CN112688081A - 一种基于介质集成波导的宽带背腔式平面缝隙阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于介质集成波导的宽带背腔式平面缝隙阵列天线，属于天线技术领域。该天线是由辐射结构和馈电结构组成。该辐射结构是由2个或4个辐射单元组成，每个辐射单元是通过在介质集成波导的上层金属板开缝隙槽实现电磁波的辐射。馈电结构采用等幅同相的微带线功分器。为了提高阻抗带宽和辐射增益，辐射单元通过设置具有左右对称性的“亣”字形缝隙槽和呈倒立状的“八”字形缝隙槽。本发明天线工作频率是9.0GHz。2单元阵列天线实现相对带宽25.6％，增益为10.1dBi。4单元阵列天线实现相对带宽31.3％，增益为12.9dBi。本发明在频带和增益等性能方面具有优势，有望能在无线通信及雷达系统得到广泛的应用。

Description

一种基于介质集成波导的宽带背腔式平面缝隙阵列天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种基于介质集成波导的宽带背腔式平面缝隙阵列天线。

背景技术

随着通信需求的快速增长，对于高质量无线通信系统的需求也越来越强烈，这驱使着新一代无线通信系统得以发展。近些年，为了适应无线通信系统的需求，低剖面宽带阵列天线受到关注。早期传统波导缝隙天线具有高功率容量以及低插入损耗的优势而得以应用，但其存在着体积大，成本高以及灵活性低等缺点，限制其进一步推广。另一方面，微带线采用传统PCB技术制作，其体积小，剖面低，但其具有较高的欧姆损耗及插入损耗。因此在结合了微带线及波导各自的优点后，介质集成波导便应运而生，其采用微带线的介质及上下层的金属作为传统波导的腔体，大大缩小了波导体积，并且其加工制作的成本也低，使得低剖面宽带平面缝隙天线的制作变得可能。

由于介质集成波导存在背腔结构，使得天线的增益能够得到提高，但同时也限制着带宽。为了提高带宽，首先是在原有的基础上增加其高度，但该方法不符合小型化的需求。因此，在不改变介质集成波导的高度下，采用改变波导表面的电流分布将不同谐振模式集中在一定频段内的方法，实现宽频特性。虽然这个方法可以提高带宽，但其增益受到了一定的影响。因此，低剖面、宽带宽、高增益的平面缝隙阵列天线是人们所追求的目标。基于此，本发明提出一种基于介质集成波导的宽带背腔式平面缝隙阵列天线。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于介质集成波导的宽带背腔式平面缝隙阵列天线，在介质集成波导结构设计辐射结构和馈电结构，实现低剖面、宽带宽、高增益的特性。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于介质集成波导的宽带背腔式平面缝隙阵列天线，其特征在于：所述宽带背腔式平面缝隙阵列天线是由辐射结构和馈电结构组成；其中，所述辐射结构是由2个或4个辐射单元构成，每个辐射单元是通过在介质集成波导的上层金属板开缝隙槽实现电磁波的辐射；所述馈电结构是采用等幅同相的微带功分器，给辐射单元提供相同的射频能量；

进一步，所述宽带背腔式平面缝隙阵列天线结构从上至下依次包括：第一层金属片(1)、第一层介质板(2)、第二层金属片(3)以及金属孔(4)；

进一步，所述辐射单元的第一层金属片(1)设置具有左右对称性的“亣”字形缝隙槽和呈倒立状的“八”字形缝隙槽(8)；所述“亣”字形缝隙槽是由“—”字形缝隙槽(5)，中间的“|”字形缝隙槽(6)以及两侧的“|”字形缝隙槽(7)相连构成；所述“—”字形缝隙槽作为主辐射体，向自由空间辐射电磁波；所述“|”字形缝隙槽以及对称分布两侧的“|”字缝隙槽则是用以扰动电流分布从而移动谐振频率达到宽带的效果；所述呈倒立状的“八”字形缝隙槽(8)，用以均分馈入的射频能量，使得电流分布更加地对称，与“亣”字形缝隙槽结构配合，用以提高带宽以及辐射增益；

进一步，金属孔(4)是一组直径为1mm的圆柱形金属连接杆，均匀分布第一层介质板(2)的四周边缘，连接着第一层金属片(1)和第二层金属片(3)，以此形成介质集成波导的金属壁；所述金属孔(4)的每一个圆柱形金属连接杆相邻间距为1.5mm；

进一步，所述每一个辐射单元的间距相等且为0.86λ，λ为工作频点9.0GHz对应的自由空间波长；

进一步，所述辐射单元数量n为2或者4。当辐射单元数为2时，所述馈电结构则为一分二等幅同相微带功分器；当所述辐射单元数量为4时，所述馈电结构则为一分四等幅同相微带功分器；所述2个辐射单元与一分二等幅同相微带功分器相连，则构成2单元阵列天线；所述4个辐射单元与一分四等幅同相微带功分器相连，则构成4单元阵列天线；

进一步，所述等幅同相微带功分器的每一路输出端口到输入端口的传输长度相同，实现等幅同相馈电；所述等辐同相微带功分器采用阶梯形金属线(9)和“T”形分支金属线(10)，实现良好的阻抗匹配；所述等幅同相微带功分器的输入阻抗和输出阻抗设置为50欧姆；

进一步，所述第一层介质板(2)采用Rogers5880，其介电常数ε_r为2.2，厚度相同且均为0.04λ；所述第二层金属片(3)的平面尺寸与第一层介质板(2)相同；

进一步，所述2单元阵列天线尺寸为1.58λ×1.77λ×0.04λ，相对带宽25.6％，9.0GHz的增益为10.1dBi，1dB增益带宽为12.8％；所述4单元阵列天线尺寸为2.07λ×3.46λ×0.04λ，相对带宽31.3％，9.0GHz的增益为12.9dBi，1dB增益带宽为6.8％。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)本发明提出的基于介质集成波导的宽带背腔式平面缝隙阵列天线具有低剖面特性，天线高度仅0.04λ；

(2)本发明提出的基于介质集成波导的宽带背腔式平面缝隙阵列天线具有宽带特性，2单元阵列带宽和4单元阵列天线带宽分别达25.6％和31.3％；

(3)本发明提出的基于介质集成波导的宽带背腔式平面缝隙阵列天线具有良好的辐射增益特性，2单元阵列天线和4单元阵列天线在工作频点的增益分别为10.1dBi和12.9dBi,1dB增益带宽比分别为12.8％和6.8％，交叉极化电平低于-30dB；

(4)本发明提出的基于介质集成波导的宽带背腔式平面缝隙阵列天线采用传统PCB工艺制作，结构简单，易于集成。

下面结合附图，对本发明进行更详细的描述。

附图说明

图1为本发明基于介质集成波导的宽带背腔式平面缝隙阵列天线结构图。其中，(a)为2单元阵列天线结构图，图(b)为4单元阵列天线结构图。

图2为本发明基于介质集成波导的宽带背腔式平面缝隙阵列天线的反射系数曲线图。其中(a)为2单元阵列天线的反射系数曲线图，图(b)为4单元阵列天线的反射系数曲线图。

图3为本发明基于介质集成波导的宽带背腔式平面缝隙阵列天线的增益曲线图。其中(a)为2单元阵列天线的增益曲线图，图(b)为4单元阵列天线的增益曲线图。

图4为本发明基于介质集成波导的宽带背腔式平面缝隙阵列天线在9.0GHz处的辐射方向图。其中(a)为2单元阵列天线的辐射方向图，图(b)为4单元阵列天线的辐射方向图。

附图标记：1-第一层金属片，2-第一层介质板，3-第二层金属片，4-金属孔，5-“—”字形缝隙槽，6-中间“|”字形缝隙槽，7-两侧“|”字形缝隙槽，8-“八”字形缝隙槽，9-阶梯形金属线，10-“T”形分支金属线。

具体实施方式

图1为本发明基于介质集成波导的宽带背腔式平面缝隙阵列天线结构。该天线是由辐射结构和馈电结构组成；其中，辐射结构是由2个或4个辐射单元构成，每个辐射单元是通过在介质集成波导的上层金属板开缝实现电磁波的辐射；馈电结构是采用等幅同相的微带功分器，给辐射单元提供相同的射频能量；天线结构从上至下依次包括：第一层金属片(1)、第一层介质板(2)、第二层金属片(3)，以及金属孔(4)；所述辐射单元的第一层金属片(1)设置具有左右对称性的“亣”字形缝隙槽和呈倒立状的“八”字形缝隙槽(8)；所述“亣”字形缝隙槽是由“—”字形缝隙槽(5)，中间的“|”字形缝隙槽(6)以及两侧的“|”字形缝隙槽(7)相连构成；所述“—”字形缝隙槽作为主辐射体，向自由空间辐射电磁波；所述“|”字形缝隙槽以及对称分布两侧的“|”字缝隙槽侧是用以扰动电流分布从而移动谐振频率达到宽带的效果；所述呈倒立状的“八”字形缝隙槽(8)，用以均分馈入的射频能量，使得电流分布更加地对称，与“亣”字形缝隙槽配合，用以提高带宽以及辐射增益；所述金属孔(4)是一组直径为1mm的圆柱形金属连接杆，均匀分布第一层介质板(2)的四周边缘，连接着第一层金属片(1)和第二层金属片(3)，以此形成介质集成波导的金属壁；所述金属孔(4)的每一个圆柱形金属连接杆相邻间距为1.5mm；所述每一个辐射单元的间距相等且为0.86λ，λ为工作频点9.0GHz对应的自由空间波长；当辐射单元数为2时，所述馈电结构则为一分二等幅同相微带功分器；当所述辐射单元数量为4时，所述馈电结构则为一分四等幅同相微带功分器；所述2个辐射单元与一分二等幅同相微带功分器相连，则构成2单元阵列天线；所述4个辐射单元与一分四等幅同相微带功分器相连，则构成4单元阵列天线。所述等幅同相微带功分器的每一路输出端口到输入端口的传输长度相同，实现等幅同相馈电；所述等辐同相微带功分器采用阶梯形金属线(9)和“T”形分支金属线(10)，实现良好的阻抗匹配；所述等幅同相微带功分器的输入阻抗和输出阻抗设置为50欧姆；所述第一层介质板(2)采用Rogers5880，其介电常数ε_r为2.2，厚度相同且均为0.04λ；所述第二层金属片(3)的平面尺寸与第一层介质板(2)相同；2单元阵列天线4单元阵列天线的尺寸分别为1.58λ×1.77λ×0.04λ和2.07λ×3.46λ×0.04λ。

图2为本发明基于介质集成波导的宽带背腔式平面缝隙阵列天线的反射系数曲线图。可以看到，2单元阵列天线的-10dB反射系数带宽达到23.6％；4单元阵列天线的-10dB反射系数在2单元阵列天线的基础上进一步提升，其相对带宽为31.3％；该仿真结果验证基于介质集成波导的宽带背腔式平面缝隙阵列天线具有宽带特性。

图3为本发明基于介质集成波导的宽带背腔式平面缝隙阵列天线的增益曲线图。可以看出，2单元阵列天线和4单元阵列天线在工作频点的增益分别可达10.1dBi和13.4dBi，1dB增益带宽分别为12.8％和6.8％，该仿真结果验证基于介质集成波导的宽带背腔式平面缝隙阵列天线具有良好的辐射增益特性。

图4为本发明基于介质集成波导的宽带背腔式平面缝隙阵列天线在9.0GHz处的E面辐射方向图。可以看到，宽带背腔式平面缝隙阵列天线在工作频点具有良好的增益方向图。

由上可知，本发明基于介质集成波导的宽带背腔式平面缝隙阵列天线具有低剖面、宽频带、高增益带的特性。

Claims (7)

1.一种基于介质集成波导的宽带背腔式平面缝隙阵列天线，其特征：该天线是由辐射结构和馈电结构组成；其中，所述辐射结构，是由2个或4个辐射单元构成，每个辐射单元是通过在介质集成波导的上层金属板开缝隙槽实现电磁波的辐射；所述馈电结构，采用等幅同相的微带功分器，给辐射单元提供相同的射频能量；天线结构从上至下依次包括：第一层金属片(1)、第一层介质板(2)、第二层金属片(3)，以及金属孔(4)。

2.根据权利要求1所述的基于介质集成波导的宽带背腔式平面缝隙阵列天线，其特征在于，所述辐射单元的第一层金属片(1)设置具有左右对称性的“亣”字形缝隙槽和呈倒立状的“八”字形缝隙槽(8)；所述“亣”字形缝隙槽是由“—”字形缝隙槽(5)，中间的“|”字形缝隙槽(6)以及两侧的“|”字形缝隙槽(7)相连构成；所述“—”字形缝隙槽作为主辐射体，向自由空间辐射电磁波；所述“|”字形缝隙槽以及对称分布两侧的“|”字缝隙槽是用以扰动电流分布从而移动谐振频率达到宽带效果；所述呈倒立状的“八”字形缝隙槽(8)，用以均分馈入的射频能量，使得电流分布更加地对称，与“亣”字形缝隙槽配合，用以提高带宽以及辐射增益。

3.根据权利要求1所述的基于介质集成波导的宽带背腔式平面缝隙阵列天线，其特征在于，所述金属孔(4)是一组直径为1mm的圆柱形金属连接杆，均匀分布第一层介质板(2)的四周边缘；所述金属孔(4)连接着第一层金属片(1)和第二层金属片(3)，以此形成介质集成波导的金属壁；所述金属孔(4)的每一个圆柱形金属连接杆相邻间距为1.5mm；所述每一个辐射单元的间距相等且为0.86λ，λ为工作频点9.0GHz对应的自由空间波长。

4.根据权利要求1所述的基于介质集成波导的宽带背腔式平面缝隙阵列天线，其特征在于，所述辐射单元数量n为2或者4。当辐射单元数为2时，所述馈电结构则为一分二等幅同相微带功分器；当所述辐射单元数量为4时，所述馈电结构则为一分四等幅同相微带功分器；所述2个辐射单元与一分二等幅同相微带功分器相连，则构成2单元阵列天线；所述4个辐射单元与一分四等幅同相微带功分器相连，则构成4单元阵列天线。

5.根据权利要求4所述的基于介质集成波导的宽带背腔式平面缝隙阵列天线，其特征在于，所述等幅同相微带功分器的每一路输出端口到输入端口的传输长度相同，实现等幅同相馈电；所述等辐同相微带功分器采用阶梯形金属线(9)和“T”形分支金属线(10)，实现良好的阻抗匹配；所述等幅同相微带功分器的输入阻抗和输出阻抗设置为50欧姆。

6.根据权利要求1所述的基于介质集成波导的宽带背腔式平面缝隙阵列天线，其特征在于，所述第一层介质板(2)采用Rogers5880，其介电常数ε_r为2.2，厚度相同且均为0.04λ；所述第二层金属片(3)的平面尺寸与第一层介质板(2)相同。

7.根据权利要求1所述的基于介质集成波导的宽带背腔式平面缝隙阵列天线，其特征在于，所述2单元阵列天线尺寸为1.58λ×1.77λ×0.04λ，相对带宽25.6％，9.0GHz的增益为10.1dBi，1dB增益带宽为12.8％；所述4单元阵列天线尺寸为2.07λ×3.46λ×0.04λ，相对带宽31.3％，9.0GHz的增益为12.9dBi，1dB增益带宽为6.8％。

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