CN113206381B - 一种圆极化漏波天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种圆极化漏波天线，本发明采用微带型ISGW技术将印刷在所述上层介质板上表面的所述第二敷铜层和下表面的所述梳形馈电传输线，中层介质板，制作在下层介质板上的所述蘑菇状阵列结构，以及印刷在所述下层介质板上的所述第一敷铜层构成微带型集成基片间隙波导ISGW结构，进而基于微带型集成基片间隙波导ISGW结构进行制备圆极化天线，解决了现存的基于PCB技术设计的圆极化天线馈电结构复杂以及电磁屏蔽差等缺点。另外ISGW结构具有结构简单，加工容易，方便集成，工作带宽较宽等优点，能够应用于射频、微波、毫米波和太赫兹频段。

Description

一种圆极化漏波天线
技术领域
本发明涉及无线通信天线设计技术领域，特别是涉及一种圆极化漏波天线。
背景技术
圆极化天线具有良好的抗干扰能力被广泛运用于导航卫星、雷达和移动通信等多个不同的场景中。到目前为止，在毫米波段工作的圆极化天线已有很多报道。这些天线可大致分为微带圆极化天线、金属矩形波导(RW)圆极化天线和基片集成波导(SIW)圆极化天线。但是，面对毫米波段应用，传统的圆极化天线存在一些问题，比如纯金属的结构笨重且在毫米波段难以制造，基片集成波导(SIW)的电磁屏蔽性能不强、模式转换损耗等。
近年来，集成基片间隙波导(ISGW)技术被提出，该波导基于多层PCB来实现。微带型ISGW一般由三层PCB构成，上层PCB上表面全敷铜构成理想电导体(PEC)，中层PCB上表面印刷有传输线，下层PCB上表面印刷周期性圆形金属贴片，下层PCB下表面全敷铜，下层PCB中有周期金属通孔与下层PCB上表面的周期金属圆形贴片构成蘑菇结构，该蘑菇结构与下层PCB下表面的敷铜层共同形成理想磁导体(PMC)。由于PEC与PMC之间形成EBG，电磁波(准TEM波)只能沿着传输线传播。因此现存的基于PCB技术设计的圆极化天线馈电结构复杂、电磁屏蔽差等缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种圆极化漏波天线，以克服现有圆极化天线馈电结构复杂、电磁屏蔽差等缺点，能应用于射频、微波、毫米波和太赫兹频段。
为实现上述目的，本发明提供了一种圆极化漏波天线，所述天线基于微带型集成基片间隙波导ISGW结构进行制备，所述ISGW结构包括：
由上向下依次设置的上层介质板、梳形馈电传输线、中层介质板和下层介质板；
在所述上层介质板的上表面印刷有第二敷铜层，并在所述第二敷铜层上蚀刻1个U形缝隙；
所述梳形馈电传输线包括两个端口、传输主干和1个传输单元，两个端口分别与所述传输主干两端连接，所述传输单元与所述传输主干连接，所述传输单元与所述U形缝隙对应设置，两个端口分别连接50Ω匹配负载和同轴传输线；
在所述下层介质板的下表面印刷有第一敷铜层，上表面设有阵列设置的圆形金属贴片，在所述圆形金属贴片上设置有贯穿所述下层介质板的圆形金属过孔，形成蘑菇状阵列结构。
可选地，所述传输单元包括两个传输枝干，两个传输枝干分别与所述传输主干连接，且分别与所述U形缝隙的两臂一一对应设置。
可选地，所述梳形馈电传输线印刷在所述上层介质板的下表面，且所述梳形馈电传输线的长度等于所述上层介质板的长度。
可选地，U形缝隙的两臂长度取值为2.6-3.5mm，两臂的宽度为0.8-1.2mm，两臂之间的距离为2.8-3.2mm；两个传输枝干的长度取值为3.6-4.3mm，两个传输枝干的宽度取值为0.8-1.2mm，两个传输枝干之间的距离为2.8-3.2mm。
可选地，所述上层介质板、所述中层介质板和所述下层介质板均为PCB板，所述上层介质板、所述中层介质板和所述下层介质板的宽度相等，所述中层介质板的长度和所述下层介质板的长度均与所述传输主干的长度相等。
本发明还提供一种圆极化漏波天线，所述天线基于微带型ISGW结构的阵列进行制备的，所述阵列包括：
由上向下依次设置的上层介质板、梳形馈电传输线、中层介质板和下层介质板；
在所述上层介质板上印刷有第二敷铜层，并在所述第二敷铜层上蚀刻m个U形缝隙，m个U形缝隙等间距设置，其中，m为大于等于2的正整数；
所述梳形馈电传输线包括两个端口、传输主干和m个传输单元，两个端口分别与所述传输主干两端连接，多个传输单元等间距设置，且多个传输单元分别与所述传输主干连接，所述传输单元分别与所述U形缝隙一一对应设置，两个端口分别连接50Ω匹配负载和同轴传输线；
在所述下层介质板的下表面上印刷有第一敷铜层，上表面上因设有阵列设置的金属贴片，在所述金属贴片上设置有金属过孔，形成蘑菇状阵列结构。
可选地，所述传输单元包括两个传输枝干，两个传输枝干分别与所述传输主干连接，且分别与所述U形缝隙的两臂一一对应设置。
可选地，所述梳形馈电传输线印刷在所述上层介质板的下表面，且所述梳形馈电传输线的长度等于所述上层介质板的长度。
可选地，相邻的两个所述传输单元对应位置处之间的距离为7.3mm；U形缝隙的两臂长度取值为2.6-3.5mm，两臂的宽度为0.8-1.2mm，两臂之间的距离为2.8-3.2mm；两个传输枝干的长度取值为3.6-4.3mm，两个传输枝干的宽度取值为0.8-1.2mm，两个传输枝干之间的距离为2.8-3.2mm。
可选地，所述上层介质板、所述中层介质板和所述下层介质板均为PCB板，所述上层介质板、所述中层介质板和所述下层介质板的宽度相等，所述中层介质板和所述下层介质板的长度均与所述传输主干的长度相等。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开一种圆极化漏波天线，采用微带型ISGW技术将印刷在所述上层介质板上表面的所述第二敷铜层和下表面的所述梳形馈电传输线，中层介质板，制作在下层介质板上的所述蘑菇状阵列结构，以及印刷在所述下层介质板上的所述第一敷铜层构成微带型集成基片间隙波导(ISGW)结构，通过正交的缝隙结构形成两正交的场分量，通过调整缝隙长度形成90°相差，通过调整枝节长度使两分量获得近似相等的幅度，进而设计圆极化天线，解决了现存的基于PCB技术设计的圆极化天线馈电结构复杂以及电磁屏蔽差等缺点。另外ISGW结构具有结构简单，加工容易，方便集成，工作带宽较宽等优点，能够应用于射频、微波、毫米波和太赫兹频段。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1微带型集成基片间隙波导ISGW结构爆炸图；
图2为本发明实施例1上层介质板上表面示意图；
图3为本发明实施例1上层介质板下表面示意图；
图4为本发明实施例1下层介质板上表面示意图；
图5为本发明实施例1下层介质板下表面示意图；
图6为本发明实施例2圆极化漏波天线的回波损耗、轴比和增益仿真图；
图7为本发明实施例3微带型ISGW结构的阵列爆炸图；
图8为本发明实施例4的S参数图；
图9为本发明实施例4的轴比参数图；
图10为本发明实例4的方向图；
符号说明：1、下层介质板，2、中层介质板，3、上层介质板，4、第一敷铜层，5、圆形金属过孔，6、圆形金属贴片，7、蘑菇状阵列结构，8、梳形馈电传输线，8-1、端口，8-2、传输主干，8-3、传输枝干，9、第二敷铜层，10、U形缝隙，11、两臂。
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。
本发明的目的是提供一种圆极化漏波天线，以克服现有圆极化天线馈电结构复杂、电磁屏蔽差等缺点，能应用于射频、微波、毫米波和太赫兹频段。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明公开一种圆极化漏波天线，所述天线基于微带型集成基片间隙波导ISGW结构进行制备，所述ISGW结构包括：由上向下依次设置的上层介质板3、梳形馈电传输线8、中层介质板2和下层介质板1。
如图2所示，在所述上层介质板3的上表面印刷有第二敷铜层9，并在所述第二敷铜层9上蚀刻1个U形缝隙10。U形缝隙10包括两臂11和弧形底，两臂11与弧形底两端连接。
如图3所示，所述梳形馈电传输线8包括两个端口8-1、传输主干8-2和1个传输单元，两个端口8-1分别与所述传输主干8-2两端连接，所述传输单元与所述传输主干8-2连接，所述传输单元与所述U形缝隙10对应设置，两个端口8-1分别连接50Ω匹配负载和同轴传输线。具体的，所述传输单元包括两个传输枝干8-3，两个传输枝干8-3分别与所述传输主干8-2连接，且分别与所述U形缝隙10的两臂11一一对应设置。
如图4-5所示，在所述下层介质板1的下表面印刷有第一敷铜层4，上表面设有阵列设置的圆形金属贴片6，在所述圆形金属贴片6上设置有贯穿所述下层介质板1的圆形金属过孔5，形成蘑菇状阵列结构7。
本发明设置所述中间层介质板起到分隔所述下层介质板1和所述上层介质板3的作用，使所述下层介质板1和所述上层介质板3之间形成间隙，并增加传输线布线自由度。
本发明将U缝隙作为辐射结构，将所述上层介质板3上的所述第二敷铜层9作为理想电导体PEC；将所述下层介质板1作为理想磁导体PMC，理想磁导体PMC和理想电导体PEC形成电磁带隙EBG结构；将印刷在所述上层介质板3上表面的所述第二敷铜层9和下表面的所述梳形馈电传输线8，制作在下层介质板1上的所述蘑菇状阵列结构7，以及印刷在所述下层介质板1上的所述第一敷铜层4构成微带型集成基片间隙波导ISGW结构。
作为一种可选的实施方式，本发明所述梳形馈电传输线8印刷在所述上层介质板3的下表面，且所述梳形馈电传输线8的长度等于所述上层介质板3的长度。所述上层介质板3、所述中层介质板2和所述下层介质板1均为PCB板，所述上层介质板3、所述中层介质板2和所述下层介质板1的宽度相等，所述中层介质板2的长度和所述下层介质板1的长度均与所述传输主干8-2的长度相等。
当U形缝隙10的两臂11固定时，增加或减小两臂11之间的距离时，回波损耗和轴比变化较大。固定其它参数时，当梳形馈电传输线8的传输枝干8-3变长时，阻抗匹配变差，轴比性能变差，当梳形馈电传输线8的传输枝干8-3变短时，阻抗匹配性能变化不大，轴比带宽减少；固定其它参数时，当梳形馈电传输线8的传输枝干8-3的宽度变小时，阻抗匹配性能变化不大，轴比带宽减小，当梳形馈电传输线8的传输枝干8-3的宽度变大时，阻抗匹配性能变差，轴比带宽减少；固定其它参数时，当U形缝隙10的两臂11宽度变大时，阻抗匹配及轴比性能变差，当U形缝隙10的两臂11宽度变小时，阻抗匹配性能变化不大，轴比带宽减小；固定其它参数时，当U形缝隙10的两臂11长度变长时，阻抗匹配性能变差，轴比带宽变小，当U形缝隙10的两臂11长度变短时，阻抗匹配性能变化不大，轴比带宽变小。固定其它参数，当U形缝隙10偏离∏型微带线的传输枝干8-3时，阻抗匹配性能和轴比性能都变差。因此本发明总结得出U形缝隙10的两臂11长度取值为2.6-3.5mm，两臂11的宽度为0.8-1.2mm，两臂11之间的距离为2.8-3.2mm；两个传输枝干8-3的长度取值为3.6-4.3mm，两个传输枝干8-3的宽度取值为0.8-1.2mm，两个传输枝干8-3之间的距离为2.8-3.2mm。当U形缝隙10的两臂11长度为3mm，梳形馈电传输线8的两传输枝干8-3长度为4mm。U形缝隙10两臂11的宽度为1mm，梳形馈电传输线8的两传输枝干8-3的宽度为1mm，两臂11之间的距离为3.1mm，两个传输枝干8-3之间的距离为3.1mm时，此时阻抗匹配性能、轴比带宽和轴比性能都达到最优。
本发明梳形馈电传输线8贯穿整个所述上层介质板3，激励U形缝隙10产生辐射；U形缝隙10与梳形馈电传输线8配合产生两个等幅正交电场分量，形成圆极化电磁波。为了在特定的频段工作，需要合适地选取蘑菇状阵列结构7中圆形金属贴片6和圆形金属过孔5的尺寸以及蘑菇状阵列结构7的周期，使电磁带隙EBG结构的阻带与集成基片间隙波导ISGW结构所传播的电磁波频带相同。
实施例2
本发明上层介质板3采用Rogers5880板材，厚度为0.508mm，中层介质板2采用Rogers4350板材，厚度为0.254mm，下层介质板1采用Rogers4003C板材，厚度为0.813mm，下层介质板1上的蘑菇状阵列结构7为4×6的阵列；如图6所示，仿真结果表明，该天线的-10dB阻抗带宽19.08～28.56GHz(相对带宽为39.8％)，3dB轴比带宽为21.04～25.39GHz(相对带宽为18.7％)，增益在25GHz处约为6.42dBi。
实施例3
如图7所示，本发明公开一种圆极化漏波天线，所述天线基于ISGW结构的阵列进行制备的，所述阵列包括：由上向下依次设置的上层介质板3、梳形馈电传输线8、中层介质板2和下层介质板1。
在所述上层介质板3上印刷有第二敷铜层9，并在所述第二敷铜层9上蚀刻m个U形缝隙10，m个U形缝隙10等间距设置，其中，m为大于等于2的正整数。
所述梳形馈电传输线8包括两个端口8-1、传输主干8-2和m个传输单元，两个端口8-1分别与所述传输主干8-2两端连接，多个传输单元等间距设置，且多个传输单元分别与所述传输主干8-2连接，所述传输单元分别与所述U形缝隙10一一对应设置，两个端口8-1分别连接50Ω匹配负载和同轴传输线。具体的，所述传输单元包括两个传输枝干8-3，两个传输枝干8-3分别与所述传输主干8-2连接，且分别与所述U形缝隙10的两臂11一一对应设置。相邻的两个所述传输单元对应位置处之间的距离为7.3mm。
作为一种可选的实施方式，本发明所述梳形馈电传输线8印刷在所述上层介质板3的下表面，且所述梳形馈电传输线8的长度等于所述上层介质板3的长度。所述上层介质板3、所述中层介质板2和所述下层介质板1均为PCB板，所述上层介质板3、所述中层介质板2和所述下层介质板1的宽度相等，所述中层介质板2和所述下层介质板1的长度均与所述传输主干8-2的长度相等。
本实施例与实施例1相同的部分在此不再一一赘述，具体参考实施例1。
实施例4
基于实施例3，如图8所示为实施例3的散射参数，该天线在20.7GHz--27.6GHz内可以实现低于-10dB的回波损耗，如图9所示，在21.2GHz--26.1GHz频段内实现了小于3dB的轴比带宽，如图10所示，该天线可以实现-29°(@21.5GHz)-12°(@27GHz)范围内的波束扫描，扫描角度超过40°。
本实施例与实施例3相同的部分在此不再一一赘述，具体参考实施例3。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种圆极化漏波天线，其特征在于，所述天线基于微带型集成基片间隙波导ISGW结构进行制备，所述ISGW结构包括：
由上向下依次设置的上层介质板、梳形馈电传输线、中层介质板和下层介质板；
在所述上层介质板的上表面印刷有第二敷铜层，并在所述第二敷铜层上蚀刻一个U形缝隙；
所述梳形馈电传输线包括两个端口、传输主干和一个传输单元，两个端口分别与所述传输主干两端连接，所述传输单元与所述传输主干连接，所述传输单元与所述U形缝隙对应设置，两个端口分别连接50Ω匹配负载和同轴传输线；
在所述下层介质板的下表面印刷有第一敷铜层，上表面设有阵列设置的圆形金属贴片，在所述圆形金属贴片上设置有贯穿所述下层介质板的圆形金属过孔，形成蘑菇状阵列结构；
所述传输单元包括两个传输枝干，两个传输枝干分别与所述传输主干连接，且分别与所述U形缝隙的两臂一一对应设置。
2.根据权利要求1所述的圆极化漏波天线，其特征在于，所述梳形馈电传输线印刷在所述上层介质板的下表面，且所述梳形馈电传输线的长度等于所述上层介质板的长度。
3.根据权利要求1所述的圆极化漏波天线，其特征在于，U形缝隙的两臂长度取值为2.6-3.5mm，两臂的宽度为0.8-1.2mm，两臂之间的距离为2.8-3.2mm；两个传输枝干的长度取值为3.6-4.3mm，两个传输枝干的宽度取值为0.8-1.2mm，两个传输枝干之间的距离为2.8-3.2mm。
4.根据权利要求1所述的圆极化漏波天线，其特征在于，所述上层介质板、所述中层介质板和所述下层介质板均为PCB板，所述上层介质板、所述中层介质板和所述下层介质板的宽度相等，所述中层介质板的长度和所述下层介质板的长度均与所述传输主干的长度相等。
5.一种圆极化漏波天线，其特征在于，所述天线基于微带型ISGW结构的阵列进行制备的，所述阵列包括：
由上向下依次设置的上层介质板、梳形馈电传输线、中层介质板和下层介质板；
在所述上层介质板上印刷有第二敷铜层，并在所述第二敷铜层上蚀刻m个U形缝隙，m个U形缝隙等间距设置，其中，m为大于等于2的正整数；
所述梳形馈电传输线包括两个端口、传输主干和m个传输单元，两个端口分别与所述传输主干两端连接，多个传输单元等间距设置，且多个传输单元分别与所述传输主干连接，所述传输单元分别与所述U形缝隙一一对应设置，两个端口分别连接50Ω匹配负载和同轴传输线；
在所述下层介质板的下表面上印刷有第一敷铜层，上表面上因设有阵列设置的金属贴片，在所述金属贴片上设置有金属过孔，形成蘑菇状阵列结构；
所述传输单元包括两个传输枝干，两个传输枝干分别与所述传输主干连接，且分别与所述U形缝隙的两臂一一对应设置。
6.根据权利要求5所述的圆极化漏波天线，其特征在于，所述梳形馈电传输线印刷在所述上层介质板的下表面，且所述梳形馈电传输线的长度等于所述上层介质板的长度。
7.根据权利要求5所述的圆极化漏波天线，其特征在于，相邻的两个所述传输单元对应位置处之间的距离为7.3mm；U形缝隙的两臂长度取值为2.6-3.5mm，两臂的宽度为0.8-1.2mm，两臂之间的距离为2.8-3.2mm；两个传输枝干的长度取值为3.6-4.3mm，两个传输枝干的宽度取值为0.8-1.2mm，两个传输枝干之间的距离为2.8-3.2mm。
8.根据权利要求5所述的圆极化漏波天线，其特征在于，所述上层介质板、所述中层介质板和所述下层介质板均为PCB板，所述上层介质板、所述中层介质板和所述下层介质板的宽度相等，所述中层介质板和所述下层介质板的长度均与所述传输主干的长度相等。
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