CN110783704A - 双过孔探针馈电集成基片间隙波导圆极化天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了双过孔探针馈电集成基片间隙波导圆极化天线，其包括上层介质板、下层介质板以及设置在上层介质板和下层介质板之间的间隔介质板；上层介质板的上表面印刷有第一覆铜层，第一覆铜层上设有缝隙以及位于缝隙中间的辐射贴片，上层介质板的下表面设有微带线，微带线位于辐射贴片下方的端部设有侧向延伸的微带分支线，辐射贴片通过两个第一金属过孔与微带线连接，其中一个第一金属过孔连接微带线的端部，另一个第一金属过孔连接微带分支线；下层介质板的上表面印刷有周期性排列的圆形金属贴片，下层介质板的下表面印刷有第二覆铜层，每一圆形金属贴片通过第二金属过孔与第二覆铜层连接。本发明能够实现宽带宽和高增益。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别是涉及双过孔探针馈电集成基片间隙波导圆极化天线。
背景技术
随着雷达技术和通信技术的广泛发展和应用，低频段的微波技术已经不能适应当前要求，当前对空间传输的各个微波频段开发要求越来越高，因此天线研究者开始开发研究更高频段的空间资源，这不仅要求天线小型化、重量轻、具有良好的隐蔽性和机动性，同时为了满足大容量通信的需求，要求天线具有宽频带、双极化、多频点的特性，贴片天线以其诸多优点使得在通信领域备受青睐。相对于线极化天线，圆极化天线可以提供更优秀的信道性能，圆极化的电磁波在减小信道极化适配、抑制多径干涉等方面具有显著优势。
到目前为止，在毫米波段工作的圆极化天线已有很多报道。这些天线可大致分为微带圆极化天线、金属矩形波导(RectangleWaveguide，RW)圆极化天线和基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)圆极化天线。但是，面对毫米波段运用，传统的圆极化天线存在一些问题，比如纯金属的结构在毫米波段难以制造，馈电网络的屏蔽性不高、结构复杂。近年来，一种称为集成基片间隙波导(Integrated Substrate Gap Waveguide，ISGW)的新型传输线被提出，该传输线基于多层介质板来实现。ISGW将内部微带线封装在EBG(Electromagnetic Band Gap，电磁场带隙)中，大大提高了馈电网络的屏蔽性。由于天线可以设计在ISGW的多层结构内部，而非通过外部耦合为其馈电，因此，ISGW天线易于实现低剖面和易互连。
但是，现有技术还没有采用ISGW技术来设计圆极化天线，现有的圆极化天线存在带宽窄，增益低的缺点。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供双过孔探针馈电集成基片间隙波导圆极化天线，能够实现宽带宽和高增益。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供双过孔探针馈电集成基片间隙波导圆极化天线，包括上层介质板(1)、下层介质板(3)以及设置在所述上层介质板(1)和下层介质板(3)之间的间隔介质板(2)；所述上层介质板(1)的上表面印刷有第一覆铜层(11)，所述第一覆铜层(11)上设有缝隙(12)以及位于缝隙(12)中间的辐射贴片(13)，所述上层介质板(1)的下表面设有微带线(14)，所述微带线(14)位于辐射贴片(13)下方的端部设有侧向延伸的微带分支线(141)，所述辐射贴片(13)通过两个第一金属过孔(15)与微带线(14)连接，其中一个第一金属过孔(15)连接微带线(14)的端部，另一个第一金属过孔(15)连接微带分支线(141)；所述下层介质板(3)的上表面印刷有周期性排列的圆形金属贴片(31)，所述下层介质板(3)的下表面印刷有第二覆铜层(32)，每一所述圆形金属贴片(31)通过第二金属过孔(33)与第二覆铜层(32)连接。
优选的，所述辐射贴片(13)为矩形切角后形成的多边形，所述缝隙(12)为圆形。
优选的，所述辐射贴片(13)有两处切角，所述两处切角位置位于矩形的对角。
优选的，所述两处切角位于矩形的左上角和右下角。
优选的，所述微带线(14)的宽度呈阶梯过渡。
优选的，位于所述辐射贴片(13)正下方的预定范围内的圆形金属贴片(31)与其余部分的圆形金属贴片(31)的排列周期不一致。
优选的，所述圆形金属贴片(31)构成8×6阵列，且第4列、第5列前三行的圆形金属贴片(31)以及第4列、第5列后三行的圆形金属贴片(31)的排列周期分别向外侧偏移，第3行、第4行后三列的圆形金属贴片(31)的排列周期向内侧偏移。
优选的，通过改变切角的大小以调节圆极化的两个简并模的分离程度，其中，切角越大，轴比带宽越大；通过改变第一金属过孔(15)的馈电位置离缝隙(12)的圆心位置以调节轴比带宽，其中，第一金属过孔(15)的馈电位置离缝隙(12)的圆心位置为预定距离时，轴比带宽最高，小于或大于预定距离，轴比带宽降低。
优选的，所述上层介质板(1)、间隔介质板(2)和下层介质板(3)均采用介电常数为2.2、损耗角正切为0.0009的介质材料，所述上层介质板(1)、间隔介质板(2)和下层介质板(3)的外廓尺寸为30mm×20mm×1.549mm。
优选的，所述上层介质板(1)、间隔介质板(2)和下层介质板(3)粘合在一起。
区别于现有技术的情况，本发明的有益效果是：通过采用三层介质板，其中上层介质板的上表面印刷有覆铜层，覆铜层上设有缝隙以及位于缝隙内的辐射贴片，辐射贴片的形状为矩形切角后形成的多边形，辐射贴片通过两个金属过孔与下表面的微带线连接，下层介质板的上表面印刷有周期性排列的圆形金属贴片，每一圆形金属贴片通过金属过孔下表面的覆铜层连接，间隔介质板分隔上层介质板和下层介质板，通过这种方式，从而能够实现宽带宽和高增益，具有易加工、易集成、辐射效率高等优点，适用于在射频、微波、毫米波和太赫兹波的应用，可用于射频、微波、毫米波和太赫兹波天线。
附图说明
图1是本发明实施例的双过孔探针馈电集成基片间隙波导圆极化天线的结构示意图。
图2是图1所示的双过孔探针馈电集成基片间隙波导圆极化天线的上层介质板的俯视示意图。
图3是图1所示的双过孔探针馈电集成基片间隙波导圆极化天线的上层介质板的仰视示意图。
图4是图1所示的双过孔探针馈电集成基片间隙波导圆极化天线的下层介质板的俯视示意图。
图5是图1所示的双过孔探针馈电集成基片间隙波导圆极化天线的下层介质板的仰视示意图。
图6是图1所示的双过孔探针馈电集成基片间隙波导圆极化天线的回波损耗和增益的测试仿真结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅图1至图5，本发明实施例的双过孔探针馈电集成基片间隙波导圆极化天线包括上层介质板1、下层介质板3以及设置在上层介质板1和下层介质板3之间的间隔介质板2。
上层介质板1的上表面印刷有第一覆铜层11，第一覆铜层11上设有缝隙12以及位于缝隙12中间的辐射贴片13上层介质板1的下表面设有微带线14，微带线14位于辐射贴片13下方的端部设有侧向延伸的微带分支线141，辐射贴片13通过两个第一金属过孔15与微带线14连接，其中一个第一金属过孔15连接微带线14的端部，另一个第一金属过孔15连接微带分支线141。微带线14的宽度可以呈阶梯过渡，如图3所示，在微带线14的中间位置，宽度呈阶梯过渡。
下层介质板3的上表面印刷有周期性排列的圆形金属贴片31，下层介质板3的下表面印刷有第二覆铜层32，每一圆形金属贴片31通过第二金属过孔33与第二覆铜层32连接。每一圆形金属贴片31与其上的第二金属过孔33一起组成了蘑菇型EBG结构，这样，下层介质板3上就形成了周期性排列的蘑菇型EBG结构。
间隔介质板2用于分隔上层介质板1和下层介质板3，使上层介质板1和下层介质板3之间形成间隙。上层介质板1、下层介质板3和间隔介质板2可以粘合在一起或通过螺钉固定在一起。
本实施例的定向耦合器中，上层介质板1的上表面的第一覆铜层11相当于理想电导体(PEC)，下层介质板3相当于理想磁导体(PMC)，微带线14处于PEC和PMC之间，使微带线14被封装在其中不受外界干扰，微带线14的端部以及端部的微带分支线141分别通过一个第一金属过孔15与辐射贴片13相连，为辐射贴片13进行探针馈电。
在本实施例中，辐射贴片13为矩形切角后形成的多边形，缝隙12为圆形，辐射贴片13有两处切角，两处切角位置位于矩形的对角，在一个具体应用中，两处切角位于矩形的左上角和右下角。
通过为蘑菇型EBG结构阵列选取合适的排列周期以及为圆形金属贴片31和第二金属过孔33选取合适的尺寸，可以使得ISGW所传播的电磁波频段与EBG结构的阻带相适应。为了获得更好的匹配效果，在本实施例中，位于辐射贴片13正下方的预定范围内的圆形金属贴片31与其余部分的圆形金属贴片31的排列周期不一致，这样能够防止微带线14馈送的能量耦合到蘑菇型EBG结构阵列上，可以有效改善特征阻抗。举例而言，如图4所示，圆形金属贴片31构成8×6阵列，即蘑菇型EBG结构也构成8×6阵列，第4列、第5列前三行的圆形金属贴片31以及第4列、第5列后三行的圆形金属贴片31的排列周期分别向外侧偏移，第3行、第4行后三列的圆形金属贴片31的排列周期向内侧偏移。
本实施例的双过孔探针馈电集成基片间隙波导圆极化天线在实际应用中具有以下特性：
通过改变切角的大小以调节圆极化的两个简并模的分离程度，其中，切角越大，轴比带宽越大；通过改变第一金属过孔15的馈电位置离缝隙12的圆心位置以调节轴比带宽，其中，第一金属过孔15的馈电位置离缝隙12的圆心位置为预定距离时，轴比带宽最高，小于或大于预定距离，轴比带宽降低。改变辐射贴片13的切角的大小可以调整相位差，对圆极化辐射造成影响；改变缝隙12的半径可以调整轴比带宽，对天线匹配造成影响。
为了详细说明本实施例的双过孔探针馈电集成基片间隙波导圆极化天线，下面给出一个具体实例。在该具体实例中，上层介质板1、间隔介质板2和下层介质板3均采用介电常数为2.2、损耗角正切为0.0009的介质材料，上层介质板1、间隔介质板2和下层介质板3的外廓尺寸为30mm×20mm×1.549mm。通过仿真及测试得到测试结果，如图6所示，仿真结果表明，该天线具有从24.2到27.7GHz(13.4％)的阻抗带宽(|S11|低于-10dB)，拥有24.7到28.6GHz(14.7％)的轴比带宽，带内增益为6.5―8dBi。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种双过孔探针馈电集成基片间隙波导圆极化天线，其特征在于，包括上层介质板(1)、下层介质板(3)以及设置在所述上层介质板(1)和下层介质板(3)之间的间隔介质板(2)；
所述上层介质板(1)的上表面印刷有第一覆铜层(11)，所述第一覆铜层(11)上设有缝隙(12)以及位于缝隙(12)中间的辐射贴片(13)，所述上层介质板(1)的下表面设有微带线(14)，所述微带线(14)位于辐射贴片(13)下方的端部设有侧向延伸的微带分支线(141)，所述辐射贴片(13)通过两个第一金属过孔(15)与微带线(14)连接，其中一个第一金属过孔(15)连接微带线(14)的端部，另一个第一金属过孔(15)连接微带分支线(141)；
所述下层介质板(3)的上表面印刷有周期性排列的圆形金属贴片(31)，所述下层介质板(3)的下表面印刷有第二覆铜层(32)，每一所述圆形金属贴片(31)通过第二金属过孔(33)与第二覆铜层(32)连接。
2.根据权利要求1所述的双过孔探针馈电集成基片间隙波导圆极化天线，其特征在于，所述辐射贴片(13)为矩形切角后形成的多边形，所述缝隙(12)为圆形。
3.根据权利要求1所述的双过孔探针馈电集成基片间隙波导圆极化天线，其特征在于，所述辐射贴片(13)有两处切角，所述两处切角位置位于矩形的对角。
4.根据权利要求2所述的双过孔探针馈电集成基片间隙波导圆极化天线，其特征在于，所述两处切角位于矩形的左上角和右下角。
5.根据权利要求1所述的双过孔探针馈电集成基片间隙波导圆极化天线，其特征在于，所述微带线(14)的宽度呈阶梯过渡。
6.根据权利要求1所述的双过孔探针馈电集成基片间隙波导圆极化天线，其特征在于，位于所述辐射贴片(13)正下方的预定范围内的圆形金属贴片(31)与其余部分的圆形金属贴片(31)的排列周期不一致。
7.根据权利要求6所述的双过孔探针馈电集成基片间隙波导圆极化天线，其特征在于，所述圆形金属贴片(31)构成8×6阵列，且第4列、第5列前三行的圆形金属贴片(31)以及第4列、第5列后三行的圆形金属贴片(31)的排列周期分别向外侧偏移，第3行、第4行后三列的圆形金属贴片(31)的排列周期向内侧偏移。
8.根据权利要求2所述的双过孔探针馈电集成基片间隙波导圆极化天线，其特征在于，通过改变切角的大小以调节圆极化的两个简并模的分离程度，其中，切角越大，轴比带宽越大；通过改变第一金属过孔(15)的馈电位置离缝隙(12)的圆心位置以调节轴比带宽，其中，第一金属过孔(15)的馈电位置离缝隙(12)的圆心位置为预定距离时，轴比带宽最高，小于或大于预定距离，轴比带宽降低。
9.根据权利要求1所述的双过孔探针馈电集成基片间隙波导圆极化天线，其特征在于，所述上层介质板(1)、间隔介质板(2)和下层介质板(3)均采用介电常数为2.2、损耗角正切为0.0009的介质材料，所述上层介质板(1)、间隔介质板(2)和下层介质板(3)的外廓尺寸为30mm×20mm×1.549mm。
10.根据权利要求7所述的双过孔探针馈电集成基片间隙波导圆极化天线，其特征在于，所述上层介质板(1)、间隔介质板(2)和下层介质板(3)粘合在一起。
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