CN115425409B - 一种波导缝隙能量选择天线 - Google Patents

Abstract

本申请属于天线技术领域，涉及一种波导缝隙能量选择天线，包括：基片集成波导和组合波导；基片集成波导的一端与组合波导的一端相连；基片集成波导包括第一金属层，第一金属层上设有第一孔带，第一孔带呈对称的倒“U”形结构；组合波导呈轴对称结构，组合波导包括漏斗形的中心金属面以及间隔设在中心金属面两侧的附加金属面，中心金属面与附加金属面之间形成两条空气带隙；附加金属面靠近中心金属面的边缘设有第二孔带；中心金属面和附加金属面均与第一金属层相连，两个第二孔带的一组对应端分别与第一孔带的两端相连。采用本申请能够防止流经中心金属面的电磁波的泄露，从而降低驻波和反射系数，提高天线的工作效率和性能。

Description

一种波导缝隙能量选择天线

技术领域

本申请涉及天线技术领域，特别是涉及一种波导缝隙能量选择天线。

背景技术

近年来随着电子信息技术的发展，射频前端链路不断向小型化、集成化发展，这对系统的电磁兼容提出了更高的要求。天线作为射频微波系统的前门，是将自由空间中电磁场转换到微波电路中导行波的转换器，是电磁兼容的重难点。

现有技术中，基片集成波导缝隙天线的馈电部分通常采用微带线传输，微带线匹配较差，容易发生电磁波信号的泄露，从而影响天线的性能。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种波导缝隙能量选择天线，能够防止流经中心金属面的电磁波的泄露，从而降低驻波和反射系数，提高天线的工作效率和性能。

一种波导缝隙能量选择天线，包括：基片集成波导和组合波导；所述基片集成波导的一端与所述组合波导的一端相连；

所述基片集成波导包括第一金属层，所述第一金属层上设有第一孔带，所述第一孔带呈对称的倒“U”形结构；

所述组合波导呈轴对称结构，所述组合波导包括漏斗形的中心金属面以及间隔设在所述中心金属面两侧的附加金属面，所述中心金属面与所述附加金属面之间形成两条空气带隙；所述附加金属面靠近所述中心金属面的边缘设有第二孔带；

所述中心金属面和所述附加金属面均与所述第一金属层相连，两个第二孔带的一组对应端分别与所述第一孔带的两端相连。

在一个实施例中，所述第一金属层上由第一孔带围成的空间中设有多个沿天线长度方向设置的缝隙；

每个缝隙中设有至少一个二极管；所述二极管的一端与所述缝隙的一侧长边相连，另一端与所述缝隙的另一侧长边相连。

在一个实施例中，每个缝隙中还设有电感；

所述电感的一端与所述缝隙的一侧长边相连，另一端与所述缝隙的另一侧长边相连。

在一个实施例中，所述二极管以及所述电感的谐振频率之和与天线工作的中心频率一致。

在一个实施例中，多个所述缝隙沿天线长度方向的间距为二分之一电磁波波长，且多个所述缝隙在天线的宽度方向上交错分布。

在一个实施例中，每条空气带隙中远离所述基片集成波导的位置上设有至少一个二极管对，每个二极管对由两个方向相反的二极管组成；

所述二极管的一端与所述空气带隙的一侧长边相连，另一端与所述空气带隙的另一侧长边相连。

在一个实施例中，当所述空气带隙中设有至少两个二极管对时，相邻的两个二极管对之间的距离小于或等于四分之一电磁波波长。

在一个实施例中，所述第一孔带和所述第二孔带均由若干等半径且等间距的金属过孔组成。

在一个实施例中，所述基片集成波导还包括第一介质层以及第一金属地，所述第一金属层设在所述第一介质层的顶部，所述第一金属地设在所述第一介质层的底部；

所述组合波导还包括第二介质层以及第二金属地，所述中心金属面以及所述附加金属面均设在所述第二介质层的顶部，所述第二金属地设在所述第二介质层的底部；

所述第一介质层的一端与所述第二介质层的一端相连，所述第一金属地的一端与所述第二金属地的一端相连。

在一个实施例中，所述第一孔带的金属过孔贯穿所述第一介质层，所述第二孔带的金属过孔贯穿所述第二介质层。

上述波导缝隙能量选择天线，在中心金属面的两侧间隔设置了对称的附加金属面，形成了对称地，产生了标准TEM模，而不是以微带线传输的准TEM模；中心金属面和附加金属面之间形成了对称的空气带隙，并设置了第二孔带，能够形成隔离带，防止流经中心金属面的电磁波的泄露，从而降低驻波和反射系数，提高天线的工作效率和性能；且附加金属面与第一金属层相连，能够更好地匹配基片集成波导，使得组合波导与馈电端和辐射端的阻抗匹配更好。

附图说明

图1为一个实施例中波导缝隙能量选择天线的立体示意图，其中，x为长度方向，y为宽度方向，z为高度方向；

图2为一个实施例中波导缝隙能量选择天线的组成示意图，其中，A为基片集成波导，B为组合波导，B1为波导过渡段，B2为接地共面波导；

图3为一个实施例中波导缝隙能量选择天线的俯视图；

图4为一个实施例中波导缝隙能量选择天线的缝隙设置二极管和电感的示意图；

图5为一个实施例中波导缝隙能量选择天线的空气带隙设置二极管对的示意图；

图6为一个实施例中波导缝隙能量选择天线的等效电路图；

图7为一个实施例中波导缝隙能量选择天线中缝隙设置二极管时天线增益的防护状态与工作状态对比图；

图8为一个实施例中波导缝隙能量选择天线中空气带隙设置二极管对时天线增益的防护状态与工作状态对比图；

图9为一个实施例中波导缝隙能量选择天线中缝隙设置二极管时天线反射系数的防护状态与工作状态对比图；

图10为一个实施例中波导缝隙能量选择天线中空气带隙设置二极管对时天线反射系数的防护状态与工作状态对比图。

附图标记：

第一金属层11，第一孔带111，缝隙112，二极管113，电感114，第一介质层12，第一金属地13；

第二金属层21，中心金属面211，附加金属面212，空气带隙213，第二孔带214，二极管对215，第二介质层22，第二金属地23；

馈电端口3。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明，本申请实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本申请中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多组”的含义是至少两组，例如两组，三组等，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

另外，本申请各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

本申请提供了一种波导缝隙能量选择天线，如图1至图5所示，在一个实施例中，包括：基片集成波导和组合波导，基片集成波导的一端与组合波导的一端相连。组合波导包括：波导过渡段和接地共面波导，波导过渡段的顶部与基片集成波导的底部相连，波导过渡段的底部与接地共面波导的顶部相连。也就是说，波导缝隙能量选择天线包括：从上到下依次相连的基片集成波导（SIW）、波导过渡段和接地共面波导（GCPW）。

需要说明：以天线的馈电端口中心轴所在的方向为长度方向（即图1中的x方向），以天线的馈电端口截面所在的方向为宽度方向（即图1中的y方向），以同时垂直长度方向和宽度方向的方向为高度方向（即图1中的z方向），当天线为板状结构时，以板状结构的厚度方向为高度方向。

基片集成波导包括：第一金属层11、第一介质层12以及第一金属地13，第一金属层11设在第一介质层12的顶部，第一金属地13设在第一介质层12的底部；第一金属层11上设有第一孔带111，第一孔带111呈对称的倒“U”形结构。具体的基片集成波导的结构可以采用现有技术，例如，在第一金属层上设有多个缝隙，以构成缝隙天线，在此不再赘述。

组合波导呈轴对称结构，且关于天线长度方向的中心线轴对称；组合波导包括：第二金属层21、第二介质层22以及第二金属地23，第二金属层21设在第二介质层22的顶部，第二金属地23设在第二介质层22的底部；第二金属层21包括：漏斗形的中心金属面211以及间隔对称设在中心金属面211两侧的附加金属面212，中心金属面211与附加金属面212之间形成两条对称的空气带隙213；附加金属面212靠近中心金属面211的边缘设有对称的第二孔带214；中心金属面211包括：呈等腰梯形的第一部分以及呈矩形的第二部分，第一部分的短底与第二部分的顶部相连；附加金属面212包括：呈直角梯形的第三部分以及呈矩形的第四部分，第三部分的长底与第四部分的顶部相连；第一部分与第三部分的高相等，组合波导以经过第一部分短底和第三部分长底的直线为分界，远离馈电端口3的部分为波导过渡段，靠近馈电端口3的部分为接地共面波导。

馈电端口3与接地共面波导相连，具体的，馈电端口3可以是SMA接头，SMA接头的内导体与中心金属面211电连接，SMA接头的外导体与第二金属地23连接。基片集成波导的第一金属层11同时与组合波导的中心金属面211和附加金属面212相连，基片集成波导的第一孔带111的两端分别与组合波导的两个第二孔带214的一组对应端相连。

第一孔带111和第二孔带214均由若干等半径且等间距的通孔组成，每个通孔的孔壁上均设有金属层，以作为金属过孔。第一孔带111的金属过孔贯穿第一介质层12，第二孔带214的金属过孔贯穿第二介质层22。

优选地，第一金属层11、中心金属面211以及附加金属面212一体成型，第一介质层12以及第二介质层22一体成型，第一金属地13以及第二金属地23一体成型。

本实施例的工作过程是：当天线正常工作时，自由空间中的电磁波通过基片集成波导耦合至天线内部，并向馈电端口传输。在基片集成波导与波导过渡段的连接处，由于左右对称的附加金属面和中心金属面引入了更紧凑的边界条件，将波导模式转换成接地共面波导中场分布更加集中的TEM模式，有效减小了向自由空间的辐射泄露。

上述波导缝隙能量选择天线，在中心金属面的两侧间隔设置了对称的附加金属面，形成了对称地，产生了标准TEM模，而不是以微带线传输的准TEM模；中心金属面和附加金属面之间形成了对称的空气带隙，并设置了第二孔带，能够形成隔离带，防止流经中心金属面的电磁波的泄露，从而降低驻波和反射系数，提高天线的工作效率和性能；且附加金属面与第一金属层相连，能够更好地匹配基片集成波导，使得组合波导与馈电端和辐射端的阻抗匹配更好。

在一个实施例中，第一金属层11上由第一孔带111围成的空间中设有多个沿天线长度方向设置的缝隙112；缝隙112是指在第一金属层11上设置的通孔，每个缝隙112均为矩形结构，且缝隙112的长度方向与天线的长度方向一致；多个缝隙沿天线长度方向的间距为二分之一电磁波波长，且多个缝隙在天线的宽度方向上交错分布，具体的缝隙设置（包括缝隙的数量和位置）属于现有技术，在此不再赘述。

每个缝隙112中设有至少一个二极管113，优选为一个或两个；二极管113的一端与缝隙的一侧长边相连，另一端与缝隙的另一侧长边相连；各二极管的方向不做限制。

上述设置，在基片集成波导的缝隙中加载了二极管，将天线工作与防护功能集成一体化设计，在保持防护性能的基础上，结构保证了高度的集成度，实现信号的低插损接收，还有利于天线的方向图。

优选地，每个缝隙112中还设有电感114；电感114的一端与缝隙的一侧长边相连，另一端与缝隙的另一侧长边相连。

当缝隙112中的二极管113数量为偶数时，二极管113对称设在电感114的两侧，当缝隙112中的二极管113数量为奇数时，二极管113与电感114的相对位置不做限定。

上述设置，在缝隙中加载了电感，能够校正由于加载二极管而引入的电容，避免了由于每个辐射缝隙对应的辐射单元的导纳发生变化导致的阻抗失配，进而避免了反射系数和驻波的增大，实现了更高的天线效率；此外，还避免了由于每个辐射单元的辐射方向图发生变化导致的整个天线方向图的改变，实现了更好的天线方向图。

进一步优选地，设置在同一缝隙中的所有二极管以及电感所构成的并联谐振结构的谐振频率与天线工作的中心频率一致。

上述设置能够最佳校正加载二极管引入的电容。

本实施例的工作过程是：当正常电磁波信号入射天线时，电磁波耦合到基片集成波导的缝隙上，设在缝隙中的二极管处于断开状态，等效为电容，相当于开路，大部分的电磁波耦合到由第一金属层、缝隙边缘、第一金属地以及第一孔带形成的腔体中，并由基片集成波导经波导过渡段传递到接地共面波导，然后到达馈电端口，实现信号的传输，仅有少部分电磁波被反射；当高强度电磁波信号入射天线时，电磁波耦合到基片集成波导的缝隙上，设在缝隙中的二极管处于双向导通状态，等效为金属壁（电阻），大部分的电磁波被反射，仅有少部分由基片集成波导经波导过渡段传递到接地共面波导，然后达到馈电端口，从而极少能量经馈电端口影响后端器件，起到防护效果。

在一个实施例中，每条空气带隙213中远离基片集成波导的位置上设有至少一个二极管对215，每个二极管对215由两个方向相反的二极管组成；具体的，空气带隙213位于接地共面波导的部分对称设有至少两个二极管对215。

二极管对215的数量与天线性能有关，当二极管对215的数量较多时，可以增加防护效果，当二极管对215的数量较少时，可以降低驻波，本申请对二极管对215的数量不做限制，可以根据实际情况进行匹配和设计，以达到需要的防护效果或驻波。

同一个二极管对215中，两个二极管的一个对应端与空气带隙213的一侧长边相连，另一个对应端与空气带隙213的另一侧长边相连。需要说明，空气带隙的长度方向与天线的长度方向一致，也就是说，空气带隙位于长度方向的两条相对的边为长边。

上述设置，在中心金属面的两侧间隔设置了对称的附加金属面，形成对称的空气带隙，以便在空气带隙中加载二极管；二极管对在空气带隙中对称设置，有利于低频信号的匹配，减低低频信号的影响，实现良好的防护效果。

优选地，当每个空气带隙213中设有至少两个二极管对215，也就是两个空气带隙213中对称设有至少四个二极管对215时，位于同一空气带隙213中的相邻两个二极管对215之间的距离小于或等于四分之一电磁波波长。

上述设置可以进一步降低驻波和反射系数，同一空气带隙中相邻两个二极管对之间的距离越接近四分之一电磁波波长，驻波越低，反射系数越小，天线的工作效率越高。

进一步优选地，每个空气带隙213中设有三个二极管对215，既能够增加防护效果，也可以降低驻波。

本实施例的工作过程是：当正常电磁波信号入射天线时，电磁波耦合到基片集成波导的缝隙上，设在缝隙中的二极管处于断开状态，等效为电容，相当于开路，大部分的电磁波耦合到由第一金属层、缝隙边缘、第一金属地以及第一孔带形成的腔体中，并由基片集成波导经波导过渡段传递到接地共面波导，空气带隙中的二极管也处于断开状态，到达的大部分电磁波直接进入馈电端口，实现信号的传输，几乎没有电磁波被反射；当高强度电磁波信号入射天线时，电磁波耦合到基片集成波导的缝隙上，设在缝隙中的二极管处于双向导通状态，等效为金属壁（电阻），大部分的电磁波被反射，仅有少部分由基片集成波导经波导过渡段传递到接地共面波导，空气带隙中的二极管也处于导通状态，到达的少部分电磁波被进一步反射，然后达到馈电端口，从而几乎没有能量经馈电端口影响后端器件，起到更好的防护效果。

如图6所示，对本申请的能量选择天线建立等效电路模型。其中，C0、C1为电容，L0、L1为电感，D为二极管，R1为电阻；二极管未导通时可以等效为一个电感L并联一个电容Ce，二极管导通后可以等效为一个电感L并联一个电阻Re。

本申请的工作原理是：当正常小信号入射时，二极管处于断开状态，拓扑结构表现为低阻抗的串联谐振状态，二极管额外引入的电容通过一个电感组合为一个局部并联谐振结构，理想情况相当于并联一个无限大阻抗，实现阻抗匹配，从而使得能量得以正常传输，信号正常接收；当高强度大信号入射时，二极管导通，拓扑结构表现为高阻抗的并联谐振状态，等效为一个小电阻，阻抗失配，使得大部分信号全反射，无法继续耦合进入天线。

如图7和图8所示，对本申请的波导缝隙能量选择天线进行增益的仿真。该仿真验证了本发明提出的两种加载二极管的设计，不管是二极管加载在空气带隙中，还是加载在缝隙中，均可以明显抑制在强场辐照下能量选择天线的增益，从而实现防护功能。

如图9和图10所示，对本申请的波导缝隙能量选择天线进行S参数仿真。当二极管在导通状态下时，能量选择天线的反射系数趋于0dB，也就是说大信号被反射而几乎未耦合进入天线端口。该仿真验证了本发明可以明显增强二极管导通时天线对大信号的反射，同时可以保证天线的正常性能不受影响。

本申请在现有天线结构的基础上做了改进，以便于设置二极管，在保证天线原有辐射性能的情况下，将高强度辐射场防护功能集成于天线设计中，使得天线在正常工作接收小信号几乎无插损影响的同时，实现了对大功率入射信号的防护效果，避免以一个专门的组件来实现防护的情况，尺寸上与原天线高度集成几乎无任何额外空间与重量需求，集成度高、成本低；而且，将二极管设在缝隙和/或空气带隙中，对天线方向图影响低，几乎无插损；具体的二极管是设在缝隙中，还是空气带隙中，还是同时设在缝隙和空气带隙中（可以同时存在且互不影响，在高强度电磁波信号入射天线时，先经过缝隙中的二极管进行第一次反射，然后经过空气带隙中的二极管进行第二次反射，使得到达馈电端口的电磁波非常少，能够进一步提升天线的各项性能），以及具体的二极管数量，都可以根据实际情况进行具体的设计，提高了适用性和设计灵活性；本申请的适用频段广，防护效果几乎适用于所有频段，仅受限于二极管，也就是说，二极管不适用的频段本申请也许不能在该频段内实现防护效果，但是随着科技的进步和二极管技术的发展，本申请的防护效果可以拓展到几乎所有频段。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种波导缝隙能量选择天线，其特征在于，包括：基片集成波导和组合波导；所述基片集成波导的一端与所述组合波导的一端相连；

所述基片集成波导包括第一金属层，所述第一金属层上设有第一孔带，所述第一孔带呈对称的倒“U”形结构；

所述组合波导呈轴对称结构，所述组合波导包括漏斗形的中心金属面以及间隔设在所述中心金属面两侧的附加金属面，所述中心金属面与所述附加金属面之间形成两条空气带隙；所述附加金属面靠近所述中心金属面的边缘设有第二孔带；

所述中心金属面和所述附加金属面均与所述第一金属层相连，两个第二孔带的一组对应端分别与所述第一孔带的两端相连；

所述第一金属层上由第一孔带围成的空间中设有多个沿天线长度方向设置的缝隙；

每个缝隙中设有至少一个二极管；所述二极管的一端与所述缝隙的一侧长边相连，另一端与所述缝隙的另一侧长边相连。

2.根据权利要求1所述的波导缝隙能量选择天线，其特征在于，每个缝隙中还设有电感；

所述电感的一端与所述缝隙的一侧长边相连，另一端与所述缝隙的另一侧长边相连。

3.根据权利要求2所述的波导缝隙能量选择天线，其特征在于，所述二极管以及所述电感的谐振频率之和与天线工作的中心频率一致。

4.根据权利要求3所述的波导缝隙能量选择天线，其特征在于，多个所述缝隙沿天线长度方向的间距为二分之一电磁波波长，且多个所述缝隙在天线的宽度方向上交错分布。

5.根据权利要求1至4任一项所述的波导缝隙能量选择天线，其特征在于，每条空气带隙中远离所述基片集成波导的位置上设有至少一个二极管对，每个二极管对由两个方向相反的二极管组成；

所述二极管的一端与所述空气带隙的一侧长边相连，另一端与所述空气带隙的另一侧长边相连。

6.根据权利要求5所述的波导缝隙能量选择天线，其特征在于，当所述空气带隙中设有至少两个二极管对时，相邻的两个二极管对之间的距离小于或等于四分之一电磁波波长。

7.根据权利要求1至4任一项所述的波导缝隙能量选择天线，其特征在于，所述第一孔带和所述第二孔带均由若干等半径且等间距的金属过孔组成。

8.根据权利要求7所述的波导缝隙能量选择天线，其特征在于，所述基片集成波导还包括第一介质层以及第一金属地，所述第一金属层设在所述第一介质层的顶部，所述第一金属地设在所述第一介质层的底部；

所述组合波导还包括第二介质层以及第二金属地，所述中心金属面以及所述附加金属面均设在所述第二介质层的顶部，所述第二金属地设在所述第二介质层的底部；

所述第一介质层的一端与所述第二介质层的一端相连，所述第一金属地的一端与所述第二金属地的一端相连。

9.根据权利要求8所述的波导缝隙能量选择天线，其特征在于，所述第一孔带的金属过孔贯穿所述第一介质层，所述第二孔带的金属过孔贯穿所述第二介质层。

Images