CN115173068A - 宽带圆极化的基片集成波导喇叭天线阵列及无线通信设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽带圆极化的基片集成波导喇叭天线阵列及无线通信设备，包括介质基板，介质基板上并排有多个相同的基片集成波导的H面喇叭天线单元，喇叭口径前端的介质基板上下设置矩形贴片，矩形贴片前的介质基板上下设置对跖线性缝隙贴片，对跖线性缝隙贴片之间设置金属通孔阵列，喇叭内部的介质基板上下设置对称倾斜缝隙。本发明通过在口径前加载矩形贴片以及在喇叭内部开对称倾斜缝隙，在极低的剖面下实现了良好的宽带特性以及稳定的增益；通过在矩形贴片前加载对跖线性缝隙贴片以及在对跖线性缝隙贴片之间加载金属通孔阵列，使得在宽带范围内实现圆极化特性，最后通过SIW功分器馈电网络对喇叭天线阵列馈电，最终实现宽带高增益的圆极化性能。

Description

宽带圆极化的基片集成波导喇叭天线阵列及无线通信设备
技术领域
本发明涉及天线的技术领域，尤其是指一种宽带圆极化的基片集成波导喇叭天线阵列及无线通信设备。
背景技术
喇叭天线广泛应用于通信系统、雷达、成像、射电天文学等领域。3D喇叭天线虽然可以用于上述系统，但通常体积大、价格昂贵，且不容易与系统中的其他部件和设备集成。基片集成波导技术提供了一种利用PCB设计过程或其他制造技术来实现喇叭天线的有前途的方法，为设计和实现大规模的平面基片集成电路提供了可能。
发明内容
本发明的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种宽带圆极化的基片集成波导喇叭天线阵列，可在极低的剖面下实现了良好的宽带特性以及稳定的增益，并在宽带范围内实现圆极化特性，实现宽带高增益的圆极化性能。
本发明的第二目的在于提供一种无线通信设备。
本发明的第一目的通过下述技术方案实现：宽带圆极化的基片集成波导喇叭天线阵列，包括介质基板，所述介质基板上并排有多个相同、喇叭口朝向一致的基片集成波导的H面喇叭天线单元，所述介质基板向喇叭口径前端延伸一段距离，用于提高增益；所述介质基板的上表面在喇叭口径前端依次设置有第一对跖线性缝隙贴片和第一矩形贴片，所述第一矩形贴片位于第一对跖线性缝隙贴片和喇叭口径之间；所述介质基板的下表面在喇叭口径前端依次设置有第二对跖线性缝隙贴片和第二矩形贴片，所述第二矩形贴片位于第二对跖线性缝隙贴片和喇叭口径之间；所述第一矩形贴片与第二矩形贴片关于介质基板对称，用于改善阻抗匹配；所述第一对跖线性缝隙贴片与第二对跖线性缝隙贴片关于介质基板对称，用于实现圆极化，且在所述第一对跖线性缝隙贴片和第二对跖线性缝隙贴片之间设置有用于拓宽轴比带宽的金属通孔阵列，所述金属通孔阵列穿过介质基板使第一对跖线性缝隙贴片与第二对跖线性缝隙贴片相连；每个H面喇叭天线单元的喇叭内部的介质基板上、下表面分别设置有第一对称倾斜缝隙和第二对称倾斜缝隙，用于提高增益和减小增益波动，所述第一对称倾斜缝隙与第二对称倾斜缝隙关于介质基板对称，且所述第一对称倾斜缝隙和第二对称倾斜缝隙为喇叭状结构，其喇叭口朝向与H面喇叭天线单元相一致。
优选的，所述介质基板上设置有SIW功分器馈电网络和馈电探针，所述SIW功分器馈电网络和馈电探针位于多个H面喇叭天线单元后端，用于给该多个H面喇叭天线单元馈电。
优选的，所述第一矩形贴片和第二矩形贴片均由四组矩形贴片阵列组成，每组矩形贴片阵列包括五块相邻分布的矩形贴片块，相邻矩形贴片块之间的间距为0.1mm-0.3mm，矩形贴片块的长度为四分之一波长。
优选的，所述金属通孔阵列靠近喇叭口径侧，由四组金属通孔子阵组成，每组金属通孔子阵由5个金属通孔组成，半径取值范围为0.1mm-0.3mm。
优选的，所述第一对跖线性缝隙贴片和第二对跖线性缝隙贴片均由四组对跖线性缝隙贴片阵列组成，每组对跖线性缝隙贴片阵列由8块相同的梯形贴片组成，其中，所述第一对跖线性缝隙贴片的每组对跖线性缝隙贴片阵列的第1、3、5、7块梯形贴片的下底加载有相连的小矩形贴片，所述第二对跖线性缝隙贴片的每组跖线性缝隙贴片阵列的第2、4、6、8块梯形贴片的下底加载有相连的小矩形贴片；所述第二对跖线性缝隙贴片与第一对跖线性缝隙贴片之间有1mm-2mm的偏移量。
优选的，所述第一对称倾斜缝隙和第二对称倾斜缝隙均由左右对称的两条倾斜缝隙组成，倾斜角度与H面喇叭天线单元张开的角度相同，从H面喇叭天线单元的喇叭口径向内延伸。
优选的，所述H面喇叭天线单元包括置于介质基板上下表面的上、下金属层和置于介质基板中的金属通孔，上、下金属层用于构成基片集成波导的宽边，金属通孔分别与上、下金属层相连，构成基片集成波导的窄边，金属通孔的高度设置为介质基板的厚度，金属通孔的半径取值范围为0.4～0.6mm，相邻两个金属通孔的圆心之间的间距取值范围为1.4～1.8mm。
优选的，所述SIW功分器馈电网络的波导宽度为H面喇叭天线单元的波导宽度，所述SIW功分器馈电网络中设置有一些对称的单独金属通孔，用于调整阻抗匹配。
优选的，所述馈电探针高度为1.5-2.5mm，半径为0.2mm-0.4mm。
本发明的第二目的通过下述技术方案实现：无线通信设备，包括上述宽带圆极化的基片集成波导喇叭天线阵列。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本发明通过在喇叭口径前加载矩形贴片以及在喇叭内部开对称倾斜缝隙，使得在极低的剖面下实现了良好的宽度特性以及稳定的增益；另外，通过在矩形贴片前加载对跖线性缝隙贴片引入水平极化，再通过在对跖线性缝隙贴片之间加载金属通孔阵列，使得在宽带范围内实现圆极化特性；最后，通过SIW功分器馈电网络对喇叭天线阵列馈电，最终实现宽带高增益的圆极化性能。
2、本发明采用矩形贴片和对跖线性缝隙贴片加载，以及金属通孔阵列的加载和喇叭内部开对称倾斜缝隙，实验证明，实现了|S11|-10dB带宽为22.8％，轴比带宽为15.1％，工作带宽内增益稳定，最大增益为13.45dBi，得到了良好的宽带左旋圆极化特性。
附图说明
图1为本发明实施例的宽带圆极化的基片集成波导喇叭天线阵列的立体图。
图2为本发明实施例的宽带圆极化的基片集成波导喇叭天线阵列的俯视图。
图3为本发明实施例的宽带圆极化的基片集成波导喇叭天线阵列的仰视图。
图4为本发明实施例的宽带圆极化的基片集成波导喇叭天线阵列的侧视图。
图5为本发明实施例的宽带圆极化的基片集成波导喇叭天线阵列在13GHz的E面辐射场方向图。
图6为本发明实施例的宽带圆极化的基片集成波导喇叭天线阵列在13GHz的H面辐射场方向图。
图7为本发明实施例的宽带圆极化的基片集成波导喇叭天线阵列在14GHz的E面辐射场方向图。
图8为本发明实施例的宽带圆极化的基片集成波导喇叭天线阵列在14GHz的H面辐射场方向图。
图9为本发明实施例的宽带圆极化的基片集成波导喇叭天线阵列在15GHz的E面辐射场方向图。
图10为本发明实施例的宽带圆极化的基片集成波导喇叭天线阵列在15GHz的H面辐射场方向图。
图11为本发明实施例的宽带圆极化的基片集成波导喇叭天线阵列的S参数图。
图12为本发明实施例的宽带圆极化的基片集成波导喇叭天线阵列的增益曲线图。
图13为本发明实施例的宽带圆极化的基片集成波导喇叭天线阵列的轴比曲线图。
其中，1-第一对跖线性缝隙贴片，2-第二对跖线性缝隙贴片，3-第一矩形贴片，4-第二矩形贴片，5-第一对称倾斜缝隙，6-第二对称倾斜缝隙，7-介质基板，8-SIW功分器馈电网络，9-馈电探针，10-金属通孔阵列。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
利用PCB技术加工的基片集成波导喇叭天线可以克服现有技术的缺点，具有体积小，重量轻，成本低，易于集成到小型化的无线通信平台；圆极化天线在卫星、移动通信和传感系统中有着广泛的应用前景，与线极化天线相比，圆极化天线具有对天线轴向旋转不敏感、延迟传播小等明显的优点。此外宽带天线可以工作在较宽的频率范围内，以适应不同的工作场景。而高增益的天线阵列则可以是天线将电磁波发射到更远的距离，实现更远距离的通信。因此，本实施例提供了一种宽带圆极化的基片集成波导喇叭天线阵列。
参见图1至图4所示，本实施例提供的宽带圆极化的基片集成波导喇叭天线阵列，能够应用于无线通信设备中，包括介质基板7，所述介质基板7上并排有多个相同、喇叭口朝向一致的基片集成波导的H面喇叭天线单元，所述介质基板7向喇叭口径前端延伸一段距离，用于提高增益；所述介质基板7的上表面在喇叭口径前端依次设置有第一对跖线性缝隙贴片1和第一矩形贴片3，所述第一矩形贴片3位于第一对跖线性缝隙贴片1和喇叭口径之间；所述介质基板7的下表面在喇叭口径前端依次设置有第二对跖线性缝隙贴片2和第二矩形贴片4，所述第二矩形贴片4位于第二对跖线性缝隙贴片2和喇叭口径之间；所述第一矩形贴片3与第二矩形贴片4关于介质基板7对称，用于改善阻抗匹配；所述第一对跖线性缝隙贴片1与第二对跖线性缝隙贴片2关于介质基板7对称，用于实现圆极化，且在所述第一对跖线性缝隙贴片1和第二对跖线性缝隙贴片2之间设置有用于拓宽轴比带宽的金属通孔阵列10，所述金属通孔阵列10靠近喇叭口径侧，所述金属通孔阵列10穿过介质基板7使第一对跖线性缝隙贴片1和第二对跖线性缝隙贴片2相连；每个H面喇叭天线单元的喇叭内部的介质基板7上、下表面分别设置有第一对称倾斜缝隙5和第二对称倾斜缝隙6，用于提高增益和减小增益波动，所述第一对称倾斜缝隙5与第二对称倾斜缝隙6关于介质基板7对称，且所述第一对称倾斜缝隙5和第二对称倾斜缝隙6为喇叭状结构，其喇叭口朝向与H面喇叭天线单元相一致；所述介质基板7上设置有SIW功分器馈电网络8和馈电探针9，所述SIW功分器馈电网络8和馈电探针9位于多个H面喇叭天线单元后端，用于给该多个H面喇叭天线单元馈电。
优选的，所述第一矩形贴片3和第二矩形贴片4均由四组矩形贴片阵列组成，每组矩形贴片阵列包括五块相邻分布的矩形贴片块，相邻矩形贴片块之间的间距为0.1mm-0.3mm，矩形贴片块的长度为四分之一波长。
优选的，所述金属通孔阵列10由四组金属通孔子阵组成，每组金属通孔子阵由5个金属通孔组成，半径取值范围为0.1mm-0.3mm。
优选的，所述第一对跖线性缝隙贴片1和第二对跖线性缝隙贴片2均由四组对跖线性缝隙贴片阵列组成，每组对跖线性缝隙贴片阵列由8块相同的梯形贴片组成，其中，所述第一对跖线性缝隙贴片1的每组对跖线性缝隙贴片阵列的第1、3、5、7块梯形贴片的下底加载有相连的小矩形贴片，所述第二对跖线性缝隙贴片2的每组跖线性缝隙贴片阵列的第2、4、6、8块梯形贴片的下底加载有相连的小矩形贴片；所述第二对跖线性缝隙贴片2与第一对跖线性缝隙贴片1之间有1mm-2mm的偏移量。
优选的，所述第一对称倾斜缝隙5和第二对称倾斜缝隙6均由左右对称的两条倾斜缝隙组成，倾斜角度与H面喇叭天线单元张开的角度相同，从H面喇叭天线单元的喇叭口径向内延伸。
优选的，所述H面喇叭天线单元包括置于介质基板7上下表面的上、下金属层和置于介质基板7中的金属通孔，上、下金属层用于构成基片集成波导的宽边，金属通孔分别与上、下金属层相连，构成基片集成波导的窄边，金属通孔的高度设置为介质基板的厚度，金属通孔的半径取值范围为0.4～0.6mm，相邻两个金属通孔的圆心之间的间距取值范围为1.4～1.8mm。
优选的，所述SIW功分器馈电网络8的波导宽度为H面喇叭天线单元的波导宽度，所述SIW功分器馈电网络8中设置有一些对称的单独金属通孔，用于调整阻抗匹配，所述SIW功分器8中的金属通孔穿过介质基板7使上、下金属层相连。
优选的，所述馈电探针高度为1.5-2.5mm，半径为0.2mm-0.4mm。
优选的，所述介质基板7采用Rogers RT 5880，其介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为1.524mm。
本实施例通过在喇叭口径前端加载矩形贴片以及在喇叭内部开缝，使得在低剖面口径实现了良好的宽带特性，本实施例中的天线采用加载于矩形贴片之前的对跖线性缝隙贴片，与喇叭天线本身共同形成了左旋圆极化。然后，在对跖线性缝隙贴片之间串联金属通孔阵列，有效改善了天线的轴比带宽，最后，通过SIW功分器馈电网络对喇叭天线阵列馈电，最终实现宽带高增益的圆极化性能。
图5和图6为本实施例上述宽带圆极化的基片集成波导喇叭天线阵列在13GHz的E面辐射场方向图和H面辐射场方向图，可以看到在该频点天线的主极化是左旋圆极化，具有良好的定向圆极化辐射特性，交叉极化小于-10dB。
图7和图8为本实施例上述宽带圆极化的基片集成波导喇叭天线阵列在14GHz的E面辐射场方向图和H面辐射场方向图，可以看到在该频点天线的主极化是左旋圆极化，具有良好的定向圆极化辐射特性，交叉极化小于-10dB。
图9和图10为本实施例上述宽带圆极化的基片集成波导喇叭天线阵列在15GHz的E面辐射场方向图和H面辐射场方向图，可以看到在该频点天线的主极化是左旋圆极化，具有良好的定向圆极化辐射特性，交叉极化小于-10dB。
图11为本实施例上述宽带圆极化的基片集成波导喇叭天线阵列的S参数仿真曲线图，可以看到天线的|S11|<-10dB带宽约为12.4-15.6GHz，22.8％，应用于ku波段。
图12为本实施例上述宽带圆极化的基片集成波导喇叭天线阵列的增益仿真曲线图，天线的最大增益为13.45dBi。
图13为本实施例上述宽带圆极化的基片集成波导喇叭天线阵列的轴比仿真曲线图，可以看到天线的轴比带宽为12.9-15GHz，15.1％，在这个带宽范围内|S11|均小于-10dB，实现了宽频带的圆极化性能。
综上所述，本发明通过在H面喇叭天线单元的口径前端加载矩形贴片以及在喇叭内部开缝实现了宽阻抗带宽的特性，接着通过在矩形贴片前加载对跖线性缝隙贴片，引入水平极化，通过控制水平极化与垂直极化的相位中心的距离，实现90°的相位差，实现圆极化。另外，通过在对跖线性缝隙贴片之间串联金属通孔阵列，调整相位差，使得宽带范围内的相位在80-100°之间，最后通过SIW功分器馈电网络对喇叭天线阵列馈电，最终实现了阻抗匹配带宽约为22.8％，轴比带宽为15.1％，最大增益约为13.45dBi，天线剖面高度只有1/20波长，实现了低剖面宽带高增益的圆极化SIW喇叭天线阵列。
实施例2
本实施例提供了一种无线通信设备，包括实施例1所述的宽带圆极化的基片集成波导喇叭天线阵列。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.宽带圆极化的基片集成波导喇叭天线阵列，其特征在于，包括介质基板，所述介质基板上并排有多个相同、喇叭口朝向一致的基片集成波导的H面喇叭天线单元，所述介质基板向喇叭口径前端延伸一段距离，用于提高增益；所述介质基板的上表面在喇叭口径前端依次设置有第一对跖线性缝隙贴片和第一矩形贴片，所述第一矩形贴片位于第一对跖线性缝隙贴片和喇叭口径之间；所述介质基板的下表面在喇叭口径前端依次设置有第二对跖线性缝隙贴片和第二矩形贴片，所述第二矩形贴片位于第二对跖线性缝隙贴片和喇叭口径之间；所述第一矩形贴片与第二矩形贴片关于介质基板对称，用于改善阻抗匹配；所述第一对跖线性缝隙贴片与第二对跖线性缝隙贴片关于介质基板对称，用于实现圆极化，且在所述第一对跖线性缝隙贴片和第二对跖线性缝隙贴片之间设置有用于拓宽轴比带宽的金属通孔阵列，所述金属通孔阵列穿过介质基板使第一对跖线性缝隙贴片与第二对跖线性缝隙贴片相连；每个H面喇叭天线单元的喇叭内部的介质基板上、下表面分别设置有第一对称倾斜缝隙和第二对称倾斜缝隙，用于提高增益和减小增益波动，所述第一对称倾斜缝隙与第二对称倾斜缝隙关于介质基板对称，且所述第一对称倾斜缝隙和第二对称倾斜缝隙为喇叭状结构，其喇叭口朝向与H面喇叭天线单元相一致。
2.根据权利要求1所述的宽带圆极化的基片集成波导喇叭天线阵列，其特征在于，所述介质基板上设置有SIW功分器馈电网络和馈电探针，所述SIW功分器馈电网络和馈电探针位于多个H面喇叭天线单元后端，用于给该多个H面喇叭天线单元馈电。
3.根据权利要求1所述的宽带圆极化的基片集成波导喇叭天线阵列，其特征在于，所述第一矩形贴片和第二矩形贴片均由四组矩形贴片阵列组成，每组矩形贴片阵列包括五块相邻分布的矩形贴片块，相邻矩形贴片块之间的间距为0.1mm-0.3mm，矩形贴片块的长度为四分之一波长。
4.根据权利要求1所述的宽带圆极化的基片集成波导喇叭天线阵列，其特征在于，所述金属通孔阵列靠近喇叭口径侧，由四组金属通孔子阵组成，每组金属通孔子阵由5个金属通孔组成，半径取值范围为0.1mm-0.3mm。
5.根据权利要求1所述的宽带圆极化的基片集成波导喇叭天线阵列，其特征在于，所述第一对跖线性缝隙贴片和第二对跖线性缝隙贴片均由四组对跖线性缝隙贴片阵列组成，每组对跖线性缝隙贴片阵列由8块相同的梯形贴片组成，其中，所述第一对跖线性缝隙贴片的每组对跖线性缝隙贴片阵列的第1、3、5、7块梯形贴片的下底加载有相连的小矩形贴片，所述第二对跖线性缝隙贴片的每组跖线性缝隙贴片阵列的第2、4、6、8块梯形贴片的下底加载有相连的小矩形贴片；所述第二对跖线性缝隙贴片与第一对跖线性缝隙贴片之间有1mm-2mm的偏移量。
6.根据权利要求1所述的宽带圆极化的基片集成波导喇叭天线阵列，其特征在于，所述第一对称倾斜缝隙和第二对称倾斜缝隙均由左右对称的两条倾斜缝隙组成，倾斜角度与H面喇叭天线单元张开的角度相同，从H面喇叭天线单元的喇叭口径向内延伸。
7.根据权利要求1所述的宽带圆极化的基片集成波导喇叭天线阵列，其特征在于，所述H面喇叭天线单元包括置于介质基板上下表面的上、下金属层和置于介质基板中的金属通孔，上、下金属层用于构成基片集成波导的宽边，金属通孔分别与上、下金属层相连，构成基片集成波导的窄边，金属通孔的高度设置为介质基板的厚度，金属通孔的半径取值范围为0.4～0.6mm，相邻两个金属通孔的圆心之间的间距取值范围为1.4～1.8mm。
8.根据权利要求2所述的宽带圆极化的基片集成波导喇叭天线阵列，其特征在于，所述SIW功分器馈电网络的波导宽度为H面喇叭天线单元的波导宽度，所述SIW功分器馈电网络中设置有一些对称的单独金属通孔，用于调整阻抗匹配。
9.根据权利要求2所述的宽带圆极化的基片集成波导喇叭天线阵列，其特征在于，所述馈电探针高度为1.5-2.5mm，半径为0.2mm-0.4mm。
10.无线通信设备，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的宽带圆极化的基片集成波导喇叭天线阵列。
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