CN113922079B - 一种基于超表面单元的新型h面siw喇叭天线 - Google Patents

一种基于超表面单元的新型h面siw喇叭天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超表面单元的新型H面SIW喇叭天线，包括上层金属层、下层金属层、中间介质基板和若干金属圆柱，若干金属圆柱连接上层金属层盒下层金属层，H面SIW喇叭天线由同轴线馈电结构、集成在中间介质基板上的SIW传输线部分和SIW喇叭张角部分组成；在SIW喇叭张角部分的上层金属层和下层金属层上均设有一个为等腰梯形的缺口，在与该缺口对应的中间介质基板的上下表面上贴有一层矩形超表面单元，超表面单元不仅实现了馈源和自由空间之间的阻抗匹配，获得一个较宽的阻抗带宽，还改变了喇叭张角部分的等效折射率，使得波向喇叭天线的中心集中，减小了喇叭天线E面半功率波束宽度，进而提高了喇叭天线的增益。

Description

一种基于超表面单元的新型H面SIW喇叭天线
技术领域
本发明涉及喇叭天线技术领域，具体的说是一种基于超表面单元的新型H面SIW喇叭天线。
背景技术
目前，喇叭天线因其结构简单、增益高、功率容量大、加工简单等优点，广泛应用于雷达、遥感、卫星通信、射电天文等领域。然而，传统的金属喇叭天线体积大、重量重，不易与平面电路集成。近年来提出的基片集成波导具有尺寸小、成本低、重量轻、易于加工和集成的优点，基于基片集成波导设计的喇叭天线除了具有传统金属喇叭天线的优点外，还具有小型化、易集成的优势。然而，在Ka波段下使用薄介质基板会导致喇叭天线有一个较窄的阻抗带宽，这是由于喇叭口处与自由空间的阻抗匹配不佳而导致的缺点。此外，由于H面喇叭天线结构的固有特性，在使用薄衬底时，E面中的半功率波束宽度和高副瓣电平总是表现得很差。为了获得较宽的阻抗带宽和良好的辐射特性，目前已有的技术是在喇叭口前加载形状不同的介质基板或者在额外加载的介质基板上覆盖金属贴片，然而这些技术都会增加天线的整体结构尺寸，天线尺寸的增加会降低天线与系统的集成度，不符合系统小型化集成化的趋势。如现有技术中CN106099375A公开的一种基于超表面单元的新型H面SIW喇叭天线，具体包括喇叭口、位于喇叭口径外的介质基板上开设有沿天线的辐射方向排布的空气孔，天线的整体结构尺寸大。
综上，现有技术存在的问题是：现有技术在喇叭口径前加载额外的介质基板来实现喇叭口和自由空间的阻抗匹配，以及获得良好的辐射性能，但是这种技术会增加天线的整体结构尺寸。
解决上述技术问题的难度：在喇叭口径尺寸固定的前提下，为了保证喇叭天线拥有最宽的阻抗带宽和最大的增益，喇叭的纵向尺寸需要满足最优喇叭设计准则。为了实现喇叭的小型化，提高系统的集成度，需要减小喇叭的纵向尺寸，但减小纵向尺寸带来的影响是减小了阻抗带宽和降低了天线的增益。喇叭口径前加载额外介质基板可以解决该问题，但是会增加天线的整体尺寸。因此解决上述技术问题的难度在于，在保证喇叭天线阻抗带宽和辐射性能不变甚至更优且不需要额外介质基板的前提下，缩小喇叭的纵向长度。
解决上述技术问题的意义：解决上述技术问题，有利于采用本发明作为天线的通信系统实现小型化和集成化，且不会降低系统的收发性能。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种保证收发性能的同时实现喇叭的小型化的基于超表面单元的新型H面SIW喇叭天线。
为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：
本发明是一种基于超表面单元的新型H面SIW喇叭天线，H面SIW喇叭天线包括上层金属层、中间介质基板、下层金属层和若干金属圆柱，金属圆柱穿过中间介质基板，并连接上层金属层和下层金属层，其特征在于：H面SIW喇叭天线由同轴线馈电结构、集成在中间介质基板上的SIW传输线部分和SIW喇叭张角部分组成；
同轴线馈电结构包括金属内导体和金属外导体，其中金属内导体为圆柱形，依次穿过SIW传输线部分的下层金属层和中间介质基板，并到达SIW传输线部分的上层金属层，金属内导体的顶端截面与上层金属层水平，并在和上层金属层的交接处有设有环形槽；
贯穿中间介质基板、连接上下层金属层的金属圆柱分布在SIW传输线的三面，其中空缺的一面朝向喇叭天线的喇叭口；
SIW喇叭张角部分的上层金属层、下层金属层有一个位置对称的等腰梯形缺口，两个等腰梯形缺口的底边朝向喇叭天线的喇叭口，在中间介质基板的上下两侧的等腰梯形缺口处分别覆盖一层矩形超表面单元，两个超表面单元位置对称。
本发明的进一步改进在于：超表面单元为6排，由窄端到宽端，每相邻的两排为一组，每组的两排超表面单元的数量相同，且相邻两组中的宽端一组中每排超表面单元的数量比窄端的一组中的每排超表面单元的数量多2个。
本发明的进一步改进在于：超表面单元的宽为2.12mm，长为2.7mm，沿着单元宽边的周期为2.4mm，沿着单元长边的周期为2.9mm。
本发明的进一步改进在于：在SIW传输线部分和SIW喇叭张角部分的交界处的上层金属层和下层金属层上均设置一个金属交趾耦合结构，金属交趾的长度为0.6mm，宽度为0.3mm，间隙为0.18mm。
本发明的进一步改进在于：中间介质基板采用Rogers 5880高频板材，相对介电常数为2.2，损耗角正切值为0.0009，厚度为1.57mm。
本发明的进一步改进在于：同轴线馈电结构的金属内导体的半径为0.635mm，金属外导体的班级为1.46mm，环形槽9的外围半径为0.855mm。
本发明的进一步改进在于：SIW传输线的宽度为8.2mm，长度为8.4mm。
本发明的进一步改进在于：SIW传输线两个侧壁中相邻两个金属圆柱的距离为1.4mm，金属圆柱的直径为0.8mm。
本发明的有益效果是：本发明在喇叭张角部分的上下两个宽壁上形成一个等腰梯形的缺口，并在缺口上覆盖矩形超表面单元，使得馈源和自由空间之间的阻抗匹配较佳，进而获得一个较宽的阻抗带宽；同时超表面单元使得张角部分的介质基板的等效折射率变大，使得波向喇叭天线的中心集中，减小了喇叭天线E面半功率波束宽度，进而提高了喇叭天线的增益。最后，在保持天线增益不变甚至更佳的情况下，获得一个较宽的阻抗带宽，缩短了喇叭的纵向长度。
附图说明
图1是本发明的H面SIW喇叭天线的三维结构示意图。
图2是本发明的正面结构示意图。
图3是本发明的背面结构示意图。
图4是本发明的H面SIW喇叭天线的S11参数曲线图。
图5是本发明的H面SIW喇叭天线的增益曲线图。
图6是本发明的H面SIW喇叭天线在25GHz处的E面归一化方向图。
图7是本发明的H面SIW喇叭天线在25GHz处的H面归一化方向图。
其中，1-上层金属层，2-中间介质基板，3-下层金属层，4-金属圆柱，5-等腰梯形缺口，6-超表面单元，7-金属内导体，8-金属交趾耦合结构，9-环形槽，10-金属外导体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征更能轻易被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为明确清晰的界定。但这些实施例是例证性的，它们仅用来对本发明做具体描述，不应当理解为对本发明的限制。
本发明的一种基于超表面单元的新型H面SIW喇叭天线，包括上层金属层、中间介质基板、下层金属层和若干金属圆柱，中间介质基板2采用Rogers 5880高频板材，相对介电常数为2.2，损耗角正切值为0.0009，厚度为1.57mm。金属圆柱穿过中间介质基板，并连接上层金属层和下层金属层，最终形成一个H面SIW喇叭天线；
H面SIW喇叭天线由3个部分组成，分别是同轴线馈电结构、集成在介质基板上的SIW传输线部分和SIW喇叭张角部分；
同轴线馈电结构由同轴设置的金属内导体7和金属外导体10组成，其中金属内导体7为圆柱形，并依次穿过SIW传输线部分的下层金属层3和中间介质基板2，最后到达SIW传输线部分的上层金属层1，此外，金属内导体7的顶端截面与上层金属层1水平，并在和上层金属层的交接处有一个圆环状的槽，即，环形槽。金属内导体7半径为0.635mm，金属外导体10半径为1.46mm，同轴线的特性阻抗为50欧姆；上层金属层1中同轴线内导体周围的环形槽9的外围半径为0.855mm，其中外围半径的大小根据天线S11参数为最优来决定。
SIW传输线部分的上层金属层1和下层金属层3是完整的，贯穿中间介质基板2、连接上下层金属层1和3的金属圆柱4分布在SIW传输线的三面，其中空缺的一面朝向喇叭天线的喇叭口。SIW传输线部分朝向喇叭口的一端与SIW喇叭张角部分相连，同轴线馈电结构位于封闭端的内侧，金属内导体7中心距离封闭端的距离为2.7mm，SIW传输线的宽度为8.2mm，长度为8.4mm，传输线两个侧壁中相邻两个金属圆柱的距离为1.4mm，金属圆柱4的直径为0.8mm。
SIW喇叭张角部分的上层金属层1和下层金属层3均有一个等腰梯形缺口5，两个等腰梯形缺口5对称设置，且底边均朝向喇叭天线的喇叭口，在与等腰梯形缺口5处对应的中间介质基板2的上下表面上均覆盖一层矩形超表面单元6，上下超表面单元位置对称。SIW喇叭张角部分的长度为17.6mm，相对于天线的中心轴线的张角的度数为22度。张角的度数大小根据天线的H面半功率波束宽度为最小来决定。超表面单元6的排列数和每排超表面单元6的个数由等腰梯形缺口的大小决定，优选的超表面单元总共有6排，由窄端到宽端，每相邻的两排为一组，每组的两排超表面单元的数量相同，窄端的每排超表面单元6数量比宽端的每排超表面单元6数量少两个，超表面单元6的宽为2.12mm，长为2.7mm，沿着单元宽边的周期为2.4mm，沿着单元长边的周期为2.9mm。超表面单元6的大小和周期可以根据天线的S11参数和增益为最优来决定。
在SIW传输线部分和SIW喇叭张角部分的交界处的上层金属层和下层金属层上均设置一个金属交趾耦合结构8，金属交趾的长度为0.6mm，宽度为0.3mm，间隙为0.18mm，其中，交趾的长度、宽度和间隙根据天线的S11参数为最优来决定。
本实施例的H面SIW喇叭天线的仿真和测量结果如图4到图7所示，其中S11参数小于-10dB的仿真带宽为22.3GHz-28.6GHz(24.8％)，测量带宽21.5GHz-28GHz(26.3％)；在工作带宽内，增益的仿真大小为8.6dBi-11dBi，测量大小为7.9dBi-10.7dBi；E面半功率波束宽度的仿真值为70度，测量值为72度；H面半功率波束宽度的仿真值为44度，测量值为60度。以上仿真和测量结果，说明本发明结构实现了在不需要额外介质基板的前提下，拓宽了天线的阻抗带宽，提高了天线的辐射性能，缩小喇叭天线的纵向长度。
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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于超表面单元的新型H面SIW喇叭天线，H面SIW喇叭天线包括上层金属层、中间介质基板、下层金属层和若干金属圆柱，所述金属圆柱穿过所述中间介质基板，并连接所述上层金属层和下层金属层，其特征在于：所述H面SIW喇叭天线由同轴线馈电结构、集成在所述中间介质基板上的SIW传输线部分和SIW喇叭张角部分组成；
所述同轴线馈电结构包括金属内导体和金属外导体，其中金属内导体为圆柱形，依次穿过所述SIW传输线部分的下层金属层和中间介质基板，并到达所述SIW传输线部分的上层金属层，所述金属内导体的顶端截面与所述上层金属层水平，并在和上层金属层的交接处有设有环形槽；
贯穿中间介质基板、连接上下层金属层的金属圆柱分布在SIW传输线的三面，其中空缺的一面朝向喇叭天线的喇叭口；
所述SIW喇叭张角部分的上层金属层、下层金属层有一个位置对称的等腰梯形缺口，两个等腰梯形缺口的底边朝向喇叭天线的喇叭口，在中间介质基板的上下两侧的等腰梯形缺口处分别覆盖一层矩形超表面单元，两个超表面单元位置对称。
2.根据权利要求1所述一种基于超表面单元的新型H面SIW喇叭天线，其特征在于：所述超表面单元为6排，由窄端到宽端，每相邻的两排为一组，每组的两排所述超表面单元的数量相同，且相邻两组中的宽端一组中每排所述超表面单元的数量比窄端的一组中的每排所述超表面单元的数量多2个。
3.根据权利要求2所述一种基于超表面单元的新型H面SIW喇叭天线，其特征在于：所述超表面单元的宽为2.12mm，长为2.7mm，沿着单元宽边的周期为2.4mm，沿着单元长边的周期为2.9mm。
4.根据权利要求1所述一种基于超表面单元的新型H面SIW喇叭天线，其特征在于：所述中间介质基板采用Rogers 5880高频板材，相对介电常数为2.2，损耗角正切值为0.0009，厚度为1.57mm。
5.根据权利要求1所述一种基于超表面单元的新型H面SIW喇叭天线，其特征在于：所述同轴线馈电结构的所述金属内导体的半径为0.635mm，所述金属外导体的班级为1.46mm，环形槽9的外围半径为0.855mm，同轴线的特性阻抗为50欧姆。
6.根据权利要求1所述一种基于超表面单元的新型H面SIW喇叭天线，其特征在于：所述SIW传输线的宽度为8.2mm，长度为8.4mm。
7.根据权利要求1所述一种基于超表面单元的新型H面SIW喇叭天线，其特征在于：所述SIW传输线两个侧壁中相邻两个金属圆柱的距离为1.4mm，金属圆柱的直径为0.8mm。
8.根据权利要求1-7任意一项所述一种基于超表面单元的新型H面SIW喇叭天线，其特征在于：在SIW传输线部分和SIW喇叭张角部分的交界处的上层金属层和下层金属层上均设置一个金属交趾耦合结构，金属交趾的长度为0.6mm，宽度为0.3mm，间隙为0.18mm。
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