CN209266562U - 介质集成波导槽耦合腔体天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种介质集成波导槽耦合腔体天线，其上、下介质集成波导构成了整个辐射天线。在上介质集成波导上分割有两个封闭腔体，同时在每个腔体所属的上金属层上，微波印制板沿波导宽边方向蚀刻有两个一致的矩形槽；单个腔体天线单元在上金属层上所蚀刻的两个矩形槽，沿宽度方向排列，并以长度中心线为轴镜像对称。下介质集成波导则完成对上介质集成波导上构建的双腔体天线单元的馈电；针对每个腔体天线单元，在上、下介质集成波导共用的中间金属层上，蚀刻有矩形耦合槽；在耦合槽的一侧设计有穿过下微波基板的场调谐金属化过孔Ⅱ，连接了中间金属层与接地金属层，用于扰动耦合槽上的电磁场分布。

Description

介质集成波导槽耦合腔体天线

技术领域

本实用新型涉及一种介质集成波导槽耦合腔体天线，属于天线微波技术。

背景技术

毫米波电子设备对天线的小型化、易集成有较高要求。传统上满足要求的天线单元形式包括Vivali天线、微带天线、波导天线等。Vivaldi天线可获得较大带宽，但其端射特点导致剖面较高，通常超过1/2波长；而微带天线剖面低但带宽较小；波导天线使用金属结构，损耗小效率高，但在毫米波波段存在金属结构制造成本高、且不利于阵列应用环境下的组阵集成的缺点。

近年来，为满足毫米波天线应用要求，在微波印制板或在硅片上构建介质集成波导 (SIW)来设计天线，成为兼顾性能和成本的合适方案，其一方面结构简单，同时在性能上也接近传统金属波导，这使得其在简化天线馈电结构、提高馈电效率和降低馈电结构寄生辐射方面有优势。在此基础上使用SIW馈电构建的天线单元也适合于低成本毫米波天线阵列的应用场合。将SIW开槽并将能量耦合至基于多层介质开孔构造的类开口波导结构，可设计实现宽带腔体天线，这类天线具有剖面相对较低、带宽大的特点，但通过多层介质开孔来构造开口波导结构，其制造仍相对复杂(如Y.Cai，et al.″A 16-element corporate-feedmultilayer SIW cavity-backed slot antenna array.″IET Microwaves，Antennas&Propagation，vol.11(12)， 2017：1796-1802.共采用了6层微波印制板构造开口波导天线)。如能进一步优化腔体结构，将简单的SIW耦合馈电与改进后的单层辐射腔相结合，则可为高频段如毫米波波段所需要的宽带单元设计提供一种新的解决方案。

实用新型内容

针对以上问题，本实用新型提供了一种介质集成波导槽耦合腔体天线，本实用新型提出一种基于介质集成波导槽耦合馈电的单层腔式辐射天线设计方案，在保证天线单元满足宽带、高增益使用要求前提下，进一步降低毫米波阵列天线加工难度，并使之易于与有源部件集成连接。

为了解决以上问题，本实用新型采用了如下技术方案：一种介质集成波导槽耦合腔体天线，其特征在于，包括上金属层、上微波介质板、中间金属层、下微波介质基板、接地金属层、金属化过孔I和同轴端口。金属化过孔I设置在上微波介质板和下微波介质基板的周边和沿宽度方向中间一排，即为三列两行。

所述上金属层、上微波介质板、中间金属层与金属化过孔I，共同构成上介质集成波导；所述中间金属层、下微波介质基板、接地金属层与金属化过孔I，共同构成下介质集成波导；上介质集成波导和下介质集成波导共同构成了整个辐射天线。上介质集成波导上构建了腔体天线辐射单元以完成性能的辐射。在上介质集成波导上，使用整列金属化过孔I将波导沿长度方向分割成两个封闭腔体，同时在每个腔体所属的上金属层上，通过微波印制板蚀刻工艺沿波导宽边方向蚀刻出两个一致的矩形槽，从而使得上介质集成波导沿长度方向形成两个一致的开放腔体天线单元，用于实现电磁能量的辐射。单个腔体天线单元在上金属层上所蚀刻的两个矩形槽，沿宽度方向排列，并以长度中心线为轴镜像对称。下介质集成波导则完成对上介质集成波导上构建的双腔体天线单元的馈电，其长度和宽度尺寸与上介质集成波导均一致；针对每个腔体天线单元，在下介质集成波导和上介质集成波导共用的中间金属层上，蚀刻有矩形耦合槽；耦合槽的中心与腔体天线单元的中心重叠。在耦合槽的一侧设计有穿过下微波介质基板的场调谐金属化过孔II，其直径与金属化过孔I一致，连接了中间金属层与接地金属层，用于扰动耦合槽上的电磁场分布，进而改善腔体天线单元的辐射性能。在下介质集成波导的中心位置处构建有同轴端口；同轴端口内芯穿过接地金属层、下微波介质基板通过馈电金属化过孔I连接至中间金属层，外芯则与接地金属层相接，以实现50欧姆的端口阻抗匹配，保证电磁能量顺利通过同轴端口馈入。电磁能量由同轴端口馈入经下介质集成波导传输后，再由耦合槽耦合至腔体单元内，再经矩形槽实现向自由空间辐射。

为满足波导传输性能要求，降低电磁泄漏，上述辐射天线所使用的金属化过孔I相互之间的间距应小于该波导波导波长的1/6，金属化过孔I的直径尺寸则大于过孔间距的1/4，所使用的介质厚度通常为空间波长的1/10～1/5。

为满足工作频段的需要，在上介质集成波导上构建的两个腔体天线单元，单个腔体天线单元的宽度与上介质集成波导宽度保持一致，取值为0.5～1个空间波长；长度取值则为0.4～0.5 个介质波导波长。两个腔体天线单元沿长度方向相邻，中心间距则与单个腔体天线单元的长度一致。

所述的矩形槽的长度取值为腔体天线单元长度的0.6-0.9，宽度取值则为腔体天线单元宽度的0.2～0.45。

所述的耦合槽沿下介质集成波导长度方向的尺寸取值为腔体天线单元11长度的0.6～0.9，为保证工作带宽，该尺寸通常小于矩形槽的长度；耦合槽

有益效果：本实用新型提供的基于介质集成波导槽耦合馈电的单层腔式辐射天线设计方案，使得天线在较小电尺寸下具有宽带、低剖面以及高效率特点，并易于通过同轴通孔方式与射频后端进行集成互连。该简单结构可大幅度降低阵列天线的加工难度，降低制作成本。

附图说明

图1为介质集成波导槽耦合腔体天线结构剖面视图(沿+Y方向)；

图2为介质集成波导槽耦合腔体天线结构三维视图1；

图3为介质集成波导槽耦合腔体天线结构三维视图2；

图4为介质集成波导槽耦合腔体天线实施例端口驻波曲线。

图5为介质集成波导槽耦合腔体天线实施例辐射方向图曲线。

具体实施方式

下面结合对本实用新型做进一步阐述。

如图1至3所示，本实用新型提供了一种介质集成波导槽耦合腔体天线，包括上金属层 1、上微波介质板2、中间金属层3、下微波介质基板4、接地金属层5、金属化过孔I 6和同轴端口7。

金属化过孔I 6设置在上微波介质板2和下微波介质基板4的周边和沿宽度方向中间一排，即为三列两行。

所述上金属层1、上微波介质板2、中间金属层3与周边通过在上微波介质板2上加工通孔并金属化实现的金属化过孔I 6，共同构成上介质集成波导8。

所述中间金属层3、下微波介质基板4、接地金属层5与周边通过在下微波介质板4上加工通孔并金属化实现的金属化过孔I 6，共同构成下介质集成波导9。上介质集成波导8和下介质集成波导9共同构成了整个辐射天线。为满足波导传输性能要求，降低电磁泄漏，上述辐射天线所使用的金属化过孔I 6相互之间的间距应小于该波导波导波长的1/6，金属化过孔I 6的直径尺寸则大于过孔间距的1/4，所使用的介质厚度通常为空间波长的1/10～1/5。

上介质集成波导8上构建了腔体天线辐射单元以完成性能的辐射。在上介质集成波导8 上，使用整列金属化过孔I 6将波导沿长度方向分割成两个封闭腔体，同时在每个腔体所属的上金属层1上，通过微波印制板蚀刻工艺沿波导宽边方向蚀刻出两个一致的矩形槽10，从而使得上介质集成波导8沿长度方向形成两个一致的开放腔体天线单元11，用于实现电磁能量的辐射。为满足工作频段的需要，在上介质集成波导8上构建的两个腔体天线单元11，单个腔体天线单元11的宽度与上介质集成波导8宽度保持一致，取值一般为0.5～1个空间波长；长度取值则一般为0.4～0.5个介质波导波长。两个腔体天线单元11沿长度方向相邻，中心间距则与单个腔体天线单元11的长度一致。单个腔体天线单元11在上金属层上所蚀刻的两个矩形槽10，沿宽度方向排列，并以长度中心线为轴镜像对称。矩形槽10的长度取值一般为腔体天线单元11长度的0.6～0.9，宽度取值则为腔体天线单元11宽度的0.2～0.45。

下介质集成波导9则完成对上介质集成波导8上构建的双腔体天线单元11的馈电，其长度和宽度尺寸与上介质集成波导8均一致；针对每个腔体天线单元，在下介质集成波导9和上介质集成波导8共用的中间金属层3上，蚀刻有矩形耦合槽12；耦合槽12的中心与腔体天线单元的中心重叠，沿下介质集成波导9长度方向的尺寸取值一般为腔体天线单元11长度的0.6～0.9，为保证工作带宽，该尺寸通常略小于矩形槽10的长度；耦合槽12沿下介质集成波导9宽边方向的尺寸取值为腔体天线单元11宽度的0.2～0.6。在耦合槽12的一侧设计有穿过下微波介质基板4的场调谐金属化过孔II 13，其直径与金属化过孔I 6一致，连接了中间金属层3与接地金属层5，用于扰动耦合槽12上的电磁场分布，进而改善腔体天线单元11 的辐射性能。

在下介质集成波导9的中心位置处构建有同轴端口7；同轴端口7内芯穿过接地金属层5、下微波介质基板4通过馈电金属化过孔I 6连接至中间金属层3，外芯则与接地金属层5相接，以实现50欧姆的端口阻抗匹配，保证电磁能量顺利通过同轴端口7馈入。电磁能量由同轴端口7馈入经下介质集成波导9传输后，再由耦合槽12耦合至腔体单元11内，再经矩形槽10 实现向自由空间辐射。

结合图1-图3，本实用新型构建的介质集成波导槽耦合腔体天线经优化后，选择如下参数：该天线工作于W频段。优化后微波介质板均选用介电常数为2.2的材料，上微波介质板厚度0.5mm，下微波介质板厚度0.38mm。设计的介质集成波导宽边尺寸为2.2mm，金属化孔直径0.2mm、波导金属化孔间距0.36mm，腔体天线单元长度1.8mm，矩形槽长度1.46mm，宽度0.75mm。耦合槽长度1.2mm，宽度0.8mm。电磁能量由50欧姆阻抗的同轴端口馈入传输后，经介质波导传输至耦合槽耦合至腔体天线单元，再由两个腔体天线单元共同向自由空间辐射。

本实施例的端口电压驻波比仿真结果如图4所示，其VSWR＜2所对应的频段为 83-115GHz，带宽30GHz以上，相对带宽32％。图5示意了80GHz、90GHz、100GHz三个典型频率点的单元方向图，其在100GHz处增益约9.6dB，E面(YOZ)3dB波束宽度大于80 度，表明该天线具有较高的增益，同时在E面方向具有构建阵列的能力。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种介质集成波导槽耦合腔体天线，其特征在于，包括上金属层(1)、上微波介质板(2)、中间金属层(3)、下微波介质基板(4)、接地金属层(5)、金属化过孔I(6)和同轴端口(7)；

金属化过孔I(6)设置在上微波介质板(2)和下微波介质基板(4)的周边和沿宽度方向中间一排，即为三列两行；

所述上金属层(1)、上微波介质板(2)、中间金属层(3)与金属化过孔I(6)，共同构成上介质集成波导(8)；所述中间金属层(3)、下微波介质基板(4)、接地金属层(5)与金属化过孔I(6)，共同构成下介质集成波导(9)；上介质集成波导(8)和下介质集成波导(9)共同构成了整个辐射天线；

上介质集成波导(8)上构建了腔体天线辐射单元以完成性能的辐射，在上介质集成波导(8)上，整列金属化过孔I(6)将波导沿长度方向分割成两个封闭腔体，同时在每个腔体所属的上金属层(1)上，通过微波印制板蚀刻工艺沿波导宽边方向蚀刻出两个一致的矩形槽(10)，从而使得上介质集成波导(8)沿长度方向形成两个一致的开放腔体天线单元(11)；单个腔体天线单元(11)在上金属层上所蚀刻的两个矩形槽(10)，沿宽度方向排列，并以长度中心线为轴镜像对称；

下介质集成波导(9)长度和宽度尺寸与上介质集成波导(8)均一致；针对每个腔体天线单元，在下介质集成波导(9)和上介质集成波导(8)共用的中间金属层(3)上，蚀刻有矩形耦合槽(12)；耦合槽(12)的中心与腔体天线单元的中心重叠，在耦合槽(12)的一侧设计有穿过下微波介质基板(4)的场调谐金属化过孔II(13)，其直径与金属化过孔I(6)一致，连接了中间金属层(3)与接地金属层(5)；

在下介质集成波导(9)的中心位置处构建有同轴端口(7)；同轴端口(7)内芯穿过接地金属层(5)、下微波介质基板(4)通过馈电金属化过孔I(6)连接至中间金属层(3)，外芯则与接地金属层(5)相接。

2.根据权利要求1所述的介质集成波导槽耦合腔体天线，其特征在于，所述的辐射天线所使用的金属化过孔I(6)相互之间的间距小于该波导波导波长的1/6，金属化过孔I(6)的直径尺寸大于过孔间距的1/4，所使用的介质厚度为空间波长的1/10～1/5。

3.根据权利要求1所述的介质集成波导槽耦合腔体天线，其特征在于，在上介质集成波导(8)上构建的两个腔体天线单元(11)，单个腔体天线单元(11)的宽度与上介质集成波导(8)宽度保持一致，取值为0.5～1个空间波长；长度取值则为0.4～0.5个介质波导波长；两个腔体天线单元(11)沿长度方向相邻，中心间距则与单个腔体天线单元(11)的长度一致。

4.根据权利要求1所述的介质集成波导槽耦合腔体天线，其特征在于，矩形槽(10)的长度取值为腔体天线单元(11)长度的0.6-0.9，宽度取值则为腔体天线单元(11)宽度的0.2～0.45。

5.根据权利要求1所述的介质集成波导槽耦合腔体天线，其特征在于，耦合槽(12)沿下介质集成波导(9)长度方向的尺寸取值为腔体天线单元(11)长度的0.6～0.9，该尺寸小于矩形槽(10)的长度；耦合槽(12)沿下介质集成波导(9)宽边方向的尺寸取值为腔体天线单元(11)宽度的0.2～0.6。