CN111478033B - 一种齿轮型缝隙常规isgw漏波天线阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种齿轮型缝隙常规ISGW漏波天线阵列，包括电磁带隙结构阵列，所述电磁带隙结构阵列的上方设置有天线发射结构；所述天线发射结构包括上层介质板，所述上层介质板的下表面设置有微带馈线，所述上层介质板的上表面设置有第一敷铜层；所述第一敷铜层上开有若干用于发射电磁波的缝隙单元，所述缝隙单元为齿轮形。通过设置本装置，能够缩小天线的尺寸，提高电磁屏蔽性能，提高天线效率；提高天线的带宽，可实现前向象限的空间波束扫描。

Description

一种齿轮型缝隙常规ISGW漏波天线阵列
技术领域
本发明涉及无线通信天线领域，特别是涉及一种齿轮型缝隙常规ISGW漏波天线阵列。
背景技术
5G时代的到来使各类移动终端对无线信号的覆盖范围和传输速率的要求越来越高，也对通信设备提出了更高的标准，如，小型化、成本低等。漏波天线具有结构简单，加工成本低等优点，结合天线阵列技术成为漏波天线阵列，该天线阵列不仅能够有效的提高单个天线的增益，还能够提高辐射效率和改善天线的方向性。但是，传统的漏波天线阵列尺寸大，加工成本偏高，不能满足当前通信技术对设备小型化的要求。漏波天线阵列还能够有效的增加无线信号的覆盖范围，并提高频率空间的复用率，在频谱资源稀缺的社会中有着广泛的研究和商业潜力。
近年来，ISGW(集成基片间隙波导)技术被提出，该波导技术是基于多层PCB介质板来实现。起初的ISGW由两层PCB介质板构成，上层PCB介质板的上表面敷一层铜用以构成理想电导体(PEC)，下层PCB介质板上印刷有微带线，微带线上带有一系列金属化过孔与下方金属地相连形成一种类似脊的结构，微带线两侧是周期性的蘑菇结构以形成理想磁导体(PMC)，这种ISGW结构称作为脊ISGW。由于PEC与PMC间形成EBG，电磁波(准TEM波)只能沿着微带线传播。但是，由于脊ISGW中微带线与蘑菇结构处于同一层PCB板上，所以其微带线会受到蘑菇结构的制约而不能灵活的布局走线，在实际应用中存在局限性。
ISGW(集成基片间隙波导)技术后来改进为由三层PCB介质板构成。上层PCB介质板的上表面覆一层铜用以形成理想电导体(PEC)，下表面则印刷一条微带线用以传输电磁能量，底层PCB介质板上全部印制蘑菇状周期结构以构成理想磁导体(PMC)，在上层和底层介质板间插入一块空白介质板(中间层介质板)来隔开上层和底层介质板。改进后的ISGW由于有中间层介质板的隔断，微带线可以更加灵活的布局，不必担心受到周期结构制约。当这种集成基片间隙波导(ISGW)工作时，准TEM波会沿着微带线在微带线与PEC之间的介质基板内传播，这种工作模式和介质埋藏的微带线十分类似。同样地，PEC与PMC之间会产生EBG以阻止波往其他方向上的传播或“泄漏”，以保证准TEM波只沿着微带线传输。
现有的基于PCB技术设计的漏波天线阵列具有结构复杂、尺寸大、成本高、电磁屏蔽性能不强的问题。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种齿轮型缝隙常规ISGW漏波天线阵列，本发明通过采用集成基片间隙波导技术来设计常规漏波天线阵列，采用三层PCB介质板结构的集成基片间隙波导ISGW技术，解决现有的基于PCB技术设计的漏波天线阵列结构复杂、尺寸大、成本高、电磁屏蔽性能不强的问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种齿轮型缝隙常规ISGW漏波天线阵列，包括电磁带隙结构阵列，所述电磁带隙结构阵列的上方设置有天线发射结构；所述天线发射结构包括上层介质板，所述上层介质板的下表面设置有微带馈线，所述上层介质板的上表面设置有第一敷铜层；所述第一敷铜层上开有若干用于发射电磁波的缝隙单元，所述缝隙单元为齿轮形。
进一步地，本发明公开了一种齿轮型缝隙常规ISGW漏波天线阵列的优选结构，所述微带馈线为两条平行设置的导电线，所述缝隙单元设置于所述微带馈线的正上方，所述缝隙单元包括两个齿轮型缝隙，所述齿轮型缝隙包括若干个齿，所示齿为平行的缝隙。每个缝隙单元中的两个齿轮型缝隙相距14.0mm，每个缝隙单元之间的间距是7.5mm。缝隙单元可以增大电磁波向空间外辐射的能力，进而提高天线增益和辐射效率。
进一步地，所述天线发射结构的上方设置有辐射单元，所述辐射单元包括顶层介质板，所述顶层介质板是必须存在的且用于提高天线的增益和改善天线的匹配效果。
进一步地，所述两条微带馈线的两端通过微带线连接部连接有连接线，所述连接线连接有微带线头，所述两条微带线头的两端相连形成一条导线，所述微带线头将两条连接线相连通。
进一步地，所述两条微带线头的连接处连接有微带主线，所述微带主线连接有微带线。
进一步地，所述两条微带线的末端均连接有端口；所述端口包括第一端口、第二端口，所述第一端口、第二端口中的一端用于连接同轴探针激励源，另一端用于匹配负载。所述第一端口、第二端口与距离微带线的物理中心的距离均为9.0mm。微带线的物理中心与最近的缝隙单元的中心距离是22.6mm。
进一步地，所述电磁带隙结构阵列与天线发射结构之间设置有中间层介质板，所述中间层介质板用于隔离微带馈线与电磁带隙结构阵列。
进一步地，所述电磁带隙结构阵列包括下层介质板，所述下层介质板的下表面设置有第二敷铜层，所述下层介质板的上表面设置有若干个环形的圆形贴片。
进一步地，所述圆形贴片的下方下层介质板上开有金属过孔；所述金属过孔的内壁设置有金属层；所述金属过孔的金属层下端与第二敷铜层相连；所述金属过孔的金属层上端与圆形贴片的内孔边缘相连。
进一步地，所述下层介质板、中间层介质板、上层介质板、顶层介质板从下到上依次粘连形成一个整体；所述第二敷铜层用于连接电源地。上层介质板，中间层介质板，下层介质板以及印刷在上层介质板上的第一敷铜层和由微带线、微带线连接部、连接线、微带线头、微带主线和终端负载组成的馈电微带线，制作在下层介质板上的蘑菇状EBG阵列结构，以及印刷在下层介质板上的第二敷铜层构成集成基片间隙波导ISGW结构。
上层介质板下表面的由微带线、微带线连接部、连接线、微带线头、微带主线组成的馈电微带线贯穿整个上层介质板，当电磁波沿着馈电微带线传输时通过齿轮型缝隙逐渐向外辐射电磁波；当缝隙固定，加长或缩短馈电微带线长度时，回波损耗变化显著。
N个缝隙单元，N为正整数，每个缝隙单元包括两个齿轮型缝隙，可以增大电磁波向空间外辐射的能力，进而提高天线增益和辐射效率。
为了获得所需的工作频带，需要合适地选取蘑菇状EBG结构中圆形贴片和金属过孔的尺寸以及蘑菇状EBG结构的周期，使EBG结构的阻带与ISGW所传播的电磁波频带相适应。
当其他参数固定，顶层介质板存在时，天线的阻抗带宽较宽，天线的增益较高且辐射效率较大；当顶层介质板的厚度增加时，天线的阻抗带宽先增加后减小，而天线的辐射效率逐渐增加并趋于平稳，天线增益逐渐减小并趋于平稳。
当其他参数固定，每个缝隙单元间的间距增大时，天线阻抗带宽先降低后增加，最高增益向匹配端偏移，副瓣电平降低，扫描角度增加，辐射效率增加且趋于平稳，当其他参数固定，每个缝隙单元间的间距减小时，天线阻抗带宽先增加后减小，最高增益向馈电端偏移，副瓣电平升高，辐射效率减小；当其他参数固定，微带线的中心与距其最近的缝隙单元的物理中心的距离增大时，阻抗带宽保持不变，辐射效率保持不变，天线增益向匹配端偏移且逐渐减小，当其他参数固定，微带线与距其最近的缝隙单元的物理中心的距离减小时，阻抗带宽保持不变，辐射效率减小，天线增益向馈电端偏移且逐渐减小。
当其他参数固定，缝隙单元数N增多时，天线阻抗带宽先增加后降低，天线辐射效率减小，主波束宽度减小，副瓣电平升高且扫描角度减小；当其他参数固定，缝隙单元数N减小时，天线阻抗带宽先减小再增加，辐射效率增加并趋于稳定，主波束宽度增大，副瓣电平降低且扫描角度增加。可根据实际的增益要求来选择所需的缝隙单元数N。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.通过设置本装置，能缩小天线的尺寸，提高电磁屏蔽性能，提高天线效率；
2.通过设置本装置，能提高天线的带宽，可实现前向象限的空间波束扫描；
附图说明
图1为本发明齿轮型缝隙常规ISGW集成基片间隙波导漏波天线阵列结构示意图。
图2为本发明齿轮型缝隙常规ISGW集成基片间隙波导漏波天线阵列上层介质板上表面示意图。
图3为本发明齿轮型缝隙常规ISGW集成基片间隙波导漏波天线阵列上层介质板下表面示意图。
图4为本发明齿轮型缝隙常规ISGW集成基片间隙波导漏波天线阵列下层介质板上表面示意图。
图5为本发明齿轮型缝隙常规ISGW集成基片间隙波导漏波天线阵列下层介质板下表面示意图。
图6为本发明齿轮型缝隙常规ISGW集成基片间隙波导漏波天线阵列的回波损耗和反向传输系数。
图7为本发明齿轮型缝隙常规ISGW集成基片间隙波导漏波天线阵列的总增益。
图8为本发明齿轮型缝隙常规ISGW集成基片间隙波导漏波天线阵列的扫描角度。
图9为本发明齿轮型缝隙常规ISGW集成基片间隙波导漏波天线阵列的辐射效率。
图10是本发明蘑菇状阵列结构EBG详细结构示意图；
图中标记：1是下层介质板，2是第二敷铜层，3是金属过孔，4是圆形贴片，5是中间层介质板，6是上层介质板，7是第一端口，8是第一敷铜层，9是缝隙单元，10是顶层介质板，11是微带线，12是第二端口，13是微带线连接部，14是连接线，15是微带线头，16是微带主线。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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。
其中PMC是指理想磁导体，EBG是指蘑菇状阵列结构，ISGW是指集成基片间隙波导结构。
实施例1：
如图1-图10所示，本发明包括一种齿轮型缝隙常规ISGW漏波天线阵列，包括四层介质板：包括四层介质板：顶层介质板10，上层介质板6，中间层介质板5下层介质板1，其中：
a.顶层介质板10是作为天线必不可少的辐射单元，用于提高天线的增益和改善天线的匹配效果；
b.上层介质板6的上表面印刷有第一敷铜层8；第一敷铜层8上蚀刻了N个缝隙单元9，N为正整数，每个缝隙单元包括两个齿轮型金属缝隙，下表面印刷有由微带线11、微带线连接部13、连接线14、微带线头15、微带主线16组成的馈电微带线；馈电微带线贯穿整个上层介质板6；第一端口7、第二端口12中一端用于连接探针同轴激励源，另一端用于连接匹配负载；
c.中间层介质板5分隔上层介质板6和下层介质板1，使上层介质板6和下层介质板1之间形成间隙，方便微带传输线的布局
d.下层介质板1上表面的圆形贴片4，下表面印刷有第二敷铜层2；下层介质板1中打有金属过孔3，与上表面的圆形贴片4一起组成电磁带隙EBG结构阵列；
e.顶层介质板10，上层介质板6，中间层介质板5构成的ISGW结构与下层介质板1粘合在一起，形成一个整体；
f.上层介质板6上的第一敷铜层8与下层介质板1的下表面为第二敷铜层2均是理想电导体PEC，下层介质板1相当于理想磁导体PMC；
g.上层介质板6，中间层介质板5，下层介质板1以及印刷在上层介质板6上的第一敷铜层8和由微带线11、微带线连接部13、连接线14、微带线头15、微带主线16组成的馈电微带线，制作在下层介质板上的蘑菇状EBG阵列结构，以及印刷在下层介质板1上的第二敷铜层2构成集成基片间隙波导(ISGW)结构。
具体运行过程，缝隙单元9的个数N＝11时，上层介质板6上的11个缝隙单元9，每个缝隙单元包括两个齿轮型缝隙且均分布由微带线11、微带线连接部13、连接线14、微带线头15、微带主线16组成的馈电微带线的正上方；下层介质板1上的蘑菇状EBG结构为50×14阵列。该实例中，顶层介质板10采用Rogers4003板材，厚度为0.813mm；上层介质板6，中层介质板5，下层介质板1均采用Rogers RT/duroid 5880板材，厚度分别为0.508mm，0.254mm，0.787mm；仿真结果表明，该天线阵列的-10dB阻抗带宽24.7GHz-28.8GHz，相对带宽为15.3％；可以实现前向象限的空间频率扫描，即从3.5°到27.9°；辐射效率在89.7％至99.5％之间，天线增益范围在11dB-17dB。
通过设置本装置，能缩小天线的尺寸，提高电磁屏蔽性能，提高天线效率；提高天线的带宽，可实现前向象限的空间波束扫描。
实施例2：
在实施例1的基础上，公开了一种齿轮型缝隙常规ISGW漏波天线阵列的优选实施方式，在集成基片间隙波导的上层介质板6的第一敷铜层8上开N个缝隙单元9，N为正整数，每个缝隙单元包括两个齿轮型缝隙，并将由微带线11、微带线连接部13、连接线14、微带线头15、微带主线16组成的馈电微带线贯穿整个上层介质板6，且每个缝隙单元中的两个缝隙相距14.0mm，每个缝隙单元之间的间距是7.5mm，第一端口7、第二端口12与距离微带线15的物理中心的距离均为9.0mm。微带线15的物理中心与最近的缝隙单元的中心距离是22.6mm。
顶层介质板10是作为天线必不可少的的辐射单元，用来改善天线的匹配效果和提高天线的增益；上层介质板6下表面的由微带线11、微带线连接部13、连接线14、微带线头15、微带主线16组成的馈电微带线贯穿整个上层介质板6，当电磁波沿着馈电微带线传输时通过齿轮型缝隙逐渐向外辐射电磁波；当缝隙9固定，加长或缩短馈电微带线长度时，回波损耗变化显著。
实施例3：
在实施例1的基础上，公开了一种齿轮型缝隙常规ISGW漏波天线阵列的优选实施方式，当其他参数固定，顶层介质板10存在时，天线的阻抗带宽较宽，天线的增益较高且辐射效率较大；当顶层介质板10的厚度增加时，天线的阻抗带宽先增加后减小，而天线的辐射效率逐渐增加并趋于平稳，天线增益逐渐减小并趋于平稳。
当其他参数固定，每个缝隙单元9间的间距增大时，天线阻抗带宽先降低后增加，最高增益向匹配端偏移，副瓣电平降低，扫描角度增加，辐射效率增加且趋于平稳，当其他参数固定，每个缝隙单元9间的间距减小时，天线阻抗带宽先增加后减小，最高增益向馈电端偏移，副瓣电平升高，辐射效率减小；当其他参数固定，微带线11的中心与距其最近的缝隙单元的物理中心的距离增大时，阻抗带宽保持不变，辐射效率保持不变，天线增益向匹配端偏移且逐渐减小，当其他参数固定，微带线11与距其最近的缝隙单元的物理中心的距离减小时，阻抗带宽保持不变，辐射效率减小，天线增益向馈电端偏移且逐渐减小。
当其他参数固定，缝隙单元数N增多时，天线阻抗带宽先增加后降低，天线辐射效率减小，主波束宽度减小，副瓣电平升高且扫描角度减小；当其他参数固定，缝隙单元数N减小时，天线阻抗带宽先减小再增加，辐射效率增加并趋于稳定，主波束宽度增大，副瓣电平降低且扫描角度增加。可根据实际的增益要求来选择所需的缝隙单元数N。
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 (6)

1.一种齿轮型缝隙常规ISGW漏波天线阵列，其特征在于：包括电磁带隙结构阵列，所述电磁带隙结构阵列的上方设置有天线发射结构；所述天线发射结构包括上层介质板(6)，所述上层介质板(6)的下表面设置有微带馈线，所述上层介质板(6)的上表面设置有第一敷铜层(8)；所述第一敷铜层(8)上开有若干用于辐射电磁波的缝隙单元(9)，所述缝隙单元(9)为齿轮形；所述微带馈线为两条平行设置的导电线，所述缝隙单元(9)设置于所述微带馈线的正上方，所述缝隙单元(9)包括两个齿轮型缝隙，所述齿轮型缝隙包括若干个齿；所述两条微带馈线的两端通过微带线连接部(13)连接有连接线(14)，所述连接线(14)连接有微带线头(15)，所述两条微带线头(15)的两端相连形成一条导线，所述微带线头(15)将两条连接线(14)相连通；所述天线发射结构的上方设置有辐射单元，所述辐射单元包括顶层介质板(10)，所述顶层介质板(10)是必须存在的且用于提高天线的增益和改善天线的匹配效果；所述电磁带隙结构阵列与天线发射结构之间设置有中间层介质板(5)，所述中间层介质板(5)用于隔离微带馈线与电磁带隙结构阵列。
2.如权利要求1所述的一种齿轮型缝隙常规ISGW漏波天线阵列，其特征在于：所述两条微带线头(15)的连接处连接有微带主线(16)，所述微带主线(16)连接有微带线(11)。
3.如权利要求2所述的一种齿轮型缝隙常规ISGW漏波天线阵列，其特征在于：所述两条微带线(11)的末端均连接有端口；所述端口包括第一端口(7)、第二端口(12)，所述第一端口(7)、第二端口(12)中的一端用于连接同轴探针激励源，另一端用于匹配负载。
4.如权利要求3所述的一种齿轮型缝隙常规ISGW漏波天线阵列，其特征在于：所述电磁带隙结构阵列包括下层介质板(1)，所述下层介质板(1)的下表面设置有第二敷铜层(2)，所述下层介质板(1)的上表面设置有若干个环形的圆形贴片(4)。
5.如权利要求4所述的一种齿轮型缝隙常规ISGW漏波天线阵列，其特征在于：所述圆形贴片(4)的下方下层介质板(1)上开有金属过孔(3)；所述金属过孔(3)的内壁设置有金属层；所述金属过孔(3)的金属层下端与第二敷铜层(2)相连；所述金属过孔(3)的金属层上端与圆形贴片(4)的内孔边缘相连。
6.如权利要求5所述的一种齿轮型缝隙常规ISGW漏波天线阵列，其特征在于：所述下层介质板(1)、中间层介质板(5)、上层介质板(6)、顶层介质板(10)从下到上依次粘连形成一个整体；所述第二敷铜层(2)用于连接电源地。
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