CN111082228B - 用于毫米波通信系统的慢波基片集成波导h面喇叭天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于喇叭天线技术领域，公开了一种用于毫米波通信系统的慢波基片集成波导H面喇叭天线，由集成在第一介质基板、第二介质基板上的共面波导‑基片集成波导过渡、基片集成波导传输线、基片集成波导喇叭张角结构、慢波结构和阻抗匹配结构组成；慢波结构由穿过第二介质基板的金属化通孔阵列组成。本发明中的慢波结构降低了喇叭宽壁中心轴线周围的电磁波相速度，减小了电磁波在喇叭口径中心和边缘的相位差，能够在喇叭口径大小不变、增益不变甚至更高的前提下，缩短喇叭的纵向长度。

Description

用于毫米波通信系统的慢波基片集成波导H面喇叭天线
技术领域
本发明属于喇叭天线技术领域，尤其涉及一种用于毫米波通信系统的慢波基片集成波导H面喇叭天线。
背景技术
目前，最接近的现有技术：喇叭天线因其结构简单、增益高、功率容量大、加工简单等优点，广泛应用于雷达、遥感、卫星通信、射电天文等领域。然而，传统的金属喇叭天线体积大、重量重，不易与平面电路集成。近年来提出的基片集成波导具有尺寸小、成本低、重量轻、易于加工和集成的优点，基于基片集成波导设计的喇叭天线除了具有传统金属喇叭天线的优点外，还具有小型化、易集成的优势。设计喇叭天线通常需要遵循最优喇叭设计准则，即喇叭口径尺寸和喇叭纵向长度需要满足一定的关系以保证喇叭的增益最大。然而最优喇叭天线的纵向长度通常较长，为了解决这一问题，业界普遍采用的方法是在保持口径大小固定的前提下，直接增大喇叭张角，但这会增大喇叭相位中心到口径中心和口径边缘的波程差，使喇叭口径面的相位分布更加不均匀，口径效率和增益都会降低。目前已有的技术是在喇叭口径前加载透镜来矫正喇叭口径场相位分布，在缩短喇叭纵向长度后增加喇叭的增益，但是增加了天线的整体结构尺寸，天线尺寸的增加会降低天线与系统的集成度，不符合系统小型化集成化的趋势。
综上所述，现有技术存在的问题是：现有技术在喇叭口径前加载透镜来矫正喇叭口径场相位分布，在缩短喇叭纵向长度后增加喇叭的增益，会增加了天线的整体结构尺寸。
解决上述技术问题的难度：在喇叭口径尺寸固定的前提下，为了保证喇叭天线拥有最大的口径效率和增益，喇叭的纵向尺寸需要满足最优喇叭设计准则。为了实现喇叭的小型化，提高系统的集成度，需要减小喇叭的纵向尺寸，但减小纵向尺寸带来的影响是降低了天线的增益。喇叭口径前加载透镜可以解决该问题，但是会增加天线的整体尺寸。因此解决上述技术问题的难度在于，在保证喇叭天线增益不变甚至更优且不需要额外在口径前增加透镜的前提下，缩小喇叭的纵向长度。
解决上述技术问题的意义：解决上述技术问题，有利于采用本发明作为天线的通信系统实现小型化和集成化，且不会降低系统的收发性能。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种应用于毫米波通信系统的慢波基片集成波导H面喇叭天线。
本发明是这样实现的，一种用于毫米波通信系统的慢波基片集成波导H面喇叭天线，所述用于毫米波通信系统的慢波基片集成波导H面喇叭天线由集成在第一介质基板、第二介质基板上的共面波导-基片集成波导过渡、基片集成波导传输线、基片集成波导喇叭张角结构、慢波结构和阻抗匹配结构组成；
所述慢波结构由穿过第二介质基板的金属化通孔阵列组成；慢波结构高度为0.508mm；金属化通孔阵列的规模为7行3列，每行相邻两金属化通孔间的距离为2.65mm，每列相邻两金属化通孔间的距离为1.15mm，金属化通孔的直径为0.42mm，自上而下，第一行慢波金属化通孔与慢波基片集成波导H面喇叭天线口径的距离为2.22mm。慢波结构可以降低喇叭宽壁中心轴线附近电磁波的相速度，使得喇叭口径上的相位分布趋于均匀，可以增加喇叭天线的增益。
进一步，所述共面波导-基片集成波导过渡一端是天线馈电端口，另一端与基片集成波导传输线相连。
进一步，所述共面波导-基片集成波导过渡由宽度线性增加的一条中心金属导带和两条耦合缝隙组成，中心金属导带的宽度最小为1.1mm，最大为2mm；耦合缝隙的宽度最小为0.15mm，最大为0.45mm，过渡连接的共面波导的特性阻抗为50Ω。
进一步，所述第一介质基板、第二介质基板采用Rogers 4350B高频板材，相对介电常数为3.66，损耗角正切为0.004；第一介质基板的厚度为1mm，第二介质基板5的厚度为0.508mm。
进一步，所述基片集成波导传输线由位于第一介质基板上表面的第一金属平面、位于第二介质基板下表面的第二金属平面和穿过第一介质基板、第二介质基板连接第一金属平面和第二金属平面的两排金属化通孔侧壁组成；
所述基片集成波导传输线一端连接共面波导-基片集成波导过渡，另一端连接基片集成波导喇叭张角结构。
进一步，所述基片集成波导传输线的宽度为4mm。构成基片集成波导传输线的金属化通孔侧壁中，相邻两通孔的距离为0.3mm，远小于天线的工作波长，以保证在基片集成波导中传输的电磁波不发生泄露；通孔的直径为0.5mm；基片集成波导传输线的长度为9.85mm。
进一步，所述基片集成波导喇叭张角结构由位于第一介质基板上表面的第一金属平面、位于第二介质基板下表面的第二金属平面和穿过第一介质基板、第二介质基板连接第一金属平面和第二金属平面的两排逐渐张开的金属化通孔侧壁组成。
进一步，第一矩形金属片阵列、第二矩形金属片阵列由加载于第一介质基板上表面的矩形金属片阵列和加载于第二介质基板下表面的矩形金属片阵列组成。
进一步，第一矩形金属片阵列、第二矩形金属片阵列与慢波基片集成波导H面喇叭天线口径的距离为0.3mm，相邻的两矩形金属片之间的距离为1mm；矩形金属片的长度为5mm，宽度为1.7mm；上下对称加载的两排矩形金属片阵列可以看作纵向长度为四分之一波长的开有缝隙的平板波导，作为四分之一波长阻抗转换器。该结构能够改善喇叭天线口径和自由空间之间的阻抗匹配，拓宽喇叭天线的工作带宽。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明通过在基片集成波导H面喇叭内部加载金属化盲孔阵列形式的慢波结构，降低了喇叭宽壁中心轴线附近的相速度，使得喇叭口径场的相位分布趋于一致，在保持增益不变甚至更佳的情况下，缩短了喇叭的纵向长度。
本发明中的慢波结构降低了喇叭宽壁中心轴线周围的电磁波相速度，减小了电磁波在喇叭口径中心和边缘的相位差，能够在喇叭口径大小不变、增益不变甚至更高的前提下，缩短喇叭的纵向长度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的用于毫米波通信系统的慢波基片集成波导H面喇叭天线的三维结构示意图；
图中：1、共面波导-基片集成波导过渡；2、第一金属平面；3、金属化通孔侧壁；4、第一介质基板；5、第二介质基板；6、第二金属平面；7、基片集成波导传输线；8、第一矩形金属片阵列；9、逐渐张开的金属化通孔侧壁；10、基片集成波导喇叭张角结构；11、慢波结构；12、第二矩形金属片阵列。
图2是本发明实施例提供的用于毫米波通信系统的慢波基片集成波导H面喇叭天线的正面结构示意图。
图3是本发明实施例提供的用于毫米波通信系统的慢波基片集成波导H面喇叭天线的背面结构示意图。
图4是本发明实施例提供的用于毫米波通信系统的慢波基片集成波导H面喇叭天线反射系数曲线图，说明本发明可以工作在用于5G毫米波通信的28GHz频带内。
图5是本发明实施例提供的用于毫米波通信系统的慢波基片集成波导H面喇叭天线在28GHz处的E面归一化方向图。
图6是本发明实施例提供的用于毫米波通信系统的慢波基片集成波导H面喇叭天线在28GHz处的H面归一化方向图。
图7是本发明实施例提供的用于毫米波通信系统的慢波基片集成波导H面喇叭天线的增益曲线图，说明本发明在保证增益更优的情况下，纵向长度缩小了53.83％。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于毫米波通信系统的慢波基片集成波导H面喇叭天线，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的用于毫米波通信系统的慢波基片集成波导H面喇叭天线包括：由集成在第一介质基板4和第二介质基板5上的共面波导-基片集成波导过渡1、基片集成波导传输线7、基片集成波导喇叭张角结构10、慢波结构11和第一矩形金属片阵列8、第二矩形金属片阵列12组成。两块介质基板均采用Rogers 4350B高频板材，相对介电常数为3.66，损耗角正切为0.004。第一介质基板4的厚度为1mm，第二介质基板5的厚度为0.508mm。
在本发明的优选实施例中，共面波导-基片集成波导过渡1由宽度线性增加的一条中心金属导带和两条耦合缝隙组成，一端连接天线馈电端口，另一端与基片集成波导传输线7相连。中心金属导带的宽度最小为1.1mm，最大为2mm。耦合缝隙的宽度最小为0.15mm，最大为0.45mm，耦合缝隙不仅将电磁能量从共面波导馈送到基片集成波导，还起到四分之一波长阻抗变换器的作用，实现共面波导和基片集成波导之间的阻抗匹配。过渡连接的共面波导的特性阻抗为50Ω，天线馈电端口处共面波导的中心金属导带宽度逐渐减小，以便与射频同轴接头连接。
在本发明的优选实施例中，基片集成波导传输线7由位于第一介质基板4上表面的第一金属平面2、位于第二介质基板5下表面的第二金属平面6和穿过第一介质基板4、第二介质基板5连接第一金属平面2和第二金属平面6的两排金属化通孔侧壁3组成，其一端连接共面波导-基片集成波导过渡1，另一端连接基片集成波导喇叭张角结构10。基片集成波导传输线7的宽度为4mm，以保证天线工作频率不会低于基片集成波导传输线7的截止频率。构成基片集成波导传输线7的金属化通孔侧壁3中，相邻两通孔的距离为0.3mm，远小于天线的工作波长，以保证基片集成波导传输线7中的电磁波不会发生泄露，通孔的直径为0.5mm。基片集成波导传输线7的长度为9.85mm。
在本发明的优选实施例中，基片集成波导喇叭张角结构10由位于第一介质基板4上表面的第一金属平面2、位于第二介质基板5下表面的第二金属平面6和穿过第一介质基板4、第二介质基板5连接第一金属平面2和第二金属平面6的两排逐渐张开的金属化通孔侧壁9组成。本发明实例H面喇叭的口径宽度为24mm，纵向长度为13.68mm。而相同口径的最优喇叭的纵向长度为29.63mm，与之相比，本发明的纵向长度减小了53.83％。
在本发明的优选实施例中，慢波结构11由穿过第二介质基板5的金属化通孔阵列组成，其高度与第二介质基板5的厚度相等，为0.508mm。慢波金属化通孔阵列的规模为7行(沿z轴方向)3列(沿x轴方向)，每行相邻两金属化通孔间的距离为2.65mm，每列相邻两金属化通孔间的距离为1.15mm，金属化通孔的直径为0.42mm。如图3所示，自上而下，第一行慢波金属化通孔与慢波基片集成波导H面喇叭天线口径的距离为2.22mm。
在本发明的优选实施例中，阻抗匹配结构由加载于第一介质基板4上表面的第一矩形金属片阵列8和加载于第二介质基板5下表面的矩形金属片阵列12组成。如图2所示，矩形金属片阵列底边与慢波基片集成波导H面喇叭天线口径的距离为0.3mm，相邻的两矩形金属片之间的距离为1mm。矩形金属片的长度为5mm，宽度为1.7mm。上下对称加载的两排矩形金属片阵列可以看作纵向宽度为四分之一波长的开有缝隙的平板波导，作为四分之一波长阻抗转换器，实现喇叭口径与自由空间之间的阻抗匹配。
下面结合附图对本发明的技术效果作详细的描述。
如图4所示，本发明实施例提供的用于毫米波通信系统的慢波基片集成波导H面喇叭天线反射系数曲线图，说明本发明可以工作在用于5G毫米波通信的28GHz频带内。
如图5所示，本发明实施例提供的用于毫米波通信系统的慢波基片集成波导H面喇叭天线在28GHz处的E面归一化方向图。
如图6所示，本发明实施例提供的用于毫米波通信系统的慢波基片集成波导H面喇叭天线在28GHz处的H面归一化方向图。
如图7所示，本发明实施例提供的用于毫米波通信系统的慢波基片集成波导H面喇叭天线的增益曲线图，说明本发明在保证增益更优的情况下，纵向长度缩小了53.83％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于毫米波通信系统的慢波基片集成波导H面喇叭天线，其特征在于，所述用于毫米波通信系统的慢波基片集成波导H面喇叭天线由集成在第一介质基板、第二介质基板上的共面波导-基片集成波导过渡、基片集成波导传输线、基片集成波导喇叭张角结构、慢波结构和阻抗匹配结构组成；
所述慢波结构由穿过第二介质基板的金属化通孔阵列组成，其高度与第二介质基板的厚度相等，所述慢波结构设置于基片集成波导喇叭张角结构位置处；
所述共面波导-基片集成波导过渡一端是天线馈电端口，另一端与基片集成波导传输线相连；
所述基片集成波导喇叭张角结构由位于第一介质基板上表面的第一金属平面、位于第二介质基板下表面的第二金属平面和穿过第一介质基板、第二介质基板连接第一金属平面和第二金属平面的两排逐渐张开的金属化通孔侧壁组成；
所述阻抗匹配结构由加载于第一介质基板上表面的第一矩形金属片阵列和加载于第二介质基板下表面的第二矩形金属片阵列组成，所述第一矩形金属片阵列和第二矩形金属片阵列上下对称加载在天线口径位置处。
2.如权利要求1所述的用于毫米波通信系统的慢波基片集成波导H面喇叭天线，其特征在于，所述共面波导-基片集成波导过渡由宽度线性增加的一条中心金属导带和两条耦合缝隙组成，中心金属导带的宽度最小为1.1mm，最大为2mm；耦合缝隙的宽度最小为0.15mm，最大为0.45mm，过渡连接的共面波导的特性阻抗为50Ω。
3.如权利要求1所述的用于毫米波通信系统的慢波基片集成波导H面喇叭天线，其特征在于，所述第一介质基板、第二介质基板采用Rogers 4350B高频板材，相对介电常数为3.66，损耗角正切为0.004；第一介质基板（4）的厚度为1mm，第二介质基板（5）的厚度为0.508mm。
4.如权利要求1所述的用于毫米波通信系统的慢波基片集成波导H面喇叭天线，其特征在于，所述基片集成波导传输线由位于第一介质基板上表面的第一金属平面、位于第二介质基板下表面的第二金属平面和穿过第一介质基板、第二介质基板连接第一金属平面和第二金属平面的两排金属化通孔侧壁组成；
所述基片集成波导传输线一端连接共面波导-基片集成波导过渡，另一端连接基片集成波导喇叭张角结构。
5.如权利要求4所述的用于毫米波通信系统的慢波基片集成波导H面喇叭天线，其特征在于，所述基片集成波导传输线的宽度为4mm，构成基片集成波导传输线的金属化通孔侧壁中，相邻两通孔的距离为0.3mm，小于天线工作波长的1/10，通孔的直径为0.5mm；基片集成波导传输线的长度为9.85mm。
6.如权利要求1所述的用于毫米波通信系统的慢波基片集成波导H面喇叭天线，其特征在于，第一矩形金属片阵列、第二矩形金属片阵列与慢波基片集成波导H面喇叭天线口径的距离为0.3mm，相邻的两矩形金属片之间的距离为1mm；矩形金属片的长度为5mm，宽度为1.7mm；上下对称加载的两排矩形金属片阵列看作纵向长度为四分之一波长的开有缝隙的平板波导，作为四分之一波长阻抗转换器。
7.如权利要求1所述的用于毫米波通信系统的慢波基片集成波导H面喇叭天线，其特征在于，慢波结构高度为0.508mm；金属化通孔阵列的规模为7行3列，每行相邻两金属化通孔间的距离为2.65mm，每列相邻两金属化通孔间的距离为1.15mm，金属化通孔的直径为0.42mm，自上而下，第一行慢波金属化通孔与慢波基片集成波导H面喇叭天线口径的距离为2.22mm。
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