CN110364813B - 差分输入端口的siw馈电结构以及天线阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种差分输入端口SIW馈电结构以及天线阵列，包括TE₁₀模SIW和位于所述TE₁₀模SIW上方的TE₂₀模SIW，所述TE₁₀模SIW包括面对面错开的一对功分结构，每一功分结构包括朝向第一方向的N级功分臂，两个所述功分结构的2^N个最后级功分臂面对面设置，并在第二方向上错开TE₁₀模横向半波长的宽度一一对接且对接线沿第一方向；TE₁₀模SIW顶部沿对接线开设2^N个第一耦合缝隙以提供2^N个具有反相特性的信号激励所述TE₂₀模SIW，第一耦合缝隙的间隔设置为TE₂₀模横向半波长的宽度，所述TE₂₀模SIW包括2^N个TE₂₀模SIW腔，所述2^N个TE₂₀模SIW腔顶部形成有与之一一对应的2^N组第二耦合缝隙，每一组由M对第二耦合缝隙组成，每一对第二耦合缝隙输出一对差分信号，以激励辐射单元阵形成天线阵列。

Description

差分输入端口的SIW馈电结构以及天线阵列

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种差分输入端口的SIW馈电结构以及天线阵列。

背景技术

随着毫米波频段的开发，高性能的毫米波天线阵列研究得到了广泛的关注。而越来越多的通信制式并存、通信设备的爆炸式增长带来了越来越复杂的电磁环境，给通信系统带来了各类电磁干扰。差分系统由于工作信号的等幅反相，具有固有的对共模噪声信号的抑制能力，近年来也成为了微波技术领域的研究热点之一。具有差分端口的天线，无需经过巴伦即能与差分系统进行端接，减少了不必要的损耗和体积。同时，差分馈电的天线在抑制杂散模式、降低交叉极化，提高方向图对称性能方面具有非常明显的优势。在已有的报道中，差分天线多用探针、微带线等馈电，但是这类馈电方式中的外露的结构容易引起辐射泄漏降低天线的辐射效率。而且这类馈电方式在天线阵列设计中也常常由于大体积的差分功分网络的使用带来布局的困难。低损耗的波导结构在毫米波频段的馈电网络中更受欢迎，但是传统金属波导体积也比较大，而基片集成波导(SIW)作为具有平面电路与传统波导双重优势的导行系统更适合应用于毫米波频段。用SIW对毫米波频段的天线和阵列馈电，既保证了较低的损耗，又易于器件间的集成，其闭合的结构也易于实现器件的自封装。利用SIW高次模相邻半波间的反相特征实现差分馈电有利于简化馈电网络。SIW主模与高次模的转换结构对天线馈电能够提供更宽的工作带宽。在常见的SIW结构中的差分端口多利用SIW上下两层地进行设置，对于需要差分端口多层SIW结构馈电的天线来说，这种设置方式并不利于发挥差分馈电的天线在抑制杂散模式、降低交叉极化、提高方向图对称性方面的优势。为能直接与差分系统端接，同时发挥SIW结构的易集成优势，寻求具有平面布局差分端口的SIW馈电结构并利用其对天线阵列进行差分馈电成为了本设计的目标。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种差分输入端口的SIW馈电结构以及天线阵列。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种差分输入端口的SIW馈电结构，包括TE₁₀模SIW和位于所述TE₁₀模SIW上方的TE₂₀模SIW；

所述TE₁₀模SIW包括面对面错开的一对功分结构，每一功分结构包括朝向第一方向的N级功分臂，两个所述功分结构的2^N个最后级功分臂面对面设置，并在第二方向上错开TE₁₀模横向半波长宽度一一对接且对接线沿第一方向；TE₁₀模SIW顶部沿对接线开设2^N个第一耦合缝隙以提供2^N个具有反相特性的信号激励所述TE₂₀模SIW，第一耦合缝隙的间隔设置为TE₂₀模横向半波长宽度，所述TE₂₀模SIW包括2^N个TE₂₀模SIW腔，所述2^N个TE₂₀模SIW腔顶部形成有与之一一对应的2^N组第二耦合缝隙，每一组由M对第二耦合缝隙组成，每一对第二耦合缝隙输出一对差分信号，以激励辐射单元阵形成天线阵列；

每一所述TE₂₀模SIW腔沿对应的第一耦合缝隙所在的纵向对称线上在避开第一耦合缝隙的其他部分设置有短路通孔，以抑制该腔的主模。

优选地，包括两层介质基板，底部介质基板的下表面设置第一金属地、上表面设置第二金属地，顶部介质基板的下表面设置第三金属地、上表面设置第四金属地，所述第一金属地上在每一功分结构的输入位置处开设有与之对应的馈电输入缝隙，第二、第三金属地共同形成的整体开设所述2^N个第一耦合缝隙，第四金属地开设所述2^N组第二耦合缝隙；

贯穿底部介质基板、第一金属地、第二金属地的金属化过孔形成所述一对功分结构，贯穿顶部介质基板、第三金属地、第四金属地的金属化过孔形成的所述2^N个TE₂₀模SIW腔。

本发明另一方面还公开了一种天线阵列，由多层介质基板压合形成，多层介质基板的平面尺寸相同，其中，最底部的两层介质基板被设计成如前任一项所述的SIW馈电结构。

优选地，最顶部的介质基板镂空形成多个部分，所述多个部分包括2^N个矩形部，每一所述矩形部的两个长边与其他部分之间为镂空区域，每一矩形部的两个短边其他部分连接；

每一所述矩形部上开设有多排金属化过孔以将整个所述矩形部划分为沿所述矩形部分布的M个矩形谐振器单元，所述谐振器单元的长边长度大于1.5倍短边长度，谐振器单元的工作模式电场垂直于其长边；

2^N个矩形部与2^N组第二耦合缝隙一一对应，每一矩形部上的M个矩形谐振器单元和与之对应的一组第二耦合缝隙中的M对第二耦合缝隙一一对应。

优选地，所述矩形部的两个短边与其他部分的交界处分别开设一排所述金属化过孔。

优选地，所述N个矩形部相互之间平行。

优选地，所述多个部分还呈矩形环状的环形部，所述2^N个矩形部均连接于所述环形部的一对侧边之间，所述矩形部与所述环形部的另一对侧边平行。

优选地，所述M个矩形谐振器单元分为两组，两组矩形谐振器单元之间间隔一定距离，每一组矩形谐振器单元包含M/2个矩形谐振器单元，同一组的M/2个矩形谐振器单元由M/2+1排所述金属化过孔间隔形成。

优选地，最顶部的介质基板与其下方的介质基板上表面的金属地之间通过半固化片粘接。

本发明的差分输入端口的SIW馈电结构以及天线阵列，具有以下有益效果：本发明可以直接与毫米波差分系统对接，能够给天线单元或子阵列提供同相的差分馈电；

进一步地，本发明中的天线中，利用介质基板通过镂空设计以及开设金属化过孔，形成至少一个谐振器单元，每一谐振器单元的尺寸满足长边大于1.5倍短边，工作模式在x方向边缘场强可以忽略不计，在短边加载金属化过孔即在边缘上加载金属壁，即将原来的磁壁换成电壁，不会影响工作模式的电磁场分布，也不会改变其谐振频率，而且金属壁的加入能够阻断谐振器单元中的某些寄生模式，保证天线的性能，由于本发明是利用介质基板镂空处理形成，谐振器单元并非孤立的，而是共同形成一层结构，如此在制作天线时，可以直接将镂空设计的介质基板与天线的其他层结构压合，有利于降低加工和装配的复杂性，提高成品率，具有自封装特性。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图：

图1是本发明SIW馈电结构的分解图；

图2是图1中第一金属地的平面结构示意图；

图3是图1中第二金属地的平面结构示意图；

图4是图1中第三金属地的平面结构示意图；

图5是图1中第四金属地的平面结构示意图；

图6是基于图1的SIW馈电结构设计的天线的结构示意图；

图7是图6中顶层介质基板的平面结构示意图；

图8是图6的天线的反射系数与增益的示意图；

图9是图6的天线在26.5GHz，28GHz，29.5GHz的方向图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的典型实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

本说明书中使用的“第一”、“第二”等包含序数的术语可用于说明各种构成要素，但是这些构成要素不受这些术语的限定。使用这些术语的目的仅在于将一个构成要素区别于其他构成要素。例如，在不脱离本发明的权利范围的前提下，第一构成要素可被命名为第二构成要素，类似地，第二构成要素也可以被命名为第一构成要素。

参考图1，本实施例公开了一种差分输入端口的SIW馈电结构，包括TE₁₀模SIW和位于所述TE₁₀模SIW上方的TE₂₀模SIW，如图中B表示TE₁₀模SIW，A表示TE₂₀模SIW。

具体的，SIW馈电结构包括两层介质基板2、3，底部介质基板3的下表面设置第一金属地4(如图3)、上表面设置第二金属地5(如图4)，顶部介质基板2的下表面设置第三金属地6(如图5)、上表面设置第四金属地7(如图6)。需要说明的是，图1中标记的金属地56实际上代表第二金属地5与第三金属地6压合在一起后的整体结构。

贯穿底部介质基板3、第一金属地4、第二金属地5的金属化过孔形成一对功分结构，贯穿顶部介质基板2、金属地56(即第二金属地5与第三金属地6)的金属化过孔形成的2^N个TE₂₀模SIW腔。

参考图2-3，所述TE₁₀模SIW包括面对面错开的一对功分结构，每一功分结构用于连接一个外部输入接头。每一功分结构包括朝向第一方向的N级功分臂，本文中所言的第一方向与定义TE模的坐标系的x轴平行，第二方向与坐标系的y方向平行。

两个所述功分结构的2^N个最后级功分臂面对面设置，并在第二方向上错开TE₁₀模横向半波长宽度一一对接且对接线沿第一方向，此处所谓对接线是指的两个功分臂对接位置处的线段，也即两个功分臂之间的分界线，是一个虚拟的线，仅为便于描述。TE₁₀模SIW顶部沿每一个对接线均开设一个第一耦合缝隙560，也即总共开设2^N个第一耦合缝隙560，如此可以提供2^N个具有反相特性的信号激励所述TE₂₀模SIW，第一耦合缝隙560的间隔设置为TE₂₀模横向半波长宽度，所述TE₂₀模SIW包括2^N个TE₂₀模SIW腔，所述2^N个TE₂₀模SIW腔顶部形成有与之一一对应的2^N组第二耦合缝隙71，每一组由M对第二耦合缝隙71组成，每一对第二耦合缝隙71输出一对差分信号，以激励辐射单元阵形成天线阵列。

具体来说，参考图2，所述第一金属地4上在最前级功分臂的前端位置处开设有与之对应的馈电输入缝隙41。参考图3，第二金属地5开设2^N个耦合缝隙51。参考图4，第三金属地6开设2^N个耦合缝隙61。实际上，2^N个耦合缝隙51、2^N个耦合缝隙61是一一对应，完全对齐地，相互对齐的耦合缝隙51、耦合缝隙61共同形成图1中的金属地560，所以相当于第二金属地5、第三金属地6共同形成的金属地56开设2^N个第一耦合缝隙560。参考图5，第四金属地开设所述2^N组第二耦合缝隙71。

优选地，本实施例中，在每一所述TE₂₀模SIW腔沿对应的第一耦合缝隙所在的纵向对称线上在避开第一耦合缝隙的其他部分设置有短路通孔500，以抑制该腔的主模。具体来说，每一个短路通孔500是竖直贯穿顶部介质基板2、第三金属地6、第四金属地7设置的。

参考图6，是基于图1的SIW馈电结构设计的天线的结构示意图。可以理解的是，本发明的SIW馈电结构还可以应用于其他类型的天线，图6的天线仅为一个具体示例，并不限制本发明SIW馈电结构的应用。

参考图6，天线是由多层介质基板压合形成，多层介质基板的平面尺寸相同，具体的，天线包括从上至下层叠设置的：顶层介质基板1、中间层介质基板2、底层介质基板3。介质基板1、介质基板2、介质基板3的平面尺寸相同，三者对齐后压合。

其中，介质基板3、第一金属地4、第二金属地5、第三金属地6、介质基板2、第四金属地7部分组成实施例一中的SIW馈电结构，具体可参考实施例一部分，此处不再赘述。

参考图7，介质基板1形成基片集成谐振器：最顶部的介质基板1介质基板1镂空形成多个部分，所述多个部分包括4个矩形部11以及矩形环状的矩形部12，每一所述矩形部11的两个长边与相邻的矩形部11/矩形部12之间为镂空区域，每一矩形部11的两个短边与矩形部12连接。

其中，每一所述矩形部11上开设有多排金属化过孔101以将整个所述矩形部11划分为沿所述矩形部分布的M(M＝4)个矩形谐振器单元，所述谐振器单元的长边长度大于1.5倍短边长度，谐振器单元的工作模式电场垂直于其长边。M个矩形谐振器单元分为两组，相邻的两组矩形谐振器单元之间间隔一定距离。同一组的M/2个(即2个)矩形谐振器单元由M/2+1排(即3排)金属化过孔101间隔形成，即同一组内，相邻的两排金属化过孔101形成一个矩形谐振器单元。本实施例通过金属化过孔101形成类似SIW侧壁的不连续金属柱隔断，控制SIW能量不泄露。

本实施例中的2^N个矩形部11与2^N组第二耦合缝隙71一一对应，每一矩形部11上的M个矩形谐振器单元和与之对应的一组第二耦合缝隙71中的M对第二耦合缝隙71一一对应。

本发明中的谐振器单元是由一块基板设计形成，而非孤立的谐振器。具体来说，参考图6，整个天线的主体结构是三块基板，平面尺寸相同，可以满足PCB层压技术中的不同层间的对齐要求，可以通过PCB压合技术将多层结构压合成一个整体。特别是在毫米波波段，考虑到器件的尺寸较小，传统的加工、装配非常复杂，而本实施例可以基于基片集成技术加工介质谐振器，将介质谐振器加工于整块的介质基板上，并直接通过多层PCB技术加介质谐振器与其馈电电路相压合，将会大大降低加工和装配的复杂性，提高成品率。

本实施例中谐振器单元的尺寸优选满足如下关系：b≥1.5a的原因是：因为对于长边、短边相同的介质谐振器，即正方形介质谐振器而言，其主模

模电磁场分布沿y方向有半波长驻波，而沿x方向电场分布均匀，这种谐振器是不能直接利用基板加工形成图7的框架结构，因为会影响谐振器的电磁场分布。为此，本实施例尝试增加谐振器的x方向尺寸，如此，两个相互正交的模式开始分离，

模频率变化的速度远远小于

模，并且发现随着x方向尺寸增大前者频率趋于稳定，这是因为当x方向的尺寸足够大，

模在x方向边缘处场强逐渐减小直至接近零。例如，当b＝1.2a时，在介质谐振器x方向边缘的电场强度已经减少到中心场强的一半，即与最大值相比衰减3dB，随着x方向尺寸的进一步增大，边缘场强衰减更多。当x方向尺寸大于1.5倍y方向的尺寸，即b≥1.5a，边缘场强可以忽略不计。此时如果在边缘上加载金属壁，如图7所示，原来的磁壁换成电壁，不会影响

模的电磁场分布，也不会改变其谐振频率。而且金属壁的加入能够阻断谐振器中的某些寄生模式，保证天线的性能，所以本实施例中通过延长谐振器单元的尺寸b，可以在谐振器的左右侧开设金属化过孔101加载电壁，进而可以设计矩形部12，矩形部12的存在保证顶部的尺寸与其他层的尺寸能够一致，多层结构得以对齐，如此可以将多层结构压合，大大降低加工和装配的复杂性，提高成品率，具有自封装特性，无需天线保护壳，可直接使用。

一个具体设计方案中，底层基板3、中间层基板2是Rogers 4003C介质基板，顶层基板1是Rogers 3010介质基板，中间层基板2与顶层基板1之间是利用半固化片8固定，通过多层PCB技术压合成一体，如图1所示，馈电结构是提供四组差分输出到TE₂₀模SIW，每个TE₂₀模SIW结构对称面上设置有不影响TE₂₀模，但会抑制TE₁₀、TE₃₀等同相对称模的金属通孔。第四金属地7上对应于每一个介质谐振器单元的下方位置设置有一对第三耦合缝隙71，来激励谐振器单元的主模。如图6，顶层基板1中间以不连续的金属化过孔101在基板1上格出4×4介质谐振器，谐振器单元尺寸为7.1×3.8mm²，4列4×1的单元阵列间镂空处理，形成侧面的磁壁，相邻单元E面间隔为10.7mm(大约1λ₀，λ₀为28GHz对应的自由空间波长)，H面间隔7.1mm(大约0.66λ₀)，本实施例中环形部12上开设有一圈金属通孔来环绕4个谐振器单元，环形部12上金属通孔是用来提高阵列的辐射增益。

图8是天线的反射系数与增益的示意图，可见，本天线差模反射系数

的频率范围为27-29.25GHz，带内共模反射系数

维持在-1dB，可见该天线对共模信号有很好的抑制作用。天线的带内增益大于17.0dBi，并且带内增益平坦度好。

如图9，是天线在26.5GHz，28GHz，29.5GHz的方向图。可见，天线单元的差分馈电方式使得带内E面和H面方向图具有对称性，且E面最大辐射方向测交叉极化低于-45dB，H面交叉极化低于-30dB。本天线在能够直接与差分毫米波系统对接，具有优秀的共模抑制能力。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种差分输入端口的SIW馈电结构，其特征在于，包括TE₁₀模SIW和位于所述TE₁₀模SIW上方的TE₂₀模SIW；

所述TE₁₀模SIW包括面对面错开的一对功分结构，每一功分结构包括朝向第一方向的N级功分臂，两个所述功分结构的2^N个最后级功分臂面对面设置，并在第二方向上错开TE₁₀模横向半波长的宽度一一对接且对接线沿第一方向；TE₁₀模SIW顶部沿对接线开设2^N个第一耦合缝隙以提供2^N个具有反相特性的信号激励所述TE₂₀模SIW，第一耦合缝隙的间隔设置为TE₂₀模横向半波长的宽度，所述TE₂₀模SIW包括2^N个TE₂₀模SIW腔，所述2^N个TE₂₀模SIW腔顶部形成有与之一一对应的2^N组第二耦合缝隙，每一组由M对第二耦合缝隙组成，每一对第二耦合缝隙输出一对差分信号，以激励辐射单元阵形成天线阵列；

每一所述TE₂₀模SIW腔沿对应的第一耦合缝隙所在的纵向对称线上在避开第一耦合缝隙的其他部分设置有短路通孔，以抑制所述TE₂₀模SIW腔的主模。

2.根据权利要求1所述的SIW馈电结构，其特征在于，包括两层介质基板，底部介质基板的下表面设置第一金属地、上表面设置第二金属地，顶部介质基板的下表面设置第三金属地、上表面设置第四金属地，所述第一金属地上在每一功分结构的输入位置处开设有与之对应的馈电输入缝隙，第二、第三金属地共同形成的整体开设所述2^N个第一耦合缝隙，第四金属地开设所述2^N组第二耦合缝隙；

贯穿底部介质基板、第一金属地、第二金属地的金属化过孔形成所述一对功分结构，贯穿顶部介质基板、第三金属地、第四金属地的金属化过孔形成的所述2^N个TE₂₀模SIW腔。

3.一种天线阵列，其特征在于，由三层介质基板压合形成，三层介质基板的平面尺寸相同，其中，最底部的两层介质基板被设计成如所述权利要求1-2任一项所述的SIW馈电结构。

4.根据权利要求3所述的天线阵列，其特征在于，最顶部的介质基板镂空形成多个部分，所述多个部分包括2^N个矩形部，每一所述矩形部的两个长边与其他部分之间为镂空区域，每一矩形部的两个短边其他部分连接；

每一所述矩形部上开设有多排金属化过孔以将整个所述矩形部划分为沿所述矩形部分布的M个矩形谐振器单元，所述谐振器单元的长边长度大于1.5倍短边长度，谐振器单元的工作模式电场垂直于其长边；

2^N个矩形部与2^N组第二耦合缝隙一一对应，每一矩形部上的M个矩形谐振器单元和与之对应的一组第二耦合缝隙中的M对第二耦合缝隙一一对应。

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