CN115621722B - 一种基片集成双线馈电的对数周期偶极子天线及加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基片集成双线馈电的对数周期偶极子天线及加工方法，包括基片集成双线和对数周期偶极子端射天线，其中，基片集成双线包括顶、底金属地面、金属化通孔、中间纵向排列的双内导体、三层介质层和两层粘合层；对数周期偶极子端射天线包括四组大小长短呈对数关系的金属矩形贴片，每一组中的两个贴片大小相等以馈电中心为对称轴左右对称。本发明实现了对数周期偶极子天线的平面化，具有尺寸小、损耗低、馈电方便，馈线结构全屏蔽、抗干扰能力强等优点。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基片集成双线馈电的对数周期偶极子天线及加工方法。
技术背景
随着我国无线通信技术的不断发展，人们更加希望通信设备能够更加的智能化、多功能化，于是对通信设备的宽带化、小型化、抗干扰性等多方面提出要求。天线作为通信设备中辐射和接收无线信号的部件，也同样面临着宽带化、小型化的挑战。
基片集成双线技术（Substrate Integrated Double Line）作为一种无色散、宽带的三导体传输结构，支持奇模、偶模两种模式，横向与纵向的内导体排列方式在天线系统中展现了其广泛且灵活的运用，利用其两侧的金属化通孔形成封闭结构有利于防止电磁波在传输过程中的泄露。基片集成双线可以既实现高性能的微波和毫米波组件，又有利于实现天线的平面化与小型化设计。
对数周期天线由于宽带性能在雷达和通信系统中扮演着越来越重要的角色。随着平面集成电路的发展，如何提供一种重量轻、低成本、易集成、低剖面的平面对数周期阵列成为研究的热点。而目前大部分的对数周期偶极子天线体积较大，难以实现平面化，并且多数对数周期偶极子臂都裸露在外部，无法提高增益。
发明内容
本发明针对以上问题，提供了一种基片集成双线馈电的对数周期偶极子天线及加工方法。
本发明的技术方案如下：一种基片集成双线馈电的对数周期偶极子天线包括基片集成双线和对数周期偶极子,所述基片集成双线包括金属内导体以及从上到下依次设置顶层金属地面、中间体和底层金属地面，
所述中间体包括从上到下依次设置的上层介质基板、上层粘合层、中间层介质基板、下层粘合层和下层介质基板，
所述金属内导体包括上层金属内导体与下层金属内导体，所述上层金属内导体位于上层粘合层中，所述下层金属内导体位于下层粘合层中；
所述中间体的后端向外延伸形成延伸体，所述延伸体与对数周期偶极子形成对数周期偶极子端射天线，
所述对数周期偶极子包括间隔设置的多组矩形贴片组，所述矩形贴片组包括两个大小相等的矩形贴片，两个矩形贴片以金属内导体为轴线对称设置；
每组矩形贴片组中的一矩形贴片位于上层粘合层中且均由上层金属内导体进行馈电，
另一矩形贴片位于下层粘合层中且均由下层金属内导体进行馈电。
多组矩形贴片组的长度从前到后逐渐变大；
相邻矩形贴片组之间的距离从前到后逐渐变大。
所述基片集成双线上设有两排金属化通孔, 所述金属内导体位于两排金属化通孔的中间。
还包括超表面结构，所述超表面结构位于延伸体的上层介质基板上，所述超表面结构包括间隔设置的多组矩形贴片阵列组，所述矩形贴片阵列组位于相邻的矩形贴片组之间。
所述矩形贴片组包括四组，每组中的一个矩形贴片位于上层粘合层中且均由上层金属内导体进行馈电，每组中的另一个矩形贴片位于下层粘合层中且均由下层金属内导体进行馈电。
矩形贴片阵列组包括四组，分别为：第一组矩形贴片阵列、第二组矩形贴片阵列、第三组矩形贴片阵列和第四组矩形贴片阵列。
所述超表面结构中的每组矩形贴片阵列组分别位于相邻的矩形贴片组中的两个矩形贴片之间。
所述第一组矩形贴片阵列和第二组矩形贴片阵列分别包括八块正方形金属贴片一，所述第三组矩形贴片阵列和第四组矩形贴片阵列分别包括八块正方形金属贴片二，所述正方形金属贴片一的边长小于正方形金属贴片二的边长。
所述基片集成双线上设有两排金属化通孔, 所述金属内导体位于两排金属化通孔的中间。
所述金属化通孔的直径为2 mm，每排中相邻金属化通孔的孔距为1.1 mm。
所述上层介质基板、中间层介质基板和下层介质基板均为厚度1 mm的印刷电路基板，所述上层粘合层和下层粘合层均为厚度0.1mm的粘合层。
一种基片集成双线馈电的对数周期偶极子天线的加工方法，包括以下步骤：
S1、天线制作，从上到下依次设置顶层金属地面、中间体和底层金属地面，其中，中间体包括从上到下依次设置的上层介质基板、上层粘合层、中间层介质基板、下层粘合层和下层介质基板；
S2、将金属内导体中的上层金属内导体设于上层粘合层中，下层金属内导体设于下层粘合层中；
S3、将金属偶极子设在天线后端，形成对数周期偶极子端射天线，天线的前端为基片集成双线；
其中，对数周期偶极子包括间隔设置的多组矩形贴片组，所述矩形贴片组包括两个大小相等的矩形贴片，两个矩形贴片以金属内导体为轴线对称设置；
每组矩形贴片组中的一矩形贴片位于上层粘合层中且均由上层金属内导体进行馈电，
另一矩形贴片位于下层粘合层中且均由下层金属内导体进行馈电。
本发明在工作中，将对数周期偶极子天线及馈电相结合实现了天馈一体化设计，一方面解决了对数周期偶极子尺寸较大的问题，实现了平面化设计；并且使用封闭性良好的基片集成双线进行馈电，可以减小能量传播过程中的损耗；另一方面将对数周期偶极子天线的偶极子臂嵌入在基板中，可使对数周期偶极子天线与超表面结构有效结合，能够进一步的提高增益与缩减天线辐射的主瓣宽度。
附图说明
图1是本发明的结构示意图，
图2是基片集成双线的结构示意图，
图3是本发明的立体结构示意图，
图4是本发明的反射系数曲线图，
图5是本发明的增益曲线图，
图6是本发明在270MHz时E面方向图，
图7是本发明在270MHz时H面方向图，
图8是本发明在330MHz时E面方向图，
图9是本发明330MHz时H面方向图，
图中：1是金属内导体，2是金属化通孔，3是矩形贴片一，4是矩形贴片三，5是矩形贴片五，6是矩形贴片七，7是矩形贴片二，8是矩形贴片四，9是矩形贴片六，10是矩形贴片八，11是顶层金属地面，12是上层粘合层，13是下层粘合层，14是底层金属地面，15是上层介质基板，16是中间层介质基板，17是下层介质基板，18是上层内导体，19是下层内导体，20是基片集成双线，21是第一组矩形贴片阵列，22是第二组矩形贴片阵列，23是第三组矩形贴片阵列,24是第四组矩形贴片阵列，25是对数周期偶极子端射天线。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明为达到预定发明目的所采取的技术手段，以下结合附图及具体实施方式，进行详细说明。
如图1-3所示，本发明提供的一种基片集成双线馈电的对数周期偶极子天线包括基片集成双线20 和对数周期偶极子,
所述基片集成双线20包括金属内导体1以及从上到下依次设置的顶层金属地面11、中间体和底层金属地面14，
所述中间体包括从上到下依次设置的上层介质基板15、上层粘合层12、中间层介质基板16、下层粘合层13 和下层介质基板17，
所述金属内导体1包括上层金属内导体18与下层金属内导体19，所述上层金属内导体18位于上层粘合层12中，所述下层金属内导体19位于下层粘合层13中；
所述中间体的后端向外延伸形成延伸体，所述延伸体与对数周期偶极子形成对数周期偶极子端射天线25，
所述对数周期偶极子包括间隔设置的多组矩形贴片组，所述矩形贴片组包括两个大小相等的矩形贴片，两个矩形贴片以金属内导体1为轴线对称设置；
每组矩形贴片组中的一矩形贴片位于上层粘合层12中且均由上层金属内导体18进行馈电，
另一矩形贴片位于下层粘合层13中且均由下层金属内导体19进行馈电。
应用中，所述矩形贴片组包括四组，四组矩形贴片组从前到后依次为：第一组大小相等的矩形贴片3和矩形贴片二7、第二组大小相等的矩形贴片三4和矩形贴片四8、第三组大小相等的矩形贴片五5和矩形贴片六9、第四组大小相等的矩形贴片七6和矩形贴片八10，所述对数周期偶极子均采用铜材质。
所述矩形贴片一3、矩形贴片三4、矩形贴片五5和矩形贴片七6位于金属内导体1的同侧；
所述矩形贴片一3、矩形贴片五5、矩形贴片四8 和矩形贴片八10位于上层粘合层12中且均由上层金属内导体18进行馈电，所述矩形贴片三4、矩形贴片七6、矩形贴片二7 和矩形贴片六9 位于下层粘合层13中且均由下层金属内导体19进行馈电。
本发明通过将基片集成双线和对数周期偶极子结合，可以实现天线馈电一体化设计，具有尺寸小、损耗低、馈电方便等优点，实现了对数周期偶极子天线的小型化与平面化同时提高了增益。
其中，基片集成双线馈电部分包括顶层金属地面11、底层金属地面14，两侧使用金属化通孔形成封闭式结构，具有良好屏蔽性；
对数周期偶极子端射天线主要由基片集成双线线内导体馈电的多对偶极子为基础，其分别位于上层粘合层12和下层粘合层13；基片集成双线既作为天线的馈电结构也可作为引向器用于拓宽天线的带宽，提高天线的增益；四对偶极子臂（即四组矩形贴片）的长度宽度呈现对数关系，由短到长依次串行连接。
基片集成双线馈电的对数周期偶极子天线还包括超表面结构，所述超表面结构位于延伸体的上层介质基板15上，所述超表面结构包括第一组矩形贴片阵列21、第二组矩形贴片阵列23、第三组矩形贴片阵列22和第四组矩形贴片阵列24。
所述第一组矩形贴片阵列21位于矩形贴片三4和矩形贴片五5之间，
所述第二组矩形贴片阵列23位于矩形贴片四8和矩形贴片六9之间，
所述第三组矩形贴片阵列22位于矩形贴片五5和矩形贴片七6之间，
所述第四组矩形贴片阵列24位于矩形贴片六9和矩形贴片八10之间。
本发明利用基片集成双线技术，将对数周期偶极子臂嵌入在基板内部，可以将对数周期偶极子天线与超表面结构有效结合，可以进一步的提高增益与缩减天线辐射的主瓣宽度；超表面结构置于对数周期偶极子的后端，获得更好的辐射效果。
多组矩形贴片组的长度从前到后逐渐变大；
相邻矩形贴片组之间的距离从前到后逐渐变大。
如：第一组大小相等的矩形贴片一3和矩形贴片二7的尺寸为200mm*35.3mm，
第二组大小相等的矩形贴片三4矩形贴片四8的尺寸为230mm*43mm，
第三组大小相等的矩形贴片五5和矩形贴片六9的尺寸为275mm*52.5mm，
第四组大小相等的矩形贴片七6和矩形贴片八10的尺寸为300mm*64mm，
第一至四组矩形贴片组中，相邻组之间的距离分别为82mm、99mm、122mm,
所述对数周期偶极子与基片集成双线20的距离为67.2mm。
这样设置的矩形贴片尺寸和间距大小满足对数关系，能够最大限度上利用每组矩形贴片的辐射特性，尽可能的增加带宽，获得更好的辐射效果。
所述顶层金属地面11和底层金属地面14的大小为355mm*30mm。
这样设置顶、底金属地面可以和矩形贴片形成对数关系，使得带宽得到有效扩展，提高了增益。
所述第一组矩形贴片阵列21和第二组矩形贴片阵列23分别包括八块边长为30mm的正方形金属贴片一，所述第三组矩形贴片阵列22和第四组矩形贴片阵列24分别包括八块边长为45mm的正方形金属贴片二。
这样设置的超表面结构能够有效提高天线的增益。
所述基片集成双线20上设有两排金属化通孔2, 所述金属内导体1位于两排金属化通孔2的中间。
所述金属化通孔2的直径为2 mm，每排中相邻金属化通孔2的孔距为1.1 mm。用此大小设置的金属化通孔可以在工作频段即200-350MHz内达到防止电磁波泄露的目的。
所述上层介质基板15、中间层介质基板16和下层介质基板17均为厚度1 mm的印刷电路基板，所述上层粘合层12和下层粘合层13均为厚度0.1mm的粘合层。
四组矩形贴片组中，每组中的两个矩形贴片以金属内导体1为轴线对称设置。
一种基片集成双线馈电的对数周期偶极子天线的加工方法，包括以下步骤：
S1、天线制作，从上到下依次设置顶层金属地面11、中间体和底层金属地面14，其中，中间体包括从上到下依次设置的上层介质基板15、上层粘合层12、中间层介质基板16、下层粘合层13 和下层介质基板17；
S2、将金属内导体1中的上层金属内导体18设于上层粘合层12中，下层金属内导体19设于下层粘合层13中；
S3、将金属偶极子设在天线后端，形成对数周期偶极子端射天线25 ，天线的前端为基片集成双线20；
其中，对数周期偶极子包括间隔设置的多组矩形贴片组，所述矩形贴片组包括两个大小相等的矩形贴片，两个矩形贴片以金属内导体1为轴线对称设置；
每组矩形贴片组中的一矩形贴片位于上层粘合层12中且均由上层金属内导体18进行馈电，
另一矩形贴片位于下层粘合层13中且均由下层金属内导体19进行馈电。
在本实例中，使用仿真软件对天线进行参数仿真，由于天线是在自由空间内工作的，在天线模型创建完成后，将天线边界设置为理想边界条件，天线输入端口设置为波导端口，将天线设置为快速扫频类型，对150MHz-350MHz频段的性能进行分析计算。
如图4所示，给出了天线的反射系数参数对比仿真图，图中虚线是没有结合超表面结构的反射系数曲线，实线是加载了超表面结构的反射系数曲线，可以看出在200-350MHz时的反射系数小于-10dB,阻抗带宽为54.5%，该图表明超表面结构有效的优化了天线的反射系数，这是本发明将对数偶极子嵌入介质基板从而可以结合超表面结构的优势。
如图5所示，给出了天线的增益的仿真比较图，图中实线是没有超表面结构的增益大小，虚线是加上了超表面结构的增益效果，可以看出本发明的增益在频带内为5.0dBi-7.4dBi，且超表面结构提升了工作频段内整体的增益值和增益平稳性，以此可见本发明将对数周期偶极子天线部分嵌入介质基板内部的优越性。
如图6和7所示，给出了天线在270MHz时E-plane和H-plane的远场方向图的仿真图，图中虚线是没有超表面结构的反向图，实现是结合了超表面的方向图，可见超表面结构还有利于减小反向图后瓣和提升辐射特性。
如图8和9所示，给出了天线在330MHz时E-plane和H-plane的远场方向图的仿真图，此时天线具有较好端射特性。
根据以上说明，本发明具有宽频带、端射特性良好、平面化与小型化等特点，天线适用频段为200-350MHz。
对于本案所公开的内容，还有以下几点需要说明：
（1）、本案所公开的实施例附图只涉及到与本案所公开实施例所涉及到的结构，其他结构可参考通常设计；
（2）、在不冲突的情况下，本案所公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例；
以上，仅为本案所公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，本案所公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种基片集成双线馈电的对数周期偶极子天线，包括基片集成双线(20) 和对数周期偶极子,
所述基片集成双线(20)包括金属内导体（1）以及从上到下依次设置的顶层金属地面(11)、中间体和底层金属地面(14)，
其特征在于，
所述中间体包括从上到下依次设置的上层介质基板(15)、上层粘合层(12)、中间层介质基板(16)、下层粘合层(13) 和下层介质基板(17)，
所述金属内导体（1）包括上层金属内导体(18)与下层金属内导体(19)，所述上层金属内导体（18）位于上层粘合层(12)中，所述下层金属内导体（19）位于下层粘合层(13)中；
所述中间体的后端向外延伸形成延伸体，所述延伸体与对数周期偶极子形成对数周期偶极子端射天线(25)，
所述对数周期偶极子包括间隔设置的多组矩形贴片组，所述矩形贴片组包括两个大小相等的矩形贴片，两个矩形贴片以金属内导体（1）为轴线对称设置；
每组矩形贴片组中的一矩形贴片位于上层粘合层(12)中且均由上层金属内导体（18）进行馈电，
另一矩形贴片位于下层粘合层(13)中且均由下层金属内导体（19）进行馈电；
还包括超表面结构，所述超表面结构位于延伸体的上层介质基板(15)上，所述超表面结构包括间隔设置的多组矩形贴片阵列组，所述矩形贴片阵列组位于相邻的矩形贴片组之间。
2.根据权利要求1所述的一种基片集成双线馈电的对数周期偶极子天线，其特征在于，
多组矩形贴片组的长度从前到后逐渐变大；
相邻矩形贴片组之间的距离从前到后逐渐变大。
3.根据权利要求1所述的一种基片集成双线馈电的对数周期偶极子天线，其特征在于，所述基片集成双线(20)上设有两排金属化通孔(2), 所述金属内导体（1）位于两排金属化通孔(2)的中间。
4.根据权利要求1所述的一种基片集成双线馈电的对数周期偶极子天线，其特征在于，
所述矩形贴片组包括四组，四组矩形贴片组从前到后依次为：第一组大小相等的矩形贴片一(3)和矩形贴片二(7)、第二组大小相等的矩形贴片三(4)和矩形贴片四(8)、第三组大小相等的矩形贴片五(5)和矩形贴片六(9)、第四组大小相等的矩形贴片七(6)和矩形贴片八(10)，
所述矩形贴片一(3)、矩形贴片三(4)、矩形贴片五(5)和矩形贴片七(6)位于金属内导体（1）的同侧；
所述矩形贴片一(3)、矩形贴片五(5)、矩形贴片四(8)和矩形贴片八(10) 位于上层粘合层(12)中且均由上层金属内导体（18）进行馈电，所述矩形贴片三(4)、矩形贴片七(6)、矩形贴片二(7)和矩形贴片六(9)位于粘合层(13)中且均由下层金属内导体（19）进行馈电。
5.根据权利要求4所述的一种基片集成双线馈电的对数周期偶极子天线，其特征在于，所述矩形贴片阵列组包括四组，分别为：第一组矩形贴片阵列（21）、第二组矩形贴片阵列（23）、第三组矩形贴片阵列（22）和第四组矩形贴片阵列（24）。
6.根据权利要求5所述的一种基片集成双线馈电的对数周期偶极子天线，其特征在于，所述第一组矩形贴片阵列（21）位于矩形贴片三(4)和矩形贴片五(5)之间，
所述第二组矩形贴片阵列（23）位于矩形贴片四(8)和矩形贴片六(9)之间，
所述第三组矩形贴片阵列（22）位于矩形贴片五(5)和矩形贴片(6)之间，
所述第四组矩形贴片阵列（24）位于矩形贴片六(9)和矩形贴片八(10)之间。
7.根据权利要求5或6所述的一种基片集成双线馈电的对数周期偶极子天线，其特征在于，所述第一组矩形贴片阵列（21）和第二组矩形贴片阵列（23）分别包括八块正方形金属贴片一，所述第三组矩形贴片阵列（22）和第四组矩形贴片阵列（24）分别包括八块正方形金属贴片二，所述正方形金属贴片一的边长小于正方形金属贴片二的边长。
8.根据权利要求3所述的一种基片集成双线馈电的对数周期偶极子天线，其特征在于，所述金属化通孔(2)的直径为2 mm，每排中相邻金属化通孔(2)的孔距为1.1 mm；所述上层介质基板(15)、中间层介质基板(16)和下层介质基板(17)均为厚度1 mm的印刷电路基板，所述上层粘合层(12)和下层粘合层(13)均为厚度0.1 mm的粘合层。
9.一种基片集成双线馈电的对数周期偶极子天线的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、天线制作，从上到下依次设置顶层金属地面(11)、中间体和底层金属地面(14)，其中，中间体包括从上到下依次设置的上层介质基板(15)、上层粘合层(12)、中间层介质基板(16)、下层粘合层(13) 和下层介质基板(17)；
S2、将金属内导体（1）中的上层金属内导体（18）设于上层粘合层(12)中，下层金属内导体（19）设于下层粘合层(13)中；
S3、将金属偶极子设在天线后端，形成对数周期偶极子端射天线(25) ，天线的前端为基片集成双线(20)；
其中，对数周期偶极子包括间隔设置的多组矩形贴片组，所述矩形贴片组包括两个大小相等的矩形贴片，两个矩形贴片以金属内导体（1）为轴线对称设置；
每组矩形贴片组中的一矩形贴片位于上层粘合层(12)中且均由上层金属内导体（18）进行馈电，
另一矩形贴片位于下层粘合层(13)中且均由下层金属内导体（19）进行馈电。
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