CN103500883A - 一种宽带基片集成波导圆极化天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带基片集成波导圆极化天线，包括介质基片，介质基片具有上金属层和下金属层，上金属层蚀刻出一个菱形的环状结构，该环状结构一部分接地，构成短路，在环状结构内部设置有贯通上金属层和下金属层的金属化过孔，在缝隙周围设置有贯通上金属层和下金属层的多个金属化过孔，这些金属化过孔顺序排列形成基片集成波导腔体，最终的基片集成波导腔体由长方形区域加菱形区域构成，基片集成波导腔体的长方形区域内适当位置设置有同轴馈电结构。该天线具有增益高，宽带宽，辐射特性好，设计简单，易于加工，成本低等优点。且该天线与现有基片集成波导圆极化天线相比，增益明显提高，圆极化带宽显著提升。

Description

一种宽带基片集成波导圆极化天线

技术领域：

本发明属于通信领域，涉及一种基于基片集成波导技术的高增益圆极化天线，尤其是一种宽带基片集成波导圆极化天线。

背景技术：

天线在无线通信***中担任着发射和接收电磁波的重要角色，除了能有效辐射或接收电磁波外，还承担着将高频电流(导波能量)转换为无线电磁波或把无线电磁波转换为高频电流(导波能量)的工作。天线无疑承担了最基本也是最不可或缺的重要角色，其性能的优劣将直接影响整个通信***的好坏。

随着通信技术的发展，线极化方式已远不能满足工作要求，而圆极化天线的应用有时则显得非常重要，圆极化天线可以接收任意极化的来波，且其辐射波也可由任意极化的天线收到，可以抑制雨雾干扰和抗多径反射，因此可应用于通信，雷达，电子对抗等领域中，有着广泛的应用前景。

圆极化天线实现方式多种多样，从传输结构可划分为微带圆极化天线，波导圆极化天线等。微带圆极化天线虽然具有低剖面，高增益的优点，但是随着频率的升高，由于微带线本身的导体损耗，表面波损耗以及介质损耗增大，导致天线效率降低。波导圆极化天线功率容量大，但是体积大，另外与***电路的集成难度增加。而基片集成波导技术正是结合了以上两种传输结构的优点，基片集成波导是在上下表面均为金属层的低损耗介质基片中排列多个金属化过孔代替波导光滑侧壁，从而与上下表面金属围成了一个准封闭的导波结构，以准TE₁₀模式工作。基片集成波导具有低损耗，高功率容量，高品质因数，易于集成，与传统波导相比加工成本低，不需要任何调试工作，非常适合做微波集成电路设计以及大批量生产。

综上所述，基于基片集成波导的天线具有低剖面，高增益，高效率，高功率容量，与***电路集成度高等优点。对比文件[1](S工W-Based Array Antennas With Sequential Feeding forX-Band Satellite Communication，Vol.60，No.8，pp：3632-3639，August，2012.)中基片集成波导圆极化天线单元采用圆环缝隙加一个金属化过孔实现圆极化工作，过孔的位置影响圆极化特性的优劣。该天线采用同轴馈电，另外在馈电端口附近加入了一排金属化过孔用来调试阻抗匹配，增加天线的阻抗带宽。

该方案存在以下缺陷：

1.天线单元采用圆环缝隙加过孔馈电，实现圆极化，其轴比带宽较窄，只有2.3％。

2.在同轴馈电附近采用一排过孔进行阻抗匹配调试，增加了调试复杂度，最终天线单元带宽也只有6％。

3.天线单元增益较低，在天顶方向最大增益为6.63dBi。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种宽带基片集成波导圆极化天线，此种新型天线增益高，宽带宽，辐射特性好，设计简单，易于加工，成本低。该天线与现有基片集成波导圆极化天线相比，增益明显提高，圆极化带宽显著提升。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

一种宽带基片集成波导圆极化天线，包括介质基片，介质基片具有上金属层和下金属层，上金属层蚀刻出一个菱形的环状结构，该环状结构一部分接地，构成短路，在环状结构内部设置有贯通上金属层和下金属层的金属化过孔，以上菱形环状结构与金属化过孔作为辐射结构来实现圆极化波辐射，在缝隙周围设置有贯通上金属层和下金属层的多个金属化过孔顺序排列形成基片集成波导腔体，基片集成波导腔体由长方形区域加菱形区域构成，基片集成波导腔体的长方形区域内适当位置设置有同轴馈电结构；

所述金属化过孔贯穿介质基片的上金属层和下金属层，其内部设置有金属镀层。

所述同轴馈电结构位于基片集成波导短路壁大约四分之一波长处。

所述介质基片均采用Taconic的TLX-8，介电常数2.55，厚度1.52mm，损耗角正切0.0019。

所述宽带基片集成波导圆极化天线的使用方法，电磁波由同轴馈电，将电磁波引入到由菱形加长方形结构的基片集成波导腔体中，通过金属化过孔以及环形部分的短路线的激励，从而产生天线两个正交模式的谐振，两个正交模式的相位差为90度，进而实现了右旋圆极化波的辐射。

本发明的有益效果在于：

1.此新型基片集成波导天线结构简单，工作原理简单明了。设计过程中只需要调试菱形缝隙短路宽度以及金属化过孔位置就可以调节圆极化的轴比带宽，调节菱形缝隙的长度以及宽度，就可以调节其阻抗带宽。结构参数少，大大缩短了设计和优化时间。

2.该新型基片集成波导天线加工简单方便，用普通的PCB工艺就可以实现。与传统的波导天线的精密加工相比，成本低廉，加工周期短。

附图说明：

图1是本发明的结构俯视图；

图2是本发明的仿真与实测回波损耗比较曲线；

图3是本发明的实测增益以及轴比曲线；

图4是本发明在10.3GHz两个主面的实测方向图；

其中：1为介质基片；2为基片集成波导腔体；3为菱形环状缝隙；4为同轴馈电结构；5为金属化过孔。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

首先对于天线技术方案加以阐述。其结构俯视图如图1所示，本天线包括介质基片、基片集成波导腔体结构、菱形环状缝隙、同轴馈电端口及金属化过孔。其中基片集成波导结构中菱形部分过孔中心与菱形缝隙的间距为s1，菱形部分基片集成波导边长为lr，矩形部分基片集成波导宽度为W，长度为L，所有金属化过孔直径以及过孔间距分别为d和p，菱形缝隙边长为ls，宽度为ws，菱形缝隙短路部分宽度为g2，同轴馈电中心与菱形缝隙最底部距离为s2，金属化过孔距离菱形中心点的横向距离为dy，纵向距离为dx，介质基片1的上下均为金属层，上金属层蚀刻出菱形的环形区域3，并有一部分短路接地。在环形区域内部有一个金属化过孔5，通过在上金属层，介质基片以及下金属层贯穿开过孔，并在内部镀上金属形成。下金属层作为地层。多个金属化过孔顺序排列为长方形加菱形区域，形成基片集成波导腔体，同轴馈电结构位于波导短路壁大约四分之一波长处。各参数具体数值示于表1。

表1 天线单元结构参数

Parameters	W	L	ls	ws	p	d
							Values/mm	16.2	15.8	12.5	1.5	1.8	1
Parameters	dx	dy	g2	s1	s2	lr
							Values/mm	1	4.4	2	3.8	7.2	19.3

工作原理：电磁波由同轴馈电，将电磁波引入到由菱形加长方形的基片集成波导腔体中，通过金属化过孔以及环形部分的短路线的激励，从而产生天线两个正交模式的谐振，两个正交模式的相位差为90度，进而实现了右旋圆极化波的辐射。

图2和3为该天线的测试结果。可以看出天线本身的阻抗带宽和轴比带宽分别达到14.5％和3.4％，实测增益在10.4GHz处达到8.1dBi。图4(a)，(b)是该天线在10.3GHz处两个主面的辐射方向图，其交叉极化电平在天顶方向均大于20dB。从以上结果可以看出，该天线具有良好的宽带阻抗特性，宽带圆极化特性以及良好的辐射特性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种宽带基片集成波导圆极化天线，其特征在于：包括介质基片，介质基片具有上金属层和下金属层，上金属层蚀刻出一个菱形的环状结构，该环状结构一部分接地，构成短路，在环状结构内部设置有贯通上金属层和下金属层的金属化过孔，以上菱形环状结构与金属化过孔作为辐射结构来实现圆极化波辐射，在缝隙周围设置有贯通上金属层和下金属层的多个金属化过孔顺序排列形成基片集成波导腔体，基片集成波导腔体由长方形区域加菱形区域构成，基片集成波导腔体的长方形区域内适当位置设置有同轴馈电结构。 

2.如权利要求1所述宽带基片集成波导圆极化天线，其特征在于：所述金属化过孔贯穿上下金属层，其内部设置有金属镀层。 

3.如权利要求1所述宽带基片集成波导圆极化天线，其特征在于：所述同轴馈电结构位于基片集成波导短路壁大约四分之一波长处。 

4.如权利要求1所述宽带基片集成波导圆极化天线，其特征在于：所述介质基片采用Taconic的TLX-8，介电常数2.55，厚度1.52mm，损耗角正切0.0019。 

5.如权利要求1、2、3或4所述宽带基片集成波导圆极化天线的使用方法，其特征在于：电磁波由同轴馈电，将电磁波引入到由菱形加长方形结构的基片集成波导腔体中，通过金属化过孔以及环形部分的短路线的激励，从而产生天线两个正交模式的谐振，两个正交模式的相位差为90度，进而实现了右旋圆极化波的辐射。 

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