CN210668693U - 新型isgw过孔簇馈电天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了新型ISGW过孔簇馈电天线，其包括辐射结构和集成基片间隙波导结构，集成基片间隙波导结构包括用于屏蔽电磁辐射能量的电磁带隙结构、用于传输能量的馈电结构、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，辐射结构形成在上层介质板的上表面，馈电结构形成在上层介质板的下表面并具有由至少一个贯穿上层介质板的第一金属过孔组成的金属过孔簇，电磁带隙结构形成在下层介质板上。本实用新型能够实现宽带宽和高增益的线极化天线和圆极化天线，适用于在射频、微波、毫米波和太赫兹波的应用，可用于射频、微波、毫米波和太赫兹波天线，特别是5G毫米波天线，例如5G毫米波天线。

Description

新型ISGW过孔簇馈电天线

技术领域

本实用新型涉及天线技术领域，特别是涉及新型ISGW过孔簇馈电天线。

背景技术

随着雷达技术和通信技术的广泛发展和应用，低频段的微波技术已经不能适应当前要求，当前对空间传输的各个微波频段开发要求越来越高，因此天线研究者开始开发研究更高频段的空间资源，这不仅要求天线小型化、重量轻、具有良好的隐蔽性和机动性，同时为了满足大容量通信的需求，要求天线具有宽频带、双极化、多频点的特性，贴片天线以其诸多优点使得在通信领域备受青睐。相对于线极化天线，圆极化天线可以提供更优秀的信道性能，圆极化的电磁波在减小信道极化适配、抑制多径干涉等方面具有显著优势。

到目前为止，在毫米波段工作的天线已有很多报道。这些天线可大致分为微带天线、金属矩形波导(RectangleWaveguide，RW)天线和基片集成波导(Substrate IntegratedWaveguide,SIW)天线。但是，面对毫米波段运用，传统的天线存在一些问题，比如纯金属的结构在毫米波段难以制造，馈电网络的屏蔽性不高、结构复杂。近年来，一种称为集成基片间隙波导(IntegratedSubstrate Gap Waveguide，ISGW)的新型传输线被提出，该传输线基于多层介质板来实现。ISGW将内部微带线封装在EBG(Electromagnetic Band Gap，电磁场带隙)中，大大提高了馈电网络的屏蔽性。由于天线可以设计在ISGW的多层结构内部，而非通过外部耦合为其馈电，因此，ISGW天线易于实现低剖面和易互连。

但是，ISGW技术刚被提出，采用ISGW设计的天线极少，现有的天线存在带宽窄，增益低的缺点。

实用新型内容

本实用新型主要解决的技术问题是提供新型ISGW过孔簇馈电天线，能够实现宽带宽和高增益的线极化天线和圆极化天线。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的一个技术方案是：提供新型ISGW过孔簇馈电天线，包括辐射结构和集成基片间隙波导结构，所述集成基片间隙波导结构包括用于屏蔽电磁辐射能量的电磁带隙结构、用于传输能量的馈电结构、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)，所述辐射结构形成在所述上层介质板(1)的上表面，所述馈电结构形成在所述上层介质板(1)的下表面并具有由至少一个贯穿所述上层介质板(1)的第一金属过孔组成的金属过孔簇(15)，所述电磁带隙结构形成在所述下层介质板(3)上。

优选的，所述上层介质板(1)的上表面印刷有第一覆铜层(11)，所述辐射结构包括形成在所述第一覆铜层(11)上的缝隙(12)以及形成在所述缝隙(12)中的辐射贴片(13)。

优选的，所述馈电结构包括设于所述上层介质板(1)的下表面的微带线(14)，所述金属过孔簇(15)分别与所述微带线(14)和辐射贴片(13)相连。

优选的，所述缝隙(12)为圆形或多边形，所述辐射贴片(13)为圆形或矩形切角后形成的多边形。

优选的，所述金属过孔簇(15)由一个第一金属过孔组成，所述金属过孔位于微带线(14)的端部。

优选的，所述金属过孔簇(15)由两个第一金属过孔组成，所述微带线(14)的端部设有侧向延伸的微带分支线(141)，一个第一金属过孔位于微带线(14)的端部，另一个第一金属过孔位于微带分支线(141)。

优选的，所述电磁带隙结构包括印刷在所述下层介质板(3)的上表面的周期性排列的圆形金属贴片(31)和所述下层介质板(3)的下表面的第二覆铜层(32)，每一所述圆形金属贴片(31)通过第二金属过孔(33)与第二覆铜层(32)连接。

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

优选的，所述辐射贴片(13)有两处切角，所述两处切角位置位于矩形的对角。

优选的，所述金属过孔簇(15)由一个第一金属过孔组成时，第一金属过孔位于辐射贴片(13)的几何中心。

优选的，所述微带线(14)的宽度呈阶梯过渡。

优选的，位于所述辐射贴片(13)正下方的预定范围内的圆形金属贴片(31)与其余部分的圆形金属贴片(31)的排列周期不一致。

优选的，所述圆形金属贴片(31)构成8×6阵列，且第4列、第5列前三行的圆形金属贴片(31)以及第4列、第5列后三行的圆形金属贴片(31)的排列周期分别向外侧偏移，第3行、第4行后三列的圆形金属贴片(31)的排列周期向内侧偏移。

优选的，所述上层介质板(1)、间隔介质板(2)和下层介质板(3)均采用介电常数为2.2、损耗角正切为0.0009的介质材料，所述上层介质板(1)、间隔介质板(2)和下层介质板(3)的外廓尺寸为30mm×20mm×1.549mm。

区别于现有技术的情况，本实用新型的有益效果是：

1.通过集成基片间隙间隙波导结构，改善了毫米波频段的能量传输特性；

2.通过将集成基片间隙间隙波导结构集成在介质板上，大大降低了天线的厚度，提高了天线的增益，提高了天线的宽带；

3.能够实现宽带宽和高增益，具有易加工、易集成、辐射效率高等优点，适用于在射频、微波、毫米波和太赫兹波的应用，可用于射频、微波、毫米波和太赫兹波天线，例如5G毫米波天线。

附图说明

图1是本实用新型第一实施例的新型ISGW过孔簇馈电天线的结构示意图。

图2是图1所示的新型ISGW过孔簇馈电天线的上层介质板的俯视示意图。

图3是图1所示的新型ISGW过孔簇馈电天线的上层介质板的仰视示意图。

图4是图1所示的新型ISGW过孔簇馈电天线的下层介质板的俯视示意图。

图5是图1所示的新型ISGW过孔簇馈电天线的下层介质板的仰视示意图。

图6是本实用新型第二实施例的新型ISGW过孔簇馈电天线的结构示意图。

图7是图6所示的新型ISGW过孔簇馈电天线的上层介质板的仰视示意图。

图8是图6所示的新型ISGW过孔簇馈电天线的上层介质板的仰视示意图。

图9是本实用新型第三实施例的新型ISGW过孔簇馈电天线的结构示意图。

图10是图9所示的新型ISGW过孔簇馈电天线的上层介质板的仰视示意图。

图11是图9所示的新型ISGW过孔簇馈电天线的上层介质板的仰视示意图。

图12是图1所示的新型ISGW过孔簇馈电天线的回波损耗和增益的测试仿真结果图。

图13是图6所示的新型ISGW过孔簇馈电天线的回波损耗和增益的测试仿真结果图。

图14是图9所示的新型ISGW过孔簇馈电天线的回波损耗和增益的测试仿真结果图。

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，是本实用新型的新型ISGW过孔簇馈电天线的第一实施例。在本实用新型第一实施例中，新型ISGW过孔簇馈电天线包括辐射结构和集成基片间隙波导结构，集成基片间隙波导结构包括用于屏蔽电磁辐射能量的电磁带隙结构、用于传输能量的馈电结构、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，辐射结构形成在上层介质板1的上表面，馈电结构形成在上层介质板1的下表面并具有由至少一个贯穿上层介质板1的第一金属过孔组成的金属过孔簇15，电磁带隙结构形成在下层介质板3上。

具体而言，上层介质板1的上表面印刷有第一覆铜层11，辐射结构包括形成在第一覆铜层11上的缝隙12以及形成在缝隙12中的辐射贴片13，缝隙12可以为圆形或多边形，例如在本实施例中为圆形。馈电结构包括设于上层介质板1的下表面的微带线14，金属过孔簇15分别与微带线14和辐射贴片13相连。辐射贴片13可以为圆形或矩形切角后形成的多边形，例如在本实施例中为矩形切角后形成的多边形。

本实施例中，金属过孔簇15由一个第一金属过孔组成，第一金属过孔位于微带线14的端部。在实际设置时，该第一金属过孔位于辐射贴片13的几何中心，微带线14的宽度呈阶梯过渡，如图3所示，在微带线14的中间位置，宽度呈阶梯过渡。

在一个具体应用中，辐射贴片13有两处切角，两处切角位置位于矩形的对角，例如两处切角位于矩形的左上角和右下角。

电磁带隙结构包括印刷在下层介质板3的上表面的周期性排列的圆形金属贴片31和下层介质板3的下表面的第二覆铜层32，每一圆形金属贴片31通过第二金属过孔33与第二覆铜层32连接。其中，每一圆形金属贴片31与其上的第二金属过孔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。

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。在本实施例中，上层介质板1、下层介质板3和间隔介质板2可以粘合在一起或通过螺钉固定在一起。

本实施例的新型ISGW过孔簇馈电天线构成圆极化天线，上层介质板1的上表面的第一覆铜层11相当于理想电导体(PEC)，下层介质板3相当于理想磁导体(PMC)，微带线14处于PEC和PMC之间，使微带线14被封装在其中不受外界干扰，微带线14的一端通过第一金属过孔15与辐射贴片13相连，为辐射贴片13进行探针馈电。

为了获得所需的工作频段，通过为蘑菇型EBG结构选取合适的排列周期以及为圆形金属贴片31和第二金属过孔33选取合适的尺寸，可以使得EBG结构的阻带与ISGW所传播的电磁波频段相适应。为了获得更好的匹配效果，在本实施例中，位于辐射贴片13正下方的预定范围内的圆形金属贴片31与其余部分的圆形金属贴片31的排列周期不一致，这样能够防止微带线14馈送的能量耦合到蘑菇型EBG结构阵列上，可以有效改善特征阻抗。举例而言，如图4所示，圆形金属贴片31构成8×6阵列，即蘑菇型EBG结构也构成8×6阵列，第4列、第5列前三行的圆形金属贴片31以及第4列、第5列后三行的圆形金属贴片31的排列周期分别向外侧偏移，第3行、第4行后三列的圆形金属贴片31的排列周期向内侧偏移。

本实施例的新型ISGW过孔簇馈电天线在实际应用中具有以下特性：

通过改变辐射贴片13的尺寸和切角的大小以调节轴比带宽以及谐振频点的谐振深度，但辐射贴片13的尺寸和切角的大小对-10dB带宽的影响较小。具体而言，改变辐射贴片13的切角的大小可以调整相位差，对圆极化辐射造成影响；改变缝隙12的半径可以调整轴比带宽，对天线匹配造成影响。

在一个具体应用中，上层介质板1、间隔介质板2和下层介质板3均采用介电常数为2.2、损耗角正切为0.0009的Rogers5880介质材料，上层介质板1、间隔介质板2和下层介质板3的外廓尺寸为30mm×20mm×1.549mm。通过对本实施例的新型ISGW过孔簇馈电天线仿真及测试得到测试结果，如图12所示，仿真结果表明，该天线具有从22.3到27.3GHz(20％)的阻抗带宽(|S₁₁|低于-10dB)，拥有26.4到28.3GHz(7％)的轴比带宽，带内增益为7.2―8.4dBi。

参阅图6至图8，是本实用新型的新型ISGW过孔簇馈电天线的第二实施例。该第二实施例的新型ISGW过孔簇馈电天线具有与第一实施例的新型ISGW过孔簇馈电天线相同的技术特征，不同之处在于，缝隙12为圆形，辐射贴片13为圆形。也就是说，辐射贴片13和缝隙12均为圆形，新型ISGW过孔簇馈电天线也是构成圆极化天线，且金属过孔簇15也是由一个第一金属过孔组成。在本实施例中，缝隙12的直径为辐射贴片13的两倍。

本实施例的新型ISGW过孔簇馈电天线在实际应用中具有以下特性：

通过改变第一金属过孔的直径大小，以调节频点，其中，第一金属过孔的直径越大，第一谐振点频率越向高频处移动，同时谐振深度也有所变化，第二谐振点频率位置基本不动，但是谐振深度会有所差距。具体而言，增大第一金属过孔的直径可以增加谐振频率，同时会对谐振深度造成影响；改变缝隙12的直径可以调整增益和匹配，在一个具体应用中，缝隙12的直径为圆形辐射贴片13的两倍时，能够获得较好的增益和匹配。

通过对本实施例的新型ISGW过孔簇馈电天线仿真及测试得到测试结果，如图13所示，仿真结果表明，该天线回波损耗小于-10dB的工作频段为21.5―26.3GHz，带内增益为6―9.4dBi。

参阅图9至图11，是本实用新型的新型ISGW过孔簇馈电天线的第三实施例。该第三实施例的圆极化天线具有与第一实施例的圆极化天线相同的技术特征，且缝隙12为圆形，辐射贴片13为矩形切角后形成的多边形，不同之处在于，金属过孔簇15由两个第一金属过孔组成，微带线14的端部设有侧向延伸的微带分支线141，一个第一金属过孔位于微带线14的端部，另一个第一金属过孔位于微带分支线141。这样，本实施例的新型ISGW过孔簇馈电天线也构成圆极化天线。

本实施例的新型ISGW过孔簇馈电天线在实际应用中具有以下特性：

通过改变切角的大小以调节圆极化的两个简并模的分离程度，其中，切角越大，轴比带宽越大；通过改变第一金属过孔的馈电位置离缝隙12的圆心位置以调节轴比带宽，其中，第一金属过孔的馈电位置离缝隙12的圆心位置为预定距离时，轴比带宽最高，小于或大于预定距离，轴比带宽降低。改变辐射贴片13的切角的大小可以调整相位差，对圆极化辐射造成影响；改变缝隙12的半径可以调整轴比带宽，对天线匹配造成影响。

通过对本实施例的新型ISGW过孔簇馈电天线仿真及测试得到测试结果，如图14所示，仿真结果表明，该天线具有从24.2到27.7GHz(13.4％)的阻抗带宽(|S₁₁|低于-10dB)，拥有24.7到28.6GHz(14.7％)的轴比带宽，带内增益为6.5―8dBi。

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.新型ISGW过孔簇馈电天线，其特征在于，包括辐射结构和集成基片间隙波导结构，所述集成基片间隙波导结构包括用于屏蔽电磁辐射能量的电磁带隙结构、用于传输能量的馈电结构、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)，所述辐射结构形成在所述上层介质板(1)的上表面，所述馈电结构形成在所述上层介质板(1)的下表面并具有由至少一个贯穿所述上层介质板(1)的第一金属过孔组成的金属过孔簇(15)，所述电磁带隙结构形成在所述下层介质板(3)上。

2.根据权利要求1所述的新型ISGW过孔簇馈电天线，其特征在于，所述上层介质板(1)的上表面印刷有第一覆铜层(11)，所述辐射结构包括形成在所述第一覆铜层(11)上的缝隙(12)以及形成在所述缝隙(12)中的辐射贴片(13)。

3.根据权利要求2所述的新型ISGW过孔簇馈电天线，其特征在于，所述馈电结构包括设于所述上层介质板(1)的下表面的微带线(14)，所述金属过孔簇(15)分别与所述微带线(14)和辐射贴片(13)相连。

4.根据权利要求3所述的新型ISGW过孔簇馈电天线，其特征在于，所述缝隙(12)为圆形或多边形，所述辐射贴片(13)为圆形或矩形切角后形成的多边形。

5.根据权利要求4所述的新型ISGW过孔簇馈电天线，其特征在于，所述金属过孔簇(15)由一个第一金属过孔组成，所述第一金属过孔位于微带线(14)的端部。

6.根据权利要求4所述的新型ISGW过孔簇馈电天线，其特征在于，所述金属过孔簇(15)由两个第一金属过孔组成，所述微带线(14)的端部设有侧向延伸的微带分支线(141)，一个第一金属过孔位于微带线(14)的端部，另一个第一金属过孔位于微带分支线(141)。

7.根据权利要求5或6所述的新型ISGW过孔簇馈电天线，其特征在于，所述电磁带隙结构包括印刷在所述下层介质板(3)的上表面的周期性排列的圆形金属贴片(31)和所述下层介质板(3)的下表面的第二覆铜层(32)，每一所述圆形金属贴片(31)通过第二金属过孔(33)与第二覆铜层(32)连接。

8.根据权利要求7所述的新型ISGW过孔簇馈电天线，其特征在于，位于所述辐射贴片(13)正下方的预定范围内的圆形金属贴片(31)与其余部分的圆形金属贴片(31)的排列周期不一致。

9.根据权利要求8所述的新型ISGW过孔簇馈电天线，其特征在于，所述圆形金属贴片(31)构成8×6阵列，且第4列、第5列前三行的圆形金属贴片(31)以及第4列、第5列后三行的圆形金属贴片(31)的排列周期分别向外侧偏移，第3行、第4行后三列的圆形金属贴片(31)的排列周期向内侧偏移。

10.根据权利要求7所述的新型ISGW过孔簇馈电天线，其特征在于，所述上层介质板(1)、间隔介质板(2)和下层介质板(3)均采用介电常数为2.2、损耗角正切为0.0009的介质材料，所述上层介质板(1)、间隔介质板(2)和下层介质板(3)的外廓尺寸为30mm×20mm×1.549mm。

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