CN205178018U - 一种平面双圆极化基片集成波导喇叭天线 - Google Patents

Abstract

一种平面双圆极化基片集成波导喇叭天线，包括相互叠合的上层介质板和下层介质板且上层介质板的金属箔和下层介质板的金属箔朝外，在上层介质板和下层介质板之间设有公共金属壁，在上层基片集成波导结构及下层基片集成波导结构上连接有双层基片集成波导，上层基片集成波导由嵌入上层介质板内的一对金属化平行窄壁及公共金属壁构成，下层基片集成波导由嵌入下层介质板内的另一对金属化平行窄壁及公共金属壁构成，在上层基片集成波导的输出端和下层基片集成波导的输出端上连接一个能量辐射结构，在公共金属壁还设有形状呈直角三角形的耦合窗口。在双层基片集成波导的公共金属壁上引入耦合窗口后形成了平面的圆极化基片集成波导喇叭天线。

Description

一种平面双圆极化基片集成波导喇叭天线

技术领域

本实用新型涉及一种基片集成波导喇叭天线，尤其是一种具有双圆极化特性的平面基片集成波导喇叭天线。

背景技术

为了克服传统金属波导结构体积庞大、加工成本高等缺陷，同时保留平面传输线易于集成、加工便利等优点，基片集成波导结构应运而生。通过平面介质板上的金属化通孔构成波导的窄壁，传统的金属波导由三维结构简化为平面的二维结构。

基片集成波导喇叭天线是基片集成波导结构在天线设计领域的重要应用。自从这一概念提出以来，产生出基于介质加载、基于平面匹配等技术的平面宽带基片集成波导喇叭天线。然而在一些实际应用中，往往对天线的极化特性提出要求，如抗雨雾干扰、极化特性切换等。现有的研究成果集中在解决平面喇叭天线的阻抗匹配方面，对极化特性仍有待研究。因此设计一种平面双圆极化基片集成波导喇叭天线具有很高的学术价值以及实用意义。

发明内容

本实用新型的目的是提出一种平面双圆极化基片集成波导喇叭天线，通过在双层基片集成波导的公共金属壁上引入耦合窗口，从而能够产生平行于基片集成波导宽边方向的TE₀₁模式电场，与原基片集成波导中的TE₁₀模式电场相互垂直且具有90°的相位差，构成辐射圆极化波的必要条件，形成平面的圆极化基片集成波导喇叭天线；同时，整个天线结构中有两个输入端口，不同的输入端口对应于不同旋向的圆极化，提供圆极化的多样性选择。

本实用新型采用如下技术方案：

一种平面双圆极化基片集成波导喇叭天线，包括相互叠合的上层介质板和下层介质板且上层介质板的金属箔和下层介质板的金属箔朝外，在上层介质板和下层介质板之间设有公共金属壁，在上层介质板上设有上层输入端口且所述上层输入端口采用上层基片集成波导结构，在下层介质板上设有下层输入端口且所述下层输入端口采用下层基片集成波导结构，并且，所述上层基片集成波导结构与所述下层基片集成波导结构对称布置，在上层基片集成波导结构的转角处及下层基片集成波导结构的转角处都设有金属化调节通孔；所述喇叭天线还包括双层基片集成波导，所述双层基片集成波导由大小和形状相同的上层基片集成波导和下层基片集成波导层叠而成，上层基片集成波导由嵌入上层介质板内的一对金属化平行窄壁及公共金属壁构成，下层基片集成波导由嵌入下层介质板内的另一对金属化平行窄壁及公共金属壁构成，所述上层基片集成波导结构与上层基片集成波导的输入端连接，所述下层基片集成波导结构与下层基片集成波导的输入端连接；在上层基片集成波导的输出端和下层基片集成波导的输出端上共同连接一个能量辐射结构，所述的能量辐射结构由一对金属化喇叭窄壁、上层介质板和下层介质板组成且所述金属化喇叭窄壁、同时嵌入上层介质板和下层介质板内；所述公共金属壁的一端始于与上层输入端口相邻的上层介质板的一侧，所述公共金属壁的另一端止于能量辐射结构的输入端，在公共金属壁还设有形状呈直角三角形的耦合窗口，直角三角形的直角顶点重合于金属化喇叭窄壁与金属化平行窄壁的一个交点，直角三角形的另外两个顶点分别重合于金属化喇叭窄壁与金属化平行窄壁的另一个交点及任一金属化平行窄壁上。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型通过在层叠的双层基片集成波导的公共金属壁上引入耦合窗口，产生垂直于原有电场的新的电场分量并具有90°的相位差，在保持平面结构的基础上，能够实现圆极化的基片集成波导喇叭天线，且不同端口对应于不用的圆极化特性确保了实际应用中的灵活性。

附图说明

图1为平面双圆极化基片集成波导喇叭天线的三维剖分结构图。

图2为平面双圆极化基片集成波导喇叭天线的三维整体结构示意图。

图3为实用新型的平面双圆极化基片集成波导喇叭天线的电场过渡结构示意图。

图4为实用新型的喇叭天线的S参数曲线图。

图5为实用新型的喇叭天线的增益曲线图。

图6为实用新型的喇叭天线的轴比曲线图。

图7为实用新型的喇叭天线在中心谐振频点的E面辐射方向图。

图8为实用新型的喇叭天线在中心谐振频点的H面辐射方向图。

图中有：上层输入端口1、上层介质板2、金属化调节通孔3、金属化通孔窄壁4，公共金属壁5，耦合窗口6，下层介质板7，金属化平行窄壁8，金属化喇叭窄壁9、下层输入端口10。

具体实施方式

一种平面双圆极化基片集成波导喇叭天线，包括相互叠合的上层介质板2和下层介质板7且上层介质板2的金属箔和下层介质板7的金属箔朝外，在上层介质板2和下层介质板7之间设有公共金属壁5，在上层介质板2上设有上层输入端口1且所述上层输入端口1采用上层基片集成波导结构，在下层介质板7上设有下层输入端口10且所述下层输入端口10采用下层基片集成波导结构，并且，所述上层基片集成波导结构与所述下层基片集成波导结构对称布置，在上层基片集成波导结构的转角处及下层基片集成波导结构的转角处都设有金属化调节通孔3；所述喇叭天线还包括双层基片集成波导，所述双层基片集成波导由大小和形状相同的上层基片集成波导和下层基片集成波导层叠而成，上层基片集成波导由嵌入上层介质板2内的一对金属化平行窄壁8及公共金属壁5构成，下层基片集成波导由嵌入下层介质板7内的另一对金属化平行窄壁8及公共金属壁5构成，所述上层基片集成波导结构与上层基片集成波导的输入端连接，所述下层基片集成波导结构与下层基片集成波导的输入端连接；在上层基片集成波导的输出端和下层基片集成波导的输出端上共同连接一个能量辐射结构，所述的能量辐射结构由一对金属化喇叭窄壁9、上层介质板2和下层介质板7组成且所述金属化喇叭窄壁9、同时嵌入上层介质板2和下层介质板7内；所述公共金属壁5的一端始于与上层输入端口1相邻的上层介质板2的一侧，所述公共金属壁5的另一端止于能量辐射结构的输入端，在公共金属壁5还设有形状呈直角三角形的耦合窗口6，直角三角形的直角顶点重合于金属化喇叭窄壁9与金属化平行窄壁8的一个交点，直角三角形的另外两个顶点分别重合于金属化喇叭窄壁9与金属化平行窄壁8的另一个交点及任一金属化平行窄壁8上。

本实施例还可以进一步采取一下技术措施：

在上层基片集成波导结构上连接有上层介质尖劈过渡结构，在下层基片集成波导结构上连接有下层介质尖劈过渡结构；

上层基片集成波导结构的窄壁及下层基片集成波导结构采用窄壁由金属化通孔4构成的基片集成波导结构；

相邻的两个金属化过孔4的间距要小于或等于工作波长的十分之一，使得金属化通孔构成的窄壁6能够等效为电壁。

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

本实用新型所采用的实施方案是：平面双圆极化基片集成波导喇叭天线包括上层输入端口1、上层介质板2、金属化调节通孔3、金属化通孔窄壁4，公共金属壁5，耦合窗口6，下层介质板7，金属化平行窄壁8，金属化喇叭窄壁9、下层输入端口10；输入的能量在公共金属壁5上的耦合窗口位置发生耦合，引入新的电场分量，构成圆极化辐射的必要条件，所述的耦合窗口，其形状呈直角三角形，斜边始于金属化平行窄壁的一侧，止于喇叭结构入口与金属化平行窄壁另一侧的交点，需要调节斜边的倾斜角以实现良好的圆极化特性；最终通过能量辐射结构的末端即辐射宽边位置辐射出去；本实用新型的独特之处在于，利用平面结构之间的相互耦合产生新的电场模式，在保证整体结构具有平面结构的同时实现圆极化的工作特性；上下端口对应于新电场分量的不同方向，其最终效果是选择不同的输入端口能够产生不同旋向的圆极化波。

能量由上层输入端口1馈入，经过其对称尖劈过渡结构的转换，实现外部馈电结构到上层基片集成波导的宽带、低损耗传输，所述的对称尖劈过渡结构是所述上、下层基片集成波导的介质延伸部分，通过对称地放置尖劈状介质结构形成对称尖劈过渡结构，通过调节尖劈的长度，能够实现金属波导到基片集成波导的最小传输损耗和最佳阻抗匹配；进入上层介质板2的能量，经过金属化调节通孔3的调节作用，实现在基片集成波导转角部分的宽带、低损耗传输，金属化通孔窄壁4构成其基片集成波导的窄壁；原本垂直于基片集成波导宽壁的电场在公共金属壁5的耦合窗口6上产生耦合效应，即原本单一的TE₁₀模式的垂直场量在耦合窗口6的作用下逐渐激励出水平的TE₀₁模式的电场分量，在传播过程中，由于截止频率以及波导波长在耦合窗口的作用下发生了变化，在引入新的场分量的同时带来90°的相位差，满足圆极化辐射条件；其工作原理可以进一步采用奇偶模模式分析，如图3所示，图中给出了在能量耦合结构中不同位置处的电场分布示意图：当能量由上层端口1馈入时，其电场垂直存在于上层基片集成波导结构，这种场分部可以等效为一个奇模式的电场与一个偶模式的电场的叠加；对于偶模式的电场，上下电场方向完全一致，当耦合窗口6引入即在公共金属壁5上刻蚀渐变槽时，上下电场不会产生耦合作用，仍保持TE₁₀电场模式；对于奇模式的电场，上下电场方向正好相反，当耦合窗口6引入即在公共金属壁5上刻蚀渐变槽时，上下电场产生耦合效应，一部分垂直电场会逐渐转化成水平电场，即TE₁₀电场模式；同时，在传播过程中，由于截止频率以及波导波长在耦合窗口的作用下发生了变化，在引入新的场分量的同时带来90°的相位差，满足圆极化辐射条件，实现左旋圆极化基片集成波导喇叭天线的设计；当采用下层端口10馈电，引入的水平电场分量方向改变180°，旋向与端口1馈电时刚好相反，实现右旋圆极化基片集成波导喇叭天线的设计。需要注意的是，为了保证TE₀₁模式电场能够传播，金属化平行窄壁8以及金属化喇叭窄壁9不能采用金属化通孔，必须实现连续的金属化。

结合图4、图5、图6以及图7，本实用新型的平面圆极化基片集成波导喇叭天线的阻抗带宽为20.3%（15GHz-18.4GHz），轴比带宽为15.0%（15.3GHz-17.8GHz），最低增益在8dBi以上，在工作频段范围内；端口隔离度在13dB以上，主辐射方向的交叉极化在20dB以上。

根据以上所述，便可实现本实用新型。

Claims (2)

1.一种平面双圆极化基片集成波导喇叭天线，其特征在于，包括相互叠合的上层介质板（2）和下层介质板（7）且上层介质板（2）的金属箔和下层介质板（7）的金属箔朝外，在上层介质板（2）和下层介质板（7）之间设有公共金属壁（5），在上层介质板（2）上设有上层输入端口（1）且所述上层输入端口（1）采用上层基片集成波导结构，在下层介质板（7）上设有下层输入端口（10）且所述下层输入端口（10）采用下层基片集成波导结构，并且，所述上层基片集成波导结构与所述下层基片集成波导结构对称布置，在上层基片集成波导结构的转角处及下层基片集成波导结构的转角处都设有金属化调节通孔（3）；所述喇叭天线还包括双层基片集成波导，所述双层基片集成波导由大小和形状相同的上层基片集成波导和下层基片集成波导层叠而成，上层基片集成波导由嵌入上层介质板（2）内的一对金属化平行窄壁（8）及公共金属壁（5）构成，下层基片集成波导由嵌入下层介质板（7）内的另一对金属化平行窄壁（8）及公共金属壁（5）构成，所述上层基片集成波导结构与上层基片集成波导的输入端连接，所述下层基片集成波导结构与下层基片集成波导的输入端连接；在上层基片集成波导的输出端和下层基片集成波导的输出端上共同连接一个能量辐射结构，所述的能量辐射结构由一对金属化喇叭窄壁（9）、上层介质板（2）和下层介质板（7）组成且所述金属化喇叭窄壁（9）、同时嵌入上层介质板（2）和下层介质板（7）内；所述公共金属壁（5）的一端始于与上层输入端口（1）相邻的上层介质板（2）的一侧，所述公共金属壁（5）的另一端止于能量辐射结构的输入端，在公共金属壁（5）还设有形状呈直角三角形的耦合窗口（6），直角三角形的直角顶点重合于金属化喇叭窄壁（9）与金属化平行窄壁（8）的一个交点，直角三角形的另外两个顶点分别重合于金属化喇叭窄壁（9）与金属化平行窄壁（8）的另一个交点及任一金属化平行窄壁（8）上。

2.根据权利要求1所述的一种平面双圆极化基片集成波导喇叭天线，其特征在于，在上层基片集成波导结构上连接有上层介质尖劈过渡结构，在下层基片集成波导结构上连接有下层介质尖劈过渡结构。