CN206497972U - 波导结构及天线装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了波导结构及天线装置。该波导结构包括：基片集成波导，包括用于接收电磁波的输入端口和用于提供电磁波耦合端口；以及平行板波导，包括与耦合端口邻接的第一端和用于提供电磁波的输出端口，其中，所述波导结构的耦合端口将TE模的电磁波分成彼此同相的两路电磁波，所述平行板波导将两路电磁波叠加形成准TEM模的电磁波。该波导结构减小了耦合损耗，从而提高了传输效率。

Description

波导结构及天线装置

技术领域

本实用新型涉及射频技术，特别是用于传输电磁波的波导结构及包含波导结构的天线装置。

背景技术

天线装置用于电磁波的发射和接收，在民用和军用领域有着广泛的应用前景。在高增益聚焦天线中，馈源位于抛物面天线的中心，作为初级辐射器。在发射电磁波时，馈源向抛物面天线的反射面辐射电磁波，使得电磁波经由抛物面天线向外发射。在接收电磁波时，抛物面天线从外界收集电磁波，并且经由抛物面天线的反射面将电磁波辐射至馈源。

天线装置还包括与馈源相连接的收发信机，利用馈电线在二者之间传送电信号。该馈电线可以是同轴电缆或波导。对于高频的射频信号，由于集肤效率，采用中空的波导传输信号的损耗小于同轴电缆，因此波导对高频电信号的传输效率高且功率容量大。波导包括中空部分，体积大且集成不便。基片集成波导包括介质基片及其中形成的金属化过孔，将电磁波限制在金属化过孔限定的腔体中。与基于微带线或平行板结构的波导相比，基片集成波导减小了波导结构的尺寸。

然而，基片集成波导用于传输横向电波(即TE波)。如果天线基于横向电磁波(即TEM波)工作，则用于与天线耦合以传输电磁波的波导结构需要进行从TE模向TEM模的转换。例如，连续横向枝节(CTS)天线通过在平行板上开横向缝以及在横向缝上附加枝节实现同辐射，其馈电方式为TEM模。

现有的波导结构在基片集成波导上开缝以耦合至平行板波导上，从而在平行板波导中实现准平面波传输。该结构不仅增加了波导结构的整体尺寸，而且耦合损耗大，从而不能满足天线装置实际应用的要求。

实用新型内容

有鉴于些，本实用新型的目的是提供一种波导结构及其天线装置，其中采用耦合窗口将TE模的电磁波分成同相的第一部分和第二部分，彼此叠加转换成准TEM模，从而减小耦合损耗。

根据本实用新型的一方面，提供一种波导结构，其特征在于，包括：基片集成波导，包括用于接收电磁波的输入端口和用于提供电磁波耦合端口；以及平行板波导，包括与耦合端口邻接的第一端和用于提供电磁波的输出端口，其中，所述波导结构的耦合端口将TE模的电磁波分成彼此同相的两路电磁波，所述平行板波导将两路电磁波叠加后输出。

优选地，所述基片集成波导包括：第一介质基板；位于第一介质基板的两个相对表面上的第一金属层和第二金属层；以及穿过第一介质基板的多个导电柱，其中，所述第一金属层、所述第二金属层和所述多个导电柱在所述介质基板中限定电磁波传输的腔体，所述多个导电柱排列成所述腔体的两个相对侧壁。

优选地，所述多个导电柱排列成十字形结构，所述十字形结构位于耦合端口的中心位置，从而将耦合端口分成两个对称的耦合窗口。

优选地，所述多个导电柱包括位于耦合窗口中心的中心导电柱，并且中心导电柱靠近耦合端口的外侧。

优选地，根据所述基片集成波导的谐振频率，设置所述十字形结构中的多个导电柱的直径和数量。

优选地，所述侧壁在耦合端口附近包括台阶结构，使得腔体在耦合端口附近的横向尺寸相对于输入端口附近的横向尺寸扩展。

优选地，所述多个导电柱穿过所述第一金属层和所述第二金属层。

优选地，所述平行板波导包括：第二介质基板；以及位于第二介质基板的相对表面的第三金属层和第四金属层。

优选地，所述第一介质基板和所述第二介质基板整体形成，所述第一金属层与所述第三金属层整体形成，所述第二金属层与所述第四金属层整体形成。

优选地，所述基片集成波导包括多个输入端口和多个耦合端口，所述多个导电柱形成多个腔体的侧壁，每个腔体从相应的一个输入端口延伸至相应的一个耦合端口。

根据本实用新型提供的另一方面，提供一种天线装置，其特征在于，包括：收发信机，用于将通信数据转换成用于发送的电信号，或者将接收的电信号转换成通信数据；上述的波导结构；以及天线，用于电信号的发送和接收，其中，所述波导结构将TE模的电磁波转换，转换后的电磁波与天线的馈电方式匹配。

优选地，所述收发信机采用微带线连接至所述波导结构的输入端口。

优选地，所述天线为连续横向枝节天线。

根据本实用新型实施例的波导结构，所述波导结构的耦合端口将TE模的电磁波分成彼此同相的两路电磁波，所述平行板波导将两路电磁波叠加形成准TEM模的电磁波。该波导结构减小了耦合损耗，从而提高了传输效率。

在优选的实施例中，采用多个导电柱排列形成腔体的侧壁，从输入端口延伸至耦合端口。在耦合端口，导电柱排列形成十字形结构，从而二等分耦合端口，形成两个对称的耦合窗口。该结构不需要开缝即可进行电磁波转换。可以采用电路板过孔技术形成导电柱，易于实现集成化，加工制作简便，成本低。

在优选的实施例中，多个导电柱还包括位于耦合窗口的中心导电柱，用于消除传播过程中产生的高次模。

附图说明

通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出根据本实用新型第一实施例的波导结构的透视图。

图2a和2b分别示出图1的波导结构的俯视图和左视图。

图3示出根据本实用新型第二实施例的波导结构的透视图。

图4示出根据本实用新型第三实施例的天线装置的示意性结构图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本实用新型的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。

图1示出根据本实用新型第一实施例的波导结构的透视图。该波导结构100包括基片集成波导110和平行板波导120。在图中为了便于观察，将基片集成波导110中的导电柱115沿着箭头所示的方向分离示出，在实际的波导结构中的位置如下文所述。

在波导结构100中，基片集成波导110和平行板波导120分别包括相对的第一端和第二端。基片集成波导110的第一端具有输入端口，平行板波导120的第二端具有输出端口。基片集成波导110的第二端具有耦合端口，并且与平行板波导120的第一端彼此邻接。在工作中，电磁波从输入端口经由耦合端口传输至输出端口。

如图1所示，基片集成波导110包括介质基板111、覆盖于其相对表面的金属层112和113、在介质基板111中形成的多个通孔114、以及填充所述多个通孔114的导电柱115。

介质基板111可以由任意介电常数大于1的材料组成，例如聚四氟乙烯、环氧树脂、FR4等材料。由于介电常数越高、损耗角正切越小的材料更有利于电磁谐振并降低谐振频率，优选陶瓷材料，例如氧化铝，也可以是微波介质。

采用蚀刻或钻孔，在介质基板中形成多个通孔114，所述多个通孔114的两端开口的分别暴露于介质基板111的相对表面上。采用铜之类的导体材料填充所述多个通孔114，从而形成多个导电柱115。在图1所示的实施例中，导电柱115从金属层112的表面上经由介质基板延伸至金属层113的表面，从而穿过介质基板111、金属层112和113三者。在替代的实施例中，导电柱115位于金属层112和113下方，从介质基板111的一侧表面到达另一侧表面，从而穿过介质基板111。

导电柱115排列成队列以形成彼此相对的侧壁。在介质基板111中形成由金属层112和113以及导电柱115围绕的腔体。腔体从输入端口延伸至耦合端口。

平行板波导120包括介质基板121、以及覆盖于其相对表面的金属层122和123。平行板波导120的介质基板121与基片集成波导110的介质基板111可以为公共的介质基板的不同部分，或者分别由不同介质材料构成独立的介质基板。平行板波导120的金属层122和123与基片集成波导110的金属层112和113分别可以为公共的金属层的不同部分，或者分别由不同金属材料构成独立的金属层。

图2a和2b分别示出图1的波导结构的俯视图和左视图，其中进一步示出导电柱115的分布方式及其限定腔体的形状。

如图所示，多个导电柱115在介质基板111中形成彼此相对的两个侧壁116。金属层112和113以及侧壁116共同限定腔体的主要部分，腔体从输入端口延伸至耦合端口。侧壁116在耦合端口附近包括台阶结构，使得腔体在耦合端口附近的横向尺寸相对于输入端口附近的横向尺寸扩展，从而减小电磁波的散射。

进一步地，多个导电柱115的一部分导电柱在耦合端口附近形成十字形结构117。该十字形结构117相对于侧壁116居中设置，也即位于耦合端口的中心位置，从而将耦合端口分成两个对称的耦合窗口。十字形结构117包括彼此垂直的横向一字形结构和纵向一字形结构。基片集成波导110中传输的TE模电磁波在输出端口经过二等分，形成同相电磁波。同相电磁波经过耦合端口进入平行板波导120，彼此叠加形成准TEM模的电磁波。通过改变十字形结构117中的导电柱115的直径和数量，可以调节基片集成波导的谐振频率。

进一步地，多个导电柱115还包括位于耦合窗口的中心导电柱118。该中心导电柱118位于耦合窗口的中心位置，并且靠近耦合端口的外侧。中心导电柱118起到消除传播过程中产生的高次模的作用。

图3示出根据本实用新型第二实施例的波导结构的透视图。该波导结构200包括基片集成波导110和平行板波导120。

在波导结构100中，基片集成波导110和平行板波导120分别包括相对的第一端和第二端。基片集成波导110的第一端具有多个输入端口，平行板波导120的第二端具有输出端口。基片集成波导110的第二端具有与多个输入端口相对应的多个耦合端口，并且与平行板波导120的第一端彼此邻接。在工作中，电磁波从多个输入端口经由多个耦合端口传输至输出端口。

在基片集成波导110中形成并联的多个腔体。导电柱115排列成队列以形成每个腔体彼此相对的侧壁。每个腔体从一个输入端口延伸至相应的耦合端口。

进一步地，多个导电柱115中的一部分导电柱还构成位于耦合端口中心的十字形结构，从而将每个耦合端口等分成两个耦合窗口。进一步地，多个导电柱115还包括位于每个耦合窗口的中心位置的中心导电柱。

根据该实施例的波导结构包括彼此并联的多个腔体，从而可以提高电磁波的传输效率和功率容量。

图4示出根据本实用新型第三实施例的天线装置的示意性结构图。天线装置100包括依次连接的收发信机310、波导结构100和天线320。

收发信机310用于将通信数据转换成用于发送的电信号，或者将接收的电信号转换成通信数据。

波导结构100包括基片集成波导110和平行板波导120。基片集成波导110包括输入端口和耦合端口，平行板波导120与基片集成波导110邻接，并且包括输出端口。在工作中，电磁波从多个输入端口经由多个耦合端口传输至输出端口。

收发信机310与波导结构100之间的连接可以采用微带线。该微带线连接至波导结构的输入端口，在基片集成波导中以TE模的电磁波传输，经由耦合端口转换成TEM模的电磁波，在平行板波导中进一步传输，从而在波导结构的输出端口提供TEM模的电磁波。

天线320用于电信号的发送和接收，在发送状态将馈电线上传输的电信号转换成自由空间中传播的电磁波，在接收状态进行相反的转换。天线320例如是连续横向枝节(CTS)天线，包括平行板波导及连续横向枝节，平行板波导作为传输线，连续横向枝节用于辐射元件。CTS天线的馈电方式为TEM模。

天线320与波导结构100的输出端口连接。在该实施例中，波导结构100用于将TE模的电磁波转换成TEM模的电磁波，从而与天线320的馈电方式匹配。

在该实施例中，波导结构100的电磁波转换功能使得可以独立设计天线320的辐射特性，从而可以简化天线设计以及实现相控阵的扫描功能。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。

Claims (12)

1.一种波导结构，其特征在于，包括：

基片集成波导，包括用于接收电磁波的输入端口和用于提供电磁波耦合端口；以及

平行板波导，包括与耦合端口邻接的第一端和用于提供电磁波的输出端口，

其中，所述波导结构的耦合端口将TE模的电磁波分成彼此同相的两路电磁波，所述平行板波导将两路电磁波叠加后输出。

2.根据权利要求1所述的波导结构，其特征在于，所述基片集成波导包括：

第一介质基板；

位于第一介质基板的两个相对表面上的第一金属层和第二金属层；以及

穿过第一介质基板的多个导电柱，

其中，所述第一金属层、所述第二金属层和所述多个导电柱在所述介质基板中限定电磁波传输的腔体，所述多个导电柱排列成所述腔体的两个相对侧壁。

3.根据权利要求2所述的波导结构，其特征在于，所述多个导电柱排列成十字形结构，所述十字形结构位于耦合端口的中心位置，从而将耦合端口分成两个对称的耦合窗口。

4.根据权利要求3所述的波导结构，其特征在于，所述多个导电柱包括位于耦合窗口中心的中心导电柱，并且所述中心导电柱靠近耦合端口的外侧。

5.根据权利要求2所述的波导结构，其特征在于，所述侧壁在耦合端口附近包括台阶结构，使得腔体在耦合端口附近的横向尺寸相对于输入端口附近的横向尺寸扩展。

6.根据权利要求2所述的波导结构，其特征在于，所述多个导电柱穿过所述第一金属层和所述第二金属层。

7.根据权利要求2所述的波导结构，其特征在于，所述平行板波导包括：

第二介质基板；以及

位于第二介质基板的相对表面的第三金属层和第四金属层。

8.根据权利要求7所述的波导结构，其特征在于，所述第一介质基板和所述第二介质基板整体形成，所述第一金属层与所述第三金属层整体形成，所述第二金属层与所述第四金属层整体形成。

9.根据权利要求2所述的波导结构，其特征在于，所述基片集成波导包括多个输入端口和多个耦合端口，所述多个导电柱形成多个腔体的侧壁，每个腔体从相应的一个输入端口延伸至相应的一个耦合端口。

10.一种天线装置，其特征在于，包括：

收发信机，用于将通信数据转换成用于发送的电信号，或者将接收的电信号转换成通信数据；

根据权利要求1至9中任一项所述的波导结构；以及

天线，用于电信号的发送和接收，

其中，所述波导结构将TE模的电磁波转换，转换后的电磁波与天线的馈电方式匹配。

11.根据权利要求10所述的天线装置，其特征在于，所述收发信机采用微带线连接至所述波导结构的输入端口。

12.根据权利要求10所述的天线装置，其特征在于，所述天线为连续横向枝节天线。