CN114865288B - 一种基于mstl的频率扫描天线与微带传输线双工共形电路 - Google Patents

一种基于mstl的频率扫描天线与微带传输线双工共形电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于MSTL的频率扫描天线与微带传输线双工共形电路，包括顶层金属板、第一层介质基板、中间层金属板、第二层介质基板、以及底层金属板。本方案现有技术无法满足同一共形电路结构既可以传输射频信号至输出端口又可以辐射射频信号至天线的问题，其电路结构具有低剖面，高增益，波束指向随频率变化，以及易于PCB工艺加工集成的优点。

Description

一种基于MSTL的频率扫描天线与微带传输线双工共形电路
技术领域
本发明涉及天线领域，具体涉及一种基于MSTL的频率扫描天线与微带传输线双工共形电路。
背景技术
频率扫描天线(又叫漏波天线)是一种两端口电路结构，其辐射的波束指向角度随工作频率的变化而改变。这种天线的工作原理类似于一维天线阵列。这种天线由于采用的是无源结构，它的造价会低廉，并且工作状态和一致性都很稳定。
现阶段频率扫描天线多是基于基片集成波导或者微带传输线做的辐射槽孔，这种天线只能进行选通频段的电磁场辐射。因此如果要实现天线与射频微带电路在同一个结构上都能够进行传输是无法实现的。
模式选择传输线(MSTL)由加拿大蒙特利尔大学的吴珂团队在2016年首次提出。这种结构有着独特的电磁波传播现象。MSTL结构的传输模式会随着频率的提升，“模式转换”现象会自动的发生，属于被动重新配置传播模式，也就是说MSTL传输线在低频段展现的是微带传输线的准TEM波模式，而在高频段由于“模式转换”现象发生，它传输模式转变为类似波导的准TE10模式。这种独特的传输结构就给了一种可以在同一传输结构中传播两种模式的设计方法，只是传输频段不同而已。
由上所述，基于现有技术无法在同一共形的无源结构中满足天线和传输线双工状态，也就是不能实现在同一结构中既可以传输射频电路信号到输出端口的同时也可以传输射频信号至天线发射无线信号。因此，本发明涉及一种基于MSTL传输线在低频段传输射频信号至输出端口、高频段传输射频信号至天线的一体化共形双工电路结构。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种基于MSTL的频率扫描天线与微带传输线双工共形电路。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于MSTL结构的频率扫描天线与微带传输线双工共形电路结构，包括顶层金属板、第一层介质基板、中间层金属板、第二层介质基板、以及底层金属板；
所述的顶层金属板设置在第一层介质基板的顶部，所述的顶层金属板上刻蚀有微带传输线电路的中心金属导体，在中心金属导体两侧布有接地的金属面；
所述的中间层金属板设置在第一层介质基板底部，此金属板起到接地表面作用，所述的中间层金属板中间一排刻蚀有完全相同的等间距分布的矩形缝隙阵列；
所述的第二层介质基板设置在中间层金属板底部；
所述的底层金属板设置第二层介质基板的底部，所述的底层金属板为完全相同的等间距的矩形贴片阵列，与所述的中间层金属板刻蚀的等间距矩形缝隙阵列一一对应；
所述的第一层介质基板上贯穿顶层金属板和中间层金属板的两列短路接地槽孔；两排槽孔位于第一层介质基板的两侧，并且关于中心轴线左右对称分布；所述的两列短路接地槽孔要布置在顶层金属板的两侧接地金属面上；且位于中间层金属板矩形缝隙阵列的外侧；
在上述顶层金属板的两端设置有与所述的顶层金属板的微带传输线中心导体相连接的微带线，所述的微带传输线可以连接外部连接器或者电路端口，用于馈电。
优选地，所述的第一层介质基板两列槽孔内壁镀有导体金属层。
优选地，所述的第一层介质基板两列槽孔从顶层金属板的两侧接地金属面的一端布局延续至另一端。
优选地，所述第一层介质基板采用高介电常数、低损耗角正切值的电路PCB板材。
优选地，所述中间层金属板上刻蚀的矩形缝隙阵列从金属层的一端排布至另一端；所述的矩形缝隙阵列包含若干个矩形横向槽；所述的矩形缝隙阵列横向槽的长边要与顶层金属层的微带线中心导体呈90度交叉；所述的矩形缝隙阵列放置在顶层微带传输线中心导体下方，并与中间层接地金属面的中轴线左右对称；所述的矩形缝隙阵列每个矩形横向槽间距相同，槽的长度与宽度一致；
优选地，所述的第二层介质层采用厚度较薄的低介电常数、低损耗角正切值的电路PCB板材；
优选地，所述底层金属层刻蚀矩形辐射贴片阵列；所述的贴片阵列数量及布置位置与中间层金属层的矩形缝隙阵列一一对应；
优选地，所述顶层金属层两侧与微带传输线中心导体相接的微带线特征阻抗为50欧姆；
本发明具有以下有益效果：
本发明基于MSTL结构实现了频率扫描天线与微带传输线的双工共形传输电路；低频段利用微带传输线的准TEM波模式传输射频信号至输出端，高频段利用MSTL结构特有的“模式转换”特性形成的准TE10波模式，通过缝隙阵列及辐射贴片构成频率扫描天线，辐射电磁波。本发明所述的传输线与频率扫描天线共形双工电路结构是具有创新性和实用价值的，利用本发明的结构可以满足低剖面、高隔离、高方向性增益的需要。
附图说明
图1为基于MSTL的频率扫描天线与微带传输线双工共形电路示意图
图2为本发明实施例天线的PCB顶层金属层电路结构示意图
图3为本发明实施例天线的侧视图结构示意图
图4为本发明实施例天线的PCB中间层金属层槽孔结构示意图
图5为本发明实施例天线的PCB底层金属层辐射贴片结构示意图
图6为本发明实施例天线的3GHz工作频率处的横截面电场强度及方向示意图
图7为本发明实施例天线的18GHz工作频率处的横截面电场强度及方向示意图
图8为本发明实施例天线低频段反射系数及传播系数示意图。
图9为本发明实施例天线高频段反射系数及传播系数示意图。
图10为本发明实施例天线分别工作在不同频率下的滚动角平面上的方向性增益图。
附图标记说明：1、金属槽孔；2、中心导体；3、接地金属板；4、第一层介质基板；5、微带线；6、中间层金属板；7、缝隙阵列；8、第二层介质基板；9、底层金属层
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1、图2、图3、图4、图5所示，为本发明所述的基于MSTL结构的频率扫描天线与微带传输线双工共形电路结构，包括顶层金属板、第一层介质基板、中间层金属板、第二层介质基板、以及底层金属板5大部分组成；
所述的顶层金属板形状如图1和图2所示，有金属槽孔1、中心导体2、两侧接地金属板3、以及连接中心导体的两侧微带线5，这些金属结构与第一层介质基板4和中间层金属板6共同组成MSTL传输线；
优选的为了在MSTL传输线内形成较好的准TE10模式，第一层介质基板材料选择罗杰斯板材3010，其介电常数为10.2；
优选的为了便于与其他电路及模块连接，微带线5的特性阻抗为50欧姆，经计算其线宽约为0.7mm；
优选的为了达成MSTL传输线在高频段的准TE10模式时，减少中心导体2与接地金属板3之间的空隙带来的辐射损耗，空隙间距选择应低于0.5mm，并且在低频段的准TE10模式时，该缝隙与中心导体2的尺寸选择应该满足特性阻抗趋近于50欧姆，因此，中心导体宽度为1.1mm，缝隙为0.5mm；
当按照此结构组成MSTL传输线时，其传播模式会在低频段展现的是微带传输线的准TEM波模式，而在高频段由于“模式转换”现象发生，它传输模式转变为类似波导的准TE10模式；图6为MSTL传输线在低频段3GHz时的截面电场分布图，可以发现其低频段的场分布近似于TEM波的场分布，因此准确的说是准TEM模式；图7为MSTL传输线在高频段18GHz时的截面电场分布图，其高频段的场分布近似于TE10波的场分布，因此准确的说是准TE10模式，需要注意的是截面电场图的电场强度梯度可以参考图中颜色强度说明。
本实施案例为了达到低频段传输射频信号至输出端口、高频段传输射频信号至天线的一体化共形双工电路结构，基于MSTL传输结构可以满足此需求。而本实施案例为了在高频段产生频率扫描天线的漏波模式，在中间层金属板上刻蚀了周期缝隙阵列，用于漏波模式的波束扫描。
所述的基于MSTL的频率扫描天线与微带传输线双工共形电路侧视层叠示意图如图3所示，中间层金属板6可以通过PCB加工工艺与第一层介质基板4紧紧相贴；中间层金属板6的下方为第二层介质基板8，并且下方也有通过PCB加工工艺刻蚀的底层金属层9；所述的第二层介质基板8与第一层介质基板4密切贴合。
所述的中间层金属板6上刻蚀了周期性缝隙阵列7，如图4所示；金属槽孔1分布在缝隙阵列7的两侧，与第一层介质基板4和顶层金属层构成半密封结构；所述的周期性缝隙阵列7，每个缝隙之间的间距相等，并且缝隙的长度和宽度也完全相同；缝隙的长度近似于介质基板传播TE10波时中心频率点的四分之一波长长度，并且缝隙之间的间距也近似于TE10波时中心频率点的四分之一波长长度。中间层金属板6全部的金属都是接地的，构建成该结构时可以实现频率扫描天线的漏波辐射模式。
所述的第二层介质基板8放置在中间层金属板6的下方，并且通过压合工艺或者塑料螺钉固定，达到密切贴合的目的；
优选的第二层介质基板8的介电常数不宜太高，否则会使第二层介质基板8厚度选择上过薄，本实施案例选择F4B材料，介电常数为2.65，厚度为0.5mm；
所述的底层金属板9上刻蚀一排周期性的金属贴片，如图5所示；每个金属贴片完全相同，金属贴片之间的间距相同；并且每个贴片要与缝隙7的位置一一对应。
本实施案例为了达到低剖面，易集成的效果，所述金属板与介质基板都为平面结构，且每层都紧紧相贴；由实施案例的构成结构来看，整体的结构简单，并且所述的高增益频率扫描天线以及MSTL传输结构都可以直接采用PCB印刷电路板技术制作而成。
图8、图9是本实施案例的反射系数和传播系数图，从图8中可以看出本实施案例所述的结构由于在低于6GHz的频带内传输的是准TEM波，射频信号通过该结构将电磁波信号传输至输出端口；图9反应出本实施案例所述的结构由于在高频段传输的是准TE10波，在10.49GHz至15.84GHz频带范围内将传输的射频信号通过缝隙及辐射贴片发射至空间中，该图的S21传播系数位于-8dB以下，反映出本实施案例提出的频率扫描天线的辐射效率较高。
图10是本实施案例分别工作在10.5GHz、11GHz、11.5GHz、12GHz、12.5GHz、13GHz、13.5GHz、14GHz、14.5GHz、15GHz、15.5GHz，phi＝0°的滚动角平面上的方向性增益图；从图中可以看出，该频率扫描天线的主瓣能够从-70度扫描到+70度。
本发明中应用了具体实施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。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于MSTL的频率扫描天线与微带传输线双工共形电路，其特征在于，包括顶层金属板、第一层介质基板、中间层金属板、第二层介质基板底层金属板；
所述顶层金属板设置在第一层介质基板的顶部，所述顶层金属板上刻蚀有微带传输线电路的中心金属导体，在中心金属导体两侧布有接地的金属面；
所述中间层金属板设置在第一层介质基板底部，此金属板起到接地表面作用，所述中间层金属板中间一排刻蚀有完全相同的等间距分布的矩形缝隙阵列；
所述第二层介质基板设置在中间层金属板底部；
所述底层金属板设置第二层介质基板的底部，所述底层金属板为完全相同的等间距的矩形贴片阵列，与所述中间层金属板刻蚀的等间距矩形缝隙阵列一一对应；
所述第一层介质基板上贯穿顶层金属板和中间层金属板的两列短路接地槽孔；两排槽孔位于第一层介质基板的两侧，并且关于中心轴线左右对称分布；所述两列短路接地槽孔要布置在顶层金属板的两侧接地金属面上；且位于中间层金属板矩形缝隙阵列的外侧；
所述顶层金属板的两端设置有与所述的顶层金属板的微带传输线中心导体相连接的微带线，所述的微带传输线可以连接外部连接器或者电路端口，用于馈电。
2.根据权利要求1所述基于MSTL的频率扫描天线与微带传输线双工共形电路，其特征在于，所述第一层介质基板两列槽孔内壁镀有导体金属层。
3.根据权利要求1所述基于MSTL的频率扫描天线与微带传输线双工共形电路，其特征在于，所述的第一层介质基板两列槽孔从顶层金属板的两侧接地金属面的一端布局延续至另一端。
4.根据权利要求1所述基于MSTL的频率扫描天线与微带传输线双工共形电路，其特征在于，所述第一层介质基板采用高介电常数、低损耗角正切值的电路PCB板材。
5.根据权利要求1所述基于MSTL的频率扫描天线与微带传输线双工共形电路，其特征在于，所述中间层金属板上刻蚀的矩形缝隙阵列从金属层的一端排布至另一端；所述的矩形缝隙阵列包含若干个矩形横向槽；所述的矩形缝隙阵列横向槽的长边要与顶层金属板的微带线中心导体呈90度交叉；所述的矩形缝隙阵列放置在顶层微带传输线中心导体下方，并与中间层接地金属面的中轴线左右对称；所述的矩形缝隙阵列每个矩形横向槽间距相同，槽的长度与宽度一致。
6.根据权利要求1所述基于MSTL的频率扫描天线与微带传输线双工共形电路，其特征在于，所述底层金属板刻蚀矩形辐射贴片阵列；所述的贴片阵列数量及布置位置与中间层金属板的矩形缝隙阵列一一对应。
7.根据权利要求1所述基于MSTL的频率扫描天线与微带传输线双工共形电路，其特征在于，所述顶层金属板两侧与微带传输线中心导体相接的微带线特征阻抗为50欧姆。
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