CN209448025U - 一种加载超表面结构的宽带基片集成波导喇叭天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种加载超表面结构的宽带基片集成波导喇叭天线。该天线包括介质基片、上表面金属贴片、下表面金属贴片、上表面方形金属贴片、下表面方形金属贴片和金属化通孔，其中介质基片上周期排列的方形金属贴片组成超表面结构；介质基片上下表面分别设置金属贴片和二十四个方形金属贴片，方形金属贴片的中心分别设置有方形槽，方形金属贴片之间设置有隔离缝隙，方形金属贴片与金属贴片之间设置有耦合缝隙；该天线上表面与下表面布局相同，所述上表面方形金属贴片和下表面方形金属贴片的尺寸相同。本实用新型能够使得喇叭口径与自由空间之间实现良好的阻抗匹配，使得传统基片集成波导喇叭天线具有宽带特性。
Description
技术领域
本实用新型涉及基片集成波导喇叭天线技术领域，特别是一种加载超表面结构的宽带基片集成波导喇叭天线。
背景技术
天线是在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件，是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在自由空间中传播的电磁波，或者进行相反的变换。天线领域是一个充满着生机和活力的领域，在过去的近一百年里，天线技术已经成为通信革命不可缺少的伙伴。天线是任何无线电系统中的基本组成部分，经历了长、中、短波线形天线的成熟期后，厘米波天线得到了普及，使得适用于超短波和微波频段的面天线得到了发展。随着半导体技术、单片微波集成电路(MMIC)技术和计算机技术等电子技术的发展，人们对数据传输速率以及带宽的更高需求使得传统的低频段频谱资源越来越紧张，因此对高频段的频谱资源进行开发和利用已经成为通信行业发展的迫切需要。为了满足指数级增长的用户需求，研究人员将目光转向尚未被充分利用的Ku波段以上频率，从而实现高速通信。
带宽特性是天线性能的最基本的因素，宽带特性有利于天线适用于更多场合。随着无线业务需求的急剧增加，低频段的频谱资源已无法满足人们日益增长的无线业务需求，因此无线通信的频率逐渐向毫米波频段转移。毫米波凭借其特殊的大气传输特性、可利用的频带宽以及天线波束窄等特点，在通信、雷达、制导、遥感技术和射电天文等领域有广泛的应用前景，毫米波天线已然成为新一代天线的趋势。天线的宽频带，就会使得信号的传输速率高，系统容量大，同时也可以提高抗多径干扰的能力。
金属波导能够提供无可比拟的传输效率和高功率容量，但是其高成本和高复杂度特点，使其不适合大规模集成应用。印刷电路板技术不仅可以降低设计加工的成本，同时便于与电子元器件直接集成，但高导体损耗导致印刷电路板技术不适合构建高频复杂结构。基片集成波导可以综合金属波导以及印刷电路板技术的优点，因此，利用基片集成波导技术设计毫米波天线是非常好的选择。目前，由于基片集成波导喇叭天线自身的结构特点，阻抗匹配性能较差，因此设计宽带基片集成波导喇叭天线具有重要的意义。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种阻抗匹配性能好、带宽大的加载超表面结构的宽带基片集成波导喇叭天线。
实现本实用新型目的技术解决方案为：一种加载超表面结构的宽带基片集成波导喇叭天线，在基片集成波导喇叭天线的喇叭辐射口径处加载超表面结构，所述超表面结构由中心开槽的方形金属贴片周期排列组成，从而在原谐振频率基础上引入高频谐振频率。
作为一种具体示例，所述加载超表面结构的宽带基片集成波导喇叭天线，包括介质基片、上表面金属贴片、下表面金属贴片和金属化通孔，该天线采用共面波导馈电；所述介质基片上、下表面分别设置周期排列的上表面方形金属贴片、下表面方形金属贴片，组成超表面结构。
作为一种具体示例，所述加载超表面结构的宽带基片集成波导喇叭天线，所述介质基片上表面设置有上表面金属贴片和二十四个形状、面积相同的上表面方形金属贴片，上表面方形金属贴片的中心分别设置有形状、面积相同的上表面方形槽，上表面方形金属贴片之间设置有上表面隔离缝隙，上表面方形金属贴片与上表面金属贴片之间设置有上表面耦合缝隙；
所述介质基片下表面设置有下表面金属贴片和二十四个形状、面积相同的下表面方形金属贴片，下表面方形金属贴片的中心分别设置有形状、面积相同的下表面方形槽，下表面方形金属贴片之间设置有下表面隔离缝隙，下表面方形金属贴片与下表面金属贴片之间设置有下表面耦合缝隙。
作为一种具体示例，所述加载超表面结构的宽带基片集成波导喇叭天线，该天线上表面与下表面布局相同，所述上表面方形金属贴片和下表面方形金属贴片的尺寸相同，各上表面方形金属贴片之间的上表面隔离缝隙尺寸相同，各下表面方形金属贴片之间的下表面隔离缝隙尺寸相同，且上表面隔离缝隙和下表面隔离缝隙尺寸相同，上表面耦合缝隙和下表面耦合缝隙尺寸相同。
本实用新型与现有技术相比，其显著优点为：(1)在传统基片集成波导喇叭天线的基础上，通过在喇叭辐射口径处加载由中心开槽的方形金属贴片周期排列组成的超表面结构，在原谐振频率基础上引入新的高频谐振频率，使得传统基片集成波导喇叭天线具有宽带特性；(2)能够通过调节超表面结构的尺寸，来调整高阶模式的谐振频率，通过调节各谐振频率之间的距离，使得该天线在各谐振频率之间也能实现良好的阻抗匹配，有效拓宽了天线的带宽。
附图说明
图1为本实用新型加载超表面结构的宽带基片集成波导喇叭天线的俯视图。
图2为本实用新型加载超表面结构的宽带基片集成波导喇叭天线的仰视图。
图3为本实用新型加载超表面结构的宽带基片集成波导喇叭天线的侧视图。
图4为本实用新型的回波损耗曲线图。
图5为本实用新型的增益曲线图。
图6为本实用新型的E面辐射方向图。
图7为本实用新型的H面辐射方向图。
图中标号：1、共面波导；2、金属化通孔；3、上表面金属贴片；4、下表面金属贴片；5、介质基片；6、上表面方形金属贴片；7、下表面方形金属贴片；8、上表面方耦合缝隙；9、上表面隔离缝隙；10、上表面方形槽；11、下表面耦合缝隙；12、下表面隔离缝隙；13、下表面方形槽。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
结合图1、图2和图3，本实用新型加载超表面结构的宽带基片集成波导喇叭天线，在基片集成波导喇叭天线的喇叭辐射口径处加载超表面结构，所述超表面结构由中心开槽的方形金属贴片周期排列组成，从而在原谐振频率基础上引入高频谐振频率；
作为一种具体示例，所述的加载超表面结构的宽带基片集成波导喇叭天线，包括介质基片5、上表面金属贴片3、下表面金属贴片4和金属化通孔2，该天线采用共面波导1馈电；所述介质基片5上、下表面分别设置周期排列的上表面方形金属贴片6、下表面方形金属贴片7，组成超表面结构。
作为一种具体示例，所述介质基片5上表面设置有上表面金属贴片3和二十四个形状、面积相同的上表面方形金属贴片6，上表面方形金属贴片6的中心分别设置有形状、面积相同的上表面方形槽10，上表面方形金属贴片6之间设置有上表面隔离缝隙9，上表面方形金属贴片6与上表面金属贴片3之间设置有上表面耦合缝隙8；
所述介质基片5下表面设置有下表面金属贴片4和二十四个形状、面积相同的下表面方形金属贴片7，下表面方形金属贴片7的中心分别设置有形状、面积相同的下表面方形槽13，下表面方形金属贴片7之间设置有下表面隔离缝隙12，下表面方形金属贴片7与下表面金属贴片4之间设置有下表面耦合缝隙11。
结合图1、图2，本实用新型加载超表面结构的宽带基片集成波导喇叭天线的上表面与下表面布局相同，所述上表面方形金属贴片6和下表面方形金属贴片7的尺寸相同，各上表面方形金属贴片6之间的上表面隔离缝隙9尺寸相同，各下表面方形金属贴片7之间的下表面隔离缝隙12尺寸相同，且上表面隔离缝隙9和下表面隔离缝隙12尺寸相同，上表面耦合缝隙8和下表面耦合缝隙11尺寸相同。
本实用新型采用共面波导1馈电，因为传统的微带线馈电方式无法满足宽带需求。能量由共面波导1输入到基片集成波导喇叭，经超表面结构后由口径辐射到自由空间。通过调节超表面结构的尺寸，即上表面方形金属贴片6、下表面方形金属贴片7的尺寸，上表面方形槽10、下表面方形槽13的尺寸，上表面耦合缝隙8、下表面耦合缝隙11的尺寸，上表面隔离缝隙9、下表面隔离缝隙12的尺寸，在较宽的频带下可以实现良好的阻抗匹配，从而得到更宽的带宽。
实施例1
本实用新型所采用的实施方案是：一种加载超表面结构的宽带基片集成波导喇叭天线，包括介质基片5、上表面金属贴片3、下表面金属贴片4、上表面方形金属贴片6、下表面方形金属贴片7和金属化通孔2；
该天线采用共面波导1馈电，介质基片5上周期排列的上表面方形金属贴片6和下表面方形金属贴片7组成超表面结构；介质基片5上表面设置有上表面金属贴片3和二十四个形状、面积相同的上表面方形金属贴片6，上表面方形金属贴片6的中心分别设置有形状、面积相同的上表面方形槽10，上表面方形金属贴片6之间设置有上表面隔离缝隙9，上表面方形金属贴片6与上表面金属贴片3之间设置有上表面耦合缝隙8；介质基片5下表面设置有下表面金属贴片4和二十四个形状、面积相同的下表面方形金属贴片7，下表面方形金属贴片7的中心分别设置有形状、面积相同的下表面方形槽13，下表面方形金属贴片7之间设置有下表面隔离缝隙12，下表面方形金属贴片7与下表面金属贴片4之间设置有下表面耦合缝隙11。
本实用新型相较于传统的基片集成波导喇叭天线，在基片集成波导喇叭口径处加载了超表面结构，使得基片集成波导喇叭口径的阻抗得以逐渐变化，最终天线口径与自由空间能够实现良好的阻抗匹配，从而展宽天线带宽。另外，由于加载了超表面结构，可以激励起多种高次模，从而展宽了天线带宽。
能量由共面波导1输入，直接激励起基片集成波导的TE10模式，经基片集成波导喇叭传输后，通过上表面耦合缝隙8、下表面耦合缝隙11耦合到超表面结构中，最后从天线口径处将能量有效的辐射到自由空间中。由于加载了超表面结构，引入高阶谐振模式。通过调节超表面结构的尺寸，即上表面方形金属贴片6、下表面方形金属贴片7的尺寸，上表面方形槽10、下表面方形槽13的尺寸，上表面耦合缝隙8、下表面耦合缝隙11的尺寸，上表面隔离缝隙9、下表面隔离缝隙12的尺寸，可以调整高阶模式的谐振频率，通过调节各谐振频率之间的距离，使得该天线在各谐振频率之间也能实现良好的阻抗匹配，实现天线的宽带特性。
当加载的超表面结构的周期为四分之一波导波长时，该天线的阻抗匹配性能良好。结合图4、图5、图6以及图7，本实用新型加载超表面结构的宽带基片集成波导喇叭天线的带宽(回波损耗小于-10dB)范围为13.2GHz至18.3GHz，相对带宽约32％，远远大于传统的基片集成波导喇叭天线的带宽，同时，当频率在15.5GHz到18GHz时，增益保持在8dBi到10dBi之间，具有稳定的增益特性，并且在带宽范围内，具有稳定的端射辐射特性。
Claims (4)
1.一种加载超表面结构的宽带基片集成波导喇叭天线，其特征在于，在基片集成波导喇叭天线的喇叭辐射口径处加载超表面结构，所述超表面结构由中心开槽的方形金属贴片周期排列组成，从而在原谐振频率基础上引入高频谐振频率。
2.根据权利要求1所述的加载超表面结构的宽带基片集成波导喇叭天线，其特征在于，包括介质基片(5)、上表面金属贴片(3)、下表面金属贴片(4)和金属化通孔(2)，该天线采用共面波导(1)馈电；所述介质基片(5)上、下表面分别设置周期排列的上表面方形金属贴片(6)、下表面方形金属贴片(7)，组成超表面结构。
3.根据权利要求2所述的加载超表面结构的宽带基片集成波导喇叭天线，其特征在于，所述介质基片(5)上表面设置有上表面金属贴片(3)和二十四个形状、面积相同的上表面方形金属贴片(6)，上表面方形金属贴片(6)的中心分别设置有形状、面积相同的上表面方形槽(10)，上表面方形金属贴片(6)之间设置有上表面隔离缝隙(9)，上表面方形金属贴片(6)与上表面金属贴片(3)之间设置有上表面耦合缝隙(8)；
所述介质基片(5)下表面设置有下表面金属贴片(4)和二十四个形状、面积相同的下表面方形金属贴片(7)，下表面方形金属贴片(7)的中心分别设置有形状、面积相同的下表面方形槽(13)，下表面方形金属贴片(7)之间设置有下表面隔离缝隙(12)，下表面方形金属贴片(7)与下表面金属贴片(4)之间设置有下表面耦合缝隙(11)。
4.根据权利要求3所述的加载超表面结构的宽带基片集成波导喇叭天线，其特征在于，该天线上表面与下表面布局相同，所述上表面方形金属贴片(6)和下表面方形金属贴片(7)的尺寸相同，各上表面方形金属贴片(6)之间的上表面隔离缝隙(9)尺寸相同，各下表面方形金属贴片(7)之间的下表面隔离缝隙(12)尺寸相同，且上表面隔离缝隙(9)和下表面隔离缝隙(12)尺寸相同，上表面耦合缝隙(8)和下表面耦合缝隙(11)尺寸相同。
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