CN116130963A - 一种基于半模基片集成波导与介质谐振器结构的漏波天线 - Google Patents

一种基于半模基片集成波导与介质谐振器结构的漏波天线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于半模基片集成波导与介质谐振器结构的漏波天线,属于通信技术领域,它包括由多个通过微带线依次连接排列的圆极化漏波天线组成的圆极化漏波天线阵列,位于圆极化漏波天线阵列两端的圆极化漏波天线通过转接结构与SMA接头连接实现馈电;圆极化漏波天线包括设置在介质基板中的半导体基片集成波导和倾斜放置在介质基板上层的两个介质谐振器,在半导体基片集成波导的两侧设置有微带线;两个圆极化漏波天线之间通过微带线连接。本发明基于半模基片集成波导与介质谐振器混合结构的圆极化漏波天线,拥有连续的辐射波束扫描特性,增益高,有利于在卫星通信中应用;该天线的紧凑尺寸,有利于在尺寸有限的场景下的应用。

Description

一种基于半模基片集成波导与介质谐振器结构的漏波天线
技术领域
本发明涉及通信技术领域,尤其涉及一种基于半模基片集成波导与介质谐振器结构的漏波天线。
背景技术
在传统的移动通信系统中,为了获得更广的通信范围,通常采用全向天线,但是在一些特殊的应用场景下,例如卫星定位、雷达通信等,通常需要天线具有波束扫描的特性。实现波束扫描特性主要通过相控阵天线、漏波天线和方向图可重构天线的方式实现。
相控阵天线是实现天线波束扫描的代表,其通过改变阵列中各个单元的相位来实现波束指向的改变,但是此类天线一般来说加工复杂,体积和重量都很大,需要使用成本很高的移相器,所以大大限制了其应用场景。方向图可重构天线通过开关二极管和变容管等器件的加载实现不同的方向图状态,但是此类天线因为要加载可重构元件,所以成本也较高,并且设计相对复杂。
漏波天线具有独特的辐射波束随频率扫描的特性,同时结构简单。漏波天线是一种典型的行波天线,通过在各种传输线上连续或者周期性加载辐射元,从而使得馈入传输线的电磁能量能够往自由空间中泄露,形成辐射。漏波天线主要分为连续性、周期性两种类型。连续性的漏波天线仅能实现前向波束扫描。周期性漏波天线利用-1次空间谐波来实现辐射,因此相位常数不再局限为正数,而是可以表现为负数,0和正数,因此此种周期性漏波天线辐射范围包括后向区域、边射方向和前向区域。
漏波天线因其具有随频率进行波束扫描的特性而被关注,周期性漏波天线可以实现从后向区域到前向区域的波束扫描,但是漏波天线的波束扫描范围在随源频率变化过程中会被阻带问题所限制,即当天线的波束扫描至边射方向时,会受到开阻带的影响,反射系数急剧增加,增益恶化,此时无法形成有效辐射,所以天线的扫描范围也就被开阻带分割成两个不连续的区域,这个问题限制了漏波天线的应用场景,所以能够实现开阻带效应抑制的漏波天线非常重要。在卫星通信等特殊通信场景下,相应的应用天线需要克服很高的路径损耗和极化失配,所以相应天线应设计为具有圆极化和高增益的特点,另外现代通信对于天线设备小型化具有很高的需求性,但是因为漏波天线属于串馈阵列,实现高增益最常见的方式就是增加单元的数量,这与天线小尺寸相违背;因此,如何设计一个同事具有圆极化和连续波束扫描特性,紧凑尺寸特性的漏波天线是目前需要考虑的问题。
需要说明的是,在上述背景技术部分公开的信息只用于加强对本公开的背景的理解,因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点,提供了一种基于半模基片集成波导与介质谐振器结构的漏波天线,解决了现有漏波天线存在的不足。
本发明的目的通过以下技术方案来实现:一种基于半模基片集成波导与介质谐振器结构的漏波天线,它包括由多个通过微带线依次连接排列的圆极化漏波天线组成的圆极化漏波天线阵列,位于圆极化漏波天线阵列两端的圆极化漏波天线通过转接结构与SMA接头连接实现馈电;
所述圆极化漏波天线包括设置在介质基板中的半导体基片集成波导和倾斜放置在介质基板上层的两个介质谐振器,在半导体基片集成波导的两侧设置有微带线;两个圆极化漏波天线之间通过微带线连接。
所述半导体基片集成波导的一侧设置为开放口径,两个介质谐振器倾斜放置在所述开放口径的上方,所述微带线设置在开放口径的两侧;通过开放口径提供一个方向的极化分量,每个周期内的两个介质谐振器提供另一个正交方向的极化分量。
在所述开放口径上沿着水平方向开设有多个排列的矩形槽,在所述半导体基片集成波导内开设有金属通孔,通过金属通孔 和矩形槽实现连续的辐射波束扫描。
在所述介质基板的底层设置有地板,所述SMA接头的外芯与所述微带线连接,SMA接头的内芯与地板连接。
所述微带线的形状包括蜿蜒形状,以缩小圆极化漏波天线之间的距离。
所述介质谐振器的材料包括相对介电常数为9.4,损耗正切值为0.009的陶瓷材料。
本发明具有以下优点:
1、将高介电常数的介质谐振器加载与半模基片集成波导的开放口径上方,从而可以实现天线尺寸的小型化以及实现天线的高增益。
2、半模基片集成波导的开放口径可以激励起倾斜放置的介质谐振器,基于互补原理,介质谐振器等效为对应的磁流元。
3、半模基片集成波导的开放口径能够提供一个方向的极化分量,激励起的介质谐振器能够提供另一个正交的极化分量,通过合理分析和调整介质谐振器倾斜角度,从而能够实现最优的圆极化性能。
4、金属通孔和两个沿着x轴方向的矩形槽来解决开阻带的问题,从而可以实现连续的辐射波束扫描。
附图说明
图1为本发明的结构示意图;
图2为漏波天线的俯视示意图;
图3为漏波天线的侧视示意图;
图4为漏波天线的S参数曲线示意图;
图5为漏波天线的增益与效率曲线示意图;
图6为漏波天线在yoz平面内的归一化辐射方向图;
图7为漏波天线在yoz平面内的轴比曲线示意图;
图中:1-半模基片集成波导,2-介质谐振器,3-微带线,4-转接结构,5-介质基板,6-地板,7-SMA接头,8-开放口径,9-金属通孔,10-矩形槽。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本申请实施例中附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此,以下结合附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围,而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例,本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。下面结合附图对本发明做进一步的描述。
如图1所示,本发明具体涉及一种基于半模基片集成波导与介质谐振器混合结构圆极化的漏波天线,它包括由多个通过微带线3依次连接排列的圆极化漏波天线组成的圆极化漏波天线阵列,位于圆极化漏波天线阵列两端的圆极化漏波天线通过转接结构4与SMA接头7连接实现馈电,采用蜿蜒的微带线3代替笔直的微带线3是为了缩小单元之间的距离,从而降低辐射副瓣水平,实现较大范围的波束扫描。
进一步地,如图2和图3所示,圆极化漏波天线包括半模基片集成波导1、介质谐振器2、微带线3和介质基板5制作而成。半模基片集成波导1设置在介质基板5中,同时将介质谐振器2放置于介质基板5上层的上方,地板6印刷在介质基板5的下层,两侧的SMA接头7的外芯与微带线3相连,SMA接头7的内芯与地板6相连,从左侧SMA接头7进行馈电,将右侧SMA接头7接上匹配负载。半模基片集成波导1的开放口径8能够提供一个方向的极化分量,同时开放口径8也能激励起放置在上方且倾斜放置的介质谐振器2,每个周期内的两个介质谐振器2能够提供另外一个正交方向的极化分量,通过合理调整介质谐振器2的倾斜角度能够合理调节两个正交极化分量的幅度比,从而实现最优的圆极化表现,同时因为介质谐振器2的材料介电常数很高,所以天线的尺寸能够有所减小。
进一步地,在开放口径8上沿着水平方向开设有多个排列的矩形槽10,在所述半导体基片集成波导1内开设有金属通孔9,通过金属通孔 9和矩形槽10解决开组带的问题, 从而实现连续的辐射波束扫描。
进一步地,同时借助此开放口径激励起介质谐振器2的谐振模式,基于地板6带来的镜像原理,介质谐振器2可以等效为磁流元,则引起另一个正交方向的极化分量,通过合理调整介质谐振器2关于轴向的倾斜角度,则能够实现良好的圆极化性能。由于介质谐振器2具有很高介电常数的介质谐振器2,并且放置在半模基片集成波导1的辐射边上方,所以能够实现天线的小型化和高增益。
本发明天线使用的介质材料是一层厚度为1mm的F4BK介质板,介质谐振器2的材料为相对介电常数为9.4,损耗正切值为0.009的陶瓷材料馈电为连接有50欧姆的SMA接口7。在此种激励状态下天线极化方式为右手圆极化。
如图4所示,展示了本圆极化漏波天线的S参数,可以得出在5.4 GHz到高于9GHz频带内都具有良好的阻抗匹配性能,在此频带内都能实现| S 11|小于-10 dB。
如图5所示,展示了本圆极化漏波天线的峰值增益和效率曲线,发现本设计能达到最高增益为10.8 dBic,最高效率为88%。
如图6所示,展示了本圆极化漏波天线在yoz平面的归一化辐射增益,发现在此扫描平面内实现了辐射波束从-25°到28°的频率扫描特性。
如图7所示,展示了本圆极化漏波天线在yoz平面的轴比曲线,发现在相应的波束指向角度都低于3 dB,验证了本设计的圆极化辐射性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式,不应看作是对其他实施例的排除,而可用于各种其他组合、修改和环境,并能够在本文所述构想范围内,通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围,则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于半模基片集成波导与介质谐振器结构的漏波天线,其特征在于:它包括由多个通过微带线(3)依次连接排列的圆极化漏波天线组成的圆极化漏波天线阵列,位于圆极化漏波天线阵列两端的圆极化漏波天线通过转接结构(4)与SMA接头(7)连接实现馈电;
所述圆极化漏波天线包括设置在介质基板(5)中的半导体基片集成波导和倾斜放置在介质基板(5)上层的两个介质谐振器(2),在半导体基片集成波导(1)的两侧设置有微带线(3);两个圆极化漏波天线之间通过微带线(3)连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于半模基片集成波导与介质谐振器结构的漏波天线,其特征在于:所述半导体基片集成波导(1)的一侧设置为开放口径(8),两个介质谐振器(2)倾斜放置在所述开放口径(8)的上方,所述微带线(3)设置在开放口径(8)的两侧;通过开放口径(8)提供一个方向的极化分量,每个周期内的两个介质谐振器(2)提供另一个正交方向的极化分量。
3.根据权利要求2所述的一种基于半模基片集成波导与介质谐振器结构的漏波天线,其特征在于:在所述开放口径(8)上沿着水平方向开设有多个排列的矩形槽(10),在所述半导体基片集成波导(1)内开设有金属通孔(9),通过金属通孔 (9)和矩形槽(10)实现连续的辐射波束扫描。
4.根据权利要求1所述的一种基于半模基片集成波导与介质谐振器结构的漏波天线,其特征在于:在所述介质基板(5)的底层设置有地板(6),所述SMA接头(7)的外芯与所述微带线(3)连接,SMA接头(7)的内芯与地板连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于半模基片集成波导与介质谐振器结构的漏波天线,其特征在于:所述微带线(3)的形状包括蜿蜒形状,以缩小圆极化漏波天线之间的距离。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种基于半模基片集成波导与介质谐振器结构的漏波天线,其特征在于:所述介质谐振器(2)的材料包括相对介电常数为9.4,损耗正切值为0.009的陶瓷材料。
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