CN113097716B - 一种采用基片集成波导技术的宽带圆极化端射天线 - Google Patents

一种采用基片集成波导技术的宽带圆极化端射天线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及无线通信的天线技术领域，具体涉及一种采用基片集成波导技术的宽带圆极化端射天线，包括：由上层金属表面1、介质基板3和下层金属底面4按照自上而下顺序堆叠成的单层电路板基板；所述单层电路板基板上设置有两列金属化过孔5构成基片集成波导结构SIW；所述基片集成波导结构的上端为基片集成波导端口2用于对后端的天线辐射单元进行馈电；所述基片集成波导结构的下端口为端射天线辐射单元。本发明的宽带圆极化端射天线结构简单、便于制作和集成到电路中，其在所工作的毫米波频段具有轴比带宽、阻抗带宽和半功率波瓣宽度均较宽等优点。

Description

一种采用基片集成波导技术的宽带圆极化端射天线
技术领域
本发明涉及无线通信的天线技术领域，具体涉及一种采用基片集成波导(Substrate integrated waveguide，SIW)技术的宽带圆极化端射天线。
背景技术
近年来，随着移动用户数量的急剧增长，通信系统在不断更新与扩容，对天线的设计提出越来越高的要求，一方面要求天线宽频化、多频化，以同时满足多个系统的通信要求；另一方面要求实现多系统共用减少天线的数量，以减小天线间的干扰并降低成本。目前，多频天线是基站系统中常用的多系统天线之一，多频基站天线设计的核心问题就是如何优化天线的实现形式，包括辐射单元的设计以及反射边界的优化，使得天线结构紧凑、体积小、重量轻，同时具有优异的辐射性能及宽频带特性，以满足新的技术指标要求，因此一次能够覆盖以上所有频段的宽带天线便能解决上述多天线的难题。
毫米波对沙尘、烟雾等具有很强穿透能为，即它们能够几乎无衰减的在大雾和沙尘天气中传播。圆极化天线的抗云、雨干扰的能力，使它能够适合在不同的天气下工作。因此，毫米波圆极化天线在通信领域内的相关技术得到不断发展。基片集成波导是介于微带与介质填充波导之间的一种传输线，基片集成波导兼顾传统波导和微带传输线的优点，可实现高性能微波毫米波平面电路。因此基于基片集成波导的毫米波宽带圆极化天线具有广阔应用前景。现有技术中，专利号CN201810607988.6公开了一种采用介质加载的阶梯型缝隙的端射多波束双圆极化天线阵，通过设计宽带双圆极化天线单元、天线馈电网络及天线单元间用于提升隔离的空气槽，该端射多波束双圆极化天线阵列获得了可应用于微波毫米波频段的、易于设计和加工、易于平面集成、高带宽、可实现端射多波束双圆极化等优点。但是现有端射多波束双圆极化天线多为双层介质板结构，成本高、加工难度大；其次，现有端射多波束双圆极化天线大多是双端口馈电，其一个端口馈电的时候另一个端口需要接入一个匹配负载才能，具体应用过程较为复杂。此外，现有端射多波束双圆极化天线的阻抗带宽为29.3％，3dB轴比带宽为22.5％，天线性能宽带性能欠佳。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种采用基片集成波导技术的宽带圆极化端射天线，其工作频段覆盖毫米波整个Ka波段，可适用于毫米波无线通信系统。该天线具有结构简单、低剖面、轴比带宽宽、阻抗带宽宽、半功率波瓣宽度宽、便于制作和射频集成到电路中等优点。
一种采用基片集成波导技术的宽带圆极化端射天线，该天线为单层介质板结构，包括由上层金属表面1、介质基板3和下层金属底面4按照自上而下顺序堆叠成的单层电路板基板；所述单层电路板基板上设置有两列金属化过孔5构成基片集成波导结构SIW；所述基片集成波导结构的上端为基片集成波导端口2用于对后端的天线辐射单元进行馈电；所述基片集成波导结构的下端口为端射天线辐射单元，端射天线辐射单元的上层金属表面1和下层金属底面4分别蚀刻有一个钳形缺口6，所述钳形缺口6使下端口辐射出的电磁波的极化模式变为左旋圆极化。
进一步的，上层金属表面1和下层金属底面4的钳形缺口关于z轴对称。
进一步的，上层金属表面和下层金属底面的单个钳形缺口由两个不同大小的矩形缺口组成，其中，较大的缺口用于调节天线的圆极化特性，较小的缺口用于调节天线的匹配特性。
进一步的，所述圆极化端射天线辐射单元的端射方向上加载有一个辐射引向器7，辐射引向器7用于改善所述端射天线辐射单元的工作带宽以及辐射性能。
进一步的，所述辐射引向器7为半圆形或长方形，设置在端射天线的正z轴方向上；辐射引向器7的半径和端射单元的频率有关，辐射引向器的尺寸用于调节天线的辐射增益和轴比带宽。
进一步的，辐射引向器7的材料和介质基板3的材料相同，辐射引向器7的宽度和端射天线辐射单元的频率有关，辐射引向器7的尺寸可以调节天线的辐射增益和轴比带宽。
进一步的，介质基板3的厚度为1.52mm。
本发明所提出的一种采用基片集成波导技术的宽带圆极化端射天线具有如下优点：
1.该天线为单层介质板结构，使得加工难度更加简单，成本更低，而对比天线的双层介质板结构。
2.该天线为单一馈电结构，馈电方式简单。对比天线为双端口馈电，其一个端口馈电的时候另一个端口需要接入一个匹配负载才能，具体应用过程较为复杂。
3.该天线拥有62.2％的阻抗带宽和55.6％的3dB轴比带宽。对比天线的阻抗带宽为29.3％，3dB轴比带宽为22.5％，和对比天线相比本发明所提出的天线性能宽带性能更佳。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
图1为本发明的宽带圆极化端射天线的立体示意图；
图2为本发明的天线的俯视图；
图3为本发明的天线的端口反射系数和轴比随频率变化的曲线图；
图4为本发明的天线的增益与效率随频率变化的曲线图；
图5为本发明的天线在26GHz频率时的辐射方向图；
图6为本发明的天线在35.5GHz频率时的辐射方向图；
图7为本发明的天线在45GHz频率时的辐射方向图；
其中，附图标记：1、上层金属表面，2、基片集成波导端口，3、介质基板，4、下层金属底面,5、金属化过孔；6、钳形缺口，7、辐射引向器。
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做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。
本实施例提供一种采用基片集成波导技术的宽带圆极化端射天线，该宽带圆极化端射天线结构简单、便于制作和集成到电路中，其在所工作的毫米波频段具有轴比带宽、阻抗带宽和半功率波瓣宽度均较宽等优点。如图1所示，该天线包括上层金属表面1、基片集成波导端口2(又称为馈电端口)，介质基板3，下层金属底面4，金属化过孔5，钳形缺口6，辐射引向器7。在一种优选实施方式中，该天线为单层介质板结构，包括由上层金属表面1、介质基板3和下层金属底面4按照自上而下顺序堆叠成的单层电路板基板；所述单层电路板基板上设置有两列金属化过孔5构成基片集成波导结构(SIW)。
所述基片集成波导结构的上端为基片集成波导端口2(馈电端口)，基片集成波导端口2用于对后端的天线辐射单元进行馈电。所述基片集成波导结构的下端口为端射天线辐射单元，此时端射天线辐射单元所辐射出的电磁波极化模式为线极化。
为了改变端射天线辐射单元所辐射出的电磁波极化模式，在一种优选实施方式中，在端射天线辐射单元的上层金属表面1和下层金属底面4分别蚀刻有一个钳形缺口6，所述钳形缺口6使下端口辐射出的电磁波的极化模式由线极化变为左旋圆极化。
在一种优选实施方式中，端射天线辐射单元上层金属表面1和下层金属底面4的钳形缺口关于z轴对称。
在一种优选实施方式中，上层金属表面和下层金属底面的单个钳形缺口由两个不同大小的矩形缺口组成，其中，较大的缺口用于调节天线的圆极化特性，较小的缺口用于调节天线的匹配特性。
在一种优选实施方式中，介质基板的厚度为1.52mm。
本实施例中，所述圆极化端射天线辐射单元的端射方向上加载有一个辐射引向器7，辐射引向器7用于改善所述圆形辐射器的工作带宽以及辐射性能。
在一种优选实施方式中，所述辐射引向器7为半圆形或长方形，设置在端射天线的正z轴方向上；半圆形辐射引向器7的半径或长方形辐射引向器7的宽度和端射单元的频率有关，辐射引向器的尺寸用于调节天线的辐射增益和轴比带宽。
在一种优选实施方式中，辐射引向器7的材料和介质基板3的材料相同。
如图2所示为该天线的俯视图，该天线的底部视图和俯视图相同。如图2所示，由上层金属表面1、介质基板3和下层金属底面4按照自上而下顺序堆叠成的单层电路板基板长度为L，端口宽度为W，优选L为26.7mm；W为9mm；单层电路板基板1，3，4)中设置有两列金属化过孔5，形成基片集成波导结构SIW)。该基片集成波导结构的一端为馈电端口2，另一端为端射天线辐射单元。
在一种优选实施方式中，两列金属化过孔5之间的间距为a。每个金属化过孔5的直径为d，同列相邻两个金属化过孔5的间距为p。a优选为6.4mm；d优选为0.5mm；p优选为0.8mm。
在一种优选实施方式中，单个钳形缺口6由两个不同大小的矩形缺口组成，两个矩形缺口的长和宽分别是l1、w1和l2、w2。优选的，l1为2.1mm；w1为3.5mm:l2为1mm；w2为1.2mm。
在一种优选实施方式中，钳形缺口6距离中心轴线之间的距离为g，优选g为-0.9mm。
在一种优选实施方式中，半圆形的辐射引向器7设置在在端射单元的缺口前方，该辐射引向器7的半径为Re。
综上所述，得到优化后的一种该天线的具体尺寸参数为：L为26.7mm；W为9mm；a为6.4mm；d为0.5mm；p为0.8mm；l1为2.1mm；w1为3.5mm:l2为1mm；w2为1.2mm；g为-0.9mm。
图3～7为采用上述优化后的天线仿真结果。图3为本发明的天线的输入端口反射系数和轴比随频率变化的曲线图，图4为本发明的天线的辐射增益与效率随频率变化的曲线图，图5、图6和图7为分别为本发明的天线在26GHz、35.5GHz和45GHz频率时的远场辐射方向图；图3显示本发明的天线的阻抗带宽为23.72GHz相对于中心频率38.14GHz相对带宽为62.2％)从26.28GHz到50GHz，3dB轴比带宽为19.67GHz相对于中心频率35.375GHz相对带宽为55.6％)从25.54GHz到45.21GHz。图4显示本发明的天线的辐射增益在26GHz时为4.56dBi，在45GHz时为7.14dBi，其在26GHz时的总效率为86.4％，在整个工作频段内的最大效率为95.6％。
图5、图6和图7显示本发明的天线在整个频率的起始频率26GHz、中心频率35.5GHz和终止频率45GHz点时的主极化模式均为左旋圆极化。并且该天线的远场辐射方向图在XOZ面中3个频点的3dB波瓣宽度分别为：86°、66.5°和101.4°；在XOZ面中3个频点的3dB波瓣宽度分别为：158°、98.7°和69.3°。
当介绍本申请的各种实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“这个”和“所述”都意图表示有一个或多个元件。词语“包括”、“包含”和“具有”都是包括性的并意味着除了列出的元件之外，还可以有其它元件。
在本说明书的描述中，需要理解的是，术语“上端”、“下端”、“后端”、“下层”、“上层”、“一侧”、“内”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本说明书和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本说明书的限制。
在本说明书中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本说明书中的具体含义。
尽管已经示出和描述了本说明书的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本说明书的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本说明书的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种采用基片集成波导技术的宽带圆极化端射天线，其特征在于，该天线为单层介质板结构，包括由上层金属表面（1）、介质基板（3）和下层金属底面（4）按照自上而下顺序堆叠成的单层电路板基板；所述单层电路板基板上设置有两列金属化过孔（5）构成基片集成波导结构（SIW）；所述基片集成波导结构的上端为基片集成波导端口（2）用于对后端的天线辐射单元进行馈电；所述基片集成波导结构的下端口为端射天线辐射单元，端射天线辐射单元的上层金属表面（1）和下层金属底面（4）分别蚀刻有一个钳形缺口（6），所述钳形缺口（6）使下端口辐射出的电磁波的极化模式变为左旋圆极化。
2.根据权利要求1所述的一种采用基片集成波导技术的宽带圆极化端射天线，其特征在于，上层金属表面（1）的钳形缺口在下层金属底面的投影位置与下层金属底面（4）的钳形缺口位置关于z轴对称。
3.根据权利要求1或2所述的一种采用基片集成波导技术的宽带圆极化端射天线，其特征在于，上层金属表面和下层金属底面的单个钳形缺口由两个不同大小的矩形缺口组成，其中，较大的缺口用于调节天线的圆极化特性，较小的缺口用于调节天线的匹配特性。
4.根据权利要求1所述的一种采用基片集成波导技术的宽带圆极化端射天线，其特征在于，所述圆极化端射天线辐射单元的端射方向上加载有一个辐射引向器（7），辐射引向器（7）用于改善所述端射天线辐射单元的工作带宽以及辐射性能。
5.根据权利要求4所述的一种采用基片集成波导技术的宽带圆极化端射天线，其特征在于，所述辐射引向器（7）为半圆形或长方形，设置在端射天线的正z轴方向上；辐射引向器（7）的宽度和端射单元的频率有关，辐射引向器的尺寸用于调节天线的辐射增益和轴比带宽。
6.根据权利要求4所述的一种采用基片集成波导技术的宽带圆极化端射天线，其特征在于，辐射引向器（7）的材料和介质基板（3）的材料相同。
7.根据权利要求1所述的一种采用基片集成波导技术的宽带圆极化端射天线，其特征在于，介质基板（3）的厚度为1.52mm。
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