CN212011279U - 一种基片集成波导漏波天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基片集成波导漏波天线，包括介质基板以及设于介质基板上的上金属层，所述上金属层上设有缝隙调制单元，所述上金属层的两侧分别设有一排平面开路短截线。本基片集成波导漏波天线上无需设置金属化孔，有效地降低了加工难度，利于降低基片集成波导漏波天线的制造成本；仿真难度低，利于节约时间；基片集成波导漏波天线厚度小，实现了薄化；并且平面化结构利于系统集成。

Description

一种基片集成波导漏波天线

技术领域

本实用新型涉及天线技术领域，尤其涉及一种基片集成波导漏波天线。

背景技术

基片集成波导SIW(Substrate Integrated Waveguide)是一种类似传统矩形金属波导的准封闭平面导波结构。典型的单层基片集成波导中，介质基板上下表面金属层通过两排并行、相隔一定间距的金属化孔相连接，形成一种准封闭平面导波结构。基片集成波导兼具传统矩形波导和微带线的优点，具有良好的传输特性并且可以与多种工艺集成实现，因此在天线系统集成和小型化领域被广泛使用。但传统的SIW的缺点包括：金属化孔的加工工艺复杂，尤其是小通孔的制作难度大；带有金属化孔的SIW的等效电路模型在毫米波段不精准，需要借助电磁仿真工具来实现，而大量的金属化孔将耗费巨额的仿真资源与时间；另外，传统的SIW还存在厚度大的缺陷。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种结构新颖的平面状基片集成波导漏波天线。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：一种基片集成波导漏波天线，包括介质基板以及设于介质基板上的上金属层，所述上金属层上设有缝隙调制单元，所述上金属层的两侧分别设有一排平面开路短截线。

进一步的，所述平面开路短截线的长度为所述基片集成波导漏波天线工作频段的四分之一波长。

进一步的，所述上金属层的两侧的所述平面开路短截线一一对应设置。

进一步的，所述缝隙调制单元包括并列设置的N个开缝，N为大于2的整数；所述缝隙调制单元中，所述开缝的长度由所述缝隙调制单元的短中轴向两侧逐渐减小，且位于所述短中轴两侧的所述开缝相对于所述短中轴对称，所述缝隙调制单元的长中轴将所述开缝均分为两半。

进一步的，每个所述开缝的两端分别对应有所述平面开路短截线。

进一步的，所述缝隙调制单元的数量为多个，任意两个所述缝隙调制单元的长中轴均共线。

进一步的，任意两个所述开缝的宽度均相等，相邻的两个所述开缝之间的间距等于所述开缝的宽度。

进一步的，相邻的两个所述缝隙调制单元之间的间距等于相邻的两个所述开缝之间的间距。

进一步的，所述开缝中加载有可变电容。

进一步的，所述上金属层的两端分别设有微带线，所述微带线通过渐变线与所述上金属层导通，所述渐变线的宽度由连接所述微带线的一端朝连接所述上金属层的一端逐渐变大。

本实用新型的有益效果在于：

1、基片集成波导漏波天线上无需设置金属化孔，有效地降低了加工难度，利于降低基片集成波导漏波天线的制造成本；

2、仿真难度低，利于节约时间；

3、基片集成波导漏波天线厚度小，实现了薄化；并且平面化结构利于系统集成。

附图说明

图1为本实用新型实施例的基片集成波导漏波天线的俯视图；

图2为本实用新型实施例的基片集成波导漏波天线的剖视图；

图3为本实用新型实施例一的基片集成波导漏波天线中的缝隙调制单元的结构示意图；

图4为本实用新型实施例一的基片集成波导漏波天线的等效电路原理图；

图5为本实用新型实施例一的基片集成波导漏波天线的辐射方向仿真与传统的基片集成波导漏波天线的辐射方向仿真结果对比图；

图6为本实用新型实施例二的基片集成波导漏波天线中的缝隙调制单元的结构示意图；

图7为本实用新型实施例二的基片集成波导漏波天线的辐射方向结果图。

标号说明：

1、上金属层；

2、介质基板；

3、下金属层；

4、平面开路短截线；

5、缝隙调制单元；

6、开缝；

7、微带线；

8、渐变线；

9、可变电容；

A、短中轴；

B、长中轴。

具体实施方式

为详细说明本实用新型的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

本实用新型最关键的构思在于：利用平面开路短截线4取代金属化孔。

请参照图1至图7，一种基片集成波导漏波天线，包括介质基板2以及设于介质基板2上的上金属层1，所述上金属层1上设有缝隙调制单元5，所述上金属层1的两侧分别设有一排平面开路短截线4。

从上述描述可知，本实用新型的有益效果在于：1、基片集成波导漏波天线上无需设置金属化孔，有效地降低了加工难度，利于降低基片集成波导漏波天线的制造成本；2、仿真难度低，利于节约时间；3、基片集成波导漏波天线厚度小，实现了薄化；并且平面化结构利于系统集成。

进一步的，所述平面开路短截线4的长度为所述基片集成波导漏波天线工作频段的四分之一波长。

进一步的，所述上金属层1的两侧的所述平面开路短截线4一一对应设置。

进一步的，所述缝隙调制单元5包括并列设置的N个开缝6，N为大于2的整数；所述缝隙调制单元5中，所述开缝6的长度由所述缝隙调制单元5的短中轴A向两侧逐渐减小，且位于所述短中轴A两侧的所述开缝6相对于所述短中轴A对称，所述缝隙调制单元5的长中轴B将所述开缝6均分为两半。

由上述描述可知，相比于现有的基片集成波导漏波天线上的缝隙调制单元5的结构，本缝隙调制单元5结构具有更快的扫描速度，利于改善基片集成波导漏波天线的天线性能。

进一步的，每个所述开缝6的两端分别对应有所述平面开路短截线4。

进一步的，所述缝隙调制单元5的数量为多个，任意两个所述缝隙调制单元5的长中轴B均共线。

由上述描述可知，多个所述缝隙调制单元5整体轮廓呈正弦波状。

进一步的，任意两个所述开缝6的宽度均相等，相邻的两个所述开缝6之间的间距等于所述开缝6的宽度。

进一步的，相邻的两个所述缝隙调制单元5之间的间距等于相邻的两个所述开缝6之间的间距。

进一步的，所述开缝6中加载有可变电容9。

由上述描述可知，在每个缝隙处加载可容电容(比如变容二极管)可以重构开缝6的等效电容从而改变其色散特性，即改变式θ(f)＝arcsin(β₀/k₀-c₀/fd)中的β₀，上式中，k₀为空气中波数，β₀为调制前馈线的波数，c₀为光速，d为调制单元的周期长度，f为扫描频率。从电气性能角度来看，额外加载电容的效果可以等效成改变其物理尺寸，也即可等效为天线的物理结构发生变化，从而使周期性漏波天线的工作频率不变时，周期性漏波天线的主波束方向变化，也即实现了主波束方向的扫描功能。即通过在开缝6中加载可变电容9，可以重构天线扫描方向图，控制漏波天线波束扫描角度。

进一步的，所述上金属层1的两端分别设有微带线7，所述微带线7通过渐变线8与所述上金属层1导通，所述渐变线8的宽度由连接所述微带线7的一端朝连接所述上金属层1的一端逐渐变大。

由上述描述可知，渐变线8用于匹配微带线7与基片集成波导两者的特征阻抗、传输模式以及波数。所述渐变线8可以是呈等腰梯形状的。

实施例一

请参照图1至图5，本实用新型的实施例一为：请结合图1至图3，一种基片集成波导漏波天线，不仅可以用于3G、4G通信，还可以用于5G通信，所述基片集成波导漏波天线包括介质基板2，所述介质基板2的顶面设有上金属层1，所述介质基板2的底面设有下金属层3，所述上金属层1上设有缝隙调制单元5，所述上金属层1的两侧分别设有一排平面开路短截线4，所述平面开路短截线4的长度为所述基片集成波导漏波天线工作频段的四分之一波长，四分之一波长的平面开路短截线4作为四分之一波长变换器。所述平面开路短截线4与上金属层1导通，优选的，所述平面开路短截线4与上金属层1为一体式结构。

如图3所示，所述上金属层1的两侧的所述平面开路短截线4一一对应设置，本实施例中，所述平面开路短截线4呈矩形。

为加快天线的扫描速度，所述缝隙调制单元5包括并列设置的N个开缝6，N为大于2的整数；所述缝隙调制单元5中，所述开缝6的长度由所述缝隙调制单元5的短中轴A向两侧逐渐减小，且位于所述短中轴A两侧的所述开缝6相对于所述短中轴A对称，所述缝隙调制单元5的长中轴B将所述开缝6均分为两半。

每个所述开缝6的两端分别对应有所述平面开路短截线4，即每个所述开缝6均有一组相对应的两个平面开路短截线4与之对应。

请结合图1和图3，进一步的，所述缝隙调制单元5的数量为多个，任意两个所述缝隙调制单元5的长中轴B均共线；任意两个所述开缝6的宽度均相等，相邻的两个所述开缝6之间的间距等于所述开缝6的宽度；相邻的两个所述缝隙调制单元5之间的间距等于相邻的两个所述开缝6之间的间距。

所述上金属层1的两端分别设有微带线7，所述微带线7通过渐变线8与所述上金属层1导通，所述渐变线8的宽度由连接所述微带线7的一端朝连接所述上金属层1的一端逐渐变大。优选的，所述渐变线8的呈等腰梯形。所述微带线7与所述渐变线8可以是一体的。基片集成波导的激励通过微带线7实现，也可以通过其他平面工艺传输线实现，例如共面波导。本实施例中，所述微带线7宽度为0.16mm，长度为5mm，渐变线8宽度从0.16mm线性增加至0.28mm，长度为5mm。

等效原理：

传统基片集成波导中的金属化孔将上金属层1与下金属层3连接，形成等效金属电壁，即电位零点，从电路角度看，此处表现为短路。本基片集成波导的等效电路原理可以由图4解释，负载电阻为Z_L，在经过一段特征阻抗为Z_C、电长度为θ的传输线后输入阻抗Z_in将变成：

其中β为传输线的相位常数，l为传输线的长度。当l取四分之一波长时，

因此本基片集成波导的等效电路中，上金属片两侧面处的等效阻抗Z_in＝0，即本基片集成波导的等效电路中，上金属片两侧面处均表现为短路，与传统基片集成波导情况等效。

作为一个具体的实施方式，

设上金属层1的宽度为w、平面开路短截线4的宽度为d、每排平面开路短截线4中相邻两个平面开路短截线4之间的间距为s、平面开路短截线4的长度为l，本实施例中，w＝20mm，l＝4mm，d＝0.5mm，s＝0.5mm，平面开路短截线4单排个数为160。

介质基板2的厚度与介电常数值将决定天线工作的上限截止频率，介质基板2选用Rogers RT5880，介电常数2.2，损耗角0.0009，厚度h＝0.5毫米。容易理解的，介质基板2可选用其他同等类型的基板。

缝隙调制单元5的宽度与高度将决定天线工作的下限截止频率。周期性缝隙调制单元5置于上金属层1中间位置，缝隙调制单元5的个数将决定调制单元的周期。将若干个缝隙调制单元5级连之后构成天线完整的调制结构。缝隙调制单元5中开缝6的个数与天线的增益直接相关，它的取值根据天线的增益来决定，本例中缝隙调制单元5中的开缝6的个数为10个，开缝6宽度均为0.5mm，相邻的两个开缝6之间的间距为0.5mm，开缝6长度从左至右分别为3.6mm、4.7mm、5.8mm、6.9mm、8.0mm、8.0mm、6.9mm、5.8mm、4.7mm和3.6mm。相邻的两个缝隙调制单元5之间的间距为0.5mm，缝隙调制单元5个数为16。即，开缝66的总个数为160，与平面开路短截线4单排个数相同。

图5为本实施例的基片集成波导漏波天线辐射方向仿真与传统的基片集成波导漏波天线辐射方向仿真的结果对比图(容易理解的，两款基片集成波导漏波天线仿真模型仅有两个不同之处，一，介质基板2的厚度；二，本实施例的仿真模型设置平面开路短截线4，而另一个仿真模型设置金属化孔)。由图5可知，通过采用上述参数设置，本基片集成波导漏波天线与传统的基片集成波导漏波天线具有相同的增益和扫描角度。

实施例二

请参照图1、图2、图3、图6和图7，本实用新型的实施例二是在实施例一的基础上提出的一种可重构天线结构，与实施例一的不同之处在于，所述开缝6中加载有可变电容9。容易理解的，所述可变电容9分别与所述开缝6的两侧导通。

通过实施例一的参数设置，如图7所示，当加载的可变电容9从0fF逐渐变化到50fF时，周期性漏波天线的扫描角度固定在25度，而此时周期性漏波天线的工作频率变化范围为11.7GHz-12.6GHz。通过此方法，可以重构天线扫描方向图，控制漏波天线波束扫描角度。

本重构结构不需要更改天线固有的尺寸，采用可变电容9可以灵活的实现方向图重构和波束角度控制。

综上所述，本实用新型提供的基片集成波导漏波天线，无需设置金属化孔，有效地降低了加工难度，利于降低基片集成波导漏波天线的制造成本；仿真难度低，利于节约时间；基片集成波导漏波天线厚度小，实现了薄化；并且平面化结构利于系统集成；天线扫描速度快，改善了基片集成波导漏波天线的性能；加载可变电容后，可以重构天线扫描方向图，控制漏波天线波束扫描角度。

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同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基片集成波导漏波天线，包括介质基板以及设于介质基板上的上金属层，所述上金属层上设有缝隙调制单元，其特征在于：所述上金属层的两侧分别设有一排平面开路短截线。

2.根据权利要求1所述的基片集成波导漏波天线，其特征在于：所述平面开路短截线的长度为所述基片集成波导漏波天线工作频段的四分之一波长。

3.根据权利要求1所述的基片集成波导漏波天线，其特征在于：所述上金属层的两侧的所述平面开路短截线一一对应设置。

4.根据权利要求1所述的基片集成波导漏波天线，其特征在于：所述缝隙调制单元包括并列设置的N个开缝，N为大于2的整数；所述缝隙调制单元中，所述开缝的长度由所述缝隙调制单元的短中轴向两侧逐渐减小，且位于所述短中轴两侧的所述开缝相对于所述短中轴对称，所述缝隙调制单元的长中轴将所述开缝均分为两半。

5.根据权利要求4所述的基片集成波导漏波天线，其特征在于：每个所述开缝的两端分别对应有所述平面开路短截线。

6.根据权利要求4所述的基片集成波导漏波天线，其特征在于：所述缝隙调制单元的数量为多个，任意两个所述缝隙调制单元的长中轴均共线。

7.根据权利要求6所述的基片集成波导漏波天线，其特征在于：任意两个所述开缝的宽度均相等，相邻的两个所述开缝之间的间距等于所述开缝的宽度。

8.根据权利要求7所述的基片集成波导漏波天线，其特征在于：相邻的两个所述缝隙调制单元之间的间距等于相邻的两个所述开缝之间的间距。

9.根据权利要求4所述的基片集成波导漏波天线，其特征在于：所述开缝中加载有可变电容。

10.根据权利要求1所述的基片集成波导漏波天线，其特征在于：所述上金属层的两端分别设有微带线，所述微带线通过渐变线与所述上金属层导通，所述渐变线的宽度由连接所述微带线的一端朝连接所述上金属层的一端逐渐变大。

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