CN113991309A - 一种基片集成波导行波天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基片集成波导天线，涉及天线领域。所述行波天线为半模基片集成波导行波天线；辐射单元包括：两个子阵列，每一个子阵列均包括：半模基片集成波导行波天线；两个子阵列沿其经度背靠背设置；每一个子阵列均集成有反相器，每一个子阵列下方均设置有扩展反射层，馈电单元为两个子阵列提供相位差180°的电磁波。本发明行波天线，通过集成反相器、增加扩展层、背靠背设置子阵列的方法，减小了行波天线轴向长度的同时，极大的提高了行波天线的增益，本发明的行波天线具有较高的实用性。
Description
技术领域
本发明涉及天线领域，特别是涉及一种基片集成波导行波天线。
背景技术
半模基片集成波导(half-mode substrate integrated waveguide缩写HMSIW)是在传统SIW(基片集成波导)的基础上沿着传播方向切开，切开的一侧向外辐射电磁波，因此可以作为天线使用，实现器件的小型化。
虽然目前半模基片集成波导行波天线具有较宽的带宽以及增益，但是沿着电磁波传播方向的长度(即轴向尺寸)太长，这不利于半模基片集成波导行波天线的小型化。若是缩减轴向尺寸，则半模基片集成波导行波天线的带宽和增益也随之变差。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种行波天线。
本发明实施例提供一种基片集成波导行波天线，所述行波天线为半模基片集成波导行波天线；所述行波天线包括：馈电单元、辐射单元以及扩展反射层；
所述辐射单元包括：两个子阵列，每一个子阵列均包括：半模基片集成波导行波天线；
所述两个子阵列沿其经度背靠背设置；
所述每一个子阵列均集成有反相器，通过所述反相器反转电磁波的相位；
所述每一个子阵列下方均设置有所述扩展反射层，所述扩展反射层沿着所述每一个子阵列的y轴横向延伸；
所述馈电单元与所述辐射单元连接，为所述两个子阵列提供相位差180°的电磁波。
可选地，所述两个子阵列利用金属通孔壁分开，形成第一子阵列和第二子阵列。
可选地，所述反相器包括：缝隙和金属通孔，所述缝隙和所述金属通孔位于每个半模基片集成波导行波天线的顶部。
可选地，所述第一子阵列包括：八元半模基片集成波导行波天线；
所述第二子阵列包括：所述八元半模基片集成波导行波天线。
可选地，所述八元半模基片集成波导行波天线中，八个辐射元件和八个反相器以线性排列方式连接。
可选地，所述扩展反射层由铜板构成。
可选地，所述铜板的宽度为7毫米。
可选地，所述缝隙和所述金属通孔产生谐振，反转电磁波的相位。
可选地，所述缝隙采用弓形弯曲设置；
所述金属通孔贯穿至半模基片集成波导行波天线的底部铜箔。
可选地，所述半模基片集成波导行波天线的基板包括：Rogers RT/duroid 5880，所述基板的介电常数为2.2，正切损耗角为0.0009。
本发明提供的行波天线，辐射单元包括：两个子阵列，每一个子阵列均包括：半模基片集成波导行波天线；每一个子阵列均集成有反相器，通过反相器反转电磁波的相位，电磁波相位反转，可以使得电场分布沿着整个HMSIW口径的相位变成同相，因此便可以提高其增益。
虽然集成反相器可以提高HMSIW天线的增益，但由于天线的辐射为全方向性的(360°)，因此HMSIW天线实现的增益并不高。因此在每一个子阵列下方均设置有扩展反射层，扩展反射层沿着每一个子阵列的y轴横向延伸，扩展反射层相当于一个反射面，将全向分布的电场反射，因此使得HMSIW天线的电场全部集中在上半平面，进一步提升HMSIW天线的增益。
两个子阵列沿其经度背靠背设置，而馈电单元为两个子阵列提供相位差180°的电磁波。这种方式使得左侧HMSIW天线的电场(其中一个子阵列)与右侧HMSIW天线(另一个子阵列)的电场在侧边相互抵消，而在整个行波天线的上方相互叠加，再进一步提高其增益。
通过上述集成反相器、增加扩展层、背靠背设置子阵列的方法，减小了行波天线轴向长度的同时，极大的提高了行波天线的增益，本发明的行波天线具有较高的实用性。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例一种行波天线的结构示意图；
图2是本发明实施例中一个子阵列加扩展反射层30的横向电场分布示意图；
图3是本发明实施例中两个子阵列加各自的扩展反射层30形成的行波天线的横向电场分布示意图；
图4是本发明实施例中行波天线在不同元半模基片集成波导行波天线作为子阵列的，集成有反相器的行波天线的增益曲线图；
图5是本发明实施例中行波天线在不同元半模基片集成波导行波天线作为子阵列的，未集成有反相器的行波天线的增益曲线图；
图6是本发明实施例中行波天线的增益与扩展反射层宽度的关系曲线图；
图7是本发明实施例中行波天线s参数的仿真、实测方向图；
图8是本发明实施例中行波天线增益的仿真、实测方向图。
具体实施方式
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。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，并不用于限定本发明。
参照图1，示出了本发明实施例一种行波天线的结构示意图，该行波天线包括馈电单元10、辐射单元20以及扩展反射层30。辐射单元10包括：两个子阵列，每一个子阵列均包括：半模基片集成波导行波天线，两个子阵列沿其经度背靠背设置，两个子阵列利用金属通孔壁60分开，形成第一子阵列和第二子阵列。
每一个子阵列均集成有反相器201，通过反相器201反转电磁波的相位。图1中示例性的示出了反相器201的具体结构，其余反相器的结构与之相同，为了图示的简洁，不一一示出。
每一个子阵列下方均设置有扩展反射层，扩展反射层沿着每一个子阵列的y轴横向延伸。图1中两个子阵列各有一个扩展反射层，均用30标识。
馈电单元10与辐射单元20连接，为两个子阵列提供相位差180°的电磁波。图1中示例性的示出了馈电单元10的结构。图1中所示馈电单元10是由T型接头差分馈电提供相位差180°的电磁波，当然其余可以提供相位差180°的电磁波的结构均可以作为馈电单元。
图1中反相器201包括：缝隙201a和金属通孔201b，缝隙201a和金属通孔201b位于每个半模基片集成波导行波天线的顶部。缝隙201a采用弓形弯曲设置；金属通孔201b贯穿至半模基片集成波导行波天线的底部铜箔。缝隙201a和金属通孔201b在电磁波通过时，相当于电容和电感，其可以产生谐振，从而反转电磁波的相位。
由于目前传统的HMSIW天线具有与SIW天线类似的性质，其电磁波沿传播方向以正弦方式传播。因此相邻两个半波长单元之间会有180°的反相，这会带来远场辐射的抵消，导致HMSIW天线增益不高。而本发明的行波天线，每一个子阵列均集成有反相器201，在电磁波通过反相器201时，将其相位反转180°，可以使得电场分布沿着整个行波天线口径的相位变成同相，因此便可以提高其增益。
虽然集成反相器可以提高行波天线的增益，但由于行波天线的辐射为全方向性的(360°)，因此该方法使得行波天线实现的增益并不高。因此，设置了扩展反射层，扩展反射层由铜板构成。一种较优的选择是铜板的宽度为7毫米。
扩展反射层相当于一个反射面，将全向分布的电场反射，因此使得行波天线的电场全部集中在上半平面，进一步提升行波天线的增益。参照图2，示例性的示出了一个子阵列加扩展反射层30的横向电场分布示意图。由图可知，扩展反射层30较好的将全向分布的电场反射，达到了将行波天线的电场全部集中在上半平面的目标。
图1中，示例性的以八元半模基片集成波导行波天线作为第一子阵列示出，结合后面的仿真、实测数据可知，八元半模基片集成波导行波天线作为子阵列使得整体的行波天线具有较好的增益，较少的半模基片集成波导行波天线作为子阵列形成的行波天线增益较小，高于八元的半模基片集成波导行波天线，例如：十元、十二元半模基片集成波导行波天线，虽然使得行波天线的增益进一步增大，但增大幅度并不显著，更为关键的是，较多的半模基片集成波导行波天线作为子阵列形成的行波天线其物理占用面积较大，并不符合行波天线小型化的需求。
由于两个子阵列是背靠背设置，因此可以理解的是第二子阵列同样也包括：八元半模基片集成波导行波天线。而每个八元半模基片集成波导行波天线中，八个辐射元件202和八个反相器201以线性排列方式连接。
参照图3，示例性的示出了两个子阵列加各自的扩展反射层30形成的行波天线的横向电场分布示意图。馈电单元10为两个子阵列提供相位差180°的电磁波。这种方式使得左侧子阵列的电场(图3中Left side E-field)与右侧子阵列的电场(图3中Right side E-field)在侧边相互抵消，而在整个行波天线的上方相互叠加，再进一步提高其增益。
本发明的行波天线中，半模基片集成波导行波天线的基板优选的参数包括：Rogers RT/duroid 5880，基板的介电常数为2.2，正切损耗角为0.0009。结合图1，下表给出了经过大量仿真、实测后的各项参数的较优值：
上表中，各项数值单位均为毫米，其含义分别为：
l：辐射单元20的长度；w：反相器201的宽度；wt：扩展反射层30的宽度；dv：金属通孔201b的横向间距；r1：金属通孔201b的半径；r2：金属通孔壁60中每个金属通孔的半径；d2：金属通孔壁60中每个金属通孔的间距；ds：金属通孔201b的纵向间距；ws：缝隙201a沿z轴的长度；wd：缝隙201a的宽度；ls：缝隙201a沿y轴的长度；l1：馈电单元10中第一截微带线的长度；l2：馈电单元10中第二截微带线的长度；l3：馈电单元10中第三截微带线的长度；l4：馈电单元10中第四截微带线的长度；l5：馈电单元10中第五截微带线的长度；l6：馈电单元10中第六截微带线的长度；l7：馈电单元10中第七截微带线的长度；l8：馈电单元10中第八截微带线的长度；l9：馈电单元10中第九截微带线的长度；lm：馈电单元10中第十截微带线的长度；ls1：馈电单元10中三角过渡结构的斜边长；ls2：馈电单元10中过渡结构的的斜边长；la：馈电单元10中梯形过渡结构的的直角边长；w1：馈电单元10中第一截微带线的宽度；w2：馈电单元10中第二截微带线的宽度；w3：馈电单元10中第三截微带线的宽度；wa：馈电单元10中第四截微带线的宽度；wm：馈电单元10中第十截微带线的宽度；
需要说明的是，上表中的尺寸是经过大量仿真、试验得到的一种较优的尺寸参数，并不代表本发明的行波天线仅能为该表中尺寸。
以下针对上述行波天线的性能进行模拟仿真测试和实测，得到的结果如下：
参照图4，示出了行波天线在不同元半模基片集成波导行波天线作为子阵列的，集成有反相器的行波天线的增益曲线图；参照图5，示出了行波天线在不同元半模基片集成波导行波天线作为子阵列的，未集成有反相器的行波天线的增益曲线图。其中，Frequency指行波天线工作频率，Gain指增益。图4中，由实线加六边形组成的曲线为二元半模基片集成波导行波天线作为子阵列，集成有反相器的行波天线的增益曲线，由实线加倒三角组成的曲线为四元半模基片集成波导行波天线作为子阵列，集成有反相器的行波天线的增益曲线；由实线加圆形组成的曲线为六元半模基片集成波导行波天线作为子阵列，集成有反相器的行波天线的增益曲线，由实线加正方形组成的曲线为八元半模基片集成波导行波天线作为子阵列，集成有反相器的行波天线的增益曲线；由实线加正三角组成的曲线为十元半模基片集成波导行波天线作为子阵列，集成有反相器的行波天线的增益曲线，由图中反映出，增益随着辐射元件的数量而急剧增加，但八元以上的增加不显著。
图5中与图4用相同标识的曲线代表同样元数的半模基片集成波导行波天线作为子阵列，但未集成反相器的行波天线的增益曲线。由图中反映出，当不使用反相器时，行波天线的增益增量随着辐射元件的数量增加而并不明显，由此可知反相器的设置明显增加了行波天线的增益，但增益并不高。
参照图6，示出了行波天线的增益与扩展反射层宽度的关系曲线图。以八元半模基片集成波导行波天线作为子阵列，集成有反相器的行波天线为例进行测试。图6中，由实线加正方形组成的曲线为扩展反射层宽度为2毫米时行波天线的增益曲线，由实线加圆形组成的曲线为扩展反射层宽度为4毫米时行波天线的增益曲线；由实线加正三角组成的曲线为扩展反射层宽度为6毫米时行波天线的增益曲线，由实线加倒三角组成的曲线为扩展反射层宽度为8毫米时行波天线的增益曲线；由实线加菱形组成的曲线为扩展反射层宽度为10毫米时行波天线的增益曲线。由图中反映出，随着扩展反射层宽度从2mm增加到10mm，行波天线的增益增量不太明显。综合考虑行波天线尺寸和增益，较优的选择是扩展反射层宽度为7mm。
参照图7，示出了行波天线s参数的仿真、实测方向图。图7中由实线组成的曲线为s参数的仿真曲线，由短横线组成的曲线为s参数的实测曲线。可以看出，仿真的行波天线阻抗带宽为10.7–12.3GHz，而实测的行波天线阻抗带宽为11–12.8GHz，本发明的行波天线满足工作需求。
参照图8，示出了行波天线增益的仿真、实测方向图。图8中由线10组成的曲线为增益的仿真曲线，由线20组成的曲线为增益的实测曲线。可以看出，在仿真中，最大增益为16.8dBi出现在11.5GHz，3-dB增益带宽为11-12.7GHz；而在实测中，最大增益为16.2dBi出现在11.6GHz，3-dB增益带宽为11-12.6GHz。当输入电磁波信号的频率在11GHz到12.6GHz之间变化时，行波天线的波束以视轴波束为0°的基础，从20°到50°的范围内进行扫描。
综上所述，本发明的行波天线，每一个子阵列均集成有反相器，通过反相器反转电磁波的相位，电磁波相位反转，可以使得电场分布沿着整个行波天线口径的相位变成同相，因此便可以提高其增益。
虽然集成反相器可以提高行波天线的增益，但由于行波天线的辐射为全方向性的，因此行波天线实现的增益并不高。因此在每一个子阵列下方均设置有扩展反射层，扩展反射层沿着每一个子阵列的y轴横向延伸，扩展反射层相当于一个反射面，将全向分布的电场反射，因此使得行波天线的电场全部集中在上半平面，进一步提升行波天线的增益。
两个子阵列沿其经度背靠背设置，而馈电单元为两个子阵列提供相位差180°的电磁波。这种方式使得左侧行波天线的电场与右侧行波天线的电场在侧边相互抵消，而在整个行波天线的上方相互叠加，再进一步提高其增益。
通过上述集成反相器、增加扩展层、背靠背设置子阵列的方法，减小了行波天线轴向长度的同时，极大的提高了行波天线的增益，本发明的行波天线具有较高的实用性。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法所固有的要素。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (10)
1.一种基片集成波导行波天线，其特征在于，所述行波天线为半模基片集成波导行波天线；所述行波天线包括：馈电单元、辐射单元以及扩展反射层；
所述辐射单元包括：两个子阵列，每一个子阵列均包括：半模基片集成波导行波天线；
所述两个子阵列沿其经度背靠背设置；
所述每一个子阵列均集成有反相器，通过所述反相器反转电磁波的相位；
所述每一个子阵列下方均设置有所述扩展反射层，所述扩展反射层沿着所述每一个子阵列的y轴横向延伸；
所述馈电单元与所述辐射单元连接，为所述两个子阵列提供相位差180°的电磁波。
2.根据权利要求1所述的行波天线，其特征在于，所述两个子阵列利用金属通孔壁分开，形成第一子阵列和第二子阵列。
3.根据权利要求1所述的行波天线，其特征在于，所述反相器包括：缝隙和金属通孔，所述缝隙和所述金属通孔位于每个半模基片集成波导行波天线的顶部。
4.根据权利要求2所述的行波天线，其特征在于，所述第一子阵列包括：八元半模基片集成波导行波天线；
所述第二子阵列包括：所述八元半模基片集成波导行波天线。
5.根据权利要求4所述的行波天线，其特征在于，所述八元半模基片集成波导行波天线中，八个辐射元件和八个反相器以线性排列方式连接。
6.根据权利要求1所述的行波天线，其特征在于，所述扩展反射层由铜板构成。
7.根据权利要求6所述的行波天线，其特征在于，所述铜板的宽度为7毫米。
8.根据权利要求3所述的行波天线，其特征在于，所述缝隙和所述金属通孔产生谐振，反转电磁波的相位。
9.根据权利要求8所述的行波天线，其特征在于，所述缝隙采用弓形弯曲设置；
所述金属通孔贯穿至半模基片集成波导行波天线的底部铜箔。
10.根据权利要求2所述的行波天线，其特征在于，所述半模基片集成波导行波天线的基板包括：Rogers RT/duroid 5880，所述基板的介电常数为2.2，正切损耗角为0.0009。
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