CN103531913B - 六边形基片集成波导缝隙天线 - Google Patents
六边形基片集成波导缝隙天线 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种能够实现对四个辐射缝隙同相馈电的六边形基片集成波导缝隙天线。该天线包括介质基板、上表面金属层、下表面金属层,在上表面金属层上刻蚀有T形共地共面波导输入端,在下表面金属层上刻蚀有四条互相平行的矩形辐射缝隙,所述T形共地共面波导输入端跨过第一矩形辐射缝隙,T形共地共面波导输入端的弯折处到基准线之间的距离为六边形基片集成波导腔体的腔体中心到基准线距离的1/3,能够激励起中心工作频率附近六边形基片集成波导腔体内TM310模式场分布,并利用中心六边形通孔阵列对六边形基片集成波导腔体内部的低阶谐振模式进行抑制,从而实现对四条互相平行的矩形辐射缝隙的同相馈电。适合在天线技术领域推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及微波毫米波天线技术领域,具体涉及一种六边形基片集成波导缝隙天线。
背景技术
传统的金属波导腔体缝隙天线具有主瓣宽度窄、辐射效率高、增益高和波束指向固定等优点,广泛应用于微波毫米波雷达和通信***之中。完整的金属波导腔体缝隙天线***由多个金属波导组成,在其中一部分终端短路的波导壁上刻蚀缝隙形成辐射单元,另一部分波导作为馈电网络。但是传统的金属波导腔体缝隙天线也存在设计困难、体积大、重量重、成本高、加工和平面集成困难等问题。
基片集成波导的传播特性与矩形金属波导类似,利用基片集成波导技术构成的六边形基片集成波导缝隙天线,有着与传统金属波导腔体缝隙天线相似的性能。但是现有的六边形基片集成波导缝隙天线激励的谐振模式一般较低导致辐射缝隙较少,一般只有一个缝隙,无法实现对多个辐射缝隙的同相馈电,而高阶模式激励困难且易受干扰模式影响,因而获得高增益与理想方向图较为困难。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够实现对四个辐射缝隙同相馈电的六边形基片集成波导缝隙天线。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是:该六边形基片集成波导缝隙天线,包括介质基板以及设置在介质基板表面的上表面金属层、下表面金属层,所述介质基板上设置有贯穿于介质基板的***金属化通孔阵列,所述***金属化通孔阵列与上表面金属层、下表面金属层共同围成一个六边形基片集成波导腔体,在六边形基片集成波导腔体的中心设置有多个金属化通孔组成的中心六边形通孔阵列,在上表面金属层上刻蚀有T形共地共面波导输入端,在下表面金属层上刻蚀有四条分别与T形共地共面波导输入端的末端平行的矩形辐射缝隙,分别为第一矩形辐射缝隙、第二矩形辐射缝隙、第三矩形辐射缝隙、第四矩形辐射缝隙,所述第一矩形辐射缝隙、第三矩形辐射缝隙分别位于中心六边形通孔阵列的上下两侧、第二矩形辐射缝隙、第四矩形辐射缝隙分别位于中心六边形通孔阵列的左右两侧,所述T形共地共面波导输入端跨过第一矩形辐射缝隙,T形共地共面波导输入端的弯折处到基准线之间的距离为六边形基片集成波导腔体的腔体中心到基准线距离的1/3,所述基准线与第一矩形辐射缝隙平行并且过位于第一矩形辐射缝隙下方的金属化通孔的中心。
进一步的是,所述T形共地共面波导输入端的弯折处到基准线之间的距离为六边形基片集成波导腔体的腔体中心到基准线距离的1/3。
进一步的是,所述中心六边形通孔阵列的外接圆半径为六边形基片集成波导腔体的外接圆半径的1/3。
进一步的是,所述六边形基片集成波导腔体的高度为天线中心工作频率对应真空波长的二十七分之一。
进一步的是,所述第一矩形辐射缝隙、第二矩形辐射缝隙、第三矩形辐射缝隙、第四矩形辐射缝隙的缝隙宽度与缝隙长度均相同。
进一步的是,所述介质基板采用相对介电常数为2.2,厚度为0.508mm的Rogers 5880介质板。
本发明的有益效果:通过在六边形基片集成波导腔体的中心设置有多个金属化通孔组成的中心六边形通孔阵列,在上表面金属层上刻蚀有T形共地共面波导输入端,在下表面金属层上刻蚀有四条分别与T形共地共面波导输入端的末端平行的矩形辐射缝隙,分别为第一矩形辐射缝隙、第二矩形辐射缝隙、第三矩形辐射缝隙、第四矩形辐射缝隙,所述第一矩形辐射缝隙、第三矩形辐射缝隙分别位于中心六边形通孔阵列的上下两侧、第二矩形辐射缝隙、第四矩形辐射缝隙分别位于中心六边形通孔阵列的左右两侧,所述T形共地共面波导输入端跨过第一矩形辐射缝隙,T形共地共面波导输入端的弯折处到基准线之间的距离为六边形基片集成波导腔体的腔体中心到基准线距离的1/3,利用T形共地共面波导输入端可以实现平面微带电路结构与六边形基片集成波导腔体结构的过渡和阻抗匹配,并激励起中心工作频率附近六边形基片集成波导腔体内TM310模式场分布,并利用中心六边形通孔阵列对六边形基片集成波导腔体内部的低阶谐振模式进行抑制,起到抑制干扰谐振模式的作用,还能更好的激励起TM310模式场分布,从而实现对四条互相平行的矩形辐射缝隙的同相馈电,而且本发明采用六边形基片集成波导腔体,其兼具圆形腔体高Q值和矩形腔体设计组合灵活的特点,可以将该六边形基片集成波导缝隙天线作为天线单元,实现与相邻单元灵活排布组合,从而减小天线阵列的面积,另外,该六边形基片集成波导缝隙天线可采用成熟的PCB技术制造,具有成本低、精度高、重复性好、易加工、易平面集成的特点,可实现批量化生产制造。
附图说明
图1是本发明六边形基片集成波导缝隙天线的结构示意图;
图2是本发明六边形基片集成波导缝隙天线的侧视图;
图3是本发明六边形基片集成波导缝隙天线的几何尺寸示意图;
图4为本发明六边形基片集成波导缝隙天线在22GHz处六边形基片集成波导腔体内TM310模式电场分布仿真图;
图5为本发明六边形基片集成波导缝隙天线的输入端反射系数测试结果;
图6为本发明六边形基片集成波导缝隙天线在22GHz处E面和H面辐射方向图测试结果,实线为E面,虚线为H面;
图中标记说明:介质基板1、上表面金属层2、下表面金属层3、中心六边形通孔阵列4、六边形基片集成波导腔体5、T形共地共面波导输入端6、第一矩形辐射缝隙7、第二矩形辐射缝隙8、第三矩形辐射缝隙9、第四矩形辐射缝隙10。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
如图1、2所示,该六边形基片集成波导缝隙天线,包括介质基板1以及设置在介质基板1表面的上表面金属层2、下表面金属层3,所述介质基板1上设置有贯穿于介质基板1的***金属化通孔阵列,所述***金属化通孔阵列与上表面金属层2、下表面金属层3共同围成一个六边形基片集成波导腔体5,在六边形基片集成波导腔体5的中心设置有多个金属化通孔组成的中心六边形通孔阵列4,在上表面金属层2上刻蚀有T形共地共面波导输入端6,在下表面金属层3上刻蚀有四条分别与T形共地共面波导输入端6的末端平行的矩形辐射缝隙,分别为第一矩形辐射缝隙7、第二矩形辐射缝隙8、第三矩形辐射缝隙9、第四矩形辐射缝隙10,所述第一矩形辐射缝隙7、第三矩形辐射缝隙9分别位于中心六边形通孔阵列4的上下两侧、第二矩形辐射缝隙8、第四矩形辐射缝隙10分别位于中心六边形通孔阵列4的左右两侧,所述T形共地共面波导输入端6跨过第一矩形辐射缝隙7,T形共地共面波导输入端6的弯折处到基准线之间的距离为六边形基片集成波导腔体5的腔体中心到基准线距离的1/3,所述基准线与第一矩形辐射缝隙7平行并且过位于第一矩形辐射缝隙7下方的金属化通孔的中心。通过在六边形基片集成波导腔体5的中心设置有多个金属化通孔组成的中心六边形通孔阵列4,在上表面金属层2上刻蚀有T形共地共面波导输入端6,在下表面金属层3上刻蚀有四条分别与T形共地共面波导输入端6的末端平行的矩形辐射缝隙,分别为第一矩形辐射缝隙7、第二矩形辐射缝隙8、第三矩形辐射缝隙9、第四矩形辐射缝隙10,所述第一矩形辐射缝隙7、第三矩形辐射缝隙9分别位于中心六边形通孔阵列4的上下两侧、第二矩形辐射缝隙8、第四矩形辐射缝隙10分别位于中心六边形通孔阵列4的左右两侧,所述T形共地共面波导输入端6跨过第一矩形辐射缝隙7,T形共地共面波导输入端6的弯折处到基准线之间的距离为六边形基片集成波导腔体5的腔体中心到基准线距离的1/3,利用T形共地共面波导输入端6可以实现平面微带电路结构与六边形基片集成波导腔体5结构的过渡和阻抗匹配,并激励起中心工作频率附近六边形基片集成波导腔体5内TM310模式场分布,并利用中心六边形通孔阵列4对六边形基片集成波导腔体5内部的低阶谐振模式进行抑制,起到抑制干扰谐振模式的作用,还能更好的激励起TM310模式场分布,从而实现对四条互相平行的矩形辐射缝隙的同相馈电,而且本发明采用六边形基片集成波导腔体5,其兼具圆形腔体高Q值和矩形腔体设计组合灵活的特点,可以将该六边形基片集成波导缝隙天线作为天线单元,实现与相邻单元灵活排布组合,从而减小天线阵列的面积,另外,该六边形基片集成波导缝隙天线可采用成熟的PCB技术制造,具有成本低、精度高、重复性好、易加工、易平面集成的特点,可实现批量化生产制造。
在上述实施方式中,为了使中心六边形通孔阵列4的抑制干扰谐振模式的效果达到最好,所述中心六边形通孔阵列4的外接圆半径为六边形基片集成波导腔体5的外接圆半径的1/3。
所述六边形基片集成波导腔体5的高度为天线中心工作频率对应真空波长的二十七分之一,可以有效抑制T形共地共面波导输入端6所具有的缝隙结构在相应频率处的上半空间辐射,同时也可以使天线具有小尺寸、低轮廓、轻重量、高增益、高辐射效率和高隔离度等特点。
另外,所述第一矩形辐射缝隙7、第二矩形辐射缝隙8、第三矩形辐射缝隙9、第四矩形辐射缝隙10的缝隙宽度与缝隙长度均相同。使得第一矩形辐射缝隙7、第二矩形辐射缝隙8、第三矩形辐射缝隙9、第四矩形辐射缝隙10为具有相同中心工作频率的谐振式辐射缝隙,它们被中心工作频率附近六边形基片集成波导腔体5内TM310模式场分布同相馈电,可以提高天线工作带宽内的增益。
实施例
该实施例中天线工作在K波段,中心工作频率为22GHz,介质基板1采用相对介电常数为2.2,厚度Hc=0.508mm的Rogers5880介质板。天线的尺寸如图3所示,具体参数如下所述:如图3所示,天线具体尺寸为:Rc=9.7mm,Lms=5.3mm,Wms=1.5mm,Lcpw1=4.15mm,Lcpw2=1mm,Gcpw=0.5mm,Ls=4.2mm,Ws=0.6mm,Os=1.4mm,Dv=1mm,Pv=1.4mm,Ov=1.15mm。
天线在中心工作频率22GHz处,六边形基片集成波导腔体5内TM310模式电场分布仿真结果如图4所示,从图中可以看出此时第一矩形辐射缝隙7、第二矩形辐射缝隙8、第三矩形辐射缝隙9、第四矩形辐射缝隙10同相馈电;天线输入端反射系数测试结果如图5所示,-10dB相对带宽为0.88%,并且有效抑制了微带线转接T形共地共面波导输入端6所具有的缝隙结构在相应频率处的上半空间辐射;天线在22GHz处,最大增益测试结果为11.82dBi,E面和H面辐射方向图测试结果如图6所示,其中E面和H面半功率主瓣宽度测试结果分别为49°和40°。
Claims (5)
1.六边形基片集成波导缝隙天线,包括介质基板(1)以及设置在介质基板(1)表面的上表面金属层(2)、下表面金属层(3),所述上表面金属层(2)设置在介质基板(1)的上表面,所述下表面金属层(3)设置在介质基板(1)的下表面,所述介质基板(1)上设置有贯穿于介质基板(1)的***金属化通孔阵列,所述***金属化通孔阵列与上表面金属层(2)、下表面金属层(3)共同围成一个六边形基片集成波导腔体(5),其特征在于:在六边形基片集成波导腔体(5)的中心设置有多个金属化通孔组成的中心六边形通孔阵列(4),在上表面金属层(2)上刻蚀有T形共地共面波导输入端(6),在下表面金属层(3)上刻蚀有四条分别与T形共地共面波导输入端(6)的末端平行的矩形辐射缝隙,分别为第一矩形辐射缝隙(7)、第二矩形辐射缝隙(8)、第三矩形辐射缝隙(9)、第四矩形辐射缝隙(10),所述第一矩形辐射缝隙(7)、第三矩形辐射缝隙(9)分别位于中心六边形通孔阵列(4)的上下两侧、第二矩形辐射缝隙(8)、第四矩形辐射缝隙(10)分别位于中心六边形通孔阵列(4)的左右两侧,所述T形共地共面波导输入端(6)跨过第一矩形辐射缝隙(7),T形共地共面波导输入端(6)的弯折处到基准线之间的距离为六边形基片集成波导腔体(5)的腔体中心到基准线距离的1/3,所述基准线与第一矩形辐射缝隙(7)平行并且过位于第一矩形辐射缝隙(7)下方的金属化通孔的中心,所述T形共地共面波导输入端(6)为一长条形金属层,且该长条形金属层的两侧均设置有一个第一长条缝隙,在T形共地共面波导输入端(6)的末端的两侧分别设置有一个第二长条缝隙,且T形共地共面波导输入端(6)任一侧的第一长条缝隙末端与第二长条缝隙首端垂直相连。
2.如权利要求1所述的六边形基片集成波导缝隙天线,其特征在于:所述中心六边形通孔阵列(4)的外接圆半径为六边形基片集成波导腔体(5)的外接圆半径的1/3。
3.如权利要求2所述的六边形基片集成波导缝隙天线,其特征在于:所述六边形基片集成波导腔体(5)的高度为天线中心工作频率对应真空波长的二十七分之一。
4.根据权利要求1至3中任意一项权利要求所述的六边形基片集成波导缝隙天线,其特征在于:所述第一矩形辐射缝隙(7)、第二矩形辐射缝隙(8)、第三矩形辐射缝隙(9)、第四矩形辐射缝隙(10)的缝隙宽度与缝隙长度均相同。
5.如权利要求4所述的六边形基片集成波导缝隙天线,其特征在于:所述介质基板(1)采用相对介电常数为2.2,厚度为0.508mm的Rogers 5880介质板。
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