CN113675613A - 一种基于siw的单脊超宽带h面喇叭天线 - Google Patents

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李文
杨梅
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Abstract

本发明公开了一种基于SIW的单脊超宽带H面喇叭天线，旨在解决现有技术中基片集成波导加脊喇叭天线结构较为复杂的技术问题。其包括介质基板、SIW结构、H面喇叭天线、脊结构和馈电同轴线，SIW结构和H面喇叭天线设置在介质基板中轴线的两侧，脊结构设置在介质基板的中轴线上，馈电同轴线设置在脊结构靠近SIW结构的一侧；其中，SIW结构和H面喇叭天线包括相对介质基板中轴线对称分布的金属化通孔和介质基板上下表面的金属层，脊结构包括多个相连的金属块。本发明能够有效降低SIW的等效特性阻抗，降低主模的截止频率，增加喇叭天线工作带宽，同时还简化了天线结构。

Description

一种基于SIW的单脊超宽带H面喇叭天线
技术领域
本发明涉及一种基于SIW的单脊超宽带H面喇叭天线，属于宽带天线技术领域。
背景技术
喇叭天线可以工作在很宽的频带内，具有稳定的辐射波瓣图以及简单的结构，因此喇叭天线已经普遍应用于各种无线通信场合。但传统的喇叭天线尺寸较大，剖面较高，不适用于平面集成电路。基片集成波导（substrate integrated waveguide，SIW）结构是一种类似于矩形波导的平面导波结构，由介质基板中周期性排列的金属通孔将介质基板上下表面的金属面连接起来形成，其中周期性排列的金属通孔等效为矩形波导的侧壁，SIW结构具有小型化、易与平面电路集成的特点。在SIW结构的基础上实现喇叭天线，具有减小喇叭天线尺寸、实现平面喇叭结构的优点。目前对基于SIW结构的H面喇叭天线的研究和设计较多，但这类天线大部分存在工作带宽较窄的问题，主要是其端口阻抗以及喇叭结构与自由空间的阻抗难以匹配导致。
传统的喇叭天线设计中，可以采用加脊的方式改善喇叭天线的阻抗匹配带宽，波导加脊后，波导的等效特性阻抗相比较于原波导的特性阻抗显著降低，更有利于实现较低的馈电输入阻抗与自由空间阻抗匹配的过渡，同时主模TE10截止频率降低，高次模TE20截止频率增大，这使得加脊喇叭天线的带宽增大。这种通过加脊改善喇叭天线阻抗带宽的思想同样适用于基片集成波导喇叭天线。目前的研究文献和专利中，基片集成波导喇叭天线加脊的方式有很多，例如：有单脊加载在天线上部或下部的，也有双脊加载在天线上部和下部的，脊的形式也有矩形和圆柱多种方式。但往往在这些加脊中还要采取一些特殊的设计来解决天线性能问题，比如在喇叭的口径处加入介质透镜，保持天线在低频段方向图的稳定性，防止在高频处方向图分裂；在介质基板的前方设置空气通孔来提高阻抗匹配，在SIW的顶部金属层中集成弯曲气槽，以纠正相位失调，进一步提高阻抗匹配性能。这些特殊设计虽然能提高天线性能，但往往都比较复杂，增加了天线的复杂度。
发明内容
为了解决现有技术中基片集成波导加脊喇叭天线结构较为复杂的问题，本发明提出了一种基于SIW的单脊超宽带H面喇叭天线，通过对加脊结构及其加载位置的设计，有效降低了SIW的等效特性阻抗，降低了主模的截止频率，增加了喇叭天线工作带宽，同时还简化了天线结构。
为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术手段：
本发明提出了一种基于SIW的单脊超宽带H面喇叭天线，包括介质基板、SIW结构、H面喇叭天线、脊结构和馈电同轴线，SIW结构和H面喇叭天线设置在介质基板中轴线的两侧，脊结构设置在介质基板的中轴线上，馈电同轴线设置在脊结构靠近SIW结构的一侧；其中，SIW结构和H面喇叭天线包括相对介质基板中轴线对称分布的金属化通孔和介质基板上下表面的金属层，脊结构包括多个相连的金属块。
进一步的，沿H面喇叭天线的张开方向，脊结构中金属块的高度呈阶梯化递减。
进一步的，脊结构中相邻两个金属块的高度差为h/d，其中，h为脊结构中最高的金属块的高度，d为脊结构中金属块的数量。
进一步的，脊结构中最高的金属块的高度范围为1.8mm~2mm，脊结构中金属块的长度范围为4mm~8mm，脊结构中金属块的宽度范围为1mm~2mm。
进一步的，金属化通孔贯穿介质基板并与介质基板上下表面的金属层连接。
进一步的，SIW结构的一端为多个相邻的金属化通孔组成的闭合金属壁，SIW结构的侧壁为周期排列的金属化通孔，SIW结构的另一端与H面喇叭天线的起始端连接。
进一步的，SIW结构侧壁上相邻两个金属化通孔之间的距离为1.2mm。
进一步的，H面喇叭天线的起始端与SIW结构连接，H面喇叭天线的侧壁为逐渐向介质基板侧壁靠拢的周期排列的金属化通孔。
进一步的，H面喇叭天线侧壁上相邻两个金属化通孔之间的距离为1.2mm，H面喇叭天线的张开角度为30°~50°。
进一步的，馈电同轴线的外导体设置在介质基板的上表面，馈电同轴线的内导体插入到介质基板内部，且内导体的下表面与脊结构中第一个金属块的上表面接触。
采用以上技术手段后可以获得以下优势：
本发明提出了一种基于SIW的单脊超宽带H面喇叭天线，通过设置在介质基板上设置SIW结构和H面喇叭天线，并在天线的中心位置上设置单脊结构，SIW结构和H面喇叭天线的金属化通孔设计可以实现天线小型化、平面化的效果，方便天线与平面电路集成，脊结构能够有效降低SIW的等效特性阻抗，与此同时本发明还可以降低主模的截止频率，从而增加加载喇叭天线的工作带宽。
本发明天线中的脊结构较为简单，脊结构中的金属块插入到介质基板内，通过阶梯变化的相邻金属块可以提高阻抗匹配，降低高频段的S11参数，防止在高频处方向图分裂，从而在实现天线性能改善的同时，降低天线的复杂度，易于实现。
附图说明
图1为本发明一种基于SIW的单脊超宽带H面喇叭天线的俯视图；
图2为本发明实施例中H面喇叭天线的侧视图；
图3为本发明实施例中不同加脊情况下S11参数的对比图；
图中，1是介质基板，2是SIW结构，3是H面喇叭天线，4是脊结构，5是馈电同轴线，6是金属化通孔，7是金属块，8是外导体，9是内导体，10是馈电同轴线中间介质。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明：
本发明提出了一种基于SIW的单脊超宽带H面喇叭天线，如图1所示，包括介质基板1、SIW结构2、H面喇叭天线3、脊结构4和馈电同轴线5，其中，脊结构设置在介质基板的中轴线上，SIW结构和H面喇叭天线设置在介质基板中轴线（脊结构）的两侧，馈电同轴线设置在脊结构靠近SIW结构的一侧；SIW结构和H面喇叭天线包括相对介质基板中轴线（脊结构）对称分布的金属化通孔6和介质基板上下表面的金属层，脊结构包括多个相连的金属块7，脊结构中金属块的俯视截面大小相同。本发明喇叭天线采用同轴馈电的方式来提供激励。
如图2所示，脊结构中的金属块为长方体，沿H面喇叭天线的张开方向，脊结构中第一个金属块最靠近SIW结构且高度最高，脊结构中金属块的底部高度一致，顶部高度呈阶梯化递减。脊结构中相邻两个金属块的高度差为h/d，其中，h为脊结构中最高的金属块的高度，d为脊结构中金属块的数量，脊结构中最高的金属块的高度范围为1.8mm~2mm，脊结构中金属块的长度范围为4mm~8mm，脊结构中金属块的宽度范围为1mm~2mm。
在SIW结构和H面喇叭天线中，金属化通孔贯穿介质基板并与介质基板上下表面的金属层连接。
SIW结构的一端为多个相邻的金属化通孔组成的闭合金属壁，SIW结构的侧壁为周期性间隔排列的金属化通孔，SIW结构侧壁上相邻两个金属化通孔之间的距离（相邻金属化通孔圆心之间的距离）为1.2mm，SIW结构的另一端与H面喇叭天线的起始端连接。
SIW结构具有五个主要参数：基片集成波导宽度（SIW结构两个侧壁之间的距离）、金属化通孔的直径、相邻金属化通孔之间的距离、介质基板的厚度和相对介电常数。SIW结构与矩形波导传输线具有类似的性质，在考虑到介质基板的参数影响后，基片集成波导的宽度决定了基片集成波导中主模的截止频率。由于在SIW结构的两个侧壁不存在纵向方向上的电流，所以仅允许传播横向电波模式，不支持传播横向磁模式。
H面喇叭天线的起始端与SIW结构连接，H面喇叭天线的侧壁为逐渐向介质基板侧壁靠拢的周期性间隔排列的金属化通孔，H面喇叭天线侧壁上相邻两个金属化通孔之间的距离（相邻金属化通孔圆心之间的距离）为1.2mm，H面喇叭天线辐射的末端通常与介质基板的宽度一致且靠近介质基板的边角。在本发明中，喇叭张开角度的大小是根据喇叭天线的最优尺寸来设计的，角度范围为30°~50°，随着角度变化，喇叭的长度也会跟着变化。
如图1、2所示，馈电同轴线的外导体8设置在介质基板的上表面，馈电同轴线的内导体9插入到介质基板内部，且内导体的下表面与脊结构中第一个金属块的上表面接触，外导体和内导体之间设置有馈电同轴线中间介质10，实现天线的馈电。
在制造上，本发明H面喇叭天线的制造工艺可以采用半导体工艺、陶瓷工艺、激光工艺或印刷电路工艺。介质基板上下表面的金属层和馈电同轴线的导带由导电性能良好的导体材料构成。金属化通孔贯穿介质基板，由导电性能良好的导体材料构成，形式上可以为金属柱或金属化过孔。
在具体实施例中给出如下实施例来验证本发明的效果：
在本发明实施例中，SIW结构的基片集成波导宽度为4mm，金属化通孔直径为0.8mm，相邻金属化通孔之间二搭距离为1.2mm，介质基板的厚度为3.175mm，介质基板的相对介电常数为2.2。金属块的高度、宽度以及喇叭张开的角度大小都会影响天线的辐射性能和端口阻抗匹配，在本发明实施例中，脊结构中有8个金属块，脊结构中最高的金属块的高度为1.8mm，宽度为1mm，喇叭天线的角度为46°。
本发明实施例分别对不加脊、加脊在介质基板中垂线位置、加脊在介质基板底部位置这3种情况进行实验，获得H面喇叭天线的S11参数，具体如图3所示。根据图3可知，在中垂线位置加脊比加脊在介质基板底部或者不加脊时S11参数要好很多，因此本发明降低了在高频段时天线的S11参数，能够取得更好的天线性能。
本发明H面喇叭天线通过SIW结构中金属化通孔的设计可以降低主模的截止频率，从而增加加载喇叭天线的工作带宽，通过单脊结构有效降低了SIW的等效特性阻抗，并通过阶梯变化的相邻金属块提高阻抗匹配，降低高频段的S11参数，防止在高频处方向图分裂。本发明中的SIW结构、H面喇叭天线和脊结构直接安装在介质基板上，通过位置、参数设置提高天线性能，实现了天线小型化、平面化的效果，方便天线与平面电路集成，降低了天线的复杂度，易于实现。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于SIW的单脊超宽带H面喇叭天线，其特征在于，包括介质基板、SIW结构、H面喇叭天线、脊结构和馈电同轴线，SIW结构和H面喇叭天线设置在介质基板中轴线的两侧，脊结构设置在介质基板的中轴线上，馈电同轴线设置在脊结构靠近SIW结构的一侧；其中，SIW结构和H面喇叭天线包括相对介质基板中轴线对称分布的金属化通孔和介质基板上下表面的金属层，脊结构包括多个相连的金属块。
2.根据权利要求1所述的一种基于SIW的单脊超宽带H面喇叭天线，其特征在于，沿H面喇叭天线的张开方向，脊结构中金属块的高度呈阶梯化递减。
3.根据权利要求2所述的一种基于SIW的单脊超宽带H面喇叭天线，其特征在于，脊结构中相邻两个金属块的高度差为h/d，其中，h为脊结构中最高的金属块的高度，d为脊结构中金属块的数量。
4.根据权利要求2所述的一种基于SIW的单脊超宽带H面喇叭天线，其特征在于，脊结构中最高的金属块的高度范围为1.8mm~2mm，脊结构中金属块的长度范围为4mm~8mm，脊结构中金属块的宽度范围为1mm~2mm。
5.根据权利要求1所述的一种基于SIW的单脊超宽带H面喇叭天线，其特征在于，金属化通孔贯穿介质基板并与介质基板上下表面的金属层连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于SIW的单脊超宽带H面喇叭天线，其特征在于，SIW结构的一端为多个相邻的金属化通孔组成的闭合金属壁，SIW结构的侧壁为周期排列的金属化通孔，SIW结构的另一端与H面喇叭天线的起始端连接。
7.根据权利要求6所述的一种基于SIW的单脊超宽带H面喇叭天线，其特征在于，SIW结构侧壁上相邻两个金属化通孔之间的距离为1.2mm。
8.根据权利要求1所述的一种基于SIW的单脊超宽带H面喇叭天线，其特征在于，H面喇叭天线的起始端与SIW结构连接，H面喇叭天线的侧壁为逐渐向介质基板侧壁靠拢的周期排列的金属化通孔。
9.根据权利要求8所述的一种基于SIW的单脊超宽带H面喇叭天线，其特征在于，H面喇叭天线侧壁上相邻两个金属化通孔之间的距离为1.2mm，H面喇叭天线的张开角度为30°~50°。
10.根据权利要求1所述的一种基于SIW的单脊超宽带H面喇叭天线，其特征在于，馈电同轴线的外导体设置在介质基板的上表面，馈电同轴线的内导体插入到介质基板内部，且内导体的下表面与脊结构中第一个金属块的上表面接触。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114498040A (zh) * 2022-01-19 2022-05-13 西安电子科技大学 基于双脊间隙波导的波束可重构的h面喇叭天线

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101890363B1 (ko) * 2017-08-22 2018-08-21 국방과학연구소 안테나 장치
CN109742547A (zh) * 2019-01-11 2019-05-10 南京信息工程大学 基于siw的低剖面超宽带h面喇叭天线及其制作方法
US20200185802A1 (en) * 2018-12-06 2020-06-11 Samsung Electronics Co., Ltd. Ridge gap waveguide and multilayer antenna array including the same
CN213692344U (zh) * 2021-01-08 2021-07-13 中国信息通信研究院 一种双脊喇叭天线

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101890363B1 (ko) * 2017-08-22 2018-08-21 국방과학연구소 안테나 장치
US20200185802A1 (en) * 2018-12-06 2020-06-11 Samsung Electronics Co., Ltd. Ridge gap waveguide and multilayer antenna array including the same
CN109742547A (zh) * 2019-01-11 2019-05-10 南京信息工程大学 基于siw的低剖面超宽带h面喇叭天线及其制作方法
CN213692344U (zh) * 2021-01-08 2021-07-13 中国信息通信研究院 一种双脊喇叭天线

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ALI REZA MALLAHZADEH等: "Wideband H-Plane Horn Antenna Based on Ridge Substrate Integrated Waveguide (RSIW)", 《IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATION LETTERS》, vol. 11, 16 January 2012 (2012-01-16), pages 85 - 87 *
SAMANEH ESFANDIARPOUR等: "Wideband planar horn antenna using substrate integrated waveguide technique", 《ASIA-PACIFIC MICROWAVE CONFERENCE 2011》, 3 April 2012 (2012-04-03), pages 1969 - 1972 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114498040A (zh) * 2022-01-19 2022-05-13 西安电子科技大学 基于双脊间隙波导的波束可重构的h面喇叭天线
CN114498040B (zh) * 2022-01-19 2023-03-24 西安电子科技大学 基于双脊间隙波导的波束可重构的h面喇叭天线

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