CN110429383B - 单输入端口的siw馈电结构以及天线阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单输入端口的SIW馈电结构以及天线阵列，馈电结构包括TE10模SIW和TE20模SIW，TE10模SIW包括朝向第一方向的N级功分臂，TE20模SIW包括2N个TE20模SIW腔，TE10模SIW与TE20模SIW之间形成有2N个第一耦合缝隙耦合，2N个TE20模SIW腔顶部形成有与之对应的2N组第二耦合缝隙，每一组由M对第二耦合缝隙组成；2N个最后级功分臂的后端弯折到第二方向，2N个第一耦合缝隙与2N个最后级功分臂对应、且还与2N个TE20模SIW腔对应，第一耦合缝隙距离与之对应的最后级功分臂的后端弯折部分的端部半个波导波长的水平距离以提供2N路反相信号，每一路反相信号馈入对应的TE20模SIW腔后再经由对应的M对第二耦合缝隙输出，以激励辐射单元阵形成天线阵列。
Description
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其涉及一种单输入端口的SIW馈电结构以及介天线阵列。
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。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激励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。为在传统单端系统中也获得差分天线的优势，为被差分激励的天线提供具有单输入端口的馈电网络是本设计的目的。
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需求，提供一种单输入端口的SIW馈电结构以及介质谐振器天线。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种单输入端口的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包括朝向第一方向的N级功分臂，所述TE20模SIW包括2N个TE20模SIW腔，所述TE10模SIW与TE20模SIW之间形成有2N个第一耦合缝隙耦合，所述2N个TE20模SIW腔顶部形成有与之一一对应的2N组第二耦合缝隙，每一组由M对第二耦合缝隙组成，所述第一耦合缝隙与第二耦合缝隙均沿第一方向延伸；
每一级功分臂均为一分二功分结构，2N个最后级功分臂的后端沿同一个朝向弯折到第二方向，所述2N个第一耦合缝隙与2N个最后级功分臂一一对应、且还与2N个TE20模SIW腔一一对应，每一所述第一耦合缝隙均距离与之对应的最后级功分臂的后端弯折部分的端部半个波导波长的水平距离以提供2N路反相信号，每一路反相信号馈入对应的TE20模SIW腔后再经由对应的M对第二耦合缝隙输出M对差分信号。
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最前级功分臂的前端位置处开设有与之对应的馈电输入端口，第二、第三金属地共同形成的整体开设所述2N个第一耦合缝隙，第四金属地开设所述2N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的所述N级功分臂，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2N个TE20模SIW腔。
优选地，N为2。
本发明还公开了一种天线，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2N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；
2N个矩形部与2N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2N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。
本发明的单输入端口的SIW馈电结构以及介质谐振器天线，具有以下有益效果：本发明可以用于传统的单端毫米波系统，可以给N*N的天线同相馈电，由于N个最后级功分臂的后端都沿同一个朝向弯折，且N个第一耦合缝隙的水平投影均距离与之对应的最后级功分臂的后端弯折部分的端部半个波长的距离，所以N个最后级功分臂在与之对应的第一耦合缝隙的水平投影位置的两侧形成N对差分输出端口，这种简单的平面处理方式无需借助巴伦来获得反相信号耦合给上层的SIW腔，且输出端口仅需N个即可实现对上层N组SIW腔的耦合馈电，不同于传统的巴伦需要提供2N路输出，设计和加工都大大得到简化；
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是功分臂的工作原理示意图；
图3是SIW功分结构仿真的S参数示意图；
图4是图1中第一金属地的平面结构示意图；
图5是图1中第二金属地的平面结构示意图；
图6是图1中第三金属地的平面结构示意图；
图7是图1中第四金属地的平面结构示意图；
图8是基于图1的SIW馈电结构设计的天线的结构示意图；
图9是图8中顶层介质基板的平面结构示意图；
图10是图8的天线的反射系数与增益的示意图；
图11是图8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，本实施例的单输入端口的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包括朝向第一方向的N级功分臂，N为自然数，本实施例中N为2。参考图2，100是主臂，200、300是第一级功分臂、第二级功分臂。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。
所述TE20模SIW包括2N个TE20模SIW腔，所述TE10模SIW与TE20模SIW之间形成有2N个第一耦合缝隙耦合560，所述2N个TE20模SIW腔顶部形成有与之一一对应的2N组第二耦合缝隙71，每一组由M对第二耦合缝隙71组成，所述第一耦合缝隙560与第二耦合缝隙均71沿第一方向延伸。
参考图2，每一级功分臂均为一分二功分结构，2N个最后级功分臂的后端沿同一个朝向弯折到第二方向，如图2中300a即表示最后级功分臂的后端弯折部分。所述2N个第一耦合缝隙与2N个最后级功分臂一一对应、且还与2N个TE20模SIW腔一一对应，每一所述第一耦合缝隙的均距离与之对应的最后级功分臂的后端弯折部分的端部半个波导波长的水平距离W0(即在第二方向上距离后端弯折部分的端部的距离)以提供2N路反相信号，每一路反相信号馈入对应的TE20模SIW腔后再经由对应的M对第二耦合缝隙71输出M对差分信号。图3为平面弯折最后级功分臂的2级一分二巴伦的S参数。可见|S11|<-15dB的频率范围为25.7-31GHz，通带内插损6+0.6dB。该TE10模SIW在紧挨每一对差分输出端口的位置，都有一对反相驻波，可以经过TE10模SIW上的第一耦合缝隙560，将电磁能量耦合到上一层的TE20模SIW，实现TE10模向TE20模的转换。而TE20模SIW上的4*4对第三耦合缝隙71可分别将差分的TE20模电磁能量耦合到基片集成谐振器，进而激励起4*4个介质谐振器单元中的
模。
继续参考图1，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4)、上表面设置第二金属地5(如图5)，顶部介质基板2的下表面设置第三金属地6(如图6)、上表面设置第四金属地7(如图7)。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。
参考图4，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端口41。参考图5，第二金属地5开设2N个耦合缝隙51。参考图6，第三金属地6开设2N个耦合缝隙61。实际上，2N个耦合缝隙51、2N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2N个第一耦合缝隙560。参考图7，第四金属地开设所述2N组第二耦合缝隙71。
继续参考图1，贯穿底部介质基板3、第一金属地4、第二金属地5的金属化过孔形成的所述N级功分臂，贯穿顶部介质基板2、第三金属地6、第四金属地7的金属化过孔形成的所述2N个TE20模SIW腔。
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。
本实施例通过简单的平面处理方式无需借助巴伦来获得反相信号耦合给上层的TE20模SIW，且最后级的功分臂仅需4个即可实现对上层4个TE20模SIW的耦合馈电，不同于传统方案中的巴伦需要提供8路输出信号来实现TE10模SIW和TE20模SIW的转换，设计和加工都大大得到简化。
其中，本实施例中，介质基板2、3是厚度0.508mm的Rogers 4003C介质基板，尺寸分别为：a1＝4.5mm，p1＝1.3mm，p2＝0.8mm。
参考图8，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8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8，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9，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12以及矩形环状的环形部11，每一所述矩形部12的两个长边与相邻的矩形部12/环形部11之间为镂空区域，每一矩形部12的两个短边与环形部11连接。
其中，每一所述矩形部12上开设有多排金属化过孔101以将整个所述矩形部12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2N个矩形部12与2N组第二耦合缝隙71一一对应，每一矩形部12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8，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，原来的磁壁换成电壁，不会影响TE1x11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，进而可以设计环形部11，环形部11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，介质基板2是厚度为0.508mm的Rogers 4003C介质基板，介质基板1是厚度0.635mm的Rogers 3010介质基板，介质基板2与介质基板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2所示，馈电结构是单端口输入，且4个最后级功分臂是弯折后排向一致的，提供4组同相的电磁场分布给4个第一耦合缝隙51。弯折的处理方法不再需要另外使用巴伦即可实现4组同相的TE10模-TE20模的转换。如图8，第二金属地5和第四金属地7间排列有一排4组TE20模SIW结构，如图6所示，每组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9，介质基板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。
如图10，是天线的反射系数与增益的示意图。可见，本天线仿真|S11|<-10dB的频率范围为26.5-30GHz，覆盖5G通信的28GHz频段。
另外，关于天线的带内辐射方向图，我们分别研究了26.5GHz，28GHz，29.5GHz三个频点的方向图，如图11所示。由于采用差分馈电方式，带内E面和H面方向图对称性均佳，且E面最大辐射方向交叉极化分别低于-45dB，H面交叉极化分别低于-30dB。
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)
1.一种单输入端口的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包括朝向第一方向的N级功分臂，所述TE20模SIW包括2N个TE20模SIW腔，所述TE10模SIW与TE20模SIW之间形成有2N个第一耦合缝隙，所述2N个TE20模SIW腔顶部形成有与之一一对应的2N组第二耦合缝隙，每一组由M对第二耦合缝隙组成，所述第一耦合缝隙与第二耦合缝隙均沿第一方向延伸；
每一级功分臂均为一分二功分结构，2N个最后级功分臂的后端沿同一个朝向弯折到第二方向，所述2N个第一耦合缝隙与2N个最后级功分臂一一对应、且还与2N个TE20模SIW腔一一对应，每一所述第一耦合缝隙均距离与之对应的最后级功分臂的后端弯折部分的端部半个波导波长的水平距离以提供2N路反相信号，每一路反相信号馈入对应的TE20模SIW腔后再经由对应的M对第二耦合缝隙输出M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，M、N为正整数。
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最前级功分臂的前端位置处开设有与之对应的馈电输入端口，第二、第三金属地共同形成的整体开设所述2N个第一耦合缝隙，第四金属地开设所述2N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的所述N级功分臂，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2N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2N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；
2N个矩形部与2N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对第二耦合缝隙分别对应。
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