CN114498042A - 一种基于siw的可调谐缝隙天线 - Google Patents

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陈国胜
蒋溱
谢婷
李瑞兵
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Abstract

本发明提出一种基于SIW的可调谐缝隙天线，包括自下而上的接地板，介质基板及天线上板，所述天线上板和接地板分别构成SIW的上下板，SIW介质层由介质基板组成，依次贯穿接地板、天线介质基板及天线上板的通孔构成SIW腔体壁，所述腔体壁与天线上板、接地板组成谐振腔，所述可调谐缝隙天线进一步还包括YIG铁氧体板和馈电线，所述馈电线位于天线上板，馈电线从左侧深入到SIW内部，所述介质基板表面分别设置封闭式矩形槽和一端开放式矩形槽，YIG铁氧体板设置在封闭式矩形槽内，所述接地板设置领结槽。采用本发明的基于SIW的可调谐缝隙天线，天线具有低损耗、高品质因数、功率处理能力强，易于集成平面电路的优点，市场竞争力较强。

Description

一种基于SIW的可调谐缝隙天线
技术领域
本发明属于通信领域，具体涉及一种基于基片集成波导的可调谐缝隙天线。
背景技术
现代通信系统中的多频带系统要求天线具有高性能和小尺寸，且天线可调谐或可重构，业界普遍采用的基片集成波导（SIW，Substrate Integrated Waveguide）结构具有低损耗、高品质因数、良好的功率处理能力，并且可以很容易与平面电路集成。
可调谐SIW天线是一种结合了SIW技术和可调谐天线优点的新型天线，在无线通信领域具有广阔的应用前景，其中采用简单调谐技术的可调谐SIW天线是业界迫切需要开发和完善的技术方案。
广州智讯通信系统有限公司于2021.04.06申请的中国专利申请号2021103687896提出一种可调谐缝隙天线及多频段天线系统，该多频段天线系统的可调谐缝隙天线包括调谐腔体、调谐柱和馈电腔体，调谐腔体、调谐柱和馈电腔体均由金属材料制成，调谐腔体包括第一面板、第二面板及侧壁，第一面板、第二面板和侧壁围合形成谐振腔，第一面板开设辐射缝隙，第二面板开设馈电缝隙，调谐柱连接于侧壁且一端伸入谐振腔内，调谐柱伸入谐振腔内的长度能够调节，馈电腔体连接于第二面板的背离第一面板侧，馈电腔体包围馈电缝隙，馈电腔体连接有同轴馈电端子，同轴馈电端子的中心馈电线伸入馈电腔体内。
该技术方案利用金属波导的背腔来实现缝隙波导天线，背腔内采用至少一个调谐柱进行单频或双频天线的设计和实现，该天线工作频段为3GHz， 整体结构比较笨重，且结构很难实现低剖面，再者其调谐频率的范围较窄。
为了实现低剖面和低成本，简化和优化可调谐天线的设计和天线性能，有必要重新设计一种基于基片集成波导的可调谐缝隙天线。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提出一种基于SIW的可调谐缝隙天线，包括自下而上的接地板，介质基板及天线上板，所述天线上板和接地板分别构成SIW 的上下板，SIW介质层由介质基板组成，依次贯穿接地板、天线介质基板及天线上板的通孔构成SIW腔体壁，所述腔体壁与天线上板、接地板组成谐振腔，所述可调谐缝隙天线进一步还包括YIG铁氧体板和馈电线，所述馈电线位于天线上板，馈电线从左侧深入到SIW内部，所述介质基板表面分别设置封闭式矩形槽和一端开放式矩形槽，YIG铁氧体板设置在封闭式矩形槽内，所述接地板设置领结槽。
进一步的，所述封闭式矩形槽至少是一个，所述一端开放式矩形槽至少是一个。
进一步的，所述矩形槽、领结槽及通孔的数量均为至少一个。
进一步的，所述矩形槽、领结槽及通孔的形状是矩形、椭圆形、T型、十字型、哑铃型的任一种或其组合。
进一步的，所述YIG铁氧体的有效磁导率由以下公式（1）给出。
μeff=（μ2-κ2）/μ， （1）
其中μ和κ是Polder张量的分量，用于描述铁氧体的磁导率，μeff是铁氧体的有效磁导率。
进一步的，所述铁氧体板采用导体带覆盖，所述导体带周围用锡铅焊接。
采用本发明的基于SIW的可调谐缝隙天线，天线具有低损耗、高品质因数、功率处理能力强，易于集成平面电路的优点，市场竞争力较强。
附图说明
图1：本发明的基于SIW的可调谐缝隙天线的平面剖视图。
图2：本发明加载铁氧体的可调谐缝隙天线相对磁导率与加载偏置磁场的关系示意图。
图3：本发明可调谐缝隙天线在加载偏置磁场0T时的仿真和测量S11示意图。
图4：本发明可调谐缝隙天线在不同偏置磁场下频率调谐测量结果示意图。
图5：本发明可调谐缝隙天线在不同偏置磁场下仿真和测量电场面方向图。
图6：本发明可调谐缝隙天线在不同偏置磁场下仿真和测量磁场面方向图。
图7：本发明可调谐缝隙天线的实物示意图。
图示标号说明：第一矩形槽101，第二矩形槽102，导体带701，铁氧体板702。
具体实施方式
下面将详细参考本发明的优选实施例，其示例在附图中示出，虽然将结合优选实施例描述本发明，但是本领域技术人员应该理解，这些实施例并不用于限制本发明，凡在本发明权利要求限定范围内的替代、修改和等同物，均属于本发明的保护范围。
请参考图1本发明的基于SIW的可调谐缝隙天线的平面剖视图，该可调谐缝隙天线从下到上依次为接地板，介质基板，天线上板组成，天线上板和接地板分别构成SIW 的上下板，SIW介质层由介质基板组成，依次贯穿接地板、天线介质基板及天线上板的通孔构成SIW腔体壁，所述腔体壁与天线上板、接地板组成谐振腔，以天线上板表面的中心为坐标原点，建立直角坐标系O-XYZ，X轴为水平轴，Y轴为纵轴， Z轴垂直穿过纸面，指向纸的正面，馈电线位于天线上板并且关于Y轴对称，馈电线从左侧深入到SIW内部，在介质基板表面分别设置至少一个第一矩形槽101和至少一个第二矩形槽102，所述第一矩形槽101和第二矩形槽102分别关于Y轴对称，YIG铁氧体板设置在封闭式矩形槽内，在接地板设置领结槽。
优选的，所述矩形槽、领结槽及通孔的数量均为至少一个，所述矩形槽、领结槽及通孔的形状可以采用矩形、椭圆形、T型、十字型、哑铃型的任一种或其组合，所述矩形槽、领结槽及通孔的位置可以根据实际通信需求调整，本发明在此不再赘述。
本发明的天线采用谐振结构，其工作频率由以下三个因素决定：腔体尺寸、槽长和施加的偏置磁场，该谐振结构采用在SIW侧壁加载铁氧体板的方式实现频率调谐，该区域的磁场值最高，施加外部磁场可以改变铁氧体板的有效磁导率，进而改变天线的谐振频率，相比较中国专利申请号2021103687896中用金属调节块去调节频率，本发明技术方案的天线加工更加简单，频率调节更加精确，且体积更加小巧，容易实现低剖面。
由于铁氧体具有低磁损耗值，本发明实施例选择钇铁石榴石YIG（Yttrium IronGarnet）铁氧体，YIG铁氧体的饱和磁化值为4πMs=1800Gs，线宽ΔH为200e，相对介电常数εr为14.3，当射频平面波沿与YIG铁氧体磁化方向垂直的方向传播时，YIG铁氧体的有效磁导率由以下公式（1）给出。
μeff=（μ2-κ2）/μ， （1）
其中μ和κ是Polder张量的分量，用于描述铁氧体的磁导率，μeff是铁氧体的有效磁导率。
在图1中，L是天线单元的长度，W天线单元的宽度，Lm是介质集成波导的过孔边缘到整个结构边缘的距离，Lf是铁氧体板长度，Lw是铁氧体板宽度，Lg是相邻两个通孔中心的距离，Cw是馈电线的宽度，Cg是开放式矩形槽的宽度，Sc是领结槽垂直于馈电线部分的长度，Sk是领结槽的宽度，Sl是领结槽的总长度，Sw是领结槽的总宽度，d是通孔的直径，d1是通孔中心距离领结槽中心的水平距离，d2是领结槽中心距离开放式矩形槽的封闭端的水平距离。
进一步参考图2本发明加载铁氧体的可调谐缝隙天线相对磁导率与加载偏置磁场的关系示意图，
Figure 501904DEST_PATH_IMAGE001
的磁导率分量是针对无限铁氧体介质施加的偏置磁场绘制的，在偏置磁场为0.22T时，μeff的值为零，偏置磁场超过0.22T时，由于铁磁共振发生在0.324
Figure 684623DEST_PATH_IMAGE002
施加的偏置磁场下，电磁波的损耗会增加，因此，选择铁磁谐振下方的区域用于频率调谐，因为下方的区域提供较低的损耗以及要求低偏置场，在实际应用中，由于铁氧体板坯的退磁因素，通常在给定频率下偏置铁氧体所需的外场高于内场的值。
本发明采用三维电磁仿真软件对加载铁氧体的可调谐缝隙天线进行仿真，为了验证天线性能，本发明在Rogers Duroid 5880基板上所设计天线的样品整体尺寸为19.8 mm×24.8 mm，其介电常数为2.2，损耗角正切为 0.001，基板厚度为0.8mm，在Z方向上，YIG铁氧体板和基板高度相同，优化后的可调谐缝隙天线参数如下表一所示：
表一：
Figure 136464DEST_PATH_IMAGE004
进一步采用三维电磁仿真软件对基于SIW的可调谐缝隙天线仿真，仿真实验结果如下表二所示：
表二：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
图3是本发明可调谐缝隙天线在加载偏置磁场0T时的仿真和测量S11示意图，可以看出，仿真值和测量值的误差在实验误差范围内，表明本发明可调谐缝隙天线的性能良好。
参考图4本发明可调谐缝隙天线在不同偏置磁场下频率调谐测量结果示意图，在0Ｔ偏置磁场值下，本发明的SIW天线测量以及全波仿真S11结果一致，图4中的微小差别是因为在实验室仿真中存在无法计算的误差，例如金属表面粗糙度、加工误差及传输损耗等引起的误差。
参考图5本发明可调谐缝隙天线在不同偏置磁场下仿真和测量电场面方向图，可以看出，随着偏置磁场值的增加，腔体的谐振点移向了高频区域，进一步结合图２本发明加载铁氧体的可调谐缝隙天线相对磁导率与加载偏置磁场的关系示意图，随着磁场的增加，μeff值非线性地增加，因此在图5中，频移率呈现非线性变化，由于磁损耗因素的存在，当磁场增加到0.36Ｔ时，衰减也在增加。
参考图6本发明可调谐缝隙天线在不同偏置磁场下仿真和测量磁场面方向图，本发明可调谐缝隙天线的辐射方向图的测量在微波消声室中进行，其中没有使用金属板作为地平面，可以观察到，本发明的可调谐缝隙天线的辐射方向图不受谐振频率随施加的磁场偏置变化的影响，进一步参考表二，本发明的可调谐缝隙天线的测量增益如表二所示，测量结果表明，本发明的可调谐缝隙天线在观察频率范围内的增益高于5.1 dBi，频率调谐范围扩大了14.26%，符合天线的设计目标。
进一步参考图7本发明可调谐缝隙天线的实物示意图所示，YIG铁氧体板设置在矩形槽内，在腔体的两面，铁氧板采用导体带覆盖代替传统的上下金属覆盖，优选的，为了确保导体带和腔体之间的良好接触，锡铅焊接在导体带周围。
采用本发明的基于SIW的可调谐缝隙天线，天线具有低损耗、高品质因数、功率处理能力强，易于集成平面电路的优点，市场竞争力较强。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明的保护范围，凡基于本发明构思所作出的任何改进，均属本发明权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于SIW的可调谐缝隙天线，其特征在于，包括自下而上的接地板，介质基板及天线上板，所述天线上板和接地板分别构成SIW 的上下板，SIW介质层由介质基板组成，依次贯穿接地板、天线介质基板及天线上板的通孔构成SIW腔体壁，所述腔体壁与天线上板、接地板组成谐振腔，所述可调谐缝隙天线进一步还包括YIG铁氧体板和馈电线，所述馈电线位于天线上板，馈电线从左侧深入到SIW内部，所述介质基板表面分别设置封闭式矩形槽和一端开放式矩形槽，YIG铁氧体板设置在封闭式矩形槽内，所述接地板设置领结槽。
2.如权利要求1所述的基于SIW的可调谐缝隙天线，其特征在于，所述封闭式矩形槽至少是一个，所述一端开放式矩形槽至少是一个。
3.如权利要求1所述的基于SIW的可调谐缝隙天线，其特征在于，所述矩形槽、领结槽及通孔的数量均为至少一个。
4.如权利要求1所述的基于SIW的可调谐缝隙天线，其特征在于，所述矩形槽、领结槽及通孔的形状是矩形、椭圆形、T型、十字型、哑铃型的任一种或其组合。
5.如权利要求1所述的基于SIW的可调谐缝隙天线，其特征在于，所述YIG铁氧体的有效磁导率由以下公式（1）给出。
μeff=（μ2-κ2）/μ， （1）
其中μ和κ是Polder张量的分量，用于描述铁氧体的磁导率，μeff是铁氧体的有效磁导率。
6.如权利要求1所述的基于SIW的可调谐缝隙天线，其特征在于，所述铁氧体板采用导体带覆盖，所述导体带周围用锡铅焊接。
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