CN111509381A - 一种基于基片集成波导的折叠背腔缝隙天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于基片集成波导的折叠背腔缝隙天线，包括层叠设置的第一介质板和第二介质板，其中：第一介质板的表面和背面分别设置有第一金属板和第二金属板，第一短路钉组和第二短路钉组纵向贯穿第一介质板的表面和背面，第一缝隙结构和第二缝隙结构分别开缝于第一金属板和第二金属板上；第二介质板的表面和背面分别设置有第三金属板和第四金属板，第三短路钉组和第四短路钉组纵向贯穿第二介质板的表面和背面，第三缝隙结构开缝于第三金属板上。本发明实现了较大的工作带宽，辐射方向图稳定且指向性好，在工作带宽内的增益高。

Description

一种基于基片集成波导的折叠背腔缝隙天线
技术领域
本发明涉及通讯天线领域，特别涉及一种基于基片集成波导的折叠背腔缝隙天线。
背景技术
现代微波通信系统和毫米波通信系统对通信系统的小型化、集成化和高性能化提出了更高的要求。天线是通信系统中的重要组成部分，其性能的优劣会直接影响到整个通信系统的性能好坏。传统的背腔缝隙天线具有剖面高、成本高和结构复杂等缺点。使用基片集成波导技术的背腔缝隙天线，可以使得天线具有低剖面、易加工、低成本和平面化的优点。然而，现有的基于基片集成波导的背腔缝隙天线的带宽一般很窄，仅1.7％左右，不符合现代通信系统要求。因此，设计一种低剖面、平面化和易加工且能够实现大带宽的背腔缝隙天线很具有实用价值。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，设计一种基于基片集成波导的折叠背腔缝隙天线，以实现较大的工作带宽，辐射方向图稳定且指向性好，在工作带宽内的增益高，具备低剖面、易加工和平面化的优点。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于基片集成波导的折叠背腔缝隙天线，包括层叠设置的第一介质板和第二介质板，其中：所述第一介质板的表面和背面分别设置有第一金属板和第二金属板，第一短路钉组和第二短路钉组纵向贯穿所述第一介质板的表面和背面，第一缝隙结构开缝于所述第一金属板上，第二缝隙结构开缝于所述第二金属板上，所述第一短路钉组沿第一金属板的外缘围成上层波导腔体，第二短路钉组设置于所述上层波导腔体内部；所述第二介质板的表面和背面分别设置有第三金属板和第四金属板，第三短路钉组和第四短路钉组纵向贯穿所述第二介质板的表面和背面，第三缝隙结构开缝于所述第三金属板上，第三短路钉组沿第四金属板的外缘围成下层导波腔体，第四短路钉组设置于所述下层波导腔体内部。
作为优选的技术方案，所述第一金属板和第二金属板为平面结构，且都紧贴第一介质板；所述第三金属板和第四金属板为平面结构，且都紧贴第二介质板。
作为优选的技术方案，所述第二金属板紧贴第三金属板，第二缝隙结构紧贴第三缝隙结构。
作为优选的技术方案，所述第一缝隙结构、第二缝隙结构和第三缝隙结构均呈矩形状。进一步地，所述第二缝隙结构和第三缝隙结构长度相同，第二缝隙结构的宽度应大于或等于第三缝隙结构的宽度。
作为优选的技术方案，所述第二短路钉组和第四短路钉组的钉数目至少为二，所述第二短路钉组和第四短路钉组的钉均排成一排，分别横截上层波导腔体和下层波导腔体。
作为优选的技术方案，所述第一短路钉组和第三短路钉组的钉的数量、钉的孔径尺寸和钉与钉之间的间隔根据天线的性能及阻抗匹配要求确定。
作为优选的技术方案，所述第一介质板未被第一金属板和第二金属板覆盖处设有第一固定孔组，第一固定孔组纵向贯穿第一介质板；所述第二介质板未被第三金属板和第四金属板覆盖处设有第二固定孔组，第二固定孔组纵向贯穿第二介质板；所述第一固定孔组和第二固定孔组的孔数量、孔径尺寸和孔径位置根据天线的性能及应用场合确定。
作为优选的技术方案，所述第一介质板和第二介质板为固体电介质。
作为优选的技术方案，该折叠背腔缝隙天线采用印刷电路板技术制作而成。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明采用了基片集成波导技术，解决了传统背腔缝隙天线不易加工的问题，具有易集成、低剖面和易加工的特点。
2、本发明在第二金属板和第三金属板上设置第二缝隙结构和第三缝隙结构，使得下层波导腔体和上层波导腔体联通，形成折叠波导腔体，通过设置的第二短路钉组和第四短路钉组，使得一个一阶腔模、一个二阶腔模与两个三阶腔模耦合，实现了四谐振的宽带特性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明的透视图；
图2是本发明的侧视图；
图3是本发明的填写成品示意图；
图4是本发明的天线反射系数图；
图5是本发明的天线增益图；
图6是本发明的天线辐射方向图。
附图标号说明：
标号 名称 标号 名称
1 第一介质板 2 第二介质板
3 第一金属板 4 第二金属板
5 第三金属板 6 第四金属板
7 第一缝隙结构 8 第二缝隙结构
9 第三缝隙结构 10 第一短路钉组
11 第二短路钉组 12 第三短路钉组
13 第四短路钉组 14 第一固定孔组
15 第二固定孔组 16 馈电接头
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
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作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。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
如图1-图3所示，本发明提出了一种高增益，大带宽的基片集成渐变宽度表面波天线，包括层叠设置的第一介质板1和第二介质板2，其中：所述第一介质板1的表面和背面分别设置有第一金属板3和第二金属板4，第一短路钉组10和第二短路钉组11纵向贯穿所述第一介质板1的表面和背面，第一缝隙结构7开缝于所述第一金属板3上，第二缝隙结构8开缝于所述第二金属板4上，所述第一短路钉组10沿第一金属板3外缘围出上层波导腔体，第二短路钉组11设置于所述上层波导腔体内部，所述第一介质板1未被第一金属板3和第二金属板4覆盖处设有第一固定孔组14，第一固定孔组14纵向贯穿第一介质板1；所述第二介质板2的表面和背面分别设置有第三金属板5和第四金属板6，第三短路钉组12和第四短路钉组13纵向贯穿所述第二介质板2的表面和背面，第三缝隙结构9开缝于所述第三金属板5上，第三短路钉组12沿第四金属板6外缘围出下层导波腔体，第四短路钉组13设置于所述下层波导腔体内部，所述第二介质板2未被第三金属板5和第四金属板6覆盖处设有第二固定孔组15，第二固定孔组15纵向贯穿第二介质板2。
在本实施例中，如图2所示，第一金属板3和第二金属板4为平面结构，且都紧贴第一介质板1。所述第三金属板5和第四金属板6为平面结构，且都紧贴第二介质板2。
在本实施例中，如图2所示，第二金属板4与第三金属板5紧贴，第二缝隙结构8与第三缝隙结构9紧贴，使上层波导腔体与下层波导腔体形成一个折叠波导腔体。第一缝隙结构7开缝于第一金属板3，第一缝隙结构截断波导壁上的表面电流，被截断的表面电流形成第一缝隙结构7上的位移电流，使第一缝隙结构1具有辐射特性。
进一步的，所述第二短路钉组11和第四短路钉组13的钉数目至少为二，所述第二短路钉组11和第四短路钉组13的钉均排成一排，分别横截上层波导腔体和下层波导腔体。
在本实施例中，通过将第二短路钉组11和第四短路钉组13排成一排横截波导腔体，形成对天线一阶腔模和二阶腔模的微扰，使得一阶腔模、二阶腔模和两个三阶腔模耦合，增大天线的带宽。如图4所示，是本发明的天线反射系数图。由于加载了第二短路钉组11和第四短路钉组13，天线的一阶腔模与二阶腔模右移，跟两个三阶腔模进行耦合，从而实现了四谐振的宽带特性。
进一步的，所述第一固定孔组14和第二固定孔组15的孔数量、孔径尺寸和孔径位置根据天线的性能及应用场合确定。
在本实施例中，第一固定孔组14和第二固定孔组15可以将第一介质板1与第二介质板2固定。
进一步的，所述所述第一介质板1和第二介质板2为固体电介质。
在本实施例中，使用固体电介质层装配难度低，便于生产。
进一步的，所述第一短路钉组10和第三短路钉组12的钉的数量、钉的孔径尺寸和钉与钉之间的间隔根据天线的性能及阻抗匹配要求确定。
在本实施例中，加载的短路钉对天线的谐振特性、辐射特性和阻抗特性均产生影响，所以所述第一短路钉组10和第三短路钉组12的数量、钉孔径尺寸和钉与钉之间的间隔根据天线的性能及阻抗匹配要求确定。
进一步的，所述第二缝隙结构8和第三缝隙结构9长度相同，第二缝隙结构8的宽度应大于或等于第三缝隙结构9的宽度。
在本实施例中，第二缝隙结构8与第三缝隙结构9的长度相同，第二缝隙结构8的宽度大于第三缝隙结构9的宽度。
更进一步的，该折叠背腔缝隙天线采用印刷电路板技术制作而成。
在本实施例中，制作天线采用印刷电路板(PCB)技术，成本低，装配难度低。
本发明的一个较佳实施例的实景操作具体如下：
所述天线的第一介质板与第二介质板均使用介电常数为2.2，损耗角正切为0.001，厚度为1mm的电介质；第一短路钉组在第一介质板中围成一个19.5mm×16.30mm的矩形腔体，第三短路钉组在第二介质板中围成一个19.5mm×16.3mm的矩形腔体。馈电接头的中心馈电针通过一宽度为2.7mm的微带线与第四金属板电性连接，馈电接头的外导体与第三金属板电性连接。第一缝隙结构呈17.7mm×1.5mm，蚀刻在第一金属板上，它与最近一侧的由第一短路钉组围成的腔体的短路壁的距离为5.25mm，第二缝隙结构呈17.7mm×1.4mm，蚀刻在第二金属板上，它与最近一侧的由第一短路钉组围成的腔体的短路壁的距离为1.45mm。第一短路钉组的直径为1.0mm，第一短路钉组相邻间隔为1.6mm，第二短路钉组的直径为1.0mm，第二短路钉组的相邻间隔为1.75mm，第二短路钉组中心与第一缝隙结构中心的距离为5.15mm。第三缝隙结构呈17.7mm×0.7mm，蚀刻在第三金属板上，它与最近一侧的由第三短路钉组围成的腔体的短路壁的距离为1.45mm，第三短路钉组的直径为1.0mm，第三短路钉组相邻间隔为1.6mm，第四短路钉组的直径为1.0mm，第四短路钉组的相邻间隔为2mm,第四短路钉组中心与第三缝隙结构中心的距离为4.95mm。
图4是本发明的反射系数曲线图，从图4中可以看出该天线阻抗带宽(|S11|<-10dB)约为18.1％，且测量的结果(Measurement)和电磁仿真(ANSYS HFSS)的结果比较吻合。
图5是本发明的天线增益图，从图5可以看出，该天线在工作频段内增益较稳定。
图6是本发明的天线工作在10.5GHz,11.0GHz和11.5GHz的辐射方向图，可以看到天线的方向图稳定，前后比好，且测量的结果(Measurement)和电磁仿真(ANSYS HFSS)的结果比较吻合。
如上所述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于基片集成波导的折叠背腔缝隙天线，其特征在于，包括层叠设置的第一介质板和第二介质板，其中：所述第一介质板的表面和背面分别设置有第一金属板和第二金属板，第一短路钉组和第二短路钉组纵向贯穿所述第一介质板的表面和背面，第一缝隙结构开缝于所述第一金属板上，第二缝隙结构开缝于所述第二金属板上，所述第一短路钉组沿第一金属板的外缘围成上层波导腔体，第二短路钉组设置于所述上层波导腔体内部；所述第二介质板的表面和背面分别设置有第三金属板和第四金属板，第三短路钉组和第四短路钉组纵向贯穿所述第二介质板的表面和背面，第三缝隙结构开缝于所述第三金属板上，第三短路钉组沿第四金属板的外缘围成下层导波腔体，第四短路钉组设置于所述下层波导腔体内部。
2.根据权利要求1所述基于基片集成波导的折叠背腔缝隙天线，其特征在于，所述第一金属板和第二金属板为平面结构，且都紧贴第一介质板；所述第三金属板和第四金属板为平面结构，且都紧贴第二介质板。
3.根据权利要求1所述基于基片集成波导的折叠背腔缝隙天线，其特征在于，所述第二金属板紧贴第三金属板，第二缝隙结构紧贴第三缝隙结构。
4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述基于基片集成波导的折叠背腔缝隙天线，其特征在于，所述第一缝隙结构、第二缝隙结构和第三缝隙结构均呈矩形状。
5.根据权利要求4所述基于基片集成波导的折叠背腔缝隙天线，其特征在于，所述第二缝隙结构和第三缝隙结构的长度相同，第二缝隙结构的宽度大于或等于第三缝隙结构的宽度。
6.根据权利要求1至3中任一权利要求所述基于基片集成波导的折叠背腔缝隙天线，其特征在于，所述第二短路钉组和第四短路钉组的钉数目至少为二，所述第二短路钉组和第四短路钉组的钉均排成一排，分别横截上层波导腔体和下层波导腔体。
7.根据权利要求6所述基于基片集成波导的折叠背腔缝隙天线，其特征在于，所述第一短路钉组和第三短路钉组的钉的数量、钉的孔径尺寸和钉与钉之间的间隔根据天线的性能及阻抗匹配要求确定。
8.根据权利要求1所述基于基片集成波导的折叠背腔缝隙天线，其特征在于，所述第一介质板未被第一金属板和第二金属板覆盖处设有第一固定孔组，第一固定孔组纵向贯穿第一介质板；所述第二介质板未被第三金属板和第四金属板覆盖处设有第二固定孔组，第二固定孔组纵向贯穿第二介质板；所述第一固定孔组和第二固定孔组的孔数量、孔径尺寸和孔径位置根据天线的性能及应用场合确定。
9.根据权利要求1所述基于基片集成波导的折叠背腔缝隙天线，其特征在于，所述第一介质板和第二介质板为固体电介质。
10.根据权利要求1所述基于基片集成波导的折叠背腔缝隙天线，其特征在于，该折叠背腔缝隙天线采用印刷电路板技术制作而成。
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