CN112164889A - 基于共面压缩型电磁带隙结构的低耦合收发天线 - Google Patents

基于共面压缩型电磁带隙结构的低耦合收发天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于共面压缩型电磁带隙结构的低耦合收发天线，包括介质基板、介质基板上的发射天线和接收天线、共面压缩型电磁带隙结构以及金属接地板，所述的发射天线和接收天线位于介质基板的上面，该天线系统为一发双收系统，发射天线和接收天线均为并馈型微带阵列天线，所述的共面压缩型电磁带隙结构与天线在同一层，位于发射天线与接收天线之间，所述的金属接地板位于介质基板的另一面。本发明通过引入共面压缩型电磁带隙结构实现带阻特性，大大改善了雷达系统中常见的收发天线间互耦问题，可应用于近程探测雷达。

Description

基于共面压缩型电磁带隙结构的低耦合收发天线
技术领域
本发明涉及一种低耦合收发天线，尤其是一种基于共面压缩型电磁带隙结构的低耦合收发天线。
背景技术
随着人们对雷达系统测角的要求越来越高，往往需要一发多收体制甚至MIMO体制实现系统性能。与此同时人们对电子设备小型化、集成化的要求也进一步提高，收发阵列天线间的间距不断减小，天线间互耦问题就显得非常突出。天线间的互耦问题不仅会影响天线辐射性能，也会导致设备前端的信噪比变差，整个雷达系统性能急剧恶化，因此抑制天线间的互耦效应显得尤为重要。
为减少收发天线间的互耦问题，传统技术往往通过增大收发天线间距或在中间加载金属墙的方式来实现，但这种措施往往会增加系统体积，不利于小型化设计。近年来提出的超材料、高阻抗表面结构也能减小互耦效应，但在加工制作和成本上不具有优势。因此基于对天线体积和成本控制的考虑，针对此类阵列天线本发明拟采用二维周期性的电磁带隙结构，可以有效减少表面波的传播，从而降低天线间的互耦效应。应用较多的二维电磁带隙结构为蘑菇状电磁带隙结构，然而这种结构增加了金属过孔，加工制作较为复杂。另一种二维电磁带隙结构为共面压缩型电磁带隙结构，这种结构取消了过孔所以容易加工，但是常应用于C、X频段的单元天线而且带隙性能较差。
发明内容
本发明目的在于提供一种减少天线间互耦干扰、提高天线系统性能改善前端信噪比的基于共面压缩型电磁带隙结构的低耦合收发天线。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于共面压缩型电磁带隙结构的低耦合收发天线，包括介质基板、设于介质基板上表面的周期性金属结构、设于介质基板底部的金属接地板以及设于周期性金属结构两侧的收发天线，所述周期性金属结构是由多个共面压缩型电磁带隙单元周期性排列并连接而成，所述共面压缩型电磁带隙单元结构是在正方形金属贴片的四条边上刻蚀相同的小矩形槽而成，并通过微带连接线与相邻单元相连接，所述收发天线包括三副并馈型微带阵列天线，所述微带阵列天线包括多个金属辐射单元、功分匹配网络和背馈结构。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：该收发天线系统通过在发射天线和接收天线间增加周期性的共面压缩型电磁带隙结构，由于电磁带隙结构能够对某一特定频段内的电磁波产生阻断作用，通过适当调节电磁带隙结构的结构参数能够改变带隙的禁带和通带中心频率，从而可以控制所需频带范围内收发天线的互耦干扰。尤其对于大型微带阵列天线，采用周期性电磁带隙结构置于收发天线间更能有效阻隔收发天线间各阵元的彼此互扰，从而提高天线系统性能。而传统的蘑菇形电磁带隙结构与本发明采用的共面压缩型电磁带隙结构相比，前者增加了金属过孔，加大了加工制作的难度。同样，与已有的超材料技术和高阻抗表面技术相比，共面压缩型电磁带隙结构在成本控制方面更具优势。此外本发明中设计的共面压缩型电磁带隙结构应用于K波段的阵列天线中，而且经过优化大大提高了带隙性能。本发明涉及的基于共面压缩型电磁带隙结构的低耦合收发天线可应用于近程探测雷达。
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
附图说明
图1是发明即低耦合收发天线的整体俯视图。
图2是发明即低耦合收发天线的左视图。
图3是同轴背馈结构示意图。
图4(a)、图4(b)分别是本发明中发射天线结构示意图(发射天线与接收天线完全相同)和金属辐射单元示意图。
图5(a)、图5(b)分别是共面压缩型电磁带隙结构单元的结构示意图和2*2的共面压缩型电磁带隙结构示意图。
图6是本发明中收发阵列天线间加载/未加载共面压缩型电磁带隙结构时的S11曲线对比图。
图7是本发明中收发阵列天线间加载/未加载共面压缩型电磁带隙结构时的S21曲线对比图。
图8是本发明中收发阵列天线间加载/未加载共面压缩型电磁带隙结构时的S31曲线对比图。
图9是本发明中收发阵列天线间加载/未加载共面压缩型电磁带隙结构时的E面增益方向图对比。
图中：1.介质基板；2.金属接地板；3.n*3周期性电磁带隙结构；4.发射天线；5.接收天线1；6.接收天线2；7.金属辐射单元；8.贴片缝隙；9.100ohm微带馈线；10.同轴背馈结构；11.金属探针；12.介质层；13.外金属层；14.功分匹配网络；15.中心馈电点。
具体实施方式
如图1所示，一种基于共面压缩型电磁带隙结构的低耦合收发天线，包括介质基板1、设于介质基板上表面的周期性金属结构3、设于介质基板底部的金属接地板2以及设于周期性金属结构两侧的收发天线，所述周期性金属结构3是由多个共面压缩型电磁带隙单元周期性排列并连接而成，所述共面压缩型电磁带隙单元结构是在正方形金属贴片的四条边上刻蚀相同的小矩形槽而成，并通过微带连接线与相邻单元相连接，所述收发天线包括三副完全相同的16*2的微带阵列天线，所述微带阵列天线包括多个金属辐射单元、功分匹配网络和背馈结构。
优选地，所述的共面压缩型电磁带隙单元结构上刻蚀的四个小矩形槽均在正方形贴片四条边的中心，所述的微带连接线也从各边的中心引出，将相邻单元连接起来。多个共面压缩型电磁带隙单元通过微带连接线首尾相连，形成周期性电磁带隙结构以降低收发天线间耦合效应。
优选地，所述的周期性电磁带隙结构呈n*3排列。
优选地，所述的收发天线系统包括一副16*2的发射天线和两副16*2的接收天线，为一发双收系统，发射天线和与两副接收天线分别置于周期性共面压缩型电磁带隙结构的两侧。
优选地，所述的金属辐射单元在其宽边边缘中心连接一根100ohm的微带线并接入功分匹配网络，并在所述宽边插入一定深度的缝隙，所述的功分匹配网络采用泰勒加权形式进行设计，包括多条100ohm微带馈线和阻抗变换器，以减少各连接处的能量反射。
优选地，所述的馈电结构为同轴背馈结构，探针穿过金属接地板上的圆形槽及介质基板上的非金属化孔，与功分网络的中心馈点相连接。
优选地，所述介质基板的圆形槽与探针的直径相同，所述的金属接地面上的圆形槽与同轴结构外径相同。
本发明设计仿真了一种共面压缩型电磁带隙结构并将其应用在K频段的阵列天线中，通过优化使其结构尺寸更为紧凑，并在所需频带内获得了较好的带隙性能，从而改善收发阵列天线间的耦合问题。
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明。应当理解此处所描述的具体实例仅用于解释本发明并不限定于本发明的范围。在阅读了本发明后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
实施例
如图1所示，一种基于共面压缩型电磁带隙结构的低耦合收发天线，包括介质基板1、设于介质基板上表面的周期性金属结构、设于介质基板1底部的金属接地板2以及设于周期性金属结构两侧的收发天线。
所述的介质基板1采用介电常数为3.48的Rogers4350B基板，厚度为0.508mm。
所述周期性金属结构即n*3紧密排列的共面压缩型电磁带隙结构3，由多个共面压缩型电磁带隙结构单元通过微带连接线首尾相接而成。
所述收发天线包括发射天线4、第一接收天线5和第二接收天线6，发射天线4与第一接收天线5的馈点中心相距40mm，第一接收天线5和第二接收天线6的馈点中心相距18mm。共面压缩型电磁带隙结构3位于发射天线4和第一接收天线5的中心位置。发射天线4、第一接收天线5和第二接收天线6均是16*2并馈型微带阵列天线。
如图2所示是所述基于共面压缩型电磁带隙结构的低耦合收发天线的左视图。同轴背馈结构10包括内层金属探针11、中间介质层12和外金属层13，如图3所示。所述外金属层13和中间介质层12与基板下表面相贴，内层金属探针11穿过金属接地板2的圆槽及介质基板1的非金属化通孔，与上层阵列天线的中心馈点15相连接从而形成背部馈电形式，所述圆槽直径与同轴外径一致，所述非金属化孔与探针直径一致。
所述发射天线4为微带阵列天线如图4(b)所示，包括多个金属辐射单元7、背馈结构10和功分匹配网络14。金属辐射单元7结构如图4(a)所示，通过在金属辐射单元7上刻蚀一定深度的缝隙8来调节阻抗匹配，并通过连接100ohm微带馈线9接入功分匹配网络14。金属辐射单元7的长边Lp为2.92mm，宽边Wp为4.37mm，刻蚀缝隙的尺寸Ws为0.16mm，Ls为0.8mm，100ohm微带馈线9宽度W1为0.27mm。同轴馈电结构10通过背馈形式馈电至中心馈点15，进而分出四个枝节且每个枝节均连接同样的功分匹配网络14，所述的功分匹配网络根据泰勒分布加权法分析设计而成，从而使阵列天线的副瓣符合设计指标。
如图5(a)所示为共面压缩型电磁带隙单元结构，所述共面压缩型电磁带隙单元结构是在正方形金属贴片的四条边上刻蚀相同的小矩形槽而成，并通过微带连接线与四周相邻单元相连接。通过仿真优化使得共面压缩型电磁带隙结构在24GHz附近起阻带抑制的作用，从而降低收发天线间的互耦干扰。最终共面压缩型电磁带隙结构单元的关键结构参数是：两连接线的连接点间距a为2.85mm，正方形金属贴片的边长b为2.65mm，刻蚀小矩形槽后两边的距离s为1.33mm，连接线的宽度t为0.38mm，刻蚀的矩形槽宽度为2g+t且g为0.237mm。每个单元之间通过微带连接线连接，如图5(b)所示为2*2的共面压缩型电磁带隙结构，每两个电磁带隙单元中心的距离均为a。在本发明中，通过将多个共面压缩型电磁带隙单元首尾相接从而形成周期性的共面压缩型电磁带隙结构，最终采用n*3的共面压缩型电磁带隙周期性结构置于收发天线间，能实现较好的去耦合效果。
通过使用电磁仿真软件HFSS进行仿真验证，得到收发阵列天线间加载/不加载共面压缩型电磁带隙结构时的S11、S21、S31曲线对比如图6、图7、图8所示。
如图6所示为收发天线间加载/不加载共面压缩型电磁带隙结构时的S11参数曲线对比。可以看到在中心频率f＝24.1GHz处，加载共面压缩型电磁带隙结构前后天线的回波损耗分别是-27.77dB和-25.36dB，变化不大。
如图7所示为收发天线间加载/不加载共面压缩型电磁带隙结构时的S21参数曲线对比。可以看到在中心频率f＝24.1GHz处，加载共面压缩型电磁带隙结构前后收发天线间的隔离度分别是-48.91dB和-59.68dB，隔离度提高了约10.7dB。
如图8所示为收发天线间加载/不加载共面压缩型电磁带隙结构时的S31参数曲线对比。可以看到在中心频率f＝24.1GHz处，加载共面压缩型电磁带隙结构前后收发天线间的隔离度分别是-64.85dB和-76.12dB，隔离度提高了约11.2dB。
如图9所示为收发天线间加载/不加载共面压缩型电磁带隙结构时的E面增益曲线对比。可以看到在中心频率f＝24.1GHz处，加载共面压缩型电磁带隙结构前后收发天线的E面增益曲线几乎没有变化，最大增益处增益均约为18dB左右，可见加入共面压缩型电磁带隙结构对天线的辐射方向图和最大增益几乎没有影响。由此可见，本发明在保持原收发天线系统的辐射增益的同时，还显著提高了收发天线间的隔离度，因此本发明的设计是有效的。

Claims (8)

1.一种基于共面压缩型电磁带隙结构的低耦合收发天线，其特征在于：包括介质基板、设于介质基板上表面的周期性金属结构、设于介质基板底部的金属接地板以及设于周期性金属结构两侧的收发天线，所述周期性金属结构是由多个共面压缩型电磁带隙单元周期性排列并连接而成，所述共面压缩型电磁带隙单元结构是在正方形金属贴片的四条边上刻蚀相同的小矩形槽而成，并通过微带连接线与相邻单元相连接，所述收发天线包括三副并馈型微带阵列天线，所述微带阵列天线包括多个金属辐射单元、功分匹配网络和背馈结构。
2.根据权利要求书1所述的基于共面压缩型电磁带隙结构的低耦合收发天线，其特征在于：所述的共面压缩型电磁带隙单元结构上刻蚀的四个小矩形槽均在正方形贴片四条边的中心，所述的微带连接线从各边的中心引出，将相邻单元连接起来；多个共面压缩型电磁带隙单元通过微带连接线首尾相连，形成周期性电磁带隙结构。
3.根据权利要求书1或2所述的基于共面压缩型电磁带隙结构的低耦合收发天线，其特征在于：所述共面压缩型电磁带隙单元呈n*3排列。
4.根据权利要求书1所述的基于共面压缩型电磁带隙结构的低耦合收发天线，其特征在于：所述收发天线包括三副并馈型微带阵列天线，为一发双收系统，发射和接收天线分别置于周期性金属结构的两侧。
5.根据权利要求书4所述的基于共面压缩型电磁带隙结构的低耦合收发天线，其特征在于：其中靠近周期性金属结构的接收天线与发射天线关于周期性金属结构对称。
6.根据权利要求书1所述的基于共面压缩型电磁带隙结构的低耦合收发天线，其特征在于：所述金属辐射单元为插入一定深度缝隙的贴片，所述的功分匹配网络采用泰勒分布加权法进行设计，从而使天线的副瓣符合设计指标。
7.根据权利要求书1所述的基于共面压缩型电磁带隙结构的低耦合收发天线，其特征在于：所述的背馈结构为同轴背馈结构，探针穿过金属接地板上的圆形槽及介质基板上的非金属化孔，与功分匹配网络的中心馈点相连接。
8.根据权利要求书7所述的基于共面压缩型电磁带隙结构的低耦合收发天线，其特征在于：所述介质基板的非金属化孔与探针的直径相同，所述的金属接地面上的圆形槽与同轴结构外径相同。
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