CN111541027A - 一种基于基片集成波导谐振腔的多模谐振宽带天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的基于基片集成波导谐振腔的多模谐振宽带天线，涉及天线技术领域，包括馈线、第一介质基片、第一金属层、第二介质基片、第二金属层和同轴探针，其中，馈线为长条形结构，位于在第一介质基片的上表面，第一介质基片为正方形结构的微波介质材料，其内部设有一个垂直贯通的圆形过孔，第一金属层为正方形结构，位于第一介质基片和第二介质基片之间，其中，馈电探针从下至上依次贯穿第二金属层、第二介质基片、第一金属层和第一介质基片并向馈线传输激励信号，实现多模宽带谐振特性，相较于单模谐振天线具有更宽的工作频带，电尺寸较小，不仅可以作为辐射单元使用，也易于进行阵列排布，实现高增益辐射，低成本，适合于批量加工。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种基于基片集成波导谐振腔的多模谐振宽带天线。
背景技术
随着无线通信技术的发展，对通信设备中天线的带宽性能提出了更高的要求，要求天线能够覆盖较宽的工作频带。然而在有限设备空间内设置多副窄带天线比较困难，并且其相互之间还会产生电磁干扰。对于这一实际工程问题，研发宽带化、小型化和轻量化的天线是一种有效的解决方案，具有重要的工程应用价值。
传统的谐振天线如微带天线和缝隙天线等的尺寸较小，然而，谐振天线固有的单模窄带谐振特性限制了其宽带化应用，其带宽拓展方式如叠层、集总加载和分形拓扑等会增加天线结构复杂度，并导致剖面高度提升和辐射效率下降等问题。而行波天线如采用螺旋天线和对数周期天线等，虽然具有非频变的宽带特性，但是整体尺寸较大，并且辐射体和馈电结构相对复杂。
基片集成波导天线是一种建立在基片集成波导基础上的天线，基片集成波导结合了金属波导和微带传输线的优点，一方面具有与矩形波导类似的传输特性，传输损耗较小；另一方面通过采用介质基片易于加工和集成，并具有低剖面和轻薄化的结构特点。
基片集成波导天线通常采用辐射贴片或在等效波导壁上开槽实现电磁波的辐射，但常规的贴片及缝隙式基片集成波导天线的工作带宽均较窄。若采用基片集成波导作为背腔，能够降低天线品质因数并改善其阻抗带宽特性，但其在单模条件下工作带宽的改善效果仍然有限。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明实施例提供了一种基于基片集成波导谐振腔的多模谐振宽带天线，该天线包括：馈线、第一介质基片、第一金属层、第二介质基片、第二金属层和同轴探针，其中：
所述馈线为长条形结构，位于在第一介质基片的上表面；
所述第一介质基片为正方形结构的微波介质材料，其内部设有一个垂直贯通的圆形过孔；
所述第一金属层为正方形结构，位于第一介质基片和第二介质基片之间，其中，所述第一金属层中蚀刻有两个缝隙；
所述第二介质基片采用正方形介质材料，其内部设有一个垂直贯通的圆形过孔，所述第二介质基片的四周边界处均设有一排垂直贯通的金属过孔；
所述第二金属层位于第二介质基片的下表面，采用正方形结构，其中，所述第二金属层中蚀刻有一个圆形缝隙；
所述同轴探针包括馈电探针、介质层和外导体，其中，所述馈电探针从下至上依次贯穿第二金属层、第二介质基片、第一金属层和第一介质基片并向馈线传输激励信号。
优选地，所述馈线的两端分别连接半径不同的两个圆形结构，其中，半径大的圆形结构与所述同轴探针相连，半径小的圆形结构用于调节阻抗匹配。
优选地，由第一金属层、第二介质基片和第二金属层构成基片集成波导谐振腔，其中，第一金属层和第二金属层分别等效为基片集成波导谐振腔的上、下壁，第二介质基片的四周边界处设置的垂直贯通的金属过孔等效为基片集成波导谐振腔的侧壁，第一金属层中蚀刻的两个缝隙等效为基片集成波导谐振腔的辐射结构。
优选地，所述第一金属层中蚀刻的缝隙的形状包括矩形、椭圆形、领结形。
优选地，所述第一介质基片与所述第一金属层、所述第二介质基片及所述第二金属层的边长尺寸均相同。
优选地，所述第一介质基片中的圆形过孔与第二介质基片中的圆形过孔及所述同轴探针中馈电探针的半径相同、圆心位置均相同。
本发明实施例提供的基于基片集成波导谐振腔的多模谐振宽带天线，具有以下有益效果：
(1)通过馈线激励基片集成波导谐振腔，产生多个临近的谐振模式，实现多模宽带谐振特性，相较于单模谐振天线具有更宽的工作频带。
(2)长度和宽度相等且小于0.5λ0，其中，λ0为中心频点对应的自由空间的波长。因此，该天线的电尺寸较小，不仅可以作为辐射单元使用，也易于进行阵列排布，实现高增益辐射。
(3)采用介质基片作为基板，可以采用印刷电路板工艺制作，低成本，适合于批量加工。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于基片集成波导谐振腔的多模谐振宽带天线的三维爆炸示意图；
图2是本发明实施例提供的基于基片集成波导谐振腔的多模谐振宽带天线的输入阻抗曲线示意图；
图3是本发明实施例提供的基于基片集成波导谐振腔的多模谐振宽带天线的反射系数曲线示意图；
图4a是本发明实施例提供的基于基片集成波导谐振腔的多模谐振宽带天线在中心频点处的E面方向示意图；
图4b为本发明实施例提供的基于基片集成波导谐振腔的多模谐振宽带天线在中心频点处的H面方向示意图；
图5是本发明实施例提供的基于基片集成波导谐振腔的多模谐振宽带天线的增益曲线图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作具体的介绍。
本发明提供的实施例提供的基于基片集成波导谐振腔的多模谐振宽带天线由上到下依次包括：馈线1、第一介质基片2、第一金属层3、第二介质基片4、第二金属层5和同轴探针6。其中：
馈线1位于在第一介质基片2的上表面，采用长条形结构，整体长度为6.8mm。
第一介质基片2采用相对介电常数为3.5、边长为14mm、厚度为1mm的正方形介质材料，作为馈线的支撑结构，其内部有一个垂直贯通的圆形过孔21。
第一金属层3位于第一介质基片2和第二介质基片4之间，采用边长为14mm的正方形结构，蚀刻有两个形状相同的缝隙31和缝隙32。
第二介质基片4采用相对介电常数为2.2、边长为14mm、厚度为4mm的正方形微波介质材料，其内部有一个垂直贯通的圆形过孔41，在其四周边界处有四排垂直贯通的金属过孔42。
作为一个具体的实施例，金属过孔42的半径为0.5mm，孔间距为1.6mm，金属过孔的中心与正方形介质板的边沿之间的距离为0.63mm。
第二金属层5位于第二介质基片4的下表面，采用边长为14mm的正方形结构，其内部蚀刻有一个圆形缝隙51。
作为一个具体的实施例，圆形缝隙51的直径为4.1mm。
同轴探针6包括馈电探针61、介质层62和外导体63，馈电探针61从下至上一次贯穿第二金属层5、第二介质层4、第一金属层3和第一介质层2，并向馈线1传输激励信号。
可选地，馈线1的两端连接有半径不同的两个圆形结构，其中，半径大的圆形结构与同轴探针6相连，半径小的圆形结构用于调节阻抗匹配。
作为一个具体的实施例，半径大的圆形结构和半径小的圆形结构的半径分别为1.2mm和0.5mm。
可选地，缝隙31和缝隙32的形状可以是矩形、椭圆形、领结形或者其他形状。作为一个具体的实施例，缝隙31和缝隙32均为矩形，其长度和宽度分别为12.5mm和3.7mm。
可选地，第一金属层3、第二介质基片4和第二金属层5构成了基片集成波导谐振腔，其中，第一金属层3和第二金属层5分别等效为波导谐振腔的上壁、下壁，四排垂直贯通的金属过孔42等效为波导谐振腔的侧壁，第一金属层中的缝隙31和32作为辐射结构。通过合理设置同轴探针61的位置，并调节馈线1的长度以及缝隙31和缝隙32的尺寸，可以在临近的三个频点处激励起不同的谐振模式，覆盖一段较宽的工作频带，从而实现宽带谐振特性。通过改变馈线1的半径小的圆形结构一端的半径，可以实现阻抗匹配的调节。
可选地，第一介质基片2与第一金属层3、第二介质基片4及第二金属层5的边长尺寸均相同。
可选地，第一介质基片2中的圆形过孔21与第二介质基片4中的金属圆形过孔42及同轴探针6中馈电探针61的半径、圆心位置均相同。
以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：
参见图2，本发明提供的实施例提供的基于基片集成波导谐振腔的多模谐振宽带天线在8.0GHz～11.1GHz频率范围内的反射系数小于-10dB，天线的-10dB相对带宽达到32.5％。
参见图3，本发明提供的实施例提供的基于基片集成波导谐振腔的多模谐振宽带天线在8.15GHz、9.81GHz和11.05GHz三个频点处产生谐振，对应的谐振模式分别为模式1、模式2和模式3。
参见图4a和图4b，本发明提供的实施例提供的基于基片集成波导谐振腔的多模谐振宽带天线在中心频点9.8GHz处的E面方向图的主瓣宽度为103°，H面方向图的主瓣宽度为100°，主瓣宽度范围内E面和H面方向图中的交叉极化比主极化均小23dB以上。
参见图5，本发明提供的实施例提供的基于基片集成波导谐振腔的多模谐振宽带天线在8.0GHz～11.1GHz频率范围内的增益为4.65～5.81dBi。
以上仿真实验结果表明本发明中的天线能够产生宽带多模谐振，并在较宽的工作频带内具有良好的阻抗匹配、较宽的主瓣波束、较低的交叉极化以及稳定的频带内增益。
本发明实施例提供的基于基片集成波导谐振腔的多模谐振宽带天线包括馈线、第一介质基片、第一金属层、第二介质基片、第二金属层和同轴探针，其中，馈线为长条形结构，位于在第一介质基片的上表面，第一介质基片为正方形结构的微波介质材料，其内部设有一个垂直贯通的圆形过孔，第一金属层为正方形结构，位于第一介质基片和第二介质基片之间，第一金属层中蚀刻有两个缝隙，第二介质基片采用正方形介质材料，其内部设有一个垂直贯通的圆形过孔，第二介质基片的四周边界处均设有一排垂直贯通的金属过孔，第二金属层位于第二介质基片的下表面，采用正方形结构，其中，第二金属层中蚀刻有一个圆形缝隙，同轴探针包括馈电探针、介质层和外导体，其中，馈电探针从下至上依次贯穿第二金属层、第二介质基片、第一金属层和第一介质基片并向馈线传输激励信号，实现多模宽带谐振特性，相较于单模谐振天线具有更宽的工作频带，电尺寸较小，不仅可以作为辐射单元使用，也易于进行阵列排布，实现高增益辐射，低成本，适合于批量加工。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
可以理解的是，上述方法及装置中的相关特征可以相互参考。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (6)
1.一种基于基片集成波导谐振腔的多模谐振宽带天线，其特征在于，包括馈线、第一介质基片、第一金属层、第二介质基片、第二金属层和同轴探针，其中：
所述馈线为长条形结构，位于在第一介质基片的上表面；
所述第一介质基片为正方形结构的微波介质材料，其内部设有一个垂直贯通的圆形过孔；
所述第一金属层为正方形结构，位于第一介质基片和第二介质基片之间，其中，所述第一金属层中蚀刻有两个形状相同的缝隙；
所述第二介质基片采用正方形介质材料，其内部设有一个垂直贯通的圆形过孔，所述第二介质基片的四周边界处均设有一排垂直贯通的金属过孔；
所述第二金属层位于第二介质基片的下表面，采用正方形结构，其中，所述第二金属层中蚀刻有一个圆形缝隙；
所述同轴探针包括馈电探针、介质层和外导体，其中，所述馈电探针从下至上依次贯穿第二金属层、第二介质基片、第一金属层和第一介质基片并向馈线传输激励信号。
2.根据权利要求1所述的基于基片集成波导谐振腔的多模谐振宽带天线，其特征在于，所述馈线的两端分别连接半径不同的两个圆形结构，其中，半径大的圆形结构与所述同轴探针相连，半径小的圆形结构用于调节阻抗匹配。
3.根据权利要求1所述的基于基片集成波导谐振腔的多模谐振宽带天线，其特征在于，由第一金属层、第二介质基片和第二金属层构成基片集成波导谐振腔，其中，第一金属层和第二金属层分别等效为基片集成波导谐振腔的上、下壁，第二介质基片的四周边界处设置的垂直贯通的金属过孔等效为基片集成波导谐振腔的侧壁，第一金属层中蚀刻的两个缝隙等效为基片集成波导谐振腔的辐射结构。
4.根据权利要求3所述的基于基片集成波导谐振腔的多模谐振宽带天线，其特征在于，所述第一金属层中蚀刻的缝隙的形状包括矩形、椭圆形、领结形。
5.根据权利要求1所述的基于基片集成波导谐振腔的多模谐振宽带天线，其特征在于，所述第一介质基片与所述第一金属层、所述第二介质基片及所述第二金属层的边长尺寸均相同。
6.根据权利要求1所述的基于基片集成波导谐振腔的多模谐振宽带天线，其特征在于，所述第一介质基片中的圆形过孔与第二介质基片中的圆形过孔及所述同轴探针中馈电探针的半径相同、圆心位置均相同。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200814 |
|
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