CN114300839B - 一种集成基片间隙波导宽带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种集成基片间隙波导宽带天线。该贴片天线包括通孔层介质板、间隙层介质板、中间层介质板以及辐射层介质板；所述通孔层介质板、所述间隙层介质板、所述中间层介质板以及所述辐射层介质板自下而上依次设置并固定；所述通孔层介质板上设有均匀分布的金属通孔；所述每一金属通孔的上表面印刷金属圆形贴片；所述通孔层介质板的下表面印刷金属导体；所述间隙层介质板的上表面设置微带线馈线；所述中间层介质板的上表面为缝隙耦合结构；所述辐射层介质板的上表面设置金属贴片。本发明具有易于集成和加工、生产成本低且适于微波、毫米波、太赫兹电路的特点。

Description

一种集成基片间隙波导宽带天线
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种集成基片间隙波导宽带天线。
背景技术
随着5G无线通信技术的发展，移动通信终端朝着小型化、紧凑型和高集成的方向发展，印制型毫米波天线由于其尺寸小、抗雨雾等天气干扰能力强、易于集成和宽带等优势吸引了越来越多的兴趣。
波导是导引电磁波传输的载体，其性能优良的波导不仅能够提高信号的传输速率，而且可以降低波导在射频电路中的插入损耗。
其中，传统金属波导构造的天线不易于与有源器件集成和封装且生产成本高。此外，基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide，SIW)技术存在模式转换损耗和辐射损耗高的问题，不适于微波、毫米波、太赫兹电路。
因此，亟需一种易于集成和加工、生产成本低且适于微波、毫米波、太赫兹电路的宽带贴片天线。
发明内容
本发明的目的是提供一种集成基片间隙波导宽带天线，具有易于集成和加工、生产成本低且适于微波、毫米波、太赫兹电路的特点。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种集成基片间隙波导宽带天线，其特征在于，包括：通孔层介质板、间隙层介质板、中间层介质板以及辐射层介质板；
所述通孔层介质板、所述间隙层介质板、所述中间层介质板以及所述辐射层介质板自下而上依次设置并固定；
所述通孔层介质板上设有均匀分布的金属通孔；所述每一金属通孔的上表面印刷金属圆形贴片；所述通孔层介质板的下表面印刷金属导体；所述间隙层介质板的上表面设置微带线馈线；
所述中间层介质板的上表面为缝隙耦合结构；所述缝隙耦合结构用于根据缝隙耦合结构的长度改变所述集成基片间隙波导宽带贴片天线的电阻；
所述辐射层介质板的上表面设置金属贴片；所述辐射层介质板上表面的金属贴片的长度用于调控集成基片间隙波导宽带天线的谐振频率；所述调节辐射层介质板上表面的金属贴片之间的缝隙宽度用于调控基片间隙波导宽带天线的带宽。
可选地，所述集成基片间隙波导宽带贴片天线通过调节辐射层介质板上表面的金属贴片激励辐射方向一致的两个谐振模式包括：TM10模和反相TM20模，分别在两个频点处激励两个同相磁流元，在集成基片间隙波导宽带天线在两个谐振点处形成同相辐射。
可选地，所述通孔层介质板、所述间隙层介质板、所述中间层介质板以及所述辐射层介质板的介电常数以及损耗角正切都相等。
可选地，所述通孔层介质板、所述间隙层介质板、所述中间层介质板以及所述辐射层介质板的介电常数均为3.38，损耗角正切均为0.0027。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明所提供的一种集成基片间隙波导宽带天线，其中，通孔层介质板、通孔层介质板上均匀分布的金属通孔、金属通孔上的金属圆形贴片以及间隙层介质板构成了三层集成基片间隙波导(Integrated Substrate Gap Waveguide，ISGW)，该ISGW的作用是抑制除了准TEM模式以外的其他模式；进而，降低了转换损耗和辐射损耗。所述通孔层介质板、所述间隙层介质板、所述中间层介质板以及所述辐射层介质板自下而上依次设置并固定，使得天线为平面结构，易集成和加工。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的一种集成基片间隙波导宽带天线结构示意图(金属贴片的形状一致)；
图2为本发明所提供的一种集成基片间隙波导宽带天线结构示意图(金属贴片的形状不一致)；
图3为本发明所提供的金属贴片结构示意图；
图4为本发明所提供的金属公共地板结构示意图；
图5为本发明所提供的微带线馈线结构示意图；
图6为本发明所提供的金属通孔结构示意图；
图7为本发明所提供的一种集成基片间隙波导宽带天线的等效电路图；
图8为本发明所提供的一种集成基片间隙波导宽带天线的|S11|仿真结果示意图(金属贴片的形状一致与金属贴片的形状不一致)；
图9为本发明所提供的一种集成基片间隙波导宽带天线的实现增益的仿真结果示意图(金属贴片的形状一致与金属贴片的形状不一致)；
图10为本发明所提供的一种集成基片间隙波导宽带天线分别在26GHz、28GHz、和30GHz的仿真二维辐射方向图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种集成基片间隙波导宽带天线，具有易于集成和加工、生产成本低且适于微波、毫米波、太赫兹电路的特点。
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。
图1和图2均为本发明所提供的一种集成基片间隙波导宽带天线结构示意图，如图1和图2所示，本发明所提供的一种集成基片间隙波导宽带天线，包括：通孔层介质板7、间隙层介质板5、中间层介质板3以及辐射层介质板2。
所述通孔层介质板7、所述间隙层介质板5、所述中间层介质板3以及所述辐射层介质板2自下而上依次设置并固定。可通过尼龙螺丝固定在一起。
所述通孔层介质板7上设有均匀分布的金属通孔8；所述每一金属通孔8的上表面印刷金属圆形贴片6；所述通孔层介质板7的下表面印刷金属导体；所述间隙层介质板5的上表面设置微带线馈线11。
所述中间层介质板3的上表面为微带线馈线10。
所述辐射层介质板2的上表面设置金属贴片1(1’)。金属贴片1(1’)为辐射贴片，通过调节底矩形辐射贴片的长度调控天线的谐振频率，其长度影响天线的电容C和电感L(反比)，辐射贴片的长度影响天线的辐射电阻R和空载品质因数Q。
如图3所示，辐射层介质板2的上表面为4个矩形金属贴片1(1’)(1)和(1’)，其中(1)中的四个金属贴片1(1’)的大小一致(周期)，(1’)中的四个金属贴片1(1’)的大小不完全一致(非周期)。
通孔层介质板7的周期性金属通孔8的半径高度以及周期长度共同决定表面波带隙，该带隙须覆盖天线的工作频带。
作为一个具体的实施例，所述通孔层介质板7上设有均匀分布的8*8个金属通孔8，其上表面印刷金属圆形贴片6，并如图6所示。
如图5所示，为了良好的阻抗匹配，微带线馈线11为微带线阶梯阻抗式微带线馈线11(两个宽度不同的UIR谐振器枝节相接构成)，相比于ICMMT馈电方式，该馈电方式使得集成基片间隙波导宽带贴片天线的谐振频率不受两个馈线之间耦合的束缚，该集成基片间隙波导宽带贴片天线的谐振频率主要取决于该天线的辐射贴片的长度，且该馈电方式相比于ICMMT的设计复杂度更低。
所述通孔层介质板7、所述间隙层介质板5、所述中间层介质板3以及所述辐射层介质板2的介电常数以及损耗角正切都相等。
所述通孔层介质板7、所述间隙层介质板5、所述中间层介质板3以及所述辐射层介质板2的介电常数均为3.38。
所述通孔层介质板7、所述间隙层介质板5、所述中间层介质板3以及所述辐射层介质板2的损耗角正切均为0.0027。
选用同一种介质板的原因是为了减小电磁能量在不同层介质板的渗透效应，且4003C板材为电参数和成本折中的优选。
为了便于加工测试，所述间隙层介质板5、所述中间层介质板3以及所述辐射层介质板2的厚度均相等且均小于所述通孔层介质板7的厚度。
如图4所示，所述微带线馈线10包括：金属层公共地板4；
所述金属层公共地板4设置在所述中间层介质板3的上表面。
所述金属层公共地板4上设有一条横向缝隙和两条纵向缝隙；所述横向缝隙的两端各连通一所述纵向缝隙，所述横向缝隙与所述微带线馈线11相交。
即，所述一条横向缝隙和两条纵向缝隙成“狗骨”型缝隙，其横向缝隙将微带线传输的电磁能量耦合馈电给辐射贴片(1)，狗骨形是为了提高耦合缝隙处电阻的大小，以达到缩减横向尺寸的大小。
所述横向缝隙的长度为导波波长的二分之一。
图7为本发明所提供的一种表征集成基片间隙波导宽带贴片天线谐振特性的等效电路模型，该等效电路定量表征了天线的输入阻抗和天线频率的函数关系。如图7所示，根据等效电路即可得出该天线的输入阻抗的表达式，结合输入阻抗的表达式的集成基片间隙波导宽带贴片天线输入阻抗。βp为辐射贴片的相位常数，Wp为辐射贴片的宽度，Yp为辐射贴片的特性导纳，Ge为辐射贴片边缘电导，Ce辐射贴片边缘电容，Gs为辐射贴片之间的并联电导，Cs为辐射贴片之间的缝隙电容。
所述辐射层介质板上表面的金属贴片的长度可以调控集成基片间隙波导宽带贴片天线的谐振频率：当增加辐射层金属贴片的长度时，由于电流路径增大，此时天线谐振频率朝着低频移动；当较小辐射层金属贴片的长度时，由于电流路径缩短，此时天线谐振频率朝着高频移动；
所述辐射层介质板上表面的金属贴片之间的缝隙宽度可以调控基片间隙波导宽带贴片天线的带宽：仿真结果表明，当适当增大缝隙宽度可增大集成基片间隙波导宽带贴片天线的带宽。
所述调缝隙耦合结构的长度可以改变该天线的电阻，因此使得该集成基片间隙波导宽带贴片天线的空载品质因数改变(当缝隙耦合结构的长度变长时，该天线的电阻增大，导致损耗变小，使得天线的空载品质因数下降)。
所述调节缝隙耦合结构的形状、尺寸和位置可以馈线到辐射贴片的能量耦合强度，从而改善阻抗匹配水平(仿真结果表明，当耦合结构的位置在金属层公共地板的中心、其尺寸为天线中心频率的半波长且耦合结构的形状为I字型时能量耦合最优)。
所述集成基片间隙波导宽带贴片天线通过调节辐射层介质板上表面的金属贴片激励辐射方向一致的两个谐振模式(TM10模和反相TM20模)，从仿真结果的电场分布情况得知：这两个模式在分别在两个频点处激励两个同相磁流元，因此在该集成基片间隙波导宽带贴片天线在两个谐振点处形成同相辐射。
本发明与现有贴片天线相比，具有如下优势：
具有更宽的工作带宽；
馈电部分的ISGW模式转换损耗和辐射损耗小；
抗雨雾干扰能力强；
带内增益更平坦，辐射稳定性更好；
天线为平面结构，易集成和加工；
给出了表征天线输入阻抗与谐振频率之间的表达式，有利于减少计算机仿真的时间，对该天线设计具备理论指导意义。
作为一个具体的实施例，每个介质板采用相对介电常数为3.38、损耗角正切为0.0027的Rogers4003C板材，通孔层介质板7的厚度为0.813mm，其余介质板的厚度为0.203mm，天线的整体尺寸为12×19×1.42mm3(1.12λ0×1.78λ0×0.13λ0，λ0为中心频率对应的波长)。图8为本发明所提供的一种集成基片间隙波导宽带天线的|S11|仿真结果示意图。图9所示的结果表明，发明的天线的中心频率为28GHz，-10dB阻抗带宽为17.9％，带内平均增益为8.1dBi。该仿真结果表明，该天线将两种不同形式的辐射贴片作为辐射器时可获得几乎一致的性能参数，即为该集成基片间隙波导宽带贴片天线的实现提供了两种设计维度，具有更大的设计灵活性和更重要的应用价值。
图10的(a)、(b)和(c)分别为该天线在26GHz、28GHz和30GHz的仿真二维辐射方向图，从图中可以得到：该发明天线的二维方向图具有较好的对称性和一致性，对于增强用户体验和实现智能覆盖具有重要意义。
发明的天线是一种尺寸紧凑、易于集成、宽带ISGW贴片天线。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种集成基片间隙波导宽带天线，其特征在于，包括：通孔层介质板、间隙层介质板、中间层介质板以及辐射层介质板；
所述通孔层介质板、所述间隙层介质板、所述中间层介质板以及所述辐射层介质板自下而上依次设置并固定；
所述通孔层介质板上设有均匀分布的金属通孔；每一所述金属通孔的上表面印刷金属圆形贴片；所述通孔层介质板的下表面印刷金属导体；所述间隙层介质板的上表面设置微带线馈线；
所述中间层介质板的上表面为缝隙耦合结构；所述缝隙耦合结构用于根据缝隙耦合结构的长度改变所述集成基片间隙波导宽带天线的电阻；
所述辐射层介质板的上表面设置金属贴片；所述辐射层介质板上表面的金属贴片的长度用于调控集成基片间隙波导宽带天线的谐振频率；调节所述辐射层介质板上表面的金属贴片之间的缝隙宽度用于调控基片间隙波导宽带天线的带宽；
所述微带线馈线包括：金属层公共地板；
所述金属层公共地板设置在所述中间层介质板的上表面；
所述金属层公共地板上设有一条横向缝隙和两条纵向缝隙；所述横向缝隙的两端各连通一所述纵向缝隙，所述横向缝隙与所述微带线馈线相交；
所述集成基片间隙波导宽带天线通过调节辐射层介质板上表面的金属贴片激励辐射方向一致的两个谐振模式包括：TM10模和反相TM20模，分别在两个频点处激励两个同相磁流元，在集成基片间隙波导宽带天线在两个谐振点处形成同相辐射。
2.根据权利要求1所述的一种集成基片间隙波导宽带天线，其特征在于，所述通孔层介质板、所述间隙层介质板、所述中间层介质板以及所述辐射层介质板的介电常数以及损耗角正切都相等。
3.根据权利要求2所述的一种集成基片间隙波导宽带天线，其特征在于，所述通孔层介质板、所述间隙层介质板、所述中间层介质板以及所述辐射层介质板的介电常数均为3.38，损耗角正切均为0.0027。
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