CN110459861A - 一种基于基片集成波导设计的双频椭圆缝隙天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于基片集成波导设计的双频椭圆缝隙天线，包括：介质基板、上表面金属层、下表面金属层、金属化通孔阵列、椭圆缝隙和共面波导输入端；所述上表面金属层覆盖在所述介质基板的上表面，所述下表面金属层覆盖在所述介质基板的下表面；所述金属化通孔阵列贯穿所述上表面金属层、介质基板和下表面金属层；所述金属化通孔阵列与上表面金属层及下表面金属层共同围成一个基片集成波导腔体；所述椭圆缝隙设置在所述基片集成波导腔体的上表面金属层；所述共面波导输入端设置在所述基片集成波导腔体开口一侧的上表面金属层处。相对于现有技术，该天线能够在间隔较大的两个频段内传输信号，并且具备系统占用空间小、高阻抗带宽、高增益和可集成化等优点。

Description

一种基于基片集成波导设计的双频椭圆缝隙天线
技术领域
本发明涉及无线通讯技术领域，尤其涉及一种工作在Ka波段的基于基片集成波导设计的双频椭圆缝隙天线。
背景技术
随着个人无线通信技术和无线局域网技术的发展，对信号传输技术提出了更高的要求。传统金属矩形波导缝隙天线具有主瓣宽度窄、波束指向固定、辐射效率高、增益大以及交叉极化电平低等特点，在雷达和无线通信系统中有着广泛的应用。但是，传统的金属波导腔体缝隙天线存在体积大、重量重、成本高以及加工和平面集成困难等问题。
因而，近年来为适应系统集成和设备轻量化的要求，提出了多种适合PCB和LTCC工艺的天线技术，例如：微带天线和印刷形式的天线等。虽然微带天线和印刷形式的天线较好地满足了与电路集成的要求，但也存在着诸如交叉极化电平高增益小和阻抗带宽低等问题。
并且，在当前广泛利用的无线通信系统中，通常还需要在间隔较大的两个频段内传输信号，若为实现双频段工作而采用两副天线，则会增大系统占用。而现有的高阶模谐振缝隙双频天线虽无需使用两副天线，但却也存在阻抗带宽低，增益低的问题。
因此，现有的无线通信技术难以同时解决天线系统占用大、阻抗带宽低、增益低及成本高、不易于电路集成的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺点和不足，提出一种基于基片集成波导设计的双频椭圆缝隙天线，该天线能够在间隔较大的两个频段内传输信号，并且具备系统占用空间小、高阻抗带宽、高增益和易集成化等优点。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于基片集成波导设计的双频椭圆缝隙天线包括：介质基板、上表面金属层、下表面金属层、金属化通孔阵列、椭圆缝隙和共面波导输入端；所述上表面金属层覆盖在所述介质基板的上表面，所述下表面金属层覆盖在所述介质基板的下表面；所述金属化通孔阵列贯穿所述上表面金属层、介质基板和下表面金属层；所述金属化通孔阵列与上表面金属层及下表面金属层共同围成一个基片集成波导腔体；所述椭圆缝隙设置在所述基片集成波导腔体的上表面金属层；所述共面波导输入端设置在所述基片集成波导腔体开口一侧的上表面金属层处。
相对于现有技术，本发明的基于基片集成波导设计的双频椭圆缝隙天线，通过单个椭圆缝隙激励高次模TE101和TE102模来实现的双频功能，并且椭圆缝隙能够辐射更多能量，因而提高了天线的阻抗带宽和增益，此外，该天线还具有占用空间小、易于电路集成、适合大批量生产等优点。
进一步地，所述基片集成波导腔体为U型基片集成波导腔体。
进一步地，所述椭圆缝隙的长轴与所述基片集成波导腔体的横截面的长边平行。
进一步地，所述椭圆缝隙的长轴长度在5.5mm至5.7mm之间。椭圆缝隙的长轴长度与高阶模TE102处中心频率37.5GHz对应的波长的一半接近时，该天线的谐振效果最佳，且具有较大增益，阻抗带宽相比相同尺寸的矩形缝隙扩大7倍。
进一步地，所述椭圆缝隙的中心与所述基片集成波导腔体短路端的距离在5.35mm至5.39mm之间，椭圆缝隙激励基片集成波导腔内的TE101和TE102模，保证其双频特性，并提高阻抗带宽。
进一步地，所述椭圆缝隙的短轴长为0.8mm，优化长轴长与短轴长之比，实现更高的增益和带宽，使椭圆缝隙辐射的能量最大。
进一步地，所述椭圆缝隙中心到所述基片集成波导腔体中心线的距离为0.41mm，优化上述距离，实现更高的增益和带宽，使椭圆缝隙辐射的能量最大。
进一步地，所述共面波导输入端包括锥形过渡线和微带线，所述锥形过渡线设置在所述基片集成波导腔体开口一侧的上表面金属层处，所述微带线与所述锥形过渡线相连。锥形过渡线实现基片集成波导腔体与微带线的阻抗匹配，减少不连续性产生的衰减和反射影响。
进一步地，所述介质基板采用Rogers 5880，介电参数为2.2，厚度为0.254mm，成本低，精度高。
进一步地，所述金属化通孔阵列的任一通孔的直径长度为0.5mm，相邻通孔的间距为0.7mm，可利用PCB工艺生产，成本低，精度高，重复性好且适合大批量生产。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
图1是本发明实施例的基于基片集成波导设计的双频椭圆缝隙天线的结构示意图；
图2是本发明一个优选实施例的基于基片集成波导设计的双频椭圆缝隙天线的几何尺寸示意图；
图3是本发明实施例的基于基片集成波导设计的双频椭圆缝隙天线在25.8GHz处，谐振腔体内TE101模式电场分布仿真图；
图4是本发明实施例的基于基片集成波导设计的双频椭圆缝隙天线在35.7GHz处，谐振腔体内TE102模式电场分布仿真图；
图5是本发明实施例的基于基片集成波导设计的双频椭圆缝隙天线的回波损耗随频率变化的曲线；
图6是本发明实施例的基于基片集成波导设计的双频椭圆缝隙天线线的增益随频率变化的曲线；
图7是本发明实施例的基于基片集成波导设计的双频椭圆缝隙天线在中心频率f1＝25.8GHz方向图；
图8是本发明实施例的基于基片集成波导设计的双频椭圆缝隙天线在中心频率f2＝35.7GHz方向图。
具体实施方式
请参阅图1，其是本发明实施例的基于基片集成波导设计的双频椭圆缝隙天线的结构示意图。该基于基片集成波导设计的双频椭圆缝隙天线包括介质基板1、上表面金属层2、下表面金属层3、金属化通孔阵列4、椭圆缝隙5和共面波导输入端6；该上表面金属层2设置在所述介质基板1的上表面，该下表面金属层3设置在介质基板1的下表面；该金属化通孔阵列4贯穿所述上表面金属层2、介质基板1和下表面金属层3；金属化通孔阵列4与上表面金属层2及下表面金属层3共同围成一个基片集成波导腔体，该基片集成波导腔体为U型基片集成波导腔体；椭圆缝隙5设置在U型基片集成波导腔体的上表面金属层，椭圆缝隙5的长轴与U型基片集成波导腔体的横截面的长边平行；共面波导输入端6包括锥形过渡线61和微带线62，锥形过渡线61设置在U型基片集成波导腔体的开口一侧的上表面金属层处，微带线62与锥形过渡线61相连。
优选地，该椭圆缝隙的长轴长与TE102高阶模处中心频率所对应的半波长接近，在5.5mm至5.7mm之间时，天线谐振效果较佳，当该椭圆缝隙的长轴长设置为5.66mm时，此时天线谐振效果最佳，增益提高，阻抗带宽相比相同尺寸的矩形缝隙扩大7倍。
该椭圆缝隙的中心与基片集成波导腔体短路端的距离与半波长接近，在5.35mm至5.39mm之间时，能更好的在TE101高阶模的中心频率附近谐振。当该椭圆缝隙的中心与基片集成波导腔体短路端的距离为5.37mm时，更好的激励基片集成波导腔体内TE101和TE102的模式场分布，实现良好的阻抗匹配。
优选地，该椭圆缝隙的短轴长为0.8mm，椭圆缝隙中心到基片集成波导腔体中心线的距离为0.41mm时，能够实现更高的增益和带宽，使椭圆缝隙辐射的能量最大。
优选地，该微带线为50Ω微带线；该介质基板采用Rogers 5880，介电参数为2.2，厚度为0.254mm；该金属化通孔阵列的任一通孔的直径长度为0.5mm，相邻通孔的间距为0.7mm，易于平面电路集成，可利用PCB工艺生产，生产成本低且精度、重复性好。
请参阅图2，其是本发明一个优选实施例的基于基片集成波导设计的双频椭圆缝隙天线的几何尺寸示意图。其中，L＝11.2mm，L表示基片集成波导腔体的长度；W＝4.42mm，W表示基片集成波导腔体的宽度；L_slot＝5.37mm，L_slot表示椭圆缝隙的中心与基片集成波导腔体短路端的距离；W_slot＝0.41mm，W_slot表示椭圆缝隙中心到基片集成波导腔体中心线的距离；a＝5.66mm，a表示椭圆缝隙的长轴长；b＝0.8mm，b表示椭圆缝隙的短轴长。
请参阅图3和图4，图3是本发明实施例的基于基片集成波导设计的双频椭圆缝隙天线在25.8GHz处，谐振腔体内TE101模式电场分布仿真图；图4是本发明的基于基片集成波导设计的双频椭圆缝隙天线在35.7GHz处，谐振腔体内TE102模式电场分布仿真图。从图中可以得知，本实施例中的基于基片集成波导设计的双频椭圆缝隙天线在TE101和TE102模式对应的谐振频率附近有较强的电流分布，椭圆缝隙的尺寸与TE101和TE102两个高阶模式的匹配良好。
请参阅图5，图5是本发明实施例的基于基片集成波导设计的双频椭圆缝隙天线的回波损耗随频率变化的曲线。本实施例中椭圆缝隙天线的两个工作频带的中心频率为25.8GHz和35.7GHz，相对应的阻抗带宽分别为320MHz和2.6GHz，-10dB相对带宽为1.24％和7.18％，由此可知，该椭圆缝隙天线具有较高的阻抗带宽。
请参阅图6，图6是本发明实施例的基于基片集成波导设计的双频椭圆缝隙天线线的增益随频率变化的曲线。本实施例中的椭圆缝隙天线在工作频带内的增益不低于7dBi，两个中心频率处对应的最大增益为7.3dBi和7.8dBi，由此可知，该椭圆缝隙天线具有较高的增益。
请参阅图7和图8，图7是本发明实施例的基于基片集成波导设计的双频椭圆缝隙天线在中心频率f1＝25.8GHz方向图；图8是本发明的基于基片集成波导设计的双频椭圆缝隙天线在中心频率f2＝35.7GHz方向图。缝隙双频天线分别在25.8GHz和35.7GHz处的E面和H面辐射方向图测试结果，其中E面、H面在两个中心频率下相对应的半功率主瓣宽度测试结果分别为90°、60°(25.8GHz)和90°、55°(35.7GHz)，由此可知，该基于基片集成波导设计的双频椭圆缝隙天线的主瓣宽度较宽。
相对于现有技术，本发明的基于基片集成波导设计的双频椭圆缝隙天线，利用单个椭圆缝隙实现了双频功能，并降低了系统占用空间，实现更多能量的辐射。通过调整椭圆缝隙的长轴长和椭圆缝隙距基片集成波导腔体短路端的距离，提高了天线的谐振效果和工作带宽；通过优化椭圆缝隙的短轴长和椭圆缝隙中心到基片集成波导腔体中心线的距离，进一步加大辐射能量，提高了增益及带宽；通过锥形过渡线和微带线，减少了衰减和反射对天线性能的影响。此外，由于本发明的生产能够利用PCB工艺，所以其成本低、重复性好，适合大规模的生产。
本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。

Claims (10)

1.一种基于基片集成波导设计的双频椭圆缝隙天线，其特征在于，包括：介质基板、上表面金属层、下表面金属层、金属化通孔阵列、椭圆缝隙和共面波导输入端；所述上表面金属层覆盖在所述介质基板的上表面，所述下表面金属层覆盖在所述介质基板的下表面；所述金属化通孔阵列贯穿所述上表面金属层、介质基板和下表面金属层；所述金属化通孔阵列与上表面金属层及下表面金属层共同围成一个基片集成波导腔体；所述椭圆缝隙设置在所述基片集成波导腔体的上表面金属层；所述共面波导输入端设置在所述基片集成波导腔体开口一侧的上表面金属层处。
2.根据权利要求1所述的基于基片集成波导设计的双频椭圆缝隙天线，其特征在于：所述基片集成波导腔体为U型基片集成波导腔体。
3.根据权利要求1所述的基于基片集成波导设计的双频椭圆缝隙天线，其特征在于：所述椭圆缝隙的长轴与所述基片集成波导腔体的横截面的长边平行。
4.根据权利要求1所述的基于基片集成波导设计的双频椭圆缝隙天线，其特征在于：所述椭圆缝隙的长轴长度在5.5mm至5.7mm之间。
5.根据权利要求1所述的基于基片集成波导设计的双频椭圆缝隙天线，其特征在于：所述椭圆缝隙的中心与所述基片集成波导腔体短路端的距离在5.35mm至5.39mm之间。
6.根据权利要求1至5中任意一条所述的基于基片集成波导设计的双频椭圆缝隙天线，其特征在于：所述椭圆缝隙的短轴长为0.8mm。
7.根据权利要求1至5中任意一条所述的基于基片集成波导设计的双频椭圆缝隙天线，其特征在于：所述椭圆缝隙中心到所述基片集成波导腔体中心线的距离为0.41mm。
8.根据权利要求1至5中任意一条所述的基于基片集成波导设计的双频椭圆缝隙天线，其特征在于：所述共面波导输入端包括锥形过渡线和微带线，所述锥形过渡线设置在所述基片集成波导腔体开口一侧的上表面金属层处，所述微带线与所述锥形过渡线相连。
9.根据权利要求1至5中任意一条所述的基于基片集成波导设计的双频椭圆缝隙天线，其特征在于：所述介质基板采用Rogers 5880，介电参数为2.2，厚度为0.254mm。
10.根据权利要求1至5中任意一条所述的基于基片集成波导设计的双频椭圆缝隙天线，其特征在于：所述金属化通孔阵列的任一通孔的直径长度为0.5mm，相邻通孔的间距为0.7mm。
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