CN114267938A - 基于基片集成同轴线的宽带高增益背腔拱形贴片开缝阵列天线 - Google Patents

基于基片集成同轴线的宽带高增益背腔拱形贴片开缝阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于基片集成同轴线的宽带高增益背腔拱形贴片开缝阵列天线，属于天线技术领域。该天线是由辐射结构和功分结构组成。该辐射结构是由辐射单元，传输结构和背腔结构所组成。传输结构采用1分4等幅功分器。功分结构采用1分4等幅同相功分器。为了提高天线的阻抗带宽和辐射增益，辐射单元上设置了具有开“E”型缝隙槽的拱形贴片。本发明天线工作频率点是42.0GHz,介质基板采用Rogers 5880。阵列天线是由4个辐射单元组成，尺寸为8.41λ×4.13λ×0.09λ，频带范围为40.4GHz‑45.0GHz，42.0GHz频点处的增益为16dBi。本发明天线在宽度以及增益等方面都有较大优势，且工作的频带较高。

Description

基于基片集成同轴线的宽带高增益背腔拱形贴片开缝阵列 天线
技术领域
本专利是属于天线技术领域，涉及一种基于基片集成同轴线的宽带高增益背腔拱形贴片开缝阵列天线。
背景技术
随着现代社会对通信需求的增长，新一代无线通信系统快速发展，同时人们对于通信技术的要求越来越高，对高质量，高效率的天线的需求也更加强烈。现代通信天线需要满足尺寸，带宽，增益等多方面指标。无线通信发展至今，低频波段已经十分拥挤，所以需要将天线工作频率提高，而高频应用中波长过小以及过高容差要求使得微带线会引起损耗，且对辐射方向图有损。此时，基片集成同轴线结构备受关注。
与基片集成波导结构相比基片集成同轴线结构可以实现低插入损耗且易于集成，在天线内部的传输结构更加简易。基于基片集成同轴线的宽带高增益背腔拱形开缝阵列贴片天线具有基片集成同轴线结构，极大的抑制了天线的表面电流效应，同等条件下更易于实现高增益，并且结构相对传统毫米波天线尺寸更小，更易于集成。
基于基片集成同轴线的宽带高增益背腔拱形开缝阵列贴片天线存在背腔结构，会使得天线的增益提高，但限制了天线的带宽。为了扩展带宽，采用改变表面的电流分布将不同谐振集中在相同频段内的方法，实现宽带宽特性。虽然这个方法可以提高带宽，但会影响到增益。因此，采用背腔、缝隙等辐射结构可实现宽带宽和高增益的天线性能。
所以，本发明提出一种基于基片集成同轴线的宽带高增益背腔拱形贴片开缝阵列天线。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于基片集成同轴线的宽带高增益背腔拱形贴片开缝阵列天线，采用基片集成同轴线结构实现低损耗，背腔结构和旋向不同的不对称贴片结构实现宽带宽和高增益的特性。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于基片集成同轴线的宽带高增益背腔拱形贴片开缝阵列天线，结构从上至下依次包括：第一层金属片(1)、第一层介质板(2)、第二层金属片(3)、金属孔(4)、第二层介质板(5)以及第三层金属片(6)；
进一步，基于基片集成同轴线的宽带高增益背腔拱形贴片开缝阵列天线，其特征在：所述天线是由辐射结构和功分结构所组成；所述辐射结构是由辐射单元，传输结构和背腔结构所组成；所述功分机构和传输结构由“T”形金属线和λ/4阻抗匹配器构成，为辐射单元提供等幅的激励；
进一步，所述背腔结构由第一层金属片(1)中刻蚀方形槽的矩形环片(7)、金属孔(4)和第三层金属片(6)组成；金属孔(4)是一组直径为0.3mm，高为0.6mm的圆柱形金属连接杆，均匀分布在第一层介质板(2)，第二层介质板(5)的四周边缘，连接着第一层金属片(1)和第三层金属片(6)，以此形成介质集成同轴线结构的外导体；
进一步，所述辐射单元为置入在第一层金属片(1)中的四片拱形贴片(8)；作为主辐射体，通过在拱形贴片(8)上开“E”型缝隙槽(9)，每片拱形贴片以90°的方位差依次旋转，向空间中辐射电磁波。在拱形贴片上引入“E”型槽，来降低贴片上馈电点阻抗的虚部，实现辐射贴片和馈电金属柱的阻抗匹配，所述结构的输入阻抗设置为50欧姆；
进一步，所述传输结构是由两个“T”形金属线(10)和四个馈电金属柱所构成；四个旋向不同的贴片与四个位于“T”形金属线端点的馈电金属柱相连，各自的朝向方位相差90°；两个“T”形金属线的间距为λ/2，引入180°的相位差，馈电金属柱(11)和馈电金属柱(12)同相，且与互为同相的馈电金属柱(13)和馈电金属柱(14)有180°的相位差；位于馈电金属柱(11)和馈电金属柱(13)的两个贴片朝向相差180°，且馈电相位差相差180°，所以这两个贴片的辐射极化方向相同；位于馈电金属柱(12)和馈电金属柱(14)的两个贴片朝向相差180°，且馈电相位差相差180°，所以这两个贴片的辐射极化方向相同，且与位于馈电金属柱(11)和馈电金属柱(13)的两个贴片的辐射极化方向相差90°，所以四个贴片的辐射极化为45°倾角的线极化，从而改善了交叉极化，并提高了主极化的增益；
进一步，所述天线的单元数量为4个；一分四等幅同相位功分器(15)与天线内部传输结构相连，其由“T”形金属线和λ/4阻抗匹配器所构成，为了实现天线的高增益，对4个辐射单元提供等幅同相的馈电，并与辐射结构组成4单元阵列天线；
进一步，所述第一层介质板(2)和第二层介质板(5)为上下两层厚度均为0.254mm的介电常数εr为2.2的Rogers 5880；
进一步，所述单元天线尺寸为2.27λ×2.27λ×0.09λ，所述4单元阵列天线尺寸为8.41λ×4.13λ×0.09λ；单元天线的-10dB以下回波损耗的频带范围为40.4GHz-45.0GHz，42.0GHz频点处的增益达到了10dBi；4单元阵列天线的-10dB以下回波损耗的频带范围为39.7GHz-44.4GHz，42.0GHz频点处的增益达到了16dBi。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)本发明提出的基于基片集成同轴线的宽带高增益背腔拱形贴片开缝阵列天线具有宽带宽特性，辐射贴片采用了拱形开缝贴片，引入与原矩形贴片谐振频率临近的谐振频点且改善辐射贴片上馈电点的阻抗变化，有利于实现阻抗匹配，从而拓展带宽；
(2)本发明提出的基于基片集成同轴线的宽带高增益背腔拱形贴片开缝阵列天线具有高增益特性，天线采用了背腔结构，同时天线的辐射结构为四个旋向不同的拱形贴片，且馈电柱相位差为180°，改善了交叉极化，增强了主极化，从而提高了辐射增益，满足了高增益的设计要求；
(3)本发明提出的基于基片集成同轴线的宽带高增益背腔拱形贴片开缝阵列天线具有低损耗特性，天线采用了基片集成同轴线结构减小了反向辐射和表面波，减小了损耗。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
附图说明
图1为本发明基于基片集成同轴线的宽带高增益背腔拱形贴片开缝阵列天线结构图。图(a)为单元阵列天线结构图，图(b)为4单元阵列天线结构图。
图2为本发明基于基片集成同轴线的宽带高增益背腔拱形贴片开缝阵列天线的反射系数曲线图。图(a)为单元阵列反射系数曲线图，图(b)为4单元阵列天线反射系数曲线图。
图3为本发明基于基片集成同轴线的宽带高增益背腔拱形贴片开缝阵列天线的增益曲线图。图(a)为单元阵列增益曲线图，图(b)为4单元阵列天线增益曲线图。
图4为本发明基于基片集成同轴线的宽带高增益背腔拱形贴片开缝阵列天线的42.0GHz频点处E面辐射方向图。其中图(a)为单元阵列辐射方向图，图(b)为4单元阵列辐射方向图。
具体实施方式
图1为本发明基于基片集成同轴线的宽带高增益背腔拱形贴片开缝阵列天线的结构。该天线是由辐射结构和功分结构所组成；所述辐射结构是由辐射单元，传输结构和背腔结构所组成；所述功分机构和传输结构由“T”形金属线和λ/4阻抗匹配器构成，为辐射单元提供等幅的激励；结构从上至下依次包括：第一层金属片(1)、第一层介质板(2)、第二层金属片(3)、金属孔(4)、第二层介质板(5)以及第三层金属片(6)；所述背腔结构由第一层金属片(1)中刻蚀方形槽的矩形环片(7)、金属孔(4)和第三层金属片(6)组成；金属孔(4)是一组直径为0.3mm，高为0.6mm的圆柱形金属连接杆，均匀分布在第一层介质板(2)，第二层介质板(5)的四周边缘，连接着第一层金属片(1)和第三层金属片(6)，以此形成介质集成同轴线结构的外导体；所述辐射单元为置入在第一层金属片(1)中的四片拱形贴片(8)；作为主辐射体，通过在拱形贴片(8)上开“E”型缝隙槽(9)，每片拱形贴片以90°的方位差依次旋转，向空间中辐射电磁波。在拱形贴片上引入“E”型槽，来降低贴片上馈电点阻抗的虚部，实现辐射贴片和馈电金属柱的阻抗匹配，所述结构的输入阻抗设置为50欧姆；所述传输结构是由两个“T”形金属线(10)和四个馈电金属柱所构成；四个旋向不同的贴片与四个位于“T”形金属线端点的馈电金属柱相连，各自的朝向方位相差90°；两个“T”形金属线的间距为λ/2，引入180°的相位差，馈电金属柱(11)和馈电金属柱(12)同相，且与互为同相的馈电金属柱(13)和馈电金属柱(14)有180°的相位差；位于馈电金属柱(11)和馈电金属柱(13)的两个贴片朝向相差180°，且馈电相位差相差180°，所以这两个贴片的辐射极化方向相同；位于馈电金属柱(12)和馈电金属柱(14)的两个贴片朝向相差180°，且馈电相位差相差180°，所以这两个贴片的辐射极化方向相同，且与位于馈电金属柱(11)和馈电金属柱(13)的两个贴片的辐射极化方向相差90°，所以四个贴片的辐射极化为45°倾角的线极化，从而改善了交叉极化，并提高了主极化的增益；所述天线单元的数量为4个；一分四等幅同相位功分器(15)与天线内部传输结构相连，其由“T”形金属线和λ/4阻抗匹配器所构成，为了实现天线的高增益，对4个辐射单元提供等幅同相的馈电，并与辐射结构组成4单元阵列天线；所述第一层介质板(2)和第二层介质板(5)为上下两层厚度均为0.254mm的介电常数εr为2.2的Rogers5880；所述单元天线尺寸为2.27λ×2.27λ×0.09λ，所述4单元阵列天线尺寸为8.41λ×4.13λ×0.09λ。
图2为本发明基于基片集成同轴线的宽带高增益背腔拱形贴片开缝阵列天线的反射系数曲线图。可以看到，天线单元的-10dB以下回波损耗的频带范围为40.4GHz-45.0GHz，4单元阵列天线的-10dB以下回波损耗的频带范围为39.7GHz-44.4GHz。该仿真结果验证基于基片集成同轴线的宽带高增益背腔拱形贴片开缝阵列天线具有宽带特性。
图3为本发明基于基片集成同轴线的宽带高增益背腔拱形贴片开缝阵列天线的增益曲线图。可以看出，单元天线和4单元阵列天线在42.0GHz频点处的增益分别可达10dBi和16dBi。该仿真结果验证基于基片集成同轴线的宽带高增益背腔拱形开缝阵列贴片天线具有良好的辐射增益特性。
图4为本发明基于基片集成同轴线的宽带高增益背腔拱形贴片开缝阵列天线在42.0GHz处的E面辐射方向图。可以看到，基于基片集成同轴线的宽带高增益背腔拱形开缝阵列贴片天线在工作频点具有良好的增益方向图。
由上可知，本发明基于基片集成同轴线的宽带高增益背腔拱形贴片开缝阵列天线具有宽频带、高增益和低损耗的特性。

Claims (7)

1.一种基于基片集成同轴线的宽带高增益背腔拱形贴片开缝阵列天线，其特征在：所述天线是由辐射结构和功分结构所组成；所述辐射结构是由辐射单元，传输结构和背腔结构所组成；所述功分机构和传输结构由“T”形金属线和λ/4阻抗匹配器构成，为辐射单元提供等幅的激励；结构从上至下依次包括：第一层金属片(1)、第一层介质板(2)、第二层金属片(3)、金属孔(4)、第二层介质板(5)以及第三层金属片(6)。
2.根据权利要求1所述的基于基片集成同轴线的宽带高增益背腔拱形贴片开缝阵列天线，其特征在于，所述背腔结构由第一层金属片(1)中刻蚀方形槽的矩形环片(7)、金属孔(4)和第三层金属片(6)组成；金属孔(4)是一组直径为0.3mm，高为0.6mm的圆柱形金属连接杆，均匀分布在第一层介质板(2)，第二层介质板(5)的四周边缘，连接着第一层金属片(1)和第三层金属片(6)，以此形成介质集成同轴线结构的外导体。
3.根据权利要求1所述的基于基片集成同轴线的宽带高增益背腔拱形贴片开缝阵列天线，其特征在于，所述辐射单元为置入在第一层金属片(1)中的四片拱形贴片(8)；作为主辐射体，通过在拱形贴片(8)上开旋向不同的“E”型缝隙槽(9)，每片拱形贴片以90°的方位差依次旋转。在拱形贴片上引入“E”型槽，来降低贴片上馈电点阻抗的虚部，实现辐射贴片和馈电金属柱的阻抗匹配，所述结构的输入阻抗设置为50欧姆。
4.根据权利要求1所述的基于基片集成同轴线的宽带高增益背腔拱形贴片开缝阵列天线，其特征在于，所述传输结构是由两个“T”形金属线(10)和四个馈电金属柱所构成；四个旋向不同的贴片与四个位于“T”形金属线端点的馈电金属柱相连，各自的朝向方位相差90°；两个“T”形金属线的间距为λ/2，引入180°的相位差，馈电金属柱(11)和馈电金属柱(12)同相，且与互为同相的馈电金属柱(13)和馈电金属柱(14)有180°的相位差；位于馈电金属柱(11)和馈电金属柱(13)的两个贴片朝向反向相差180°，且馈电相位差相差180°，所以这两个贴片的辐射极化方向相同；位于馈电金属柱(12)和馈电金属柱(14)的两个贴片朝向反向相差180°，且馈电相位差相差180°，所以这两个贴片的辐射极化方向相同，且与位于馈电金属柱(11)和馈电金属柱(13)的两个贴片的辐射极化方向相差90°，所以四个贴片的辐射极化为45°倾角的线极化。
5.根据权利要求1所述的基于基片集成同轴线的宽带高增益背腔拱形贴片开缝阵列天线，其特征在于，所述天线的单元数量为4个；一分四等幅同相位功分器(15)与天线内部传输结构相连，其由“T”形金属线和λ/4阻抗匹配器所构成，为了实现天线的高增益，对4个辐射单元提供等幅同相的馈电，并与辐射结构组成4单元阵列天线。
6.根据权利要求1所述的基于基片集成同轴线的宽带高增益背腔拱形贴片开缝阵列天线，其特征在于，所述第一层介质板(2)和第二层介质板(5)为上下两层厚度均为0.254mm的介电常数εr为2.2的Rogers 5880。
7.根据权利要求5所述的基于基片集成同轴线的宽带高增益背腔拱形贴片开缝阵列天线，其特征在于，所述单元天线尺寸为2.27λ×2.27λ×0.09λ，所述4单元阵列天线尺寸为8.41λ×4.13λ×0.09λ；单元天线的-10dB以下回波损耗的频带范围为40.4GHz-45.0GHz，最高增益达到了10dBi；4单元阵列天线的-10dB以下回波损耗的频带范围为39.7GHz-44.4GHz，42.0最高增益达到了16dBi。
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