CN113904119B - 一种基于超表面单元的小型化siw背腔缝隙天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于超表面单元的小型化SIW背腔缝隙天线，包含四层金属层、三层介质层和若干金属圆柱。自上而下分别是第一层金属层、上层介质层、第二层金属层、中间介质层、第三层金属层、下层介质层和第四层金属层。第一层金属层为新型超表面单元阵列；第二层金属层为方形超表面单元阵列；第三层金属层为包含矩形窄缝隙的金属层；第四层金属层为包含共面波导馈电结构的金属层。其中，第一层的新型超表面单元阵列由四个按照2×2阵列形式排列的新型超表面单元组成。在传统方形超表面单元的四周应用分形技术形成新型超表面单元，该新型超表面单元结构在不改变单元面积的情况下，使得单元表面的电流路径变长，这是实现小型化的关键。本发明实现了SIW背腔缝隙天线在保持良好的辐射性能的同时进一步小型化的目的，提高了天线的集成度。

Description

一种基于超表面单元的小型化SIW背腔缝隙天线
技术领域
本发明涉及一种基于新型超表面单元的小型化SIW背腔缝隙天线，属于微波天线领域。
背景技术
背腔缝隙天线由于其相对较高的增益和单侧辐射方向性，在各种无线通信系统中得到了广泛的应用。然而，传统背腔缝隙天线的大尺寸和笨重结构妨碍了此类天线在集成和小型化现代无线系统中的使用。因此，需要采用特定的小型化技术，在保持高性能特性的同时，创造性地减小尺寸并提高集成度。
文献“Planar Substrate Integrated Waveguide Cavity-Backed Antenna,(IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters 8(2009):1139-1142)”首次将SIW技术引入背腔缝隙天线的设计中。该天线结合了传统背腔天线和平面贴片或缝隙天线的优点。它不仅具有良好的辐射性能，还具有成本低、外形小、易于与平面电路集成以及使用普通单层PCB工艺制造方便等优点。然而，这种结构仍然需要进一步地小型化。
综上所述。SIW技术能够使得背腔缝隙天线在保持良好的辐射性能的同时，保持较低的剖面，使得天线易于集成。然而，简单地引用SIW技术所带来的小型化仍不够明显，仍需要进一步地小型化。
发明内容
为了解决背景技术中提到的技术问题，本发明提供了一种新型超表面单元，使得辐射表面的电流路径变长，进而降低天线谐振频率，实现小型化。
本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：
本发明提供一种基于新型超表面单元的小型化SIW背腔缝隙天线，由上至下依次设置有第一至第四层金属层，各金属层之间间隔设置有上层、中层及下层介质基板；
第一层金属层是天线的最终辐射面，由四个呈中心对称的分形结构金属贴片组成，按照2×2的阵列形式摆放，同时相邻的分形结构金属贴片相互交错，且分形结构中的各金属贴片之间相互交错的深度相等；
第一层金属层的下表面为与其中心相重合的上层介质基板，所述上层介质基板的下表面为第二层金属层，所述第二层金属层由16个方形金属贴片组成，按照4×4的阵列形式摆放；
第三层金属层的中间具有一条与中间介质基板四周平行的矩形窄缝隙；所述下层介质基板的下表面是第四层金属层，包含由金属条带构成的共面波导馈电结构；所属金属圆柱贯穿下层介质基板，金属圆柱的两端分别连接着第三层金属层和第四层金属层。
作为本发明的进一步优化方案，所述第一层金属贴片的分形结构和贴片之间的交错深度根据天线工作频率是否为最低确定，若为最低工作频率，其最终交错深度为0.65mm。
作为本发明的进一步优化方案，所述第二层方形金属贴片的个数和周期间距根据天线阻抗匹配是否为最佳确定，最终个数为16个，周期间距为3.5mm。评判标准是谐振点处的S11参数小于-20dB。
作为本发明的进一步优化方案，分形结构金属贴片和方形金属贴片能够实现天线的小型化。
作为本发明的进一步优化方案，矩形窄缝隙位于中间介质基板和下层介质基板之间。
作为本发明的进一步优化方案，微带线和端口的阻抗均为50欧姆。
作为本发明的进一步优化方案，各方形金属贴片之间的间隔相等。
作为本发明的进一步优化方案，所述第三层金属层与下层介质基板的上表面大小一致，使第三层金属层可以作为共面波导馈电结构的金属地。
作为本发明的进一步优化方案，所述上层介质基板、中间介质基板和下层介质基板均采用Rogers 5880材料制作而成，三层介质基板的厚度均不相同，其厚度自上而下分别是0.254mm、0.787mm和0.508mm。
本发明的工作原理：若干金属圆柱贯穿下层介质基板，两端分别连接着第三层金属层和第四层金属层，形成了一个SIW谐振腔，从而达到一个低剖面的目的；天线通过第四层金属层的共面波导结构给谐振腔馈电，谐振腔通过第三层金属层的矩形窄缝隙向上耦合至超表面内并激励起超表面内的缝隙产生辐射，使得天线获得较好的辐射性能，天线的前后比大于25dB,整个工作频带内的增益均大于5.7dBi；天线的小型化主要来源于第一层超表面单元的分形结构和第一层超表面单元和第二层超表面单元之间的耦合电容，天线的尺寸为0.36λ0×0.36λ0，相较于传统SIW背腔缝隙天线的尺寸减小了44%，达到了小型化的目的。
本发明的有益效果是：
（1）本发明利用SIW谐振腔上表面的矩形窄缝隙耦合激励超表面，使得天线获得良好的辐射特性。
（2）本发明利用两层超表面单元之间的等效耦合电容，实现天线的小型化。
（3）本发明提出一种新型的分形结构超表面单元，使得天线辐射表面的电流路径变长，使得天线的谐振频率降低，进而实现天线进一步地小型化，相较于传统SIW背腔缝隙天线的尺寸减小了44%。
（4）本发明最终使得背腔缝隙天线在保持良好的辐射性能的同时，使得传统SIW背腔缝隙天线得到了进一步地小型化，再一次提高背腔缝隙天线的集成度。
附图说明
图1是本发明中侧面示意图。
图2是本发明中上层介质基板上表面示意图。
图3是本发明中中间介质基板的上表面示意图。
图4是本发明中下层介质基板的上表面示意图。
图5是本发明中下层介质基板的下表面示意图。
图6是本发明实施例的仿真S参数图。
图7是本发明实施例的仿真增益图。
图8是本发明实施例在6.65GHz频率上的仿真方向图。
附图说明：1-第一层金属层，2-上层介质基板，3-第二层金属层，4-中间介质基板，5-第三层金属层，6-下层介质基板，7-第四层金属层，8-金属圆柱，9-缝隙，10-共面波导馈电结构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
本发明提供一种基于新型超表面单元的小型化SIW背腔缝隙天线，结构示意如图1到图5所示，其中图1是结构的侧视图，第一层金属层1位于上层介质基板2的上表面，第二层金属层3位于中间介质基板4的上表面，由于层与层之间没有间隙，所以也可以说第二层金属层3也在上层介质基板2的下表面， 第三层金属层5和第四层金属层7分别位于下层介质基板6的上表面和下表面，金属圆柱8贯穿下层介质基板6，两端分别连接着第三层金属层5和第四层金属层7；图2示意了第一层金属层1的结构和排列形式，第一层金属层1的新型超表面单元在单元四周使用分形结构，相邻单元之间相互交错，分形结构的宽度和长度的大小以及单元之间的交错深度都是影响天线工作频率的重要因素；图3示意了第二层金属层3的结构和排列形式，第二层金属层3由16个方形金属贴片组成，按照4×4的阵列形式摆放，方形金属贴片阵列的中心与中间介质基板4的中心一致；图4示意了第三层金属层5的结构，第二层金属层5的中间有一条矩形的窄缝隙9，缝隙的四个边和下层介质基板6的四个边相互平行；图5示意了第四层金属层7的结构，第四层金属层7包含了一个耦合馈电结构10。
所述上层介质基板、中间介质基板和下层介质基板都是由Rogers 5880材料制作而成，三层介质基板的厚度均不相同，其厚度自上而下分别是0.254mm、0.787mm和0.508mm。
所述第一层金属层1中超表面单元四周的分形结构的长为3.8mm，宽为1mm；超表面单元未应用分形结构之前的方形金属边长为5.8mm，间距为1.1mm；分形结构超表面单元之间的交错深度为0.65mm。
所述第二层金属层3中方向金属贴片的边长为3.4mm，间距为0.1mm。
所述第三层金属层5中矩形窄缝隙的长边为13.5mm，短边为1mm。
所述第四层金属层7中共面波导的内部金属条带长为14.5mm，宽为1.45mm，与相邻金属的间距为0.7mm。
实施例的仿真结果如图6到图8所示，其中天线反射系数小于-10dB的仿真带宽为6.58GHz-6.77GHz，在工作带宽内天线的增益为5.7dBi-6dBi，天线的前后比大于25dB。天线的尺寸为0.36λ0×0.36λ0，相较于传统SIW背腔缝隙天线的尺寸（0.66λ0×0.66λ0）减小了44%，说明本发明结构实现了SIW背腔缝隙天线在保持良好的辐射性能的同时进一步小型化的目的。以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在该技术方案上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于超表面单元的小型化SIW背腔缝隙天线，其特征在于：由上至下依次设置有第一至第四层金属层，各金属层之间间隔设置有上层、中层及下层介质基板；第一层金属层是天线的最终辐射面，由四个呈中心对称的分形结构金属贴片组成，按照2×2的阵列形式摆放，同时相邻的分形结构金属贴片相互交错，且分形结构中的各金属贴片之间相互交错的深度相等；第一层金属层的下表面为与其中心相重合的上层介质基板，所述上层介质基板的下表面为第二层金属层，所述第二层金属层由16个方形金属贴片组成，按照4×4的阵列形式摆放；第三层金属层的中间具有一条与中间介质基板四周平行的矩形窄缝隙；所述下层介质基板的下表面是第四层金属层，包含由金属条带构成的共面波导馈电结构；所属金属圆柱贯穿下层介质基板，金属圆柱的两端分别连接着第三层金属层和第四层金属层。
2.根据权利要求1所述的基于超表面单元的小型化SIW背腔缝隙天线，其特征在于：所述第一层金属贴片的分形结构和贴片之间的交错深度根据天线工作频率是否为最低确定，若为最低工作频率，其最终交错深度为0.65mm。
3.根据权利要求1所述的基于超表面单元的小型化SIW背腔缝隙天线，其特征在于：所述第二层方形金属贴片的个数和周期间距根据天线阻抗匹配是否为最佳确定，最终个数为16个，周期间距为3.5mm。
4.根据权利要求1所述的基于超表面单元的小型化SIW背腔缝隙天线，其特征在于：所述分形结构金属贴片和方形金属贴片能够实现天线的小型化。
5.根据权利要求1所述的基于超表面单元的小型化SIW背腔缝隙天线，其特征在于：所述矩形窄缝隙位于中间介质基板和下层介质基板之间。
6.根据权利要求1所述的基于超表面单元的小型化SIW背腔缝隙天线，其特征在于：各方形金属贴片之间的间隔相等。
7.根据权利要求1所述的基于超表面单元的小型化SIW背腔缝隙天线，其特征在于：所述第三层金属层与下层介质基板的上表面大小一致，使第三层金属层可以作为共面波导馈电结构的金属地。
8.根据权利要求1所述的基于超表面单元的小型化SIW背腔缝隙天线，其特征在于：所述上层介质基板、中间介质基板和下层介质基板均采用Rogers5880材料制作而成，三层介质基板的厚度均不相同，其厚度自上而下分别是0.254mm、0.787mm和0.508mm。
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