CN110380206A - 一种宽带siw缝隙天线 - Google Patents

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Abstract

本申请提出一种宽带SIW缝隙天线，包括：介质基片，包括上表面和下表面；上表面金属层，覆盖在所述介质基片的上表面处；下表面金属层，覆盖在所述介质基片的下表面处；金属化通孔阵列，以指定方向排列在所述介质基片上，并贯穿所述介质基片以开设至所述上表面金属层和所述下表面金属层；矩形缝隙，蚀刻在所述上表面金属层上；以及馈电结构，设置在所述介质基片上并连接至同轴线或同轴接头，以接收外部信号并激励所述宽带SIW缝隙天线向外辐射。其中，所述金属化通孔阵列、所述上表面金属层和所述下表面金属层构成一段封闭的基片集成波导腔体。所述金属化通孔阵列排列为包围所述矩形缝隙的矩形，并使得与所述矩形缝隙的长边形成夹角。

Description

一种宽带SIW缝隙天线
技术领域
本发明涉及移动通信领域，尤其涉及一种宽带SIW缝隙天线。
背景技术
基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide，或简称为SIW)技术是一种在介质基片上采用印刷电路板工艺制作的新型微波和毫米波导波结构。自提出以来，由于其低损耗、高Q值以及易于平面电路集成等优势，成为天线领域的研究热点。
利用基片集成波导技术构成的基片集成波导缝隙天线，有着与传统金属波导腔体缝隙天线相似的性能，同时又兼具微带天线的低剖面，重量轻等特点，可通过传统电路板工艺制作。
随着无线通信技术的发展，通信设备对天线的性能要求越来越高。例如，天线的工作带宽需要展宽，以适应更多的应用场景。现有的基片集成波导宽带天线使用的技术方法大致可以分为贴片开槽、地板开槽、加载短路探针和改进馈电结构四种。若使用非对称的开槽技术或短路探针的方式，会影响天线表面电流的分布，从而影响到天线的辐射方向图。另外，采用地板开槽技术，则会产生不必要的后向辐射分量，影响天线辐射性能。
发明内容
本申请的目的是解决现有技术的不足，通过同时采用改变馈电结构和矩形辐射缝隙结构的方式，能够获得提高天线增益的效果。
为了实现上述目的，本申请采用以下的技术方案。
首先，本申请提出一种宽带SIW缝隙天线，包括：介质基片，包括上表面和下表面；上表面金属层，覆盖在所述介质基片的上表面处；下表面金属层，覆盖在所述介质基片的下表面处；金属化通孔阵列，以指定方向排列在所述介质基片上，并贯穿所述介质基片，以开设至所述上表面金属层和所述下表面金属层；矩形缝隙，蚀刻在所述上表面金属层上；馈电结构，设置在所述介质基片上；以及同轴线或同轴接头，连接至所述馈电结构以传输外部信号，并由所述馈电结构激励所述宽带SIW缝隙天线向外辐射。其中，所述金属化通孔阵列、所述上表面金属层和所述下表面金属层构成一段封闭的基片集成波导腔体。所述金属化通孔阵列排列为包围所述矩形缝隙的矩形，并使得与所述矩形缝隙的长边形成夹角。
进一步地，在本申请的上述实施方案中，所述金属化通孔阵列具有统一的孔径，且各个金属化通孔之间的距离至少为孔径的两倍。
可替代地，在本申请的上述一个或多个实施方案中，所述矩形缝隙的长边与所述金属化通孔阵列所排列的矩形的长边之间的夹角是50°。
可替代地，在本申请的上述一个或多个实施方案中，所述矩形缝隙的中心到所述金属化通孔阵列所排列形成的矩形的两条长边的距离相等。
进一步地，在本申请的上述一个或多个实施方案中，所述馈电结构还包括金属化孔，所述金属化孔贯穿所述介质基片从而连接所述上表面金属层，并且所述金属化孔连接所述同轴线以接收外部信号。
再进一步地，在本申请的上述一个或多个实施方案中，所述馈电结构还包括蚀刻在所述下表面金属层的金属化孔外的蚀刻图案。
可替代地，在本申请的上述一个或多个实施方案中，所述同轴线的内导体连接至所述金属化孔，所述同轴线的外导体连接至所述下表面金属层。
其次，本申请还公开了一种宽带SIW缝隙天线，包括：介质基片，包括上表面和下表面；上表面金属层，覆盖在所述介质基片的上表面处；下表面金属层，覆盖在所述介质基片的下表面处；金属化通孔阵列，以指定方向排列在所述介质基片上，并贯穿所述介质基片，以开设至所述上表面金属层和所述下表面金属层；矩形缝隙，蚀刻在所述上表面金属层上；以及馈电结构。该馈电结构又包括：蚀刻图案，蚀刻在所述下表面金属层的金属化孔外；金属化孔，贯穿所述介质基片和所述上表面金属层，并通过所述蚀刻图案与所述下表面金属层隔开；同轴线或同轴接头，所述同轴线或同轴接头的内导体连接至所述金属化孔，所述同轴线或同轴接头的外导体连接至所述下表面金属层，以接收外部信号并激励所述宽带SIW缝隙天线向外辐射。其中，所述金属化通孔阵列、所述上表面金属层和所述下表面金属层构成一段封闭的基片集成波导腔体。所述金属化通孔阵列排列为包围所述矩形缝隙的矩形，并使得与所述矩形缝隙的长边形成夹角。
进一步地，在本申请的上述一个或多个实施方案中，所述金属化通孔阵列具有统一的孔径，且各个金属化通孔之间的距离至少为孔径的两倍。
本发明的有益效果为：通过同轴馈电的封闭基片集成波导上蚀刻倾斜的矩形辐射缝隙，从而得到较宽的工作带宽且获得良好的辐射性能。
附图说明
下面通过参考附图并结合实例具体地描述本发明，本发明的优点和实现方式将会更加明显和清晰，其中附图所示内容仅用于对本发明的解释说明，而不构成对本发明的任何意义上的限制，在附图中：
图1所示为根据本申请实施例的宽带SIW缝隙天线的正面图；
图2所示为图1所示的宽带SIW缝隙天线的背面图；
图3所示为图1所示的宽带SIW缝隙天线沿图2所示的剖切线3-3所形成的切面图；
图4所示为宽带SIW缝隙天线的馈电端口的反射系数与工作频率的关系图；
图5所示为宽带SIW缝隙天线增益方向图。
下文将对这些附图进行详细描述。
具体实施方式
下文详细描述本质上仅是示例性的，并且不旨在限制本公开或其应用和用途。再者，前文的背景技术或下文具体实施方式中提出的任何原理均无意要构成约束。
此处描述本公开的实施方案。然而要理解的是，所公开的实施方案仅是示例，并且其他实施方案可以采用多种和可替换的形式。附图不一定按比例绘制；一些特征可能被放大或缩小以便示出特定组件的细节。因此，本文所公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制性的，而仅仅是作为用于教导本领域技术人员以多种方式利用本发明的代表性基础。正如本领域技术人员将理解的，参考附图中任一附图图示和描述的多种特征能够与一个或多个附图中图示的特征进行组合以产生未明确地图示或描述的实施方案。图示的特征的组合提供了典型应用的代表性实施方案。然而，符合本公开教导的这些特征的多种组合和修改可能是某个具体应用或实施方式所需要的。
下文描述中可能使用某些术语仅是出于参考的目的，因此不旨在是限制性的。例如，如“上面”和“下面”的术语是指附图中所参考的方向。诸如“前面”、“背后”、“左边”、“右边”、“后面”以及“侧边”的术语描述组件或元件的多个部位在一致但任意的参照系内的取向和/或位置，该参照系在参考描述所论述的组件或者元件的文本和相关联的附图变得清楚。而且，可能使用诸如“第一”、“第二”、“第三”等的术语来描述单独的组件。此类术语可以包括上面具体提到的词语、其派生词和类似含义的词语。
参照图1所示的正面图、图2所示的背面图及图3所述的切面图，在本申请的一个或多个实施例中，该宽带SIW缝隙天线1包括：介质基片10、上表面金属层20、下表面金属层30、金属化通孔阵列40、矩形缝隙50(即图1中的阴影线所示部分)以及馈电结构60。在该介质基片10的上表面和下表面处分别覆盖有上表面金属层20和下表面金属层30。金属化通孔阵列40以指定方向排列在所述介质基片10上，并贯穿所述介质基片10以开设至所述上表面金属层20和所述下表面金属层30，构成一段封闭的基片集成波导腔体。矩形缝隙50蚀刻在所述上表面金属层20上。馈电结构60设置在所述介质基片10上并连接至同轴线70，以接收外部信号并激励所述宽带SIW缝隙天线1向外辐射。所述金属化通孔阵列40排列为包围所述矩形缝隙50的矩形，并使得与所述矩形缝隙50的长边形成夹角。此时，矩形缝隙为天线的主要辐射结构，电磁波由缝隙向外辐射。通过调整缝隙的尺寸及倾斜的角度可调节天线的工作频率，从而获得良好的匹配效果。在图1中，除阴影线所示的矩形缝隙50及金属化通孔阵列外，其余区域为上表面金属层20。
在本申请的一个或多个实施例中，馈电结构60可以是一种由同轴转SIW的转接结构。继续参考图1和图2，以及参考图3，馈电结构60可以由金属化孔62、蚀刻图案64(即图2中的阴影线所示部分)和同轴线70构成。该金属化孔62贯穿所述介质基片10以及所述上表面金属层20。蚀刻图案64蚀刻在所述下表面金属层30的金属化孔62外以防止短路。所述同轴线70的内导体连接至所述金属化孔62。所述同轴线70的外导体连接至所述下表面金属层30。此时，整个宽带SIW缝隙天线1除了矩形缝隙50能够向外辐射电磁能量外，其他位置均无辐射。这样就保证了天线方向图的稳定性，实现半全向辐射。进一步地，由于上述结构几乎消除了因辐射以及介质中导波模式引起的对电路中其它部分的干扰，使其能够很好地与平面电路集成。此外，在上述实施例中，同轴线70也可以使用同轴接头代替。
具体地，根据本申请的一个针对X波段的宽带SIW缝隙天线的实施例中，介质基片10的尺寸厚度可以设置为2.3mm～2.5mm之间，且该介质基片10的相对介电常数可以设置为2.0～2.5之间。参照图1和图2所标识的尺寸，所述金属化通孔阵列40排列为包围所述矩形缝隙50的矩形尺寸为L＝32.2mm，W＝17.5mm。其中，各个金属化通孔的孔半径为0.3mm。此时，矩形缝隙50的尺寸可以是12.6mm×3mm，且其几何中心到左右两侧的金属化孔的距离相等，并距离上侧金属化孔的距离为0.27×L。相应地，同轴馈电端口中心距离下侧金属化通孔的距离为0.27×L。
由传统金属波导缝隙阵列天线的理论可以知，一个波导宽边中线上的倾斜矩形缝隙是呈感性的，且其电感大小与其倾斜角度有关，通过倾斜角度的调节，可以调节天线的阻抗，从而达到调节天线阻抗匹配的效果。具体地，基于上述针对X波段的宽带SIW缝隙天线的实施例，通过同轴转SIW的馈电结构60，以及上述矩形缝隙50的倾斜布置，可以激励该宽带SIW缝隙天线两个相近的模式，从而达到扩展天线阻抗带宽的效果。参照图4所示为馈电端口的反射系数与工作频率的关系图，可以观察到当所述矩形缝隙50的尺寸约为二分之一波导波长，并且其距离SIW结构短路面约为四分之一波导波长时，所述宽带SIW缝隙天线有两个模式分别在9.35GHz与9.56GHz左右，它们各自的阻抗带宽融合到一起得到一个较宽的阻抗带宽。
参照图5所示的增益方向图并结合图1和图2，可以观察到天线的增益在6dBi左右，且天线在XOZ以及YOZ的方向图接近，变化平稳，表明天线的辐射方向图是均匀稳定的。由于天线的辐射单元为矩形缝隙，缝隙朝向+Z方向，在其他方向无任何开缝或开槽，故能量均从矩形缝隙辐射出去。结合图5的曲线变化轮廓可以看到，天线的主要能量均在+Z方向，且偏离该方向后逐渐减小，天线的后向辐射几乎没有，天线方向图前后比超过20dB。这表明该宽带SIW缝隙天线的辐射是稳定的半全向辐射。
应强调的是，可以对本文描述的实施方案实施多种变化和修改，其要件应理解为可接受的示例。所有此类修改和变化旨在在本文中包含在本公开的范围内并且受到所附权利要求的保护。而且，本文描述的步骤中任一步骤可以同时执行或以不同于在本文的排序的这些步骤的次序来执行。而且，正如应该显见到的，本文所公开的具体实施方案的特征和属性可以按不同的方式进行组合以形成附加的实施方案，所有这些实施方案均落在本公开的范围内。
除非另有具体说明，或者在所使用的上下文中有另外的理解，否则在本文中使用的条件语言(诸如，尤其是，“能”、“可”、“可能”、“可以”、“例如”等)一般旨在表达某些实施方案包括，而另一些实施方案不包括某些特征、元件和/或状态。因此，此类条件语言一般不旨在以任何方式暗示特征、元件和/或状态对于一个或者多个实施方案是必不可少的，或者一个或者多个实施方案必定包括用于决定(在有或者没有作者输入或者提示的情况下)这些特征、元件和/或状态包括在任何具体实施方案中或者是否要在任何特定实施方案中执行这些特征、元件和/或状态的逻辑。
而且，本文中可能使用了如下术语。单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指代物，除非上下文有确定规定。因此，例如，对一个项的引用包括对一个或多个项的引用。术语“一些”是指一个、二个或更多个，并且一般适用于选定某个数量的一些或全部。术语“多个”是指两个或更多个项。术语“大约”或者“近似”表示数量、尺寸、大小、规划、参数、形状以及其它特点不必是精确的，而是在反映可接受的公差、转换因子、四舍五入、测量误差等以及本领域的技术人员公知的其它因素的情况下，可以根据需要是近似的和/或更大或者更小。术语“基本上”表示不一定要精确地实现所引述的特点、参数或者值，而是可以按照不排除特性旨在提供的效果的量发生偏差或者变化，包括：例如，公差、测量误差、测量精度限制以及本领域的技术人员公知的其它因素。
数值数据在本文中可能以范围的格式表示或呈示。要理解的是，仅仅出于方便和简洁而使用此类范围格式，并且因此，此类范围格式应该灵活地解释为不只包括如该范围的限制叙述的数值，而且解释为包括涵盖在该范围内的所有个别数值或者子范围，如同明确地引述了每个数值和子范围。作为说明，“大约1至5”的数值范围应该解释为不仅包括大约1至大约5中明确引述的值，而且应该解释为还包括在指示的范围内的各个值和子范围。因此，包括在该数值范围内的是诸如2、3和4等的各个值以及诸如“大约1至大约3”、“大约2至大约4”和“大约3至大约5”、“1至3”、“2至4”、“3至5”等子范围。此原理同样适用于仅引述一个数值的范围(例如，“约大于1”)，并且无论范围的广度或者描述的特点如何，都应该适用。为了方便起见，可以在公共列表中呈示多个项。然而，这些列表应该解释为好像列表中的每个成员各自被识别为单独且唯一的成员。因此，此类列表中的个别成员在没有相反明示的情况下均不应仅基于它们存在于公共组中而被解释为同一个列表中的任何其它成员的实际等效物。而且，当结合项的列表使用术语“和”和“或者”时，术语“和”和“或者”应该被广义地解释，因为可以单独地或者结合其它列出的项来使用所列出的项中的任何一个或者多个项。术语“可替换地”是指选择两个或者更多个替换方案中的一个，但是不旨在将选择仅限于那些列出的替换方案或者仅限于一次选择所列出的替换方案中的一个，除非上下文另有明确指示。
虽然上文描述了示例性实施方案，但并这些实施方案不旨在描述权利要求所包含的所有可能形式。本说明书中使用的词汇是描述词汇，而不是限制词汇，并且要理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行多种更改。如先前描述，可以将多种实施方案的特征进行组合以形成可能未被明确地描述或图示的本公开的示例性方面。虽然多种实施方案可能描述为关于一个或多个期望的特性提供相对于其他实施方案或现有技术实施方式的优点或优选于其他实施方案或现有技术实施方式，但本领域技术人员认识到，可以将一个或多个特征或特性进行折中处理以实现根据具体应用和实施方式所期望的总体系统属性。这些属性可以包括但不限于成本、强度、耐久性、寿命周期成本、适销性、外观、包装、尺寸、可维修性、重量、可制造性、易于装配等。因此，关于一个或多个特性不像其他实施方案或现有技术实施方式那样描述为期望的实施方案不在本发明的范围外，并且可能是特定应用所期望的。

Claims (9)

1.一种宽带SIW缝隙天线(1)，包括：
介质基片(10)，包括上表面和下表面；
上表面金属层(20)，覆盖在所述介质基片(10)的上表面处；
下表面金属层(30)，覆盖在所述介质基片(10)的下表面处；
金属化通孔阵列(40)，以指定方向排列在所述介质基片(10)上，并贯穿所述介质基片(10)，以开设至所述上表面金属层(20)和所述下表面金属层(30)；
矩形缝隙(50)，蚀刻在所述上表面金属层(20)上；
馈电结构(60)，设置在所述介质基片(10)上；以及
同轴线或同轴接头(70)，连接至所述馈电结构(60)以传输外部信号，并由所述馈电结构(60)激励所述宽带SIW缝隙天线(1)向外辐射；
其中，所述金属化通孔阵列(40)、所述上表面金属层(20)和所述下表面金属层(30)构成一段封闭的基片集成波导腔体，所述金属化通孔阵列(40)排列为包围所述矩形缝隙(50)的矩形，并使得与所述矩形缝隙(50)的长边形成夹角。
2.根据权利要求1所述的宽带SIW缝隙天线(1)，其特征在于，所述金属化通孔阵列(40)具有统一的孔径，且各个金属化通孔之间的距离至少为孔径的两倍。
3.根据权利要求1所述的宽带SIW缝隙天线(1)，其特征在于，所述矩形缝隙(50)的长边与所述金属化通孔阵列(40)所排列的矩形的长边之间的夹角是50°。
4.根据权利要求1所述的宽带SIW缝隙天线(1)，其特征在于，所述矩形缝隙(50)的中心到所述金属化通孔阵列(40)所排列形成的矩形的两条长边的距离相等。
5.根据权利要求1-4中任一所述的宽带SIW缝隙天线(1)，其特征在于，所述馈电结构(60)还包括金属化孔(62)，所述金属化孔(62)贯穿所述介质基片(10)从而连接所述上表面金属层(20)，并且所述金属化孔(62)连接所述同轴线(70)以接收外部信号。
6.根据权利要求5所述的宽带SIW缝隙天线(1)，其特征在于，所述馈电结构(60)还包括蚀刻在所述下表面金属层(30)的金属化孔(62)外的蚀刻图案(64)。
7.根据权利要求5所述的宽带SIW缝隙天线(1)，其特征在于，所述同轴线(70)的内导体连接至所述金属化孔(62)，所述同轴线(70)的外导体连接至所述下表面金属层(30)。
8.一种宽带SIW缝隙天线(1)，包括：
介质基片(10)，包括上表面和下表面；
上表面金属层(20)，覆盖在所述介质基片(10)的上表面处；
下表面金属层(30)，覆盖在所述介质基片(10)的下表面处；
金属化通孔阵列(40)，以指定方向排列在所述介质基片(10)上，并贯穿所述介质基片(10)，以开设至所述上表面金属层(20)和所述下表面金属层(30)；
矩形缝隙(50)，蚀刻在所述上表面金属层(20)上；
馈电结构(60)，包括：
蚀刻图案(64)，蚀刻在所述下表面金属层(30)的金属化孔(62)外；
金属化孔(62)，贯穿所述介质基片(10)以及所述上表面金属层(20)和所述下表面金属层(30)；以及
同轴线或同轴接头(70)，所述同轴线或同轴接头(70)的内导体连接至所述金属化孔(62)，所述同轴线或同轴接头(70)的外导体连接至所述下表面金属层(30)，以接收外部信号并激励所述宽带SIW缝隙天线(1)向外辐射；
其中，所述金属化通孔阵列(40)、所述上表面金属层(20)和所述下表面金属层(30)构成一段封闭的基片集成波导腔体，所述金属化通孔阵列(40)排列为包围所述矩形缝隙(50)的矩形，并使得与所述矩形缝隙(50)的长边形成夹角。
9.根据权利要求8所述的宽带SIW缝隙天线(1)，其特征在于，所述金属化通孔阵列(40)具有统一的孔径，且各个金属化通孔之间的距离至少为孔径的两倍。
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