CN112701462A - 一种siw圆极化低剖面磁电偶极子天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种SIW圆极化低剖面磁电偶极子天线。该天线包括三层金属贴片和两层介质基板，分别是上层金属贴片、上层介质基板，中间层金属贴片，下层介质基板以及下层金属贴片。所述的上层金属贴片是一对将矩形金属片切除正方形角并增加倾斜的椭圆形贴片的金属片，每个金属贴片的边缘设有两个金属通孔，贯穿上层介质基板，连接上层和中间层金属贴片；中间层金属贴片平铺整个下层介质基板的上表面并刻蚀蝶形缝隙；下层介质基板带有30个金属通孔，连接中间层金属贴片及下层金属贴片；下层金属贴片通过一段渐变的微带线过渡至微带结构与馈电端口相连。本发明天线具有体积小、剖面低，轴比带宽更宽的优点。

Description

一种SIW圆极化低剖面磁电偶极子天线
技术领域
本发明涉及圆极化磁电偶极子天线技术领域，特别是一种SIW圆极化低剖面磁电偶极子天线。
背景技术
5G时代已经到来，5G频谱远高于4G，电磁波的频率高、波长短、穿透力差、衰减大，在相同覆盖范围的情况内需要安放更多的天线，数据传输量剧增。相比于线极化天线，圆极化天线能够抑制多径干扰，极化偏转损失小，可以对抗恶劣天气的影响，因此开发体积小，剖面低、宽频带的圆极化天线是十分必要的。
在微波毫米波电路中传统金属波导损耗小，Q值高，功率容量大，但是体积大、成本高、难以集成，微带传输线则正好相反。基于以上矛盾产生了基片集成波导(SIW)，SIW制作工艺简单，成本低，传输损耗小，易于与其他有源器件结合，实现平面集成化，适合大规模生产，满足5G通信需求。但是目前存在的毫米波圆极化天线结构复杂，轴比带宽窄。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、容易实现的SIW圆极化低剖面磁电偶极子天线，该天线体积小剖面低，通信频带宽，圆极化频带宽。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种SIW圆极化低剖面磁电偶极子天线，包括由上至下设置的上层金属贴片、上层介质基板、中间层金属贴片、下层介质基板、下层金属贴片，其中：
所述上层金属贴片包括设置于右侧的第一金属片和设置于左侧的第二金属片，第一金属片和第二金属片结构相同且二者关于中心对称设置；第一金属片和第二金属片采用将矩形金属片切除正方形角并增加倾斜的椭圆形贴片的金属片，每个金属片的边缘设有两个金属通孔，具体为第一～第四金属通孔；
所述上层介质基板被第一～第四金属通孔贯穿，连接上层金属贴片和中间层金属贴片；
所述中间层金属贴片平铺满整个下层介质基板的上表面，并刻蚀蝶形缝隙，蝶形缝隙的两侧分别为第一金属通孔、第二金属通孔和第三金属通孔、第四金属通孔；
所述下层介质基板设有30个金属通孔形成金属通孔线阵，金属通孔线阵包括左侧、上侧、右侧依次连接的三排金属通孔，其中每个金属通孔连接中间层金属贴片和下层金属贴片；三排金属通孔线阵包围蝶形缝隙形成SIW谐振腔；
所述下层金属贴片通过渐变微带线过渡至微带线与馈电端口相连。
进一步地，所述第一金属片的主体为矩形金属片，该矩形金属片的右下角增加第一椭圆形贴片，右上角切除一个第一矩形；第一金属片的左侧边缘设有两个直径相等的第一金属通孔和第二金属通孔，所述第一金属通孔、第二金属通孔贯穿上层介质基板，连接上层金属贴片和中间层金属贴片；
第二金属片的左上角增加第二椭圆形贴片，该矩形金属片的左下角切除一个第二矩形；第二金属片的右侧边缘设有两个直径相等的第三金属通孔、第四金属通孔，与第一金属通孔、第二金属通孔的直径相等，第三金属通孔、第四金属通孔贯穿上层介质基板，连接上层金属贴片和中间层金属贴片。
进一步地，能量通过馈电端口输入，经微带线及渐变微带线传输到SIW谐振腔后，经过蝶形缝隙耦合到上层金属贴片，中间层金属贴片作为天线的地，馈线位于下层金属贴片。
进一步地，上层金属贴片的第一金属片、第二金属片分别位于蝶形缝隙的两侧。
进一步地，上层金属贴片的第一金属通孔、第二金属通孔和第三金属通孔、第四金属通孔对称分布于蝶形缝隙的两侧。
进一步地，蝶形缝隙不是关于中间层金属贴片的中线对称，而是向右偏移设定距离。
进一步地，根据以下公式确定SIW谐振腔的尺寸：
Figure BDA0002837876130000021
式中，weff为SIW谐振腔的等效宽度；w为SIW谐振腔的实际宽度，即左侧一排金属通孔和右侧一排金属通孔之间的距离；位于下层介质基板中所有的金属通孔的直径均为d；s为同侧相邻两金属通孔圆心之间的距离。
进一步地，上层介质基板厚度为1.016mm，下层介质基板的厚度为0.508mm，天线的整体高度为1.524mm。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)采用基片集成波导结构，体积小、功耗低、易于集成；(2)通过对上层金属贴片微扰实现圆极化，结构简单；(3)通过蝶形缝隙耦合馈电，获得更宽的阻抗带宽；(4)采用磁电偶极子结构，方向图稳定、交叉极化水平低；(5)通过调节上层介质基板中四个通孔位置实现较宽的天线轴比。
附图说明
图1是本发明SIW圆极化低剖面磁电偶极子天线的结构图，其中(a)为天线的前视图，(b)为天线的侧视图，(c)为上层金属贴片电路图，(d)为上层介质层基板俯视图，(e)为中间层金属贴片电路图，(f)为下层介质基板俯视图，(g)为下层金属贴片电路图。
图2是本发明SIW圆极化低剖面磁电偶极子天线的S11曲线图。
图3是本发明SIW圆极化低剖面磁电偶极子天线的增益曲线图。
图4是本发明SIW圆极化低剖面磁电偶极子天线的轴比曲线图。
图5是本发明SIW圆极化低剖面磁电偶极子天线在24GHz的辐射方向图。
具体实施方式
本发明SIW圆极化低剖面磁电偶极子天线，具有较低的剖面，为减少微带线对天线性能的影响，将其作为底层金属贴片，使天线性能更稳定，采用渐变的微带线以及蝶形缝隙馈电使天线具有更宽的阻抗带宽，上层介质对称分布的四个金属通孔使天线具有更宽的轴比频带。
结合图1，本发明一种SIW圆极化低剖面磁电偶极子天线，包括由上至下设置的上层金属贴片1、上层介质基板4、中间层金属贴片2、下层介质基板5、下层金属贴片3，其中：
所述上层金属贴片1包括设置于右侧的第一金属片11和设置于左侧的第二金属片12，第一金属片11和第二金属片12结构相同且二者关于中心对称设置；第一金属片11和第二金属片12采用将矩形金属片切除正方形角并增加倾斜的椭圆形贴片的金属片，每个金属片的边缘设有两个金属通孔，具体为第一～第四金属通孔111、112、121、122；
所述上层介质基板4被第一～第四金属通孔111、112、121、122贯穿，连接上层金属贴片1和中间层金属贴片2；
所述中间层金属贴片2平铺满整个下层介质基板5的上表面，并刻蚀蝶形缝隙21，蝶形缝隙21的两侧分别为第一金属通孔111、第二金属通孔112和第三金属通孔121、第四金属通孔122；
所述下层介质基板5设有30个金属通孔形成金属通孔线阵23，金属通孔线阵23包括左侧、上侧、右侧依次连接的三排金属通孔，其中每个金属通孔连接中间层金属贴片2和下层金属贴片3；三排金属通孔线阵23包围蝶形缝隙21形成SIW谐振腔34；
所述下层金属贴片3通过渐变微带线31过渡至微带线32与馈电端口33相连。
作为一种具体示例，所述第一金属片11的主体为矩形金属片，该矩形金属片的右下角增加第一椭圆形贴片113，右上角切除一个第一矩形114；第一金属片11的左侧边缘设有两个直径相等的第一金属通孔111和第二金属通孔112，所述第一金属通孔111、第二金属通孔112贯穿上层介质基板4，连接上层金属贴片1和中间层金属贴片2；
第二金属片12的左上角增加第二椭圆形贴片123，该矩形金属片的左下角切除一个第二矩形124；第二金属片12的右侧边缘设有两个直径相等的第三金属通孔121、第四金属通孔122，与第一金属通孔111、第二金属通孔112的直径相等，第三金属通孔121、第四金属通孔122贯穿上层介质基板4，连接上层金属贴片1和中间层金属贴片2。
作为一种具体示例，能量通过馈电端口33输入，经微带线32及渐变微带线31传输到SIW谐振腔34，后，经过蝶形缝隙21耦合到上层金属贴片1，中间层金属贴片2作为天线的地，馈线位于下层金属贴片3。
作为一种具体示例，上层金属贴片1的第一金属片11、第二金属片12分别位于蝶形缝隙21的两侧。
作为一种具体示例，上层金属贴片1的第一金属通孔111、第二金属通孔112和第三金属通孔121、第四金属通孔122对称分布于蝶形缝隙21的两侧。
作为一种具体示例，蝶形缝隙21不是关于中间层金属贴片2的中线22对称，而是向右偏移设定距离24。
作为一种具体示例，根据以下公式确定SIW谐振腔33的尺寸：
Figure BDA0002837876130000041
式中，weff为SIW谐振腔的34等效宽度；w为SIW谐振腔34的实际宽度，即左侧一排金属通孔和右侧一排金属通孔之间的距离；位于下层介质基板5中所有的金属通孔的直径均为d；s为同侧相邻两金属通孔圆心之间的距离。
作为一种具体示例，上层介质基板4厚度为1.016mm，下层介质基板5的厚度为0.508mm，天线的整体高度为1.524mm。
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例
结合图1，本发SIW圆极化低剖面磁电偶极子天线，包括上层金属贴片1、上层介质基板4、中间层金属贴片2、下层介质基板5、下层金属贴片3；所述上层金属贴片1由两部分11、12组成，11、12结构相似，以右侧金属片11为例：主体为矩形，右下角增加椭圆形贴片113，右上角切除一个小矩形114；上层金属贴片1的右侧金属贴片11的左边缘设有两个金属通孔111、112，左侧金属贴片12的右边缘设有两个金属通孔121、122，金属通孔111、112、121、122直径相等，对称分布于两侧，但金属通孔111、121位于金属贴片11、12中线25的偏上26的位置，而不是中线25的位置，金属通孔111、112贯穿介质层4，连接上层金属贴片11和中间层金属贴片2，金属通孔121、122贯穿介质层4，连接上层金属贴片12和中间层金属贴片2。中间层金属贴片2平铺满整个下层介质基板5的上表面并刻蚀有蝶形缝隙21相当于天线的地，缝隙21不是位于中线22位置，而是向右偏移一定距离24。下层金属贴片3通过一段渐变的微带线31过渡至微带线32连接馈电端口33，并通过下层介质基板5的金属通孔与中间层金属贴片2相连。
本发明SIW的参数设计过程如下：
(一)上层介质基板4的厚度为1.016mm、介电常数为2.2，下层介质基板5的厚度为0.508mm、介电常数为2.2。
(二)上层金属贴片1通过切角及增加椭圆结构使天线实现圆极化性能，金属通孔111、112、121、122的位置，使所设计SIW圆极化低剖面磁电偶极子天线实现较宽的轴比特性；
(三)根据以下公式确定SIW谐振腔的尺寸：
Figure BDA0002837876130000051
式中，weff为SIW谐振腔34的等效宽度，w为SIW谐振腔34的实际宽度，即金属通孔321和金属通孔322之间的距离，d为金属通孔321的直径，位于下层介质基板5中所有的金属通孔的直径相等均为d。s为金属通孔321和金属通孔323圆心之间的距离。
(四)下层金属贴片3通过一段渐变的微带线31过渡至微带线32连接馈电端口33，通过优化渐变微带线31的尺寸提高天线的阻抗带宽。
(五)上层金属贴片1由两部分11、12组成，11、12结构相似，以右侧金属片11为例：主体为矩形，右下角增加椭圆形贴片113，右上角切除一个小矩形114，然后调整小矩形114及椭圆贴片113的尺寸使天线满足圆极化的特性。
结合图1(a)～(g)，本发明SIW圆极化低剖面磁电偶极子天线，介质基片4的材料为Roger RT5880，介电常数εr＝2.2，厚度H1＝1.016mm,尺寸为9.9mm×13.8mm×1.016mm,介质基片5的材料为Roger RT5880，介电常数εr＝2.2，厚度H2＝0.508mm，尺寸为13.2mm×13.8mm×0.508mm；贯穿上层层介质基板4的通孔111、112、121、122直径为0.8mm，蝶形缝隙的宽度为2.8mm，长度为3.6mm，贯穿下层介质基板5的通孔直径为0.6mm，金属通孔321和金属通孔322圆心之间的距离为5.6mm，金属通孔321和金属通孔323圆心之间的距离为0.8mm。
图2是本发明SIW圆极化低剖面磁电偶极子天线的S11曲线图，SIW圆极化低剖面磁电偶极子天线的工作频带为22～31.5GHz，绝对带宽为9.5GHz，相对带宽为35.5％，本天线剖面低且具有较宽的工作频带。
图3是本发明SIW圆极化低剖面磁电偶极子天线轴比曲线图，SIW圆极化低剖面磁电偶极子天线的轴比频带为22.35～25.28GHz，绝对轴比带宽为2.93GHz，相对轴比带宽为12.3％，与传统单馈电SIW圆极化天线相比具有较宽的轴比带宽。
图4是本发明SIW圆极化低剖面磁电偶极子天线的增益随频率变化的曲线图，在整个工作频段内，增益满足要求。
图5是本发明SIW圆极化低剖面磁电偶极子天线在24GHz辐射方向图，SIW圆极化低剖面磁电偶极子天线方向图稳定，交叉极化水平低。
综上所述，本发明SIW圆极化低剖面磁电偶极子天线方向图稳定，交叉极化水平低，结构简单，易于加工实现。

Claims (8)

1.一种SIW圆极化低剖面磁电偶极子天线，其特征在于，包括由上至下设置的上层金属贴片(1)、上层介质基板(4)、中间层金属贴片(2)、下层介质基板(5)、下层金属贴片(3)，其中：
所述上层金属贴片(1)包括设置于右侧的第一金属片(11)和设置于左侧的第二金属片(12)，第一金属片(11)和第二金属片(12)结构相同且二者关于中心对称设置；第一金属片(11)和第二金属片(12)采用将矩形金属片切除正方形角并增加倾斜的椭圆形贴片的金属片，每个金属片的边缘设有两个金属通孔，具体为第一～第四金属通孔(111、112、121、122)；
所述上层介质基板(4)被第一～第四金属通孔(111、112、121、122)贯穿，连接上层金属贴片(1)和中间层金属贴片(2)；
所述中间层金属贴片(2)平铺满整个下层介质基板(5)的上表面，并刻蚀蝶形缝隙(21)，蝶形缝隙(21)的两侧分别为第一金属通孔(111)、第二金属通孔(112)和第三金属通孔(121)、第四金属通孔(122)；
所述下层介质基板(5)设有30个金属通孔形成金属通孔线阵(23)，金属通孔线阵(23)包括左侧、上侧、右侧依次连接的三排金属通孔，其中每个金属通孔连接中间层金属贴片(2)和下层金属贴片(3)；三排金属通孔线阵(23)包围蝶形缝隙(21)形成SIW谐振腔(34)；
所述下层金属贴片(3)通过渐变微带线(31)过渡至微带线(32)与馈电端口(33)相连。
2.根据权利要求1所述的SIW圆极化低剖面磁电偶极子天线，其特征在于，所述第一金属片(11)的主体为矩形金属片，该矩形金属片的右下角增加第一椭圆形贴片(113)，右上角切除一个第一矩形(114)；第一金属片(11)的左侧边缘设有两个直径相等的第一金属通孔(111)和第二金属通孔(112)，所述第一金属通孔(111)、第二金属通孔(112)贯穿上层介质基板(4)，连接上层金属贴片(1)和中间层金属贴片(2)；
第二金属片(12)的左上角增加第二椭圆形贴片(123)，该矩形金属片的左下角切除一个第二矩形(124)；第二金属片(12)的右侧边缘设有两个直径相等的第三金属通孔(121)、第四金属通孔(122)，与第一金属通孔(111)、第二金属通孔(112)的直径相等，第三金属通孔(121)、第四金属通孔(122)贯穿上层介质基板(4)，连接上层金属贴片(1)和中间层金属贴片(2)。
3.根据权利要求1或2所述的SIW圆极化低剖面磁电偶极子天线，其特征在于，能量通过馈电端口(33)输入，经微带线(32)及渐变微带线(31)传输到SIW谐振腔(34)后，经过蝶形缝隙(21)耦合到上层金属贴片(1)，中间层金属贴片(2)作为天线的地，馈线位于下层金属贴片(3)。
4.根据权利要求3所述的SIW圆极化低剖面磁电偶极子天线，其特征在于，上层金属贴片(1)的第一金属片(11)、第二金属片(12)分别位于蝶形缝隙(21)的两侧。
5.根据权利要求3所述的SIW圆极化低剖面磁电偶极子天线，其特征在于，上层金属贴片(1)的第一金属通孔(111)、第二金属通孔(112)和第三金属通孔(121)、第四金属通孔(122)对称分布于蝶形缝隙(21)的两侧。
6.根据权利要求3所述的SIW圆极化低剖面磁电偶极子天线，其特征在于，蝶形缝隙(21)不是关于中间层金属贴片(2)的中线(22)对称，而是向右偏移设定距离(24)。
7.根据权利要求3所述的SIW圆极化低剖面磁电偶极子天线，其特征在于，根据以下公式确定SIW谐振腔(33)的尺寸：
Figure FDA0002837876120000021
式中，weff为SIW谐振腔的(34)等效宽度；w为SIW谐振腔(34)的实际宽度，即左侧一排金属通孔和右侧一排金属通孔之间的距离；位于下层介质基板(5)中所有的金属通孔的直径均为d；s为同侧相邻两金属通孔圆心之间的距离。
8.根据权利要求4～7任一项所述的SIW圆极化低剖面磁电偶极子天线，其特征在于，上层介质基板(4)厚度为1.016mm，下层介质基板(5)的厚度为0.508mm，天线的整体高度为1.524mm。
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