CN207303352U - 一种siw缝隙串馈阵列天线系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于天线技术领域，具体地讲涉及一种SIW缝隙串馈阵列天线系统，其包括发射天线和接收天线，所述发射天线和接收天线之间设有反射结构，所述发射天线和接收天线的结构完全相同，发射天线和接收天线所在的介质板Ⅰ、反射结构所在的介质板Ⅱ处在同一平面上，且发射天线和接收天线对称地布置在反射结构的两侧，所述发射天线、接收天线和反射结构均在长度方向上相互平行，所述反射结构的长度不小于发射天线和接收天线的长度。本实用新型的天线系统能够有效的抑制发射天线和接收天线在工作时辐射表面波的绕射，提高了发射天线和接收天线之间的隔离度，满足了雷达对收发天线之间的隔离度要求。

Description

一种SIW缝隙串馈阵列天线系统

技术领域

本实用新型属于天线技术领域，具体地讲涉及一种SIW缝隙串馈阵列天线系统。

背景技术

采用LTCC或PCB技术，可以用周期性的金属通孔来构造类似波导的导波结构，从而把波导集成在平面电路板内部，这种结构称为基片集成波导，简称SIW(SubstrateIntegrated Waveguide)。

天线作为无线电通讯的发射和接收设备，在无线电通讯中占有极其重要的地位。近年来,毫米波高频段(60～110GHz)越来越受到研究人员的关注,传统的微带类型的天线尺寸较小，微带线将变的非常细，对加工精度及难度提出了更高的要求，同时损耗大，功率容量低；而波导类型的天线虽然具有低损耗、低干扰、功率容量高的特性，但是不易于共形，一体化及高集成度的设计难度大。

同时，雷达对收发天线的隔离度要求比较高，在收发天线之间的距离又有明确的限制的情况下，如何提高收发天线之间的隔离度也是一个难题。

实用新型内容

根据现有技术中存在的问题，本实用新型提供了一种SIW缝隙串馈阵列天线系统，其兼有微带类型和矩形类型的天线的优点，即具有低插损、低干扰、功率容量高、尺寸小的优点，同时增强了收发天线之间的集成度和提高了收发天线之间的隔离度。

本实用新型采用以下技术方案：

一种SIW缝隙串馈阵列天线系统，包括发射天线和接收天线，所述发射天线和接收天线之间设有反射结构。

优选的，所述发射天线和接收天线的结构完全相同，发射天线和接收天线所在的介质板Ⅰ、反射结构所在的介质板Ⅱ处在同一平面上，且发射天线和接收天线对称地布置在反射结构的两侧，所述发射天线、接收天线和反射结构均在长度方向上相互平行，所述反射结构的长度不小于发射天线和接收天线的长度。

进一步优选的，所述发射天线和接收天线的天线层均位于介质板Ⅰ的正面，发射天线和接收天线的金属地层均位于介质板Ⅰ的背面；所述发射天线和接收天线均包括多个辐射缝隙、多个金属化通孔Ⅰ和一个传输端口；同一天线内，设天线沿其长度方向的中心线为其轴线，相邻的两个辐射缝隙左右交替地设置在轴线的两侧，相邻的两个辐射缝隙在轴线方向上的中心距离相等，位于轴线两侧的辐射缝隙距离轴线的距离均相等；同一天线内，多个金属化通孔Ⅰ将多个辐射缝隙围成半包围状，多个金属化通孔Ⅰ由两列金属化通孔Ⅰ和一行金属化通孔Ⅰ组成，两列金属化通孔Ⅰ均平行于轴线且对称设置在轴线的两侧，一行金属化通孔Ⅰ设置在天线轴线方向远离传输端口的一端，一行金属化通孔Ⅰ将两列金属化通孔Ⅰ衔接成半包围状，所述传输端口位于天线轴线方向的另一端。

更进一步优选的，所述传输端口设置在发射天线和接收天线的远离一行金属化通孔Ⅰ的一端，且所述传输端口设置在两列金属化通孔Ⅰ的之间；所述传输端口为尖劈结构，其在介质板Ⅰ的正面设置有正面直角三角形区域，在介质板Ⅰ的背面设置有背面直角三角形区域，正面直角三角形区域的一条直角边和背面直角三角形区域的一条直角边均与介质板Ⅰ的底边边缘重合，且正面直角三角形区域的一条直角边和背面直角三角形区域的一条直角边在介质板Ⅰ的正面上沿介质板Ⅰ厚度方向的投影重合，正面直角三角形区域和背面直角三角形区域关于天线轴线对称；所述正面直角三角形区域和背面直角三角形区域在沿介质板Ⅰ的厚度方向投影相交的部分呈镂空状。

更进一步优选的，所述介质板Ⅰ的正面和背面上，在多个辐射缝隙、多个金属化通孔Ⅰ、传输端口的正面直角三角形区域和背面直角三角形区域之外的位置上均经覆铜处理；金属化通孔Ⅰ的洞壁材质为铜金属，其将介质板Ⅰ的正面的覆铜区域和背面的覆铜区域连接成整体。

更进一步优选的，所述反射结构在其介质板Ⅱ的正面为一个矩形非覆铜区域，所述非覆铜区域内均匀地设有多个金属贴片，多个金属贴片呈矩阵状，每个金属贴片上设有贯穿金属贴片和介质板Ⅱ的金属化通孔Ⅱ，介质板Ⅱ的背面在金属化通孔Ⅱ之外的位置上均经覆铜处理。

更进一步优选的，多个所述金属贴片形成一个长度不小于发射天线和接收天线的长度的矩形区域，两个相邻的金属贴片之间的间距均相等，金属化通孔Ⅱ位于金属贴片的正中心；所述金属贴片的材质和金属化通孔Ⅱ的洞壁材质均为铜金属，金属化通孔Ⅱ将金属贴片和介质板Ⅱ背面的覆铜区域连接成整体。

更进一步优选的，所述发射天线和接收天线所在的介质板Ⅰ与反射结构所在的介质板Ⅱ集成合并在一块介质板上，发射天线所在的介质板Ⅰ的背面覆铜区域与反射结构所在的介质板Ⅱ的背面覆铜区域之间、接收天线所在的介质板Ⅰ的背面覆铜区域与反射结构所在的介质板Ⅱ的背面覆铜区域之间各设有一个长度不小于反射结构的条状非覆铜区域。

更进一步优选的，所述介质板Ⅰ和介质板Ⅱ均采用Rogers 3003板材，其介电常数为3.0，厚度为0.254mm。

本实用新型的有益效果在于：

1)本实用新型的天线系统在发射天线和接收天线之间加入了反射结构，能够有效的抑制发射天线和接收天线在工作时辐射表面波的绕射，提高了发射天线和接收天线之间的隔离度，满足了雷达对收发天线之间的隔离度要求。

2)本实用新型的天线系统采用了SIW缝隙串馈阵列天线的形式，兼有微带和矩形类型天线的优点，即具有低插损、低干扰、功率容量高、尺寸小、易于共形和集成度高的优点；由于SIW缝隙串馈阵列天线体积本身较小，加上发射天线和接收天线集成在同一块介质板上，增强了收发天线之间的集成度，满足了毫米波高频段的雷达应用需要。

3)本实用新型的发射天线和接收天线中的传输端口上设有用于连接波导的尖劈结构，尖劈结构在介质板的正面和背面的区域均为直角三角形，且两个直角三角形呈对称状，相对于传统的鳍线结构，插损和反射系数都能实现很好的阻抗匹配，但是尖劈结构易于加工，降低了加工难度。

附图说明

图1a为本实用新型实施例的天线系统中天线的天线层所在面的第一种结构示意图。

图1b为本实用新型实施例的天线系统中天线的天线层所在面的第二种结构示意图。

图2a为本实用新型实施例的天线系统中天线的金属地层所在面的第一种结构示意图。

图2b为本实用新型实施例的天线系统中天线的金属地层所在面的第二种结构示意图。

图3是本实用新型实施例中一列SIW缝隙串馈阵列天线电压驻波比测试图。

图4是本实用新型实施例中一列SIW缝隙串馈阵列天线方位面和俯仰面的增益测试图。

图5是本实用新型实施例中的传输端口采用尖劈结构时的性能指标测试图。

图6是本实用新型实施例中的传输端口采用传统的鳍线结构时的性能指标测试图。

图7是本实用新型实施例中的传输端口采用尖劈结构的示意图。

图8是本实用新型实施例中的传输端口采用传统的鳍线结构的示意图。

图9是本实用新型实施例的整个系统的隔离度测试图。

图10是本实用新型实施例中收发天线系统中间未设反射结构时的隔离度测试图。

附图标记：1-发射天线，11-辐射缝隙，12-金属化通孔Ⅰ，13-传输端口，2-接收天线，3-反射结构，31-金属贴片，32-金属化通孔Ⅱ，4-介质板Ⅰ，5-介质板Ⅱ，6-条状非覆铜区域。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1a、图1b、图2a和图2b所示，一种SIW缝隙串馈阵列天线系统，包括发射天线1和接收天线2，所述发射天线1和接收天线2之间设有反射结构3。

所述发射天线1和接收天线2的结构完全相同，发射天线1和接收天线2所在的介质板Ⅰ4、反射结构3所在的介质板Ⅱ5处在同一平面上，且发射天线1和接收天线2对称地布置在反射结构3的两侧，所述发射天线1、接收天线2和反射结构3均在长度方向上相互平行，所述反射结构3的长度不小于发射天线1和接收天线2的长度。

所述发射天线1和接收天线2的天线层均位于介质板Ⅰ4的正面，发射天线1和接收天线2的金属地层均位于介质板Ⅰ4的背面；所述发射天线1和接收天线2均包括多个辐射缝隙11、多个金属化通孔Ⅰ12和一个传输端口13；同一天线内，设天线沿其长度方向的中心线为其轴线，相邻的两个辐射缝隙11左右交替地设置在轴线的两侧，相邻的两个辐射缝隙11在轴线方向上的中心距离相等，位于轴线两侧的辐射缝隙11距离轴线的距离均相等；同一天线内，多个金属化通孔Ⅰ12将多个辐射缝隙11围成半包围状，多个金属化通孔Ⅰ12由两列金属化通孔Ⅰ12和一行金属化通孔Ⅰ12组成，两列金属化通孔Ⅰ12均平行于轴线且对称设置在轴线的两侧，一行金属化通孔Ⅰ12设置在天线轴线方向远离传输端口13的一端，一行金属化通孔Ⅰ12将两列金属化通孔Ⅰ12衔接成半包围状，所述传输端口13位于天线轴线方向的另一端。

如图7所示，所述传输端口13设置在发射天线1和接收天线2的远离一行金属化通孔Ⅰ12的一端，且所述传输端口13设置在两列金属化通孔Ⅰ12的之间；所述传输端口13为尖劈结构，其在介质板Ⅰ4的正面设置有正面直角三角形区域，在介质板Ⅰ4的背面设置有背面直角三角形区域，正面直角三角形区域的一条直角边和背面直角三角形区域的一条直角边均与介质板Ⅰ4的底边边缘重合，且正面直角三角形区域的一条直角边和背面直角三角形区域的一条直角边在介质板Ⅰ4的正面上沿介质板Ⅰ4厚度方向的投影重合，正面直角三角形区域和背面直角三角形区域关于天线轴线对称；所述正面直角三角形区域和背面直角三角形区域在沿介质板Ⅰ4的厚度方向投影相交的部分呈镂空状；图7中实线表示介质板Ⅰ4正面的尖劈结构的示意图，虚线表示介质板4背面的尖劈结构的示意图。

所述介质板Ⅰ4的正面和背面上，在多个辐射缝隙11、多个金属化通孔Ⅰ12、传输端口13的正面直角三角形区域和背面直角三角形区域之外的位置上均经覆铜处理；金属化通孔Ⅰ12的洞壁材质为铜金属，其将介质板Ⅰ4的正面的覆铜区域和背面的覆铜区域连接成整体。

所述反射结构3在其介质板Ⅱ5的正面为一个矩形非覆铜区域，所述非覆铜区域内均匀地设有多个金属贴片31，多个金属贴片31呈矩阵状，每个金属贴片31上设有贯穿金属贴片31和介质板Ⅱ5的金属化通孔Ⅱ32，介质板Ⅱ5的背面在金属化通孔Ⅱ32之外的位置上均经覆铜处理。

多个所述金属贴片31形成一个长度不小于发射天线1和接收天线2的长度的矩形区域，两个相邻的金属贴片31之间的间距均相等，金属化通孔Ⅱ32位于金属贴片的正中心；所述金属贴片31的材质和金属化通孔Ⅱ32的洞壁材质均为铜金属，金属化通孔Ⅱ32将金属贴片31和介质板Ⅱ5背面的覆铜区域连接成整体。

所述发射天线1和接收天线2所在的介质板Ⅰ4与反射结构3所在的介质板Ⅱ5集成合并在一块介质板上，发射天线1所在的介质板Ⅰ4的背面覆铜区域与反射结构3所在的介质板Ⅱ5的背面覆铜区域之间、接收天线2所在的介质板Ⅰ4的背面覆铜区域与反射结构3所在的介质板Ⅱ5的背面覆铜区域之间各设有一个长度不小于反射结构3的条状非覆铜区域6；所述介质板4采用Rogers 3003板材，其介电常数为3.0，厚度为0.254mm。

实施例：

本实用新型的实施例中，以77GHz频段MIMO雷达天馈系统的SIW缝隙串馈阵列天线作为本实用新型中的发射天线1和接收天线2，如图1a和图2a所示。下面针对具体结构及相关测试做进一步描述。

图1a和图2a中，SIW缝隙串馈阵列天线包括十六个辐射缝隙11，其中每个相邻辐射缝隙11之间的沿天线轴线的中心距离为1.9mm，十六个辐射缝隙11偏离天线轴线的幅度按泰勒-25dB加权分布，多个金属化通孔Ⅰ12的直径均为0.3mm，相邻的两个金属化通孔Ⅰ12之间的中心间距均为0.5mm，两列金属化通孔Ⅰ12之间的列距为1.65mm。

本实用新型实施例的反射结构3中的金属贴片31采用尺寸为0.8mm×0.8mm的方形金属贴片，金属化通孔Ⅱ32的直径为0.2mm。

需要指出的是，所述金属贴片31形成的矩形区域的长度不小于发射天线1和接收天线2的长度即可，因此发射天线1和接收天线2所在的介质板Ⅰ4与反射结构3所在的介质板Ⅱ5集成合并在一块介质板上时，发射天线1所在的介质板Ⅰ4的正面覆铜区域与反射结构3所在的介质板Ⅱ5的正面覆铜区域之间、接收天线2所在的介质板Ⅰ4的正面覆铜区域与反射结构3所在的介质板Ⅱ5的正面覆铜区域之间，在反射结构3的长度方向的两侧端均可以设置覆铜区域，将发射天线1和接收天线2所在的介质板Ⅰ4的正面覆铜区域与反射结构3所在的介质板Ⅱ5的正面覆铜区域连接成一个整体，如图1a所示；在反射结构3的长度方向的两侧端不进行覆铜区域的设置，即发射天线1和接收天线2所在的介质板Ⅰ4的正面覆铜区域与反射结构3所在的介质板Ⅱ5的正面覆铜区域为断开状态，如图1b所示。图1a和图1b所示的结构均满足本实用新型要求。

发射天线1所在的介质板Ⅰ4的背面覆铜区域与反射结构3所在的介质板Ⅱ5的背面覆铜区域之间、接收天线2所在的介质板Ⅰ4的背面覆铜区域与反射结构3所在的介质板Ⅱ5的背面覆铜区域之间各设有一个长度不小于反射结构3的条状非覆铜区域6；如图2a所示，所述条状非覆铜区域6的设置并未纵向贯穿介质板，此时，反射结构3所在的介质板Ⅱ5的背面覆铜区域均与发射天线1所在的介质板Ⅰ4的背面覆铜区域和接收天线2所在的介质板Ⅰ4的背面覆铜区域相连；如图2b所示，所述条状非覆铜区域6的设置为纵向贯穿介质板，此时，反射结构3所在的介质板Ⅱ5的背面覆铜区域均与发射天线1所在的介质板Ⅰ4的背面覆铜区域和接收天线2所在的介质板Ⅰ4的背面覆铜区域断开。图2a和图2b所示的结构均满足本实用新型要求。

分别对图1a和图2a中的一列SIW缝隙串馈阵列天线和本实用新型实施例的整个系统进行测试操作。

测试环境：微波调试室；

测试设备：矢量网络分析仪；

对一列SIW缝隙串馈阵列天线的电压驻波比进行测试，测试结果如图3所示，从图3中可以看出，在76～77GHz频段范围内，驻波小于1.65，实现了较好的阻抗匹配特性。

对一列SIW缝隙串馈阵列天线在工作频段76～77GHz内的方位面和俯仰面增益进行测试，测试结果如图4所示，从图4可以看出，本实用新型天线系统的最大增益为14dB左右，副瓣小于21dB，满足天线设计要求。

对一列SIW缝隙串馈阵列天线的传输端口13分别采用尖劈结构(如图7所示)和传统的鳍线结构(如图8所示)时的插损和端口反射系数进行测试，测试结果如图5、图6所示，图5为传输端口13采用尖劈结构时的测试图，图6为传输端口13采用传统的鳍线结构时的测试图，从图5和图6中可以看出，在71～79GHz的工作频段内，两种情况下，传输端口13的插损均约为0.45dB，反射系数均小于-20dB，均实现了良好的匹配特性和宽带特性。

因此，传输端口13采用尖劈结构和传统的鳍线结构都能实现很好的阻抗匹配，但是尖劈结构易于加工，降低了加工难度。

对本实用新型实施例的整个系统进行隔离度测试，测试结果如图7和图8所示，图7为本实用新型实施例的整个系统的隔离度测试图，图8为发射天线1和接收天线2之间未加反射结构3的隔离度测试图，通过图7和图8的比较可以得出，本实用新型实施例的整个系统的发射天线1和接收天线2之间的隔离度为62dB，而发射天线1和接收天线2之间未加反射结构3时，发射天线1和接收天线2之间的隔离度为22dB，可见，反射结构3的设置，大大提高了发射天线1和接收天线2之间的隔离度，实现了较高的收发隔离度特性。

综上所述，本实用新型的天线系统在发射天线1和接收天线2之间加入了反射结构3，能够有效的抑制发射天线1和接收天线2在工作时辐射表面波的绕射，提高了发射天线和接收天线之间的隔离度，满足了雷达对收发天线之间的隔离度要求。

Claims (8)

1.一种SIW缝隙串馈阵列天线系统，包括发射天线(1)和接收天线(2)，其特征在于：所述发射天线(1)和接收天线(2)之间设有反射结构(3)；所述发射天线(1)和接收天线(2)的结构完全相同，发射天线(1)和接收天线(2)所在的介质板Ⅰ(4)、反射结构(3)所在的介质板Ⅱ(5)处在同一平面上，且发射天线(1)和接收天线(2)对称地布置在反射结构(3)的两侧，所述发射天线(1)、接收天线(2)和反射结构(3)均在长度方向上相互平行，所述反射结构(3)的长度不小于发射天线(1)和接收天线(2)的长度。

2.根据权利要求1所述的一种SIW缝隙串馈阵列天线系统，其特征在于：所述发射天线(1)和接收天线(2)的天线层均位于介质板Ⅰ(4)的正面，发射天线(1)和接收天线(2)的金属地层均位于介质板Ⅰ(4)的背面；所述发射天线(1)和接收天线(2)均包括多个辐射缝隙(11)、多个金属化通孔Ⅰ(12)和一个传输端口(13)；同一天线内，设天线沿其长度方向的中心线为其轴线，相邻的两个辐射缝隙(11)左右交替地设置在轴线的两侧，相邻的两个辐射缝隙(11)在轴线方向上的中心距离相等，位于轴线两侧的辐射缝隙(11)距离轴线的距离均相等；同一天线内，多个金属化通孔Ⅰ(12)将多个辐射缝隙(11)围成半包围状，多个金属化通孔Ⅰ(12)由两列金属化通孔Ⅰ(12)和一行金属化通孔Ⅰ(12)组成，两列金属化通孔Ⅰ(12)均平行于轴线且对称设置在轴线的两侧，一行金属化通孔Ⅰ(12)设置在天线轴线方向远离传输端口(13)的一端，一行金属化通孔Ⅰ(12)将两列金属化通孔Ⅰ(12)衔接成半包围状，所述传输端口(13)位于天线轴线方向的另一端。

3.根据权利要求2所述的一种SIW缝隙串馈阵列天线系统，其特征在于：所述传输端口(13)设置在发射天线(1)和接收天线(2)的远离一行金属化通孔Ⅰ(12)的一端，且所述传输端口(13)设置在两列金属化通孔Ⅰ(12)的之间；所述传输端口(13)为尖劈结构，其在介质板Ⅰ(4)的正面设置有正面直角三角形区域，在介质板Ⅰ(4)的背面设置有背面直角三角形区域，正面直角三角形区域的一条直角边和背面直角三角形区域的一条直角边均与介质板Ⅰ(4)的底边边缘重合，且正面直角三角形区域的一条直角边和背面直角三角形区域的一条直角边在介质板Ⅰ(4)的正面上沿介质板Ⅰ(4)厚度方向的投影重合，正面直角三角形区域和背面直角三角形区域关于天线轴线对称；所述正面直角三角形区域和背面直角三角形区域在沿介质板Ⅰ(4)的厚度方向投影相交的部分呈镂空状。

4.根据权利要求3所述的一种SIW缝隙串馈阵列天线系统，其特征在于：所述介质板Ⅰ(4)的正面和背面上，在多个辐射缝隙(11)、多个金属化通孔Ⅰ(12)、传输端口(13)的正面直角三角形区域和背面直角三角形区域之外的位置上均经覆铜处理；金属化通孔Ⅰ(12)的洞壁材质为铜金属，其将介质板Ⅰ(4)的正面的覆铜区域和背面的覆铜区域连接成整体。

5.根据权利要求2或3或4所述的一种SIW缝隙串馈阵列天线系统，其特征在于：所述反射结构(3)在其介质板Ⅱ(5)的正面为一个矩形非覆铜区域，所述非覆铜区域内均匀地设有多个金属贴片(31)，多个金属贴片(31)呈矩阵状，每个金属贴片(31)上设有贯穿金属贴片(31)和介质板Ⅱ(5)的金属化通孔Ⅱ(32)，介质板Ⅱ(5)的背面在金属化通孔Ⅱ(32)之外的位置上均经覆铜处理。

6.根据权利要求5所述的一种SIW缝隙串馈阵列天线系统，其特征在于：多个所述金属贴片(31)形成一个长度不小于发射天线(1)和接收天线(2)的长度的矩形区域，两个相邻的金属贴片(31)之间的间距均相等，金属化通孔Ⅱ(32)位于金属贴片的正中心；所述金属贴片(31)的材质和金属化通孔Ⅱ(32)的洞壁材质均为铜金属，金属化通孔Ⅱ(32)将金属贴片(31)和介质板Ⅱ(5)背面的覆铜区域连接成整体。

7.根据权利要求6所述的一种SIW缝隙串馈阵列天线系统，其特征在于：所述发射天线(1)和接收天线(2)所在的介质板Ⅰ(4)与反射结构(3)所在的介质板Ⅱ(5)集成合并在一块介质板上，发射天线(1)所在的介质板Ⅰ(4)的背面覆铜区域与反射结构(3)所在的介质板Ⅱ(5)的背面覆铜区域之间、接收天线(2)所在的介质板Ⅰ(4)的背面覆铜区域与反射结构(3)所在的介质板Ⅱ(5)的背面覆铜区域之间各设有一个长度不小于反射结构(3)的条状非覆铜区域(6)。

8.根据权利要求7所述的一种SIW缝隙串馈阵列天线系统，其特征在于：所述介质板I(4)采用Rogers 3003板材，其介电常数为3.0，厚度为0.254mm。