CN110197947B - 集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面天线，包括天线辐射结构、集成基片间隙波导结构，所述天线辐射结构、集成基片间隙波导结构从上到下依次排列重叠；集成基片间隙波导结构包括用于屏蔽电磁辐射能量的电磁带隙结构和用于向天线辐射结构传输能量的馈电结构。所述馈电结构包括第二介质板，第二介质板的上表面敷设有第一敷铜层，所述第一敷铜层中部刻蚀有缝隙；所述第二介质板的下表面设置有微带馈线。本发明集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面天线具有低剖面，宽带宽，高增益、易加工等特点，能用作5G毫米波天线。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线通信毫米波天线，特别是涉及集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面天线。
背景技术
随着通信系统的发展，人们对微波毫米波频段的器件频率要求不断提高，传统微带线结构应用于较高频率时，会产生较大的损耗和泄露。
集成基片间隙波导能够较好地解决上述问题。该结构基于多层PCB技术，将微带线封装在电磁带隙结构中，提高馈电网络屏蔽性。近年来，超表面结构被用于天线设计，能够改善天线各方面的性能，如扩展带宽、提高增益、改善方向图等，具有良好的应用前景。
本发明首次结合集成基片间隙波导和超表面结构，设计了集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面线极化天线，以集成基片间隙波导客服传统微带线结构在毫米波频段的局限性，以超表面结构实现良好的天线性能。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面天线，解决了现有的毫米波天线带宽较窄、增益较低、泄漏严重等问题，并能将本发明应用于射频、微波和毫米波频段。
本发明采用的技术方案如下：
集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面天线，包括天线辐射结构、集成基片间隙波导结构，所述天线辐射结构、集成基片间隙波导结构从上到下依次排列重叠；集成基片间隙波导结构包括用于屏蔽电磁辐射能量的电磁带隙结构和用于向天线辐射结构传输能量的馈电结构。
进一步地，本发明还公开了集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面天线的优选结构，所述馈电结构包括第二介质板，第二介质板的上表面敷设有第一敷铜层，所述第一敷铜层中部刻蚀有缝隙；所述第二介质板的下表面设置有微带馈线。
进一步地，所述微带馈线从第二介质板的一端向第二介质板的中部延伸并完全越过缝隙；所述缝隙为矩形缝隙，矩形缝隙刻蚀在第一敷铜层中部；所述微带馈线为矩形。
进一步地，所述微带馈线从第二介质板的一端向第二介质板的中部延伸至缝隙正下方；所述微带馈线为矩形；所述缝隙为矩形缝隙，矩形缝隙刻蚀在第一敷铜层中部。
进一步地，所述微带馈线的末端设置为T形，T形顶部横线所对应的金属带设置于所述矩形缝隙的正下方，T形顶部横线所对应的金属带的宽度小于所述矩形缝隙。
进一步地，所述微带馈线的末端设置为扇形或圆形，扇形或圆形末端设置于所述矩形缝隙的正下方。
进一步地，所述矩形缝隙设置于第一敷铜层的中部，矩形缝隙与微带馈线相互垂直，所述微带馈线完全越过矩形缝隙。
进一步地，所述天线辐射结构为超表面结构，天线辐射结构包括第一介质板，第一介质板的上表面设置有周期排列的辐射贴片。
进一步地，所述辐射贴片为方形贴片、六边形的切角贴片或圆形贴片，所述辐射贴片第一介质板的下表面与第一敷铜层相连，所述微带馈线通过第一敷铜层上的矩形缝隙向天线辐射结构提供能量。
进一步地，所述辐射贴片为在矩形贴片的基础上，通过在其上镂空不同的形状，并通过多个矩形贴片组合排列而成。
进一步地，所述馈电结构与电磁带隙结构之间设置有第三介质板，所述第三介质板将馈电结构与电磁带隙结构相隔离；第三介质板上表面与微带馈线相连。
进一步地，所述电磁带隙结构包括第四介质板，所述第四介质板的下表面设置有第二敷铜层；所述第四介质板的上表面印刷有周期排列的圆形贴片，所述圆形贴片与第二敷铜层之间的第四介质板上开有通孔，通孔的轴线与圆形贴片的圆心在同一直线上；所述通孔的侧壁上设置有金属片并形成金属过孔，金属过孔将第二敷铜层与圆形贴片相连通；所述第四介质板上表面印刷的圆形贴片、周期排列的金属过孔和第四介质板下表面的第二敷铜层共同构成蘑菇状的电磁带隙结构；所述电磁带隙结构能防止由第一敷铜层和微带馈线输送的能量发生泄漏。
进一步地，所述电磁带隙结构包括第四介质板，所述第四介质板的下表面设置有第二敷铜层；所述第四介质板上开有周期排列的通孔，所述通孔的侧壁上设置有金属片并形成金属过孔，金属过孔与第二敷铜层相连；所述微带馈线下表面与其所对应的金属过孔相连；所述电磁带隙结构能防止由第一敷铜层和微带馈线输送的能量发生泄漏。
进一步地，超表面天线的介质板采用塑料、纤维、陶瓷制成。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面线极化天线，通过引入集成基片间隙集成基片间隙波导结构，改善了毫米波频段的能量传输特性，通过引入超表面结构，改善了天线的辐射性能；
2.通过将天线集成在基片上，大大降低了天线的厚度，提高了天线的增益，提高了天线的宽带。
附图说明
图1是本发明集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面天线；
图2是本集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面天线的回波损耗和增益仿真结果；
图3是本发明集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面天线的方向图。
图4是实施例2的辐射结构的结构示意图；
图5是实施例2的回波损耗和增益仿真结果；
图6是实施例2的方向图；
图7是实施例3的馈电结构和电磁带隙结构的结构示意图；
图8是实施例4的辐射结构的结构示意图；
图9是实施例5的辐射结构的结构示意图；
图10是实施例6的辐射结构的结构示意图；
图11是实施例7的辐射结构的结构示意图；
图12是实施例8的辐射结构的结构示意图；
图13是实施例9的辐射结构的结构示意图；
图14是实施例10的辐射结构的结构示意图；
图15是实施例11的馈电结构的结构示意图；
图16是实施例12的馈电结构的结构示意图；
图17是实施例13的馈电结构的结构示意图。
图中标记：1是第一介质板，2是第二介质板，3是第三介质板，4是第四介质板，5是方形贴片，6是矩形缝隙，7是第一敷铜层，8是微带馈线，9是圆形贴片，10是金属过孔，11是第二敷铜层，12是切角贴片，13是圆形贴片，14是菱形贴片，15是三角形贴片，16是第一矩形贴片，17是第二矩形贴片，18是回形贴片，19是第一贴片，20是L形镂空，21是第二贴片，22是第三贴片，23是第四贴片，24是金属带，25是扇形铜片，26是圆形铜片，27是第五贴片，28是第六贴片。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
如图1所示，本发明包括第一介质板1、第二介质板2、第三介质板3、第四介质板4；所述第一介质板1、第二介质板2、第三介质板3、第四介质板4压合在一起，形成一个整体。ISGW基片集成间隙波导。
第一介质板1上表面有周期排列的切角贴片5，作为辐射结构，第二介质板2上表面有第一敷铜层7，作为天线的地。
集成基片间隙波导结构由第二介质板2、第三介质板3、第四介质板4构成；第二介质板2上表面有第一敷铜层7，第二介质板2下表面印刷微带馈线8；第一敷铜层7上蚀刻有矩形缝隙6；第三介质板3为空白介质板，用来分隔第二介质板2和第四介质板4；第四介质板4上表面印刷有周期排列的圆形贴片9，第四介质板4上开有周期排列的金属过孔10，下表面为第二敷铜层11。
第二介质板2上表面有第一敷铜层7，第二介质板2的下表面印刷微带馈线8，第二介质板2、第一敷铜层7、微带馈线8共同构成类波导结构，传输能量。
第四介质板4上表面印刷的周期圆形贴片9、第四介质板4上的周期金属过孔10和下表面第二敷铜层11共同构成蘑菇状电磁带隙结构，整块第四介质板4相当于理想磁导体，能够防止由第一敷铜层7和微带馈线8输送的能量发生泄漏。
第四介质板4上表面印刷有圆形贴片9，其上打金属过孔10，圆形贴片9与金属过孔10一一对应且同心。
第一敷铜层7上蚀刻有矩形缝隙6，微带馈线8末端略微超过矩形缝隙6，通过矩形缝隙6馈电给第一介质板1上表面的方形贴片5。
集成基片间隙波导结构中，为了使蘑菇状电磁带隙结构工作在所需的频带，需要合适选取圆形贴片9和金属过孔10的尺寸以确定蘑菇状电磁带隙结构的阻带，使其与天线工作频带吻合。
本发明集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面线极化天线，通过引入集成基片间隙波导结构，改善了毫米波频段的能量传输特性，通过引入超表面结构，改善了天线的辐射性能。
所述第一介质板1、第二介质板2、第三介质板3采用介电常数为2.2、损耗角正切为0.0009的材质制成；第四介质板4采用介电常数为4.4、损耗角正切为0.02的材质制成。所述天线的总尺寸为12mm*12mm*0.1.362mm。
附图2所示的回波损耗和增益仿真结果表明，本发明集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面天线中心频率28.34GHz，-10dB阻抗带宽为24.80GHz-31.87GHz，绝对带宽7.07GHz，相对带宽25.0％，带内增益达到8.4dBi-11.4dBi。
如附图3所示，是天线的方向图，由方向图可知，垂直于第一介质板1、并与微带馈线8相平行的E面的电磁辐射强度在0°方向时，辐射强度达到了最大；垂直于第一介质板1、并与矩形缝隙6相平行的H面的电磁辐射强度在0°方向时，辐射强度达到了最大。
实施例2：
如图4所示，在实施例1的基础上，将所述方形贴片5换成切角贴片12。
其中，第一介质板1、第二介质板2、第三介质板3采用介电常数为2.2、损耗角正切为0.0009的材质制成；第四介质板4采用介电常数为4.4、损耗角正切为0.02的材质制成。所述天线的总尺寸为12mm*12mm*1.362mm。
附图5所示的回波损耗、增益和轴比仿真结果表明，本发明一种ISGW馈电缝隙耦合超表面圆极化天线中心频率28.08GHz，-10dB阻抗带宽为25.34GHz-30.81GHz，绝对带宽5.47GHz，相对带宽19.5％，3dB轴比带宽为28.15GHz-32.28GHz，绝对带宽4.13GHz，相对带宽14.7％，阻抗带宽带内增益达到8.9dBi-10.35dBi。
如附图6所示，由图可知，是天线的方向图，由方向图可知，垂直于第一介质板1、并与微带馈线8相平行的E面的电磁辐射强度在0°方向时，辐射强度达到了最大；垂直于第一介质板1、并与矩形缝隙6相平行的H面的电磁辐射强度在0°方向时，辐射强度达到了最大。
实施例3：
如图7所示，本发明包括第一介质板1、第二介质板2、第四介质板4；所述第一介质板1、第二介质板2、第四介质板4压合在一起，形成一个整体。
第一介质板1上表面有周期排列的方形贴片5或切角贴片12，作为辐射结构，第二介质板2上表面有第一敷铜层7，作为天线的地。
集成基片间隙波导结构由第二介质板2、第四介质板4构成；第二介质板2上表面有第一敷铜层7，第二介质板2下表面印刷微带馈线8；第一敷铜层7上蚀刻有矩形缝隙6；第四介质板4上开有周期排列的金属过孔10，下表面为第二敷铜层11。
第二介质板2上表面有第一敷铜层7，第二介质板2的下表面印刷微带馈线8，第二介质板2、第一敷铜层7、微带馈线8共同构成类波导结构，传输能量。
第四介质板4上的周期金属过孔10和下表面第二敷铜层11共同构成电磁带隙结构，整块第四介质板4相当于理想磁导体，能够防止由第一敷铜层7和微带馈线8输送的能量发生泄漏。
第一敷铜层7上蚀刻有矩形缝隙6，微带馈线8末端刚好延伸到矩形缝隙6的正下方，通过矩形缝隙6馈电给第一介质板1上表面的方形贴片5或切角贴片12供电。
所述微带馈线8下表面与其所对应的金属过孔10相连。
集成基片间隙波导结构中，为了使电磁带隙结构工作在所需的频带，需要合适选取圆形贴片9和金属过孔10的尺寸以确定电磁带隙结构的阻带，使其与天线工作频带吻合。
本发明集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面线极化天线，通过引入集成基片间隙波导结构，改善了毫米波频段的能量传输特性，通过引入超表面结构，改善了天线的辐射性能。
实施例4：
如图8所示，在实施例1或2或3的基础上，将所述方形贴片5或切角贴片12换成圆形贴片13；用于适用不同频率和带宽的通信天线。
实施例5：
如图9所示，在实施例4基础上，将其中所述圆形贴片13换成X形排列的菱形贴片14，所述整个辐射电源的最中间的菱形贴片14的中部开有水平的缝隙，将菱形贴片14分隔成两个上下排列的三角形贴片15；用于适用不同频率和带宽的通信天线。
实施例6：
如图10所示，在实施例4基础上，将其中所述圆形贴片13换成第一矩形贴片16、第二矩形贴片17，第二矩形贴片17的长度和宽度均大于第一矩形贴片16，第一矩形贴片16、第二矩形贴片17均有两块，两块第二矩形贴片17相邻水平设置，第一矩形贴片16设置在所述两块第二矩形贴片17的上下两侧。
实施例7：
如图11所示，在实施例4基础上，将其中所述圆形贴片13换成周期排列的回形贴片18，回形贴片18是在方形贴片的基础上，中部开有矩形环状的镂空形成。
实施例8：
如图12所示，在实施例4基础上，将其中所述圆形贴片13换成第一贴片19，四块第一贴片19排列成田字型，田字型的四个角落所对应的四块第一贴片19的角落上开有L形的镂空，形成辐射天线。
实施例9：
如图13所示，在实施例4基础上，将其中所述圆形贴片13换成第二贴片21、第三贴片22，第二贴片21、第三贴片22的宽度相等，第三贴片22的长度大于第二贴片21。第一介质板1的中部排有两排第二贴片21，两排第二贴片21的上下两侧分别排有一排第三贴片22，形成辐射天线。
实施例10：
如图14所示，在实施例4基础上，将其中所述圆形贴片13换成第四贴片23、第五贴片27、第六贴片28。第五贴片27为方形，第五贴片27设置于第一介质板1的中部。所述第五贴片27的上下左右分别设置有第六贴片28。所述第五贴片27的左上、左下、右上、右下均设置有第四贴片23。
所述第四贴片23为四个较小的方形贴片排成田字型而成。所述第六贴片28是在方形贴片的基础上，在四个角上，沿着对角线镂空四条长方形的缝隙形成，四条缝隙不相连。
实施例11：
如图15所示，在实施例4-10其中之一的基础上，将所述其中的微带馈线8的末端设置成T形，T形顶部横线所对应的金属带24设置于所述矩形缝隙6的正下方，T形顶部横线所对应的金属带24的宽度小于所述矩形缝隙6。
实施例12：
如图16所示，在实施例4-10其中之一的基础上，将所述其中的微带馈线8的末端设置有扇形铜片25，扇形铜片25设置于所述矩形缝隙6的正下方。
实施例13：
如图17所示，在实施例4-10其中之一的基础上，将所述其中的微带馈线8的末端设置有圆形铜片26，圆形铜片26设置于所述矩形缝隙6的正下方。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面天线，其特征在于：包括天线辐射结构、集成基片间隙波导结构，所述天线辐射结构、集成基片间隙波导结构从上到下依次排列重叠；集成基片间隙波导结构包括用于屏蔽电磁辐射能量的电磁带隙结构和用于向天线辐射结构传输能量的馈电结构；
所述馈电结构包括第二介质板(2)，第二介质板(2)的上表面敷设有第一敷铜层(7)，所述第一敷铜层(7)中部刻蚀有缝隙；所述第二介质板(2)的下表面设置有微带馈线(8)；
所述天线辐射结构为超表面结构，天线辐射结构包括第一介质板(1)，第一介质板(1)的上表面设置有周期排列的辐射贴片；其中，所述辐射贴片包括第一贴片，每四个第一贴片排列成田字型，田字型的四个角落所对应的四块第一贴片的角落上开有L形的镂空，形成辐射天线；或，所述辐射贴片包括第四贴片、第五贴片、第六贴片，第五贴片为方形，第五贴片设置于第一介质板的中部，所述第五贴片的上下左右分别设置有第六贴片，所述第五贴片的左上、左下、右上、右下均设置有第四贴片，所述第四贴片为四个比第五贴片小的方形贴片排成田字型而成，所述第六贴片是在方形贴片的基础上，在四个角上，沿着对角线镂空四条长方形的缝隙形成，四条缝隙不相连；
所述馈电结构与电磁带隙结构之间设置有第三介质板(3)，所述第三介质板(3)将馈电结构与电磁带隙结构相隔离；第三介质板(3)上表面与微带馈线(8)相连；
所述电磁带隙结构包括第四介质板(4)，所述第四介质板(4)的下表面设置有第二敷铜层(11)；所述第四介质板(4)的上表面印刷有周期排列的圆形贴片(9)，所述圆形贴片(9)与第二敷铜层(11)之间的第四介质板(4)上开有通孔，通孔的轴线与圆形贴片(9)的圆心在同一直线上；所述通孔的侧壁上设置有金属片并形成金属过孔(10)，金属过孔(10)将第二敷铜层(11)与圆形贴片(9)相连通；所述第四介质板(4)上表面印刷的圆形贴片(9)、周期排列的金属过孔(10)和第四介质板(4)下表面的第二敷铜层(11)共同构成蘑菇状的电磁带隙结构；所述电磁带隙结构能防止由第一敷铜层(7)和微带馈线(8)输送的能量发生泄漏。
2.如权利要求1所述的集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面天线，其特征在于：所述微带馈线(8)从第二介质板(2)的一端向第二介质板(2)的中部延伸并完全越过缝隙；所述缝隙为矩形缝隙(6)，矩形缝隙(6)刻蚀在第一敷铜层(7)中部；所述微带馈线(8)为矩形。
3.如权利要求1所述的集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面天线，其特征在于：所述微带馈线(8)从第二介质板(2)的一端向第二介质板(2)的中部延伸至缝隙正下方；所述微带馈线(8)为矩形；所述缝隙为矩形缝隙(6)，矩形缝隙(6)刻蚀在第一敷铜层(7)中部。
4.如权利要求3所述的集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面天线，其特征在于：所述微带馈线(8)的末端设置为T形，T形顶部横线所对应的金属带(24)设置于所述矩形缝隙(6)的正下方，T形顶部横线所对应的金属带(24)的宽度小于所述矩形缝隙(6)。
5.如权利要求3所述的集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面天线，其特征在于：所述微带馈线(8)的末端设置为扇形或圆形，扇形或圆形末端设置于所述矩形缝隙(6)的正下方。
6.如权利要求2所述的集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面天线，其特征在于：所述矩形缝隙(6)设置于第一敷铜层(7)的中部，矩形缝隙(6)与微带馈线(8)相互垂直，所述微带馈线(8)完全越过矩形缝隙(6)。
7.如权利要求1所述的集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面天线，其特征在于：所述辐射贴片第一介质板(1)的下表面与第一敷铜层(7)相连，所述微带馈线(8)通过第一敷铜层(7)上的矩形缝隙(6)向天线辐射结构提供能量。
8.如权利要求1所述的集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面天线，其特征在于：所述辐射贴片为在矩形贴片的基础上，通过在其上镂空不同的形状，并通过多个矩形贴片组合排列而成。
9.如权利要求1所述的集成基片间隙波导馈电缝隙耦合超表面天线，其特征在于：超表面天线的介质板采用塑料、纤维、陶瓷制成。
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