1所述的高增益半模基片集成波导半圆形腔电小天线，其特征在于：所述半圆形金属贴片（21）的半径为0.75mm~3.25mm。

7.根据权利要求1所述的高增益半模基片集成波导半圆形腔电小天线，其特征在于：所述中心导带（32）的宽度与所述微带馈线（33）的宽度相同且均小于所述凹槽（31）的宽度，中心导带（32）的长度与凹槽（31）的长度相同。

8.根据权利要求1所述的高增益半模基片集成波导半圆形腔电小天线，其特征在于：所述顶层金属层（2）上与所述半圆形金属贴片（21）相对的一侧边缘、所述介质基片（1）的一侧边缘及所述微带馈线（33）的一侧边缘三者在水平面上的投影相重合。