CN209592305U - 一种isgw圆极化缝隙行波阵列天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种ISGW圆极化缝隙行波阵列天线，其包括上层介质板、下层介质板以及设置在上层介质板和下层介质板之间的间隔介质板；上层介质板的上表面印刷有第一敷铜层，第一敷铜层上蚀刻有多个沿预定方向间隔设置的缝隙单元，缝隙单元包括长度方向相交且均不与预定方向平行的两个矩形缝隙，上层介质板的下表面印刷有沿所述预定方向设置的馈电微带线；下层介质板的上表面印刷有周期性排列的圆形金属贴片，下层介质板的下表面印刷有第二敷铜层，每一圆形金属贴片上设有贯穿下层介质板的金属过孔，金属过孔与第二敷铜层连接。本实用新型能够克服现有的圆极化天线结构复杂、电磁屏蔽性能不强等缺点。

Description

一种ISGW圆极化缝隙行波阵列天线

技术领域

本实用新型涉及天线技术领域，特别是涉及一种ISGW圆极化缝隙行波阵列天线。

背景技术

圆极化天线由于具有良好的兼容性和良好的抗干扰能力，因而被广泛运用于导航卫星、雷达和移动通信等场景中。到目前为止，在毫米波段工作的圆极化天线可大致分为微带圆极化天线、金属矩形波导(RW)圆极化天线和基片集成波导(SIW)圆极化天线。但是，面对毫米波段运用，传统的圆极化天线存在一些问题，比如纯金属的结构在毫米波段难以制造，基片集成波导(SIW)的电磁屏蔽性能不强、结构复杂。此外，信息化战争的需求促使雷达通信技术的发展迅猛。适应更为复杂的战争环境，提高雷达准确度和抗干扰能力，通常要求天线有极低的副瓣和较高的主瓣增益。而波导缝隙天线阵可以通过控制天线单元间距从而实现低副瓣和窄主瓣。因此波导缝隙天线在地对地，空对地，空对空的信息化战争中有广泛的研究和应用价值。

近年来，集成基片间隙波导(ISGW)传输线被提出，该传输线基于多层PCB来实现,分为带脊的集成基片间隙波导和微带集成基片间隙波导两种结构。带脊的集成基片间隙波导一般由两层PCB构成，上层PCB外侧表面全敷铜构成理想电导体(PEC)，下层PCB上印刷有微带线，微带线上带有一系列金属化过孔与下方金属地相连形成一种类似脊的结构，微带线两侧是周期性的蘑菇结构以形成理想磁导体(PMC)。由于PEC与PMC间形成蘑菇型EBG(Electromagnetic Band Gap，电磁场带隙)结构，电磁波(准TEM波)只能沿着微带线传播，但是，由于带脊的集成基片间隙波导中微带脊与蘑菇型EBG结构处于同一层PCB板上，所以其微带脊会受到蘑菇型EBG结构的制约而不方便走线，在实际应用中存在局限性。

微带集成基片间隙波导由三层PCB板构成。上层PCB板的外侧全覆铜形成PEC，内侧则印刷微带线，底层PCB板上全部印制周期性排列的蘑菇型EBG结构以构成PMC，在上层和底层间插入一块空白介质板来隔断上层PCB板和底层PCB板。由于有空白介质板的隔断，微带线布局灵活，不必担心受到周期结构制约。当这种集成基片间隙波导工作时，准TEM波会沿着微带线在微带线与PEC之间的介质基板内传播，这种工作模式和介质埋藏的微带线十分类似。但是，同样地，PEC与PMC之间的蘑菇型EBG结构会阻止波在其他方向上的传播，难以保证沿微带线的准TEM波的传播。

因此，上述两种结构的圆极化天线存在结构复杂、电磁屏蔽性能不强等缺点。

实用新型内容

本实用新型主要解决的技术问题是提供一种ISGW圆极化缝隙行波阵列天线，能够克服现有的圆极化天线结构复杂、电磁屏蔽性能不强等缺点。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的一个技术方案是：提供一种ISGW圆极化缝隙行波阵列天线，包括上层介质板(1)、下层介质板(3)以及设置在所述上层介质板(1)和下层介质板(3)之间的间隔介质板(2)；所述上层介质板(1)的上表面印刷有第一敷铜层(11)，所述第一敷铜层(11)上蚀刻有多个沿预定方向间隔设置的缝隙单元(12)，所述缝隙单元(12)包括长度方向相交且均不与所述预定方向平行的两个矩形缝隙(121)，所述上层介质板(1)的下表面印刷有沿所述预定方向设置的馈电微带线(13)；所述下层介质板(3)的上表面印刷有周期性排列的圆形金属贴片(31)，所述下层介质板(3)的下表面印刷有第二敷铜层(32)，每一所述圆形金属贴片(31)上设有贯穿下层介质板(3)的金属过孔(33)，所述金属过孔(33)与第二敷铜层(32)连接。

优选的，所述缝隙单元(12)的两个矩形缝隙(121)的长度方向均与预定方向形成41.5°的夹角。

优选的，所述上层介质板(1)、间隔介质板(2)以及下层介质板(3)均采用Rogers4003C板材，厚度分别为0.508mm，0.254mm，0.813mm。

优选的，所述缝隙单元(12)的两个矩形缝隙(121)的几何中心点在馈电微带线(13)上的投影相距1.8mm。

优选的，所述缝隙单元(12)的两个矩形缝隙(121)的几何中心点到馈电微带线(13)中心线的垂线距离均为1.8mm。

优选的，相邻两个所述缝隙单元(12)的间距为7.6mm。

优选的，所述馈电微带线(13)的端部与最近的矩形缝隙(121)的几何中心点的距离为4.0mm。

优选的，所述缝隙单元(12)的数量为7个，所述圆形金属贴片(31)为25×6阵列。

优选的，所述上层介质板(1)、下层介质板(3)和间隔介质板(2)粘合在一起。

优选的，所述馈电微带线(13)的宽度呈阶梯过渡。

区别于现有技术的情况，本实用新型的有益效果是：通过采用三块介质板构成集成基片间隙波导天线阵，三块介质板分别为有覆铜层的上层介质板，有电磁场带隙的下层介质板以及分隔上、下层介质板的间隔介质板，上层介质板的覆铜层上蚀刻有多个缝隙单元，每个缝隙单元包括两个矩形缝隙，上层介质板下表面的馈电微带线激励两个矩形缝隙产生圆极化辐射，形成ISGW圆极化行波天线，从而能够克服现有的圆极化天线结构复杂、电磁屏蔽性能不强等缺点，具有组阵简单，抗干扰能力强，易集成，带宽较宽，窄波束，低副瓣等优点，可以应用于5G及其他射频、微波和毫米波无线通信系统。

附图说明

图1是本实用新型实施例的ISGW圆极化缝隙行波阵列天线的结构示意图。

图2是图1所示的ISGW圆极化缝隙行波阵列天线的上层介质板的俯视示意图。

图3是图1所示的ISGW圆极化缝隙行波阵列天线的上层介质板的仰视示意图。

图4是图1所示的ISGW圆极化缝隙行波阵列天线的下层介质板的俯视示意图。

图5是图1所示的ISGW圆极化缝隙行波阵列天线的下层介质板的仰视示意图。

图6是图1所示的ISGW圆极化缝隙行波阵列天线端口1馈电时的回波损耗和轴比仿真结果示意图。

图7是图1所示的ISGW圆极化缝隙行波阵列天线端口1馈电时23GHz处的增益仿真结果示意图。

图8是图1所示的ISGW圆极化缝隙行波阵列天线端口2馈电时的回波损耗和轴比仿真结果示意图。

图9是图1所示的ISGW圆极化缝隙行波阵列天线端口2馈电时23GHz处的增益仿真结果示意图。

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，所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，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。

参阅图1至图5，本实用新型实施例的ISGW圆极化缝隙行波阵列天线包括上层介质板1、下层介质板3以及设置在上层介质板1和下层介质板3之间的间隔介质板2。

上层介质板1的上表面印刷有第一敷铜层11，第一敷铜层11上蚀刻有多个沿预定方向间隔设置的缝隙单元12，缝隙单元12包括长度方向相交且均不与预定方向平行的两个矩形缝隙121。预定方向例如为上层介质板1的长度方向，缝隙单元12可以设置在上层介质板1的中心线上。缝隙单元12的两个矩形缝隙121的长度方向的夹角在0-90°之间。

上层介质板1的下表面印刷有沿预定方向设置的馈电微带线13。馈电微带线13的宽度可以呈阶梯过渡。

间隔介质板2用于分隔上层介质板1和下层介质板3，使上层介质板1和下层介质板3之间形成间隙。上层介质板1、下层介质板3和间隔介质板2可以粘合在一起。

下层介质板3的上表面印刷有周期性排列的圆形金属贴片31，下层介质板3的下表面印刷有第二敷铜层32，每一圆形金属贴片31上设有贯穿下层介质板3的金属过孔33，金属过孔33与第二敷铜层32连接。每一圆形金属贴片31与其上的金属过孔33一起组成了蘑菇型EBG结构，这样，下层介质板3上就形成了周期性排列的蘑菇型EBG结构。

馈电微带线13的两个端部作为两个端口，当一个端口(称作端口1)连接同轴探针，另一个端口(称作端口2)连接50欧姆匹配负载，当端口2连接50欧姆匹配负载，端口1连接同轴探针。

在本实施例中，如图2所示，缝隙单元12的两个矩形缝隙121的长度方向均与预定方向形成41.5°的夹角，缝隙单元12的两个矩形缝隙121的几何中心点在馈电微带线13上的投影相距1.8mm，缝隙单元12的两个矩形缝隙121的几何中心点到馈电微带线13中心线的垂线距离均为1.8mm，相邻两个缝隙单元12的间距为7.6mm，馈电微带线13的端部与最近的矩形缝隙121的几何中心点的距离为4.0mm。

上层介质板1、间隔介质板2、下层介质板3、第一敷铜层11、馈电微带线13、周期性排列的蘑菇型EBG结构以及第二敷铜层32构成了微带型集成基片间隙波导结构。上层介质板1下表面的馈电微带线13会激励多个缝隙单元12产生辐射。当矩形缝隙121的尺寸固定时，加长或缩短馈电微带线13的长度，回波损耗变化较大，但轴比变化较小。

由于缝隙单元12的两个矩形缝隙121的长度方向均与预定方向形成41.5°的夹角，也就是均与馈电微带线13形成41.5°的夹角，以此产生两个正交电场分量，形成圆极化电磁波。

本实施例的ISGW圆极化缝隙行波阵列天线在实际应用中具有以下特性：

当其他参数固定不变时，如果相邻两个缝隙单元12的间距增大，天线的轴比和阻抗带宽保持不变，最高增益向匹配端偏移，副瓣电平升高；如果相邻两个缝隙单元12的间距减小，天线的轴比和阻抗带宽保持不变，最高增益向馈电端偏移，副瓣电平升高。

当其他参数固定不变时，如果端口1与最近的矩形缝隙121的几何中心点的距离增大，天线的轴比和阻抗带宽保持不变，轴比带宽减小，带内轴比性能逐渐恶化；如果端口1与最近的矩形缝隙121的几何中心点的距离减小，天线的轴比和阻抗带宽保持不变，轴比带宽减小，带内轴比性能逐渐恶化。

当其他参数固定不变时，如果端口1连接同轴探针，端口2连接50欧姆匹配负载，天线辐射右旋圆极化波；如果端口2连接同轴探针，端口1连接50欧姆匹配负载，天线辐射右旋圆极化波，天线辐射左旋圆极化波。

当其他参数固定不变时，如果缝隙单元12数量增多，天线阻抗带宽保持不变，轴比带宽减小，增益升高，主波束宽度减小；如果缝隙单元12数量减少，天线阻抗带宽保持不变，轴比带宽增大，增益降低，主波束宽度增大。

在实际应用中，为了获得所需的工作频带，需要合适地选取周期性排列的蘑菇型EBG结构中圆形金属贴片31和金属过孔33的尺寸以及蘑菇状EBG结构的周期，使蘑菇型EBG结构的阻带与集成基片间隙波导所传播的电磁波频带相适应。例如，在一种具体应用中，缝隙单元12的数量为7个，圆形金属贴片31为25×6阵列，即蘑菇型EBG结构为25×6阵列。

为了详细说明本实施例的ISGW圆极化缝隙行波阵列天线，下面给出一个具体实例。在该具体实例中，上层介质板(1)、间隔介质板(2)以及下层介质板(3)均采用Rogers4003C板材，厚度分别为0.508mm，0.254mm，0.813mm。通过仿真及测试得到测试结果，如图6至图9所示，测试结果表明，当端口1馈电时，该天线的-10dB阻抗带宽20.4-31.2GHz(相对带宽为41.8％)，3dB轴比带宽为21.5-25.3GHz(相对带宽为16.2％)，在23GHz处的最大增益约为12.7dBi，副瓣电平小于-11.9dB；当端口2馈电时，该天线的-10dB阻抗带宽20.6-31.2GHz(相对带宽为40.9％)，3dB轴比带宽为21.6-23.88GHz(相对带宽为10.0％)，在23GHz处的最大增益约为13dBi，副瓣电平小于-12.4dB。图中，S₁₁表示回波损耗，AR表示轴比。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种ISGW圆极化缝隙行波阵列天线，其特征在于，包括上层介质板(1)、下层介质板(3)以及设置在所述上层介质板(1)和下层介质板(3)之间的间隔介质板(2)；所述上层介质板(1)的上表面印刷有第一敷铜层(11)，所述第一敷铜层(11)上蚀刻有多个沿预定方向间隔设置的缝隙单元(12)，所述缝隙单元(12)包括长度方向相交且均不与所述预定方向平行的两个矩形缝隙(121)，所述上层介质板(1)的下表面印刷有沿所述预定方向设置的馈电微带线(13)；所述下层介质板(3)的上表面印刷有周期性排列的圆形金属贴片(31)，所述下层介质板(3)的下表面印刷有第二敷铜层(32)，每一所述圆形金属贴片(31)上设有贯穿下层介质板(3)的金属过孔(33)，所述金属过孔(33)与第二敷铜层(32)连接。

2.根据权利要求1所述的ISGW圆极化缝隙行波阵列天线，其特征在于，所述缝隙单元(12)的两个矩形缝隙(121)的长度方向均与预定方向形成41.5°的夹角。

3.根据权利要求1所述的ISGW圆极化缝隙行波阵列天线，其特征在于，所述上层介质板(1)、间隔介质板(2)以及下层介质板(3)均采用Rogers4003C板材，厚度分别为0.508mm，0.254mm，0.813mm。

4.根据权利要求1或3所述的ISGW圆极化缝隙行波阵列天线，其特征在于，所述缝隙单元(12)的两个矩形缝隙(121)的几何中心点在馈电微带线(13)上的投影相距1.8mm。

5.根据权利要求1或3所述的ISGW圆极化缝隙行波阵列天线，其特征在于，所述缝隙单元(12)的两个矩形缝隙(121)的几何中心点到馈电微带线(13)中心线的垂线距离均为1.8mm。

6.根据权利要求1或3所述的ISGW圆极化缝隙行波阵列天线，其特征在于，相邻两个所述缝隙单元(12)的间距为7.6mm。

7.根据权利要求1或3所述的ISGW圆极化缝隙行波阵列天线，其特征在于，所述馈电微带线(13)的端部与最近的矩形缝隙(121)的几何中心点的距离为4.0mm。

8.根据权利要求1或3所述的ISGW圆极化缝隙行波阵列天线，其特征在于，所述缝隙单元(12)的数量为7个，所述圆形金属贴片(31)为25×6阵列。

9.根据权利要求1所述的ISGW圆极化缝隙行波阵列天线，其特征在于，所述上层介质板(1)、下层介质板(3)和间隔介质板(2)粘合在一起。

10.根据权利要求1所述的ISGW圆极化缝隙行波阵列天线，其特征在于，所述馈电微带线(13)的宽度呈阶梯过渡。