CN111244624A - 一种基片集成波导馈电的寄生贴片阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基片集成波导馈电的寄生贴片阵列天线，包括第一介质板、第二介质板、第三介质板和第四介质板，其中第一介质板位于第二介质板上方，第二介质板位于第三介质板上方，第三介质板位于第四介质板上方。第一介质板上设有环形贴片，第二介质板上设有主辐射贴片，第三介质板和第四介质板上的金属通孔结构构成了一分四基片集成波导馈电网络，并且通过第三介质板上的缝隙向主辐射贴片进行馈电。环形贴片起到了引向作用，基片集成波导馈电网络则起到了降低馈电损耗的作用。该阵列天线改善了微带贴片阵列天线馈电损耗大、增益低的缺点，且具有剖面低、体积小、易于平面电路集成的优点，可用于低剖面的太赫兹或毫米波通信。

Description

一种基片集成波导馈电的寄生贴片阵列天线
技术领域：
本发明涉及一种基片集成波导馈电的寄生贴片阵列天线，其属于通信技术领域。
背景技术：
随着通信信息技术的不断发展，为了提高通信系统的通讯速率以及缓解频谱资源紧张，对毫米波、太赫兹频段的研究越来越多。天线是无线通信系统的重要组成部分，工作在高频段要求天线具有尺寸小、增益高、集成度高、易与平面电路集成等相关特性。
微带贴片天线具有平面电路结构，易与微波毫米波电路集成，加工设计简便，但增益不高，带宽窄，且高频段的微带馈电网络具有较大的表面波损耗。
基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide，SIW)具有低插入损耗、高品质因数、高功率容量等优点，而且其生产成本和设计复杂度在微波毫米波频段具有无可比拟的优势，因此，将SIW馈电网络应用于贴片天线领域，可实现阵列天线的低馈电损耗和小型化，也可方便地实现天线与平面电路的一体化集成。但由于其品质因数高，导致天线的带宽仍然较窄。且由于辐射贴片在高频仍有较多的表面波损耗，导致其增益不高。
发明内容：
为了克服现有技术中天线增益低、带宽窄等缺陷，本发明提出了一种基片集成波导馈电的寄生贴片阵列天线，能有效提升天线增益，增加天线带宽。
本发明所采用的技术方案有：一种基片集成波导馈电的寄生贴片阵列天线，包括第一介质板、第二介质板、第三介质板和第四介质板，所述第一介质板位于第二介质板上方，第二介质板位于第三介质板上方，第三介质板位于第四介质板上方，所述第一介质板上方排列有呈两行两列排布的四个环形贴片，第二介质板上方排列有呈两行两列排布的四个主辐射贴片，主辐射贴片一一对应地位于环形贴片的正下方，所述第三介质板的上表面为第一金属层，第一金属层上开设有呈两行两列排布的四个第一缝隙，第一缝隙一一对应地位于主辐射贴片的正下方，在第三介质板中设置有贯通第三介质板的第一金属通孔，第四介质板的上表面部分为第二金属层，下表面为第三金属层，所述第二金属层即为第三介质板的下表面，所述第二金属层上开有两个第二缝隙，所述第二金属层与第四介质板边缘之间设有微带线，在第四介质板中设置有贯通第四介质板的第二金属通孔。
进一步地，所述环形贴片为矩形环。
进一步地，所述主辐射贴片为正方形。
进一步地，所述第一介质板上每行和每列的矩形环之间间距为0.7-2倍介质波长。
进一步地，所述第三介质板的第一金属通孔围成两个平行的封闭矩形状，第一金属层上的第一缝隙按2个一组，分别位于两个矩形中，沿矩形中线对称分布。
进一步地，所述第四介质板上的第二金属层上的两个第二缝隙位于第三介质板的第一金属通孔所围成的矩形长边中间位置正下方。
进一步地，所述第一缝隙和第二缝隙均为横向矩形缝隙，且其尺寸相同。
进一步地，所述第四介质板上的微带线为矩形微带线。
进一步地，所述第四介质板的第二金属通孔输出端口宽度大于输入端口宽度。
进一步地，所述第四介质板的第二金属通孔的T形接口处有一第三金属通孔。
进一步地，所述第一介质板、第二介质板、第三介质板的材料为陶瓷材料percelain，第四介质板的材料为Be_O。
本发明具有如下有益效果：本发明采用了基片集成波导馈电，减小了馈电损耗，增加了增益，拓展了带宽，通过加入矩形环，起到了引向作用，提升了天线增益，且在一定程度上增加了带宽。相比现有技术，本发明有效提高了微带贴片天线的增益和带宽。
附图说明：
图1为本发明的整体结构爆炸图。
图2为本发明中第一介质板、第二介质板及贴片结构示意图。
图3为图2的另一结构示意图。
图4为本发明中第三介质板结构示意图。
图5为图4的另一结构示意图。
图6为本发明中第四介质板示意图。
图7为图6的另一结构示意图。
图8为本发明实施例的回波损耗随频率变化曲线。
图9为本发明实施例在100GHz的E面方向图。
图10为本发明实施例在100GHz的H面方向图。
图11为本发明实施例-10db阻抗带宽内的增益曲线。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明基片集成波导馈电的寄生贴片阵列天线包括第一介质板1、第二介质板2、第三介质板3和第四介质板4，其中第一介质板1位于第二介质板2上方，第二介质板2位于第三介质板3上方，第三介质板3位于第四介质板4上方。第一介质板1上方排列有呈两行两列排布的四个环形贴片5，第二介质板2上方排列有呈两行两列排布的四个主辐射贴片6，主辐射贴片6一一对应地位于环形贴片5的正下方。第三介质板3的上表面为第一金属层7，第一金属层上7开设有呈两行两列排布的四个第一缝隙9，第一缝隙9一一对应地位于主辐射贴片6的正下方，在第三介质板3中设置有贯通第三介质板3的第一金属通孔8，第四介质板4的上表面部分为第二金属层10，下表面为第三金属层12，其中第二金属层10即为第三介质板3的下表面，其上开有两个第二缝隙14，且在第四介质板4中设置有贯通第四介质板4的第二金属通孔13。
参照图2和图3，第一介质板1为矩形，长L＝5.096mm，宽W＝5.096mm，厚度H1＝0.0684mm；第二介质板2为矩形，宽为W，长L1＝5.824mm，厚度H2＝0.0684mm，第一介质板1和第二介质板2均采用介电常数为5.7的porcelain材料，这种材料的高介电常数有助于减小体积，低介电损耗有助于减小损耗，提升增益。
第一介质板1上的环形贴片5为矩形环，其长Lp＝1.747mm，宽Wp＝1.747mm，环宽Ws＝0.4368mm；环与环长度方向的间距disy＝2.184mm，宽度方向的间距disx＝2.172mm。
第二介质板2上有四个矩形主辐射贴片6，分别位于矩形环5的正下方，本实例中，主辐射贴片6形状为正方形，长度宽度相等，Lz＝Wz＝0.8736mm，此时，主辐射贴片6与矩形环内围的水平间距为0。
参照图4和图5所示，第三介质板3为矩形，长度宽度与第一介质板1相同，厚度H3＝0.0684mm，其上的第一金属层7长度为L，宽度W1＝4.004mm，比第三介质板3的宽度略小，这是为了方便加工。第三介质板3上第一金属通孔8围成两个平行的封闭矩形状，第一金属通孔8的直径D1＝0.066mm，间距P1＝0.203mm，采用银材料，矩形的长度Lj＝2.709mm，宽度Wj＝1.082mm；四个第一缝隙9分别位于四个主辐射贴片6的正下方，按两个一组，位于矩形内，沿矩形中线对称分布，通过第一缝隙9，能量耦合到主辐射贴片6上，其长度Sl＝0.0628mm，宽度Sw＝0.6188mm。
参照图6和图7所示，第四介质板4为矩形，长度L2＝7.85mm，宽度为W，厚度H4＝0.0684mm，第四介质板4的第二金属层10与第四介质板4边缘之间为微带线11，微带线11连接馈电端口与第二金属层10。第二金属层10长度为L，宽度为W1，微带线11长度Lf＝2.03mm，宽度Wf＝0.11mm，第二金属层10上开有两个第二缝隙14，分别位于第三介质板3的第一金属通孔8所围成的两个矩形长边中间正下方，尺寸与第一金属层7上的第一缝隙9尺寸相同，第四介质板4下方的第三金属层12长度为L2，宽度为W，作接地面，起提升增益的作用。
第四介质板4的第二金属通孔13由一个T形部分和两个直角部分组合而成，输出支路末端封闭作短路端。第二金属通孔13直径D2＝0.176mm，间距P2＝0.203mm，材料为银，第二金属通孔13的输入端口宽度是逐渐增大的，G1＝0.6mm，G2＝0.854mm，输出端口的宽度G3＝0.854mm，第二金属通孔13的T形接口内的第三金属通孔15起到平分输入功率，减小反射的作用，其直径D3＝0.2mm，位于T形接口的正中心，距离末端的距离G5＝0.36mm，第二金属通孔13两输出支路之间的距离与贴片间距有关，本实例中G4＝1.005mm。
本发明中，第一介质板1、第二介质板和第三介质板3的材料为陶瓷材料percelain，第四介质板4的材料为Be_O。
本发明所设计的环形贴片5，可以有效提升天线的方向性，增加天线的增益，并且有效的引入了新的谐振频段，拓宽了天线带宽。馈电能量通过第四介质板4的一分二基片集成波导功分器，平均分配到两个支路。第二金属通孔13的T形接口中的第三金属通孔15起到了减小反射的作用。通过第三介质板3的第一缝隙9，又可以将每个支路上的电磁能量通过分配到每个贴片上，第三介质板3上的第一金属通孔8则起到了约束电磁波，防止其在介质中侧向泄露的作用。
本发明的效果可通过仿真说明：
1.仿真软件：商业仿真软件HFSS_19.0；
2.仿真内容；
仿真1，利用上述软件对上述实例的回波损耗进行仿真，仿真结果如图8所示。
如图8所示，阵列的-10db工作频段为99.4GHz-100.4GHz，带宽为1GHz，相对微带线馈电、无环形贴片的阵列天线带宽有所提升。
仿真2，利用上述软件对上述实例的中心频点100GHz的方向图进行仿真，仿真结果如图9和图10所示。
仿真3，利用上述软件对上述实例各频点的增益参数进行仿真，仿真结果如图11所示。
如图11所示，阵列在工作频段内各频点的增益在14.6db以上，最大增益为15db。
以上结果表明阵列在工作带宽内的增益稳定且良好。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种基片集成波导馈电的寄生贴片阵列天线，其特征在于：包括第一介质板(1)、第二介质板(2)、第三介质板(3)和第四介质板(4)，所述第一介质板(1)位于第二介质板(2)上方，第二介质板(2)位于第三介质板(3)上方，第三介质板(3)位于第四介质板(4)上方，所述第一介质板(1)上方排列有呈两行两列排布的四个环形贴片(5)，第二介质板(2)上方排列有呈两行两列排布的四个主辐射贴片(6)，主辐射贴片(6)一一对应地位于环形贴片(5)的正下方，所述第三介质板(3)的上表面为第一金属层(7)，第一金属层(7)上开设有呈两行两列排布的四个第一缝隙(9)，第一缝隙(9)一一对应地位于主辐射贴片(6)的正下方，在第三介质板(3)中设置有贯通第三介质板(3)的第一金属通孔(8)，第四介质板(4)的上表面部分为第二金属层(10)，下表面为第三金属层(12)，所述第二金属层(10)即为第三介质板(3)的下表面，所述第二金属层(10)上开有两个第二缝隙(14)，所述第二金属层(10)与第四介质板(4)边缘之间设有微带线(11)，在第四介质板(4)中设置有贯通第四介质板(4)的第二金属通孔(13)。
2.如权利要求1所述的基片集成波导馈电的寄生贴片阵列天线，其特征在于：所述环形贴片(5)为矩形环。
3.如权利要求1所述的基片集成波导馈电的寄生贴片阵列天线，其特征在于：所述主辐射贴片(6)为正方形。
4.如权利要求1所述的基片集成波导馈电的寄生贴片阵列天线，其特征在于：所述第一介质板(1)上每行和每列的矩形环之间间距为0.7-2倍介质波长。
5.如权利要求1-4中任意一项所述的基片集成波导馈电的寄生贴片阵列天线，其特征在于：所述第三介质板(3)的第一金属通孔(8)围成两个平行的封闭矩形状，第一金属层(7)上的第一缝隙(9)按2个一组，分别位于两个矩形中，沿矩形中线对称分布。
6.如权利要求5所述的基片集成波导馈电的寄生贴片阵列天线，其特征在于：所述第四介质板(4)上的第二金属层(10)上的两个第二缝隙(14)位于第三介质板(3)的第一金属通孔(8)所围成的矩形长边中间位置正下方。
7.如权利要求6所述的基片集成波导馈电的寄生贴片阵列天线，其特征在于：所述第一缝隙(9)和第二缝隙(14)均为横向矩形缝隙，且其尺寸相同。
8.如权利要求7所述的基片集成波导馈电的寄生贴片阵列天线，其特征在于：所述第四介质板(4)上的微带线(11)为矩形微带线。
9.如权利要求9所述的基片集成波导馈电的寄生贴片阵列天线，其特征在于：所述第四介质板(4)的第二金属通孔(13)输入端口的宽度不处处相等。
10.如权利要求9所述的基片集成波导馈电的寄生贴片阵列天线，其特征在于：所述第四介质板(4)的第二金属通孔(13)的T形接口处有一第三金属通孔(15)。
11.如权利要求10所述的基片集成波导馈电的寄生贴片阵列天线，其特征在于：所述第一介质板(1)、第二介质板(2)、第三介质板(3)的材料均为percelain，第四介质板(4)的材料为Be_O。
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