CN114024136B - 一种基于半模基片集成波导的高共模抑制比差分天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于半模基片集成波导的高共模抑制比差分天线，它包括从上到下依次设置的上层介质板、金属地板和下层介质板；在所述上层介质板的上表面设置有重构半模基片集成波导组件，其构成天线的辐射体，通过组合两个重构半模基片集成波导构成组件，增大天线的辐射增益和均匀性；所述下层介质板的下表面设置有方形基片集成波导并通过共面波导馈电；在所述金属地板上刻蚀有四个耦合馈电孔，用于将信号从方形基片集成波导腔体耦合到重构半模基片集成波导组件。本发明采用腔体耦合馈电方式，避免了馈电网络交叉点的出现，提高了天线性能；共模抑制比较高，通过耦合腔体和辐射体实现双阶共模抑制，并通过引入微扰进一步提高了共模抑制。

Description

一种基于半模基片集成波导的高共模抑制比差分天线

技术领域

本发明涉及天线及电磁波技术领域，尤其涉及一种基于半模基片集成波导的高共模抑制比差分天线。

背景技术

随着现代无线射频系统向着小型化、多功能化和智能化的方向迅速发展，在军用和民用领域器件间电磁干扰问题越加突出；差分技术可以有效降低器件间的电磁干扰，干扰信号对差分天线的两个馈电线产生相同的耦合作用，两端口通过做差，差分天线的有效输入值不变；差分天线可以直接与射频前端相连，避免了巴伦等中间转换器的使用，减小了系统整体的尺寸，增强了系统的抗干扰能力，同时使得系统内部各个器件实现更高的兼容性，具有较高的应用和研究价值。

差分天线的馈线设计通常采用功分器的形式，而对于对角相位相同的馈电要求，其差分馈线必然存在交叉点，此时就需要打探针或其他形式以保证各条差分馈线的信号完整性，但是这种方式极大地降低了天线的辐射效率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种基于半模基片集成波导的高共模抑制比差分天线，解决了现有差分天线存在的不足。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于半模基片集成波导的高共模抑制比差分天线，它包括从上到下依次设置的上层介质板、金属地板和下层介质板；在所述上层介质板的上表面设置有重构半模基片集成波导组件，其构成天线的辐射体，通过所述重构半模基片集成波导组件增大天线的辐射增益和提高天线各方向3dB波束宽度的均匀性；所述下层介质板的下表面设置有方形基片集成波导并通过共面波导馈电，以激励重构半模基片集成波导组件；在所述金属地板上刻蚀有四个耦合馈电孔，用于将信号从方形基片集成波导腔体耦合到重构半模基片集成波导组件。

所述重构半模基片集成波导组件包括沿中心线对称设置在上层介质板上表面的第一重构半模基片集成波导腔体和第二重构半模基片集成波导腔体；两个重构半模基片集成波导腔体具有相反辐射位置的辐射磁壁和相反方位的激励，且在谐振频率处具有奇对称的电场分布。

所述重构半模基片集成波导腔体的重构方式包括：

将一个方形基片集成波导腔体沿中心对称线切割得到两个半模基片集成波导腔体；

将半模基片集成波导腔体沿对称线切割，并将一部分绕对称线中点进行180°翻转，得到重构后的半模基片集成波导腔体。

所述重构后的半模基片集成波导腔体在TE201模式时具有相同的谐振频率和一条辐射位置改变的辐射磁壁，重构后波导两辐射边界辐射电场大小相等且相位相同，在同一平面内两辐射电场同相叠加。

在两个半模基片集成波导腔体的两个对角边缘开设有多个均匀排列且贯穿上层介质板和金属地板的金属通孔，两个半模基片集成波导对角开设金属通孔的位置沿中心线对称。

在所述上层介质板上还设置有两个焊盘，焊盘开设有贯穿所述上层介质板、金属地层和下层介质板的金属通孔，通过金属通孔与金属地层连接。

在所述方形基片集成波导腔体的边缘开设有均匀排列且贯穿所述下层介质板和金属地板的金属通孔；所述共面波导设置在所述方形基片集成波导腔体的两端实现信号的加载。

在所述方形基片集成波导腔体上开设有四个贯穿下层介质板和金属地板的微扰通孔，四个微扰通孔设置在电壁位置，用于进一步提高天线的共模抑制。

本发明具有以下优点：一种基于半模基片集成波导的高共模抑制比差分天线，基于重构的半模基片集成波导腔体设计天线辐射体，且两个腔体需要反向馈电实现增益的提高和3 dB波束宽度一致性的优化。采用腔体耦合馈电方式，避免了馈电网络交叉点的出现，提高了天线性能；共模抑制比较高，通过耦合腔体和辐射体实现双阶共模抑制，并通过引入微扰进一步提高了共模抑制。

附图说明

图1 为本发明的结构示意图；

图2 为天线上表面的结构示意图；

图3 为金属地层的示意图；

图4 为方形基片集成波导腔体的示意图；

图5 为重构半模基片集成波导腔体差模空间电场辐射示意图；

图6 为重构半模基片集成波导腔体辐射方向图和辐射体构成原理图；

图7 为方形基片集成波导腔体TE202模式电场分布图；

图8 为金属微扰通孔位置对阻抗匹配和共模增益影响图；

图9 为天线仿真S参数和增益图；

图10为天线仿真方向图；

图11为天线电场分布图；

图中：1-上层介质板，2-金属地层，3-下层介质板，4-方形基片集成波导腔体，5-重构半模基片集成波导组件，6-第一重构半模基片集成波导腔体，7-第二重构半模基片集成波导腔体，8-焊盘，9-金属通孔，10-耦合馈电孔，11-微扰通孔，12-共面波导，13-辐射磁壁。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下结合附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。

本发明具体涉及一种基于半模基片集成波导的高共模抑制比差分天线，其工作频段为C波段、带内回波损耗低于-10dB、增益不低于8 dBi，共模抑制高于34.76 dB；首先以重构的半模基片集成波导腔体为基本单元设计差分天线，选取具有奇对称电场分布的TE201模式，当共面波导12的两个端口输入差模信号时，输入信号的相位与腔体内部的电场方向相吻合，从而实现对差模信号的传输；当共面波导12的两个端口输入共模信号时，输入信号的相位与腔体内部的电场方向相反，从而实现对共模信号的抑制。重构的半模基片集成波导腔体在TE201模式时左右电场幅值相等，相位相反，因此需要加载两个幅值相等，相位相反的激励。

然后为提高天线的增益和3 dB波束宽度的一致性，将两个具有相反磁壁的重构半模基片集成波导合理布局，构成天线的辐射体，且两个腔体需要相反的馈电；因此辐射体需要四端口的馈电结构，且对角端口幅值相等、相位相同，相邻端口幅值相等、相位相反。最后采用腔体耦合馈电的方式激励设计的辐射体，方形基片集成波导TE202模式的电场分布符合辐射体的馈电要求，可以有效激励辐射体，同时为了进一步提高天线的共模抑制，引入了4个金属微扰通孔。天线的共模抑制比为34.76 dB，E面和H面的交叉极化分别为-43.3 dB和-44.6 dB。天线具有高共模抑制、低交叉极化水平的优点，可被广泛地应用于高集成和复杂无线通信系统中。

如图1所示，本发明天线结构为双层介质板结构，介质板均为Rogers 5880材料，其介电常数为2.2，介质损耗0.0009。上层介质板1包含两个具有相反磁壁的重构半模基片集成波导腔体，腔体上表面为金属层，下表面亦为金属层，金属通孔9均匀排列连接上下金属表面，如图2所示，上层介质板1上表面还包含两个焊盘8，两个焊盘8均通过金属通孔9与共用的金属地层2连接，加载焊盘8便于连接SMA接头，方便测试。如图3所示，金属地层2位于中间层，在其上刻蚀掉四个用于腔体耦合馈电的圆形的耦合馈电孔10；如图4所示，下层介质板3包含方形基片集成波导腔体4，并通过共面波导12馈电。

进一步地，金属通孔9在方形基片集成波导腔体4上围成方形部分的大小决定腔体的谐振频率。两个金属通孔9的间距满足基片集成波导的最小能量泄露原则。通过在方形基片集成波导腔体4和重构半模基片集成波导腔体共同的金属地层2上刻蚀4个耦合馈电孔10，使方形基片集成波导腔体4激励第一重构半模基片集成波导腔体6和第二重构半模基片集成波导腔体7。

进一步地，如图5所示，重构半模基片集成波导腔体的重构方式包括：

将一个方形基片集成波导腔体沿中心对称线切割得到两个半模基片集成波导腔体；

将半模基片集成波导腔体沿对称线切割，并将一部分绕对称线中点进行180°翻转，得到重构后的半模基片集成波导腔体。

重构后的半模基片集成波导腔体具有相同的谐振频率和相反位置的辐射磁壁13，重构后波导两辐射边界辐射电场大小相等且相位相同，在同一平面内两辐射电场同相叠加。

如图6所示，图6（a）为重构半模基片集成波导腔体的辐射方向图，天线仅在距离两个辐射磁壁13相同波程的区域内有效辐射，因此该腔体不能独立用于差分天线设计。图6（b）表示天线辐射体的构成原理图，通过引入具有相反辐射磁壁13位置的第二个重构半模基片集成波导腔体，可以在正交区域内实现有效辐射，因此可以有效的提高天线3 dB波束宽度的一致性，同时，两个腔体需要辐射同相的空间电场矢量，以提高天线的增益，因此两个腔体需要反相的激励。

如图7所示，图7（a）为不加载金属的微扰通孔11的电场分布示意图，本发明采用腔体耦合的馈电方式，应用方形基片集成波导腔体4的TE202模式；图7（b）表示加载金属的微扰通孔11的电场分布示意图，从图中可以看出，在电壁位置（图7（b）中椭圆虚线圈住的位置）引入4个金属微扰通孔11提高了各个端口之间的隔离度，进一步提高了天线的共模抑制比。金属微扰通孔位置对天线阻抗匹配和共模抑制的影响如图8所示。

如图9所示，当差模信号激励时，天线的工作频带为4.410-4.447 GHz， 在4.425GHz频点处的增益为8.69 dBi。当共模信号激励时，S参数接近于0，在通带内的共模增益为26.07 dBi， 实现了34.76 dB的共模抑制比。

如图10所示，图10（a）图表示E面和图10（b）图表示H面的交叉极化分别为-43.3 dB和-44.6 dB，实现了较低的交叉极化水平。

本发明的工作原理是：通过将差模信号和共模信号加载至两个共面波导12的端口，当差模信号激励时，首先激励起下层介质3中的方形基片集成波导腔体4的TE202模式；随后通过共用金属地层2上的4个耦合馈电孔10，差模信号耦合至上层介质板1中的两个重构半模基片集成波导腔体；最后激励起两个重构半模基片集成波导腔体的TE201模式，实现差模信号的有效辐射。当共模信号激励时，首先无法激励起方形基片集成波导腔体4的TE202模式，因此几乎没有电场通过耦合馈电孔10进入上层介质1，又因第一重构半模基片集成波导腔体6和第二重构半模基片集成波导腔体7在该频率下电场奇对称，因此共模信号得到进一步抑制。本发明中天线的在差模和共模信号激励下的电场分布图如图11所示，图11（a）表示差模激励，图11（b）表示共模激励，差模信号实现了有效辐射，共模信号得到了良好的抑制。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于半模基片集成波导的高共模抑制比差分天线，其特征在于：它包括从上到下依次设置的上层介质板（1）、金属地板（2）和下层介质板（3）；在所述上层介质板的上表面设置有重构半模基片集成波导组件（5），其构成天线的辐射体，通过所述重构半模基片集成波导组件（5）增大天线的辐射增益和提高天线各方向3dB波束宽度的均匀性；所述下层介质板（3）的下表面设置有方形基片集成波导腔体（4）并通过共面波导（12）馈电，以激励重构半模基片集成波导组件（5）；在所述金属地板（2）上刻蚀有四个耦合馈电孔，用于将信号从方形基片集成波导腔体（4）耦合到重构半模基片集成波导组件（5）；

所述重构半模基片集成波导组件（5）包括沿中心线对称设置在上层介质板（1）上表面的第一重构半模基片集成波导腔体（6）和第二重构半模基片集成波导腔体（7）；两个重构半模基片集成波导腔体具有相反位置的辐射磁壁（13）和相反方位的激励，且两个重构半模基片集成波导腔体在工作频率处具有奇对称的电场分布；

所述重构半模基片集成波导腔体的重构方式包括：

将一个方形基片集成波导腔体沿中心对称线切割得到两个半模基片集成波导腔体；

将半模基片集成波导腔体沿对称线切割，并将一部分绕对称线中点进行180°翻转，得到重构后的半模基片集成波导腔体。

2.根据权利要求1所述的一种基于半模基片集成波导的高共模抑制比差分天线，其特征在于：所述重构后的半模基片集成波导腔体在TE201模式时具有相同的谐振频率和一条辐射位置改变的辐射磁壁（13），重构后波导两辐射边界辐射电场大小相等且相位相同，在同一平面内两辐射电场同相叠加。

3.根据权利要求1所述的一种基于半模基片集成波导的高共模抑制比差分天线，其特征在于：在两个半模基片集成波导腔体的两个对角边缘开设有多个均匀排列且贯穿上层介质板（1）和金属地板（2）的金属通孔（9），两个半模基片集成波导对角开设金属通孔（9）的位置沿中心线对称。

4.根据权利要求1所述的一种基于半模基片集成波导的高共模抑制比差分天线，其特征在于：在所述上层介质板（1）上还设置有两个焊盘（8），焊盘（8）开设有贯穿所述上层介质板（1）、金属地层（2）和下层介质板（3）的金属通孔（9），通过金属通孔与金属地层（2）连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于半模基片集成波导的高共模抑制比差分天线，其特征在于：在所述方形基片集成波导腔体（4）的边缘开设有均匀排列且贯穿所述下层介质板（3）和金属地板（2）的金属通孔（9）；所述共面波导（12）设置在所述方形基片集成波导腔体（4）的两端实现信号的加载。

6.根据权利要求1所述的一种基于半模基片集成波导的高共模抑制比差分天线，其特征在于：在所述方形基片集成波导腔体（4）上开设有四个贯穿下层介质板（3）和金属地板（2）的微扰通孔（11），四个微扰通孔（11）设置在电壁位置，用于进一步提高天线的共模抑制。

Images