CN111029759A - 低交叉极化的siw并馈阵列天线 - Google Patents

低交叉极化的siw并馈阵列天线 Download PDF

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吴文
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Abstract

本发明公开了一种低交叉极化的SIW并馈阵列天线，包括介质基板、设置在介质基板上表面的金属层、设置在介质基板下表面的金属接地板、馈源以及金属柱，所述金属层包括七个矩形金属片，其中，第一矩形金属片设置在介质基板中心；所述金属层通过金属柱与金属接地板相连，将电磁波束缚在介质基板中；所述馈源设置在金属层中心，贯穿金属接地板与金属层，为金属层馈电。本发明可实现‑35dB的交叉极化电平和13.7dB的较高增益。

Description

低交叉极化的SIW并馈阵列天线
技术领域
本发明属于天线技术，具体为一种低交叉极化的SIW并馈阵列天线。
背景技术
现代微波技术中，微带天线是应用最广泛的一种平面天线。微带天线由三层构成，底层的接地板、中间的介质基板和上层具有特定形状的金属薄片。接地板与表面金属薄片形成一个谐振腔，在腔体内积聚大量的电磁能量，通过导电薄片四周与接地板之间的缝隙将腔体中的能量向外辐射。
微带阵列天线是将一定数量相同的微带天线，按照一定方式进行排列组合，形成一个新的天线系统。杨罕教授团队设计了一种四元的微带阵列天线，通过阵列结构设计和阻抗匹配，该阵列天线具有较强的方向性和较高的增益。然而，微带阵列天线具有一定的技术问题：在利用微带线进行馈电时，其自身会损耗部分能量并且存在辐射。微带线上的能量损耗会使得阵列天线增益降低，微带线的辐射会使整个阵列天线的辐射方向图发生畸变，从而导致辐射性能恶化，交叉极化水平变差。除此之外，微带线作为馈电网络时，阻抗匹配是一个棘手问题。
发明内容
本发明的目的在于提出一种低交叉极化的SIW并馈阵列天线。
实现本发明目的的技术方案为：一种低交叉极化的SIW并馈阵列天线，包括介质基板、设置在介质基板上表面的金属层、设置在介质基板下表面的金属接地板、馈源以及金属柱，所述金属层包括七个矩形金属片，其中，第一矩形金属片设置在介质基板中心，两个第二矩形金属片对称设置在第一矩形金属片左右两侧，两个第二矩形金属片的上下两侧均分别设置第三矩形金属片；所述金属层通过金属柱与金属接地板相连，将电磁波束缚在介质基板中；所述馈源设置在金属层中心，贯穿金属接地板与金属层为金属层馈电。
优选地，第一矩形金属片、第二矩形金属片以及第三矩形金属片长度为8mm至22mm，宽度为5mm至20mm。
优选地，第三矩形金属片中心较第二矩形金属片中心向左偏移0.65mm。
优选地，第二矩形金属片中心与第一矩形金属片中心在同一水平线上。
优选地，所述金属柱沿第三矩形金属片水平方向未与第二矩形金属片衔接的边均匀设置，沿第二矩形金属片竖直方向未与第一矩形金属片衔接的边均匀设置，沿第一矩形金属片水平方向的两条边均匀设置。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明可实现低交叉极化，具有较好的封闭性，大幅度减小了微带线对天线辐射的影响，提高了极化纯度，可达-34dB；(2)本发明可实现较高增益，避免了微带线的高损耗，从而提高了增益，四元阵列可达13.5dB；(3)本发明结构简单，便于实现阻抗匹配，有利于实现电磁波的高效传输和辐射。
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
附图说明
图1为本发明的结构图。
图2为本发明的平面尺寸图。
图3为本发明的辐射方向图。
图4为本发明的归一化极化仿真结果图。
图5为本发明TE110模式的S参数图。
图6为本发明TE110模式下的电场分布图。
具体实施方式
如图1所示，一种低交叉极化的SIW并馈阵列天线，整个结构为一个封闭性良好的一体化波导结构，包括介质基板3、设置在介质基板3上表面的金属层1、设置在介质基板3下表面的金属接地板2、馈源4以及金属柱。如图2所示，所述金属层1包括七个矩形金属片，其中，第一矩形金属片设置在介质基板3中心，两个第二矩形金属片对称设置在第一矩形金属片左右两侧，两个第二矩形金属片的上下两侧均分别设置第三矩形金属片。金属层1通过金属柱与金属接地板2相连，将电磁波束缚在介质基板3中；所述馈源4设置在金属层1中心，贯穿金属接地板2与金属层1，为金属层1馈电。
进一步的实施例中，第一矩形金属片长度L1为8mm至12mm，宽度W1为5mm至20mm。
优选地，L1、W1的取值分别是10mm和8.7mm。
进一步的实施例中，第二矩形金属片长度L2为8mm至12mm，宽度W2为5mm至20mm。
优选地，L2、W2的取值分别为10.7mm和8.7mm。
进一步的实施例中，第三矩形金属片长度L3为10mm至20mm，宽度W3为5mm至20mm。
优选地，L3、W3取值为11mm和12.3mm。
进一步的实施例中，第三矩形金属片中心较第二矩形金属片中心向左偏移0.65mm。
进一步的实施例中，第二矩形金属片中心与第一矩形金属片中心在同一水平线上。
进一步的实施例中，介质基板3的介电常数为2.2，长度L和宽度W均设置为40mm。
进一步的实施例中，介质基板下表面覆盖的金属接地板2也设置为矩形，与介质基板形状一致，尺寸相同。
进一步的实施例中，所述金属柱沿第三矩形金属片水平方向未与第二矩形金属片衔接的边均匀设置，沿第二矩形金属片竖直方向未与第一矩形金属片衔接的边均匀设置，沿第一矩形金属片水平方向的两条边均匀设置。所述金属柱半径为0.2mm，间距为0.6mm。
优选地，金属柱延伸设置在相邻矩形金属片的衔接角所在边。
进一步的实施例中，所述馈源4包括内部的探针和包裹在探针外面的阻隔材料。内部探针半径为0.6mm，外部阻隔材料半径为2mm。
如图3所示，本发明实现了增益最大化，用全波仿真软件仿真增益结果为13.7dB，本发明在馈电网络方面损耗较少，所以增益有所提高，并且由于整体结构的不对称性，方向图的E面会有略微不对称。
如图4所示，本发明抗干扰能力较强，因而交叉极化值很低，用全波仿真软件得到H面交叉极化值可抑制到约-35dB，极化纯度很高。
如图5所示，本发明选取主模TE110作为工作模式，该模式谐振于10.15GHz的中心频率，采用全波软件仿真，可得到此模式下S11<-10dB的相对阻抗带宽为3％。
如图6所示，本发明的工作模式为TE110，对应的电场分布较为均匀清晰。

Claims (10)

1.一种低交叉极化的SIW并馈阵列天线，其特征在于，包括介质基板(3)、设置在介质基板(3)上表面的金属层(1)、设置在介质基板(3)下表面的金属接地板(2)、馈源(4)以及金属柱，所述金属层(1)包括七个矩形金属片，其中，第一矩形金属片设置在介质基板(3)中心，两个第二矩形金属片对称设置在第一矩形金属片左右两侧，两个第二矩形金属片的上下两侧均分别设置第三矩形金属片；所述金属层(1)通过金属柱与金属接地板(2)相连，将电磁波束缚在介质基板(3)中；所述馈源(4)设置在金属层(1)中心，贯穿金属接地板(2)与金属层(1)为金属层(1)馈电。
2.根据权利要求1所述的低交叉极化的SIW并馈阵列天线，其特征在于，第一矩形金属片、第二矩形金属片以及第三矩形金属片长度为8mm至22mm，宽度为5mm至20mm。
3.根据权利要求1或2所述的低交叉极化的SIW并馈阵列天线，其特征在于，第一矩形金属片长度L1为10mm，第一矩形金属片宽度W1为8.7mm。
4.根据权利要求1或2所述的低交叉极化的SIW并馈阵列天线，其特征在于，第二矩形金属片长度L2为10.7mm，第二矩形金属片宽度W2为8.7mm。
5.根据权利要求1或2所述的低交叉极化的SIW并馈阵列天线，其特征在于，第三矩形金属片长度L3为11mm，宽度W3为12.3mm。
6.根据权利要求1所述的低交叉极化的SIW并馈阵列天线，其特征在于，第三矩形金属片中心较第二矩形金属片中心向左偏移0.65mm。
7.根据权利要求1所述的低交叉极化的SIW并馈阵列天线，其特征在于，第二矩形金属片中心与第一矩形金属片中心在同一水平线上。
8.根据权利要求1所述的低交叉极化的SIW并馈阵列天线，其特征在于，所述金属柱沿第三矩形金属片水平方向未与第二矩形金属片衔接的边均匀设置，沿第二矩形金属片竖直方向未与第一矩形金属片衔接的边均匀设置，沿第一矩形金属片水平方向的两条边均匀设置。
9.根据权利要求8所述的低交叉极化的SIW并馈阵列天线，其特征在于，所述金属柱半径为0.2mm，间距为0.6mm。
10.根据权利要求8所述的低交叉极化的SIW并馈阵列天线，其特征在于，金属柱延伸设置在相邻矩形金属片的衔接角所在边。
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