CN104733853A - 一种多层基片集成波导阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多层基片集成波导阵列天线，包括从下往上依次层叠的平面波激励层、功分器层和天线辐射层，所述的平面波激励层产生平面波并耦合至功分器层，进而通过功分器层进行合理的功率分配并馈入给天线辐射层，天线辐射层中的各个天线单元得到合理的电磁波幅度和相位并将电磁波辐射至自由空间。本发明通过所述的平面波激励层采用平面抛物面式平面波激励结构，从而在较宽的频带内将球面波转换为特性较好的平面波，进而使本发明天线满足宽频带、低副瓣的工作要求并实现高效率；通过在平面波激励层、功分器层和天线辐射层采用多层基片集成波导结构，使本发明天线整体结构简单紧凑、易加工、成本低，便于***小型化和集成应用。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种多层基片集成波导阵列天线。
背景技术
传统的抛物面天线可以在宽带范围内将球面波转换成平面波，但由于体积较大、加工复杂、难以便携，不符合现代通信***小型化、集成化的需求。波导缝隙天线阵列具有低剖面、机械强度好、结构紧凑、口径效率高和损耗小等优良特性，但带宽窄，同时在毫米波频段加工精度要求高、周期长、成本高又在一定程度上限制了其应用。
基片集成波导采用印刷电路板(Printed Circuit Board,PCB)工艺或低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic,LTCC)工艺等，在介质基片上形成紧密排列的两列平行的金属化通孔，由于通孔间距很小，从而可以将电磁波限制在一定范围内向前传播，就可形成类似介质填充波导的平面波导结构。具有体积小、重量轻，可采用PCB加工工艺，降低了加工成本，易于与微波毫米波集成电路集成，使微波毫米波***小型化，便于大量生产等优点，目前已应用在天线领域。
基于基片集成波导技术的高增益阵列天线研究一部分集中在波导缝隙天线方面，以解决加工精度高、成本高等问题，但由于所激励的平面波的不理想性，使得天线难以满足宽频带、低副瓣的工作要求，同时由于馈电网络复杂，不利于实现高效率。
在基片集成波导中采用平面波进行大口径馈电，可以有效简化馈电网络结构，使其从二维结构简化为一维结构，降低馈电损耗，提高天线效率。因此，如何结合基片集成波导技术并采用合适的的平面波激励技术，从而研制出宽频带、低副瓣、高效率、易加工的基片集成波导天线是目前急需解决的一个难题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的不足，提供一种能够满足宽频带、高增益、低副瓣的工作要求并实现高效率的多层基片集成波导阵列天线。
为解决上述问题，本发明采取的技术方案为：包括从下往上依次层叠的平面波激励层、功分器层和天线辐射层；
所述的平面波激励层包括从下往上层叠的一号下层基片集成波导及一号上层基片集成波导；
所述的一号下层基片集成波导包括下介质基板、位于下介质基板上的下金属化通孔、附着在下介质基板上下表面的下覆铜层及上覆铜层，在下介质基板上设置有同轴馈电端口、呈抛物线状的抛物面式基片集成波导、位于抛物面式基片集成波导的焦点上的平面喇叭；在上覆铜层上设置有呈抛物面式缝隙状的平面波输出端口，且该平面波输出端口与抛物面式基片集成波导的边缘之间设有间距；
所述的一号上层基片集成波导包括上介质基板、位于上介质基板上的上金属化通孔及附着在上介质基板上下表面的一号覆铜层及二号覆铜层，在一号覆铜层上设置有一号输出端口，在二号覆铜层上设置有平面波输入端口；
电磁波信号经同轴馈电端口输入到平面喇叭中，再通过平面喇叭照射到抛物面式基片集成波导边缘反射后转变为平面波，此平面波通过平面波输出端口耦合至平面波输入端口并传输至一号输出端口；平面波从一号输出端口耦合至功分器层，并通过功分器层进行合理的功率分配并馈入给天线辐射层，天线辐射层中的各个天线单元得到合理的电磁波幅度和相位并将电磁波辐射至自由空间。
所述的功分器层包括从下往上依次层叠的二号下层基片集成波导、二号中层基片集成波导和二号上层基片集成波导；
所述的二号下层基片集成波导、二号中层基片集成波导和二号上层基片集成波导均包括一号介质基板、位于一号介质基板上下表面的覆铜层及位于一号介质基板上的金属化通孔；
在二号下层基片集成波导介质基板的上下表面覆铜层上分别开设有二号输出端口及一号输入端口，在二号中层基片集成波导介质基板的上下表面覆铜层上分别开设有三号输出端口及二号输入端口；在二号上层基片集成波导介质基板的上下表面覆铜层上分别开设若干条四号输出端口及三号输入端口；
所述的天线辐射层包括三号基片集成波导，该三号基片集成波导包括二号介质基板、位于二号介质基板上的金属化通孔及位于二号介质基板上下表面的覆铜层，在二号介质基板上下表面的覆铜层上分别设置有若干条辐射端口及若干条输入端口。
所述的下介质基板、上介质基板、一号介质基板、二号介质基板均采用RogersRT/duroid5880型号的介质基板，相对介电常数为2.2，厚度为1.016mm，金属化通孔的直径为0.6mm；介质基板的横向长度为5λ0以上。
当一号下层基片集成波导、一号上层基片集成波导从下往上依次层叠组成平面波激励层时，平面波输出端口与平面波输入端口相重合；
当二号下层基片集成波导、二号中层基片集成波导、二号上层基片集成波导从下往上依次层叠构成功分器层时，二号输出端口与二号输入端口相重合，三号输出端口与所述的三号输入端口相重合；
当平面波激励层与功分器层从下往上层叠时，平面波激励层的输出端口与功分器层的输入端口相重合；
当功分器层与天线辐射层从下往上层叠时，功分器层的四号输出端口与天线辐射层的输入端口相重合。
所述的抛物面式缝隙状的平面波输出端口宽度为0.03λ0；
所述的平面波输入端口为宽度为0.03λ0的抛物面式缝隙；
所述的一号输出端口、一号输入端口、二号输出端口、二号输入端口、三号输出端口、三号输入端口、四号输出端口、天线辐射层上的输入端口均为宽度为0.05λ0的矩形耦合缝隙，辐射端口为宽度为0.15λ0的矩形耦合缝隙；其中，λ0为上述所传输的电磁波的中心工作频率对应的自由空间传输波长。
所述的同轴馈电端口包括位于同轴馈电端口外层的外导体以及位于外导体内的内导体；该内导体与上覆铜层相连接，外导体与下覆铜层相连接。
在同轴馈电端口所在位置的基片集成波导的宽度满足TE10模的单模传输条件。
在平面喇叭两侧设置有呈三级阶梯状的一级阶梯过渡段、二级阶梯过渡段和三级阶梯过渡段。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明通过平面波激励层产生平面波并耦合至所述的功分器层，进而通过所述的功分器层进行合理的功率分配并馈入给所述的天线辐射层，所述的天线辐射层中的各个天线单元得到合理的电磁波幅度和相位并将电磁波辐射至自由空间，本发明的平面波激励层采用平面抛物面式平面波激励结构，能在较宽的频带内将球面波转换为特性较好的平面波，并明显地抑制了高次模的产生，进而使本发明天线满足宽频带、低副瓣的工作要求并实现高效率，本发明的平面波激励层将传统阵列天线复杂的二维馈电网络简化为一维馈电网络，从而减小能量在传输过程中引起的损耗，使天线实现高效率；
更进一步，通过在所述的平面波激励层、所述的功分器层和所述的天线辐射层采用多层基片集成波导结构，使本发明天线整体结构简单紧凑、易加工、成本低，便于***小型化和集成应用。
更进一步，平面喇叭两侧的一级阶梯过渡段、二级阶梯过渡段和三级阶梯过渡段使一号输出端口在较宽的频带内有较好的阻抗匹配特性，从而使天线满足宽频带、低副瓣的工作要求；
更进一步，各个介质基板的横向长度设置为5λ0以上，以保证平面波激励层能在较宽的频带内激励出特性较好的平面波并在功分器层、天线辐射层实现较好的平面波传输。
附图说明
图1为本发明天线的整体结构示意图；
图2为本发明天线的平面波激励层的下层基片集成波导结构示意图；
图3为本发明天线的平面波激励层的上层基片集成波导结构示意图；
图4为本发明天线的平面波激励层的同轴馈电端口结构示意图；
图5为本发明天线的功分器层的下层基片集成波导结构示意图；
图6为本发明天线的功分器层的中间层基片集成波导结构示意图；
图7为本发明天线的功分器层的上层基片集成波导结构示意图；
图8为本发明天线的天线辐射层的结构示意图；
图9为本发明天线在中心工作频率点处的仿真与测试方向图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详细说明：
参见图1-图8，本发明的一种多层基片集成波导阵列天线包括从下往上依次层叠的平面波激励层11、功分器层12和天线辐射层13；平面波激励层11包括从下往上层叠的一号下层基片集成波导1101及一号上层基片集成波导1102；一号下层基片集成波导1101包括下介质基板22、位于下介质基板22上的下金属化通孔24、附着在下介质基板22上下表面的下覆铜层21及上覆铜层23，在下介质基板22上设置有同轴馈电端口2201、呈抛物线状的抛物面式基片集成波导2203、位于抛物面式基片集成波导2203的焦点上的平面喇叭2202；在上覆铜层23上设置有呈抛物面式缝隙状的平面波输出端口2301，且该平面波输出端口2301与抛物面式基片集成波导2203的边缘之间设有间距；
一号上层基片集成波导1102包括上介质基板32、位于上介质基板32上的上金属化通孔34及附着在上介质基板3上下表面的一号覆铜层33及二号覆铜层31，在一号覆铜层33上设置有一号输出端口3301，在二号覆铜层31上设置有平面波输入端口3101；
功分器层12包括从下往上依次层叠的二号下层基片集成波导1201、二号中层基片集成波导1202和二号上层基片集成波导1203；
所述的二号下层基片集成波导1201、二号中层基片集成波导1202和二号上层基片集成波导1203均包括一号介质基板、位于一号介质基板上下表面的覆铜层及位于一号介质基板上的金属化通孔；
在二号下层基片集成波导1201介质基板的上下表面覆铜层上分别开设有二号输出端口4301及一号输入端口4101，在二号中层基片集成波导1202介质基板的上下表面覆铜层上分别开设有三号输出端口5301及二号输入端口5101；在二号上层基片集成波导1203介质基板的上下表面覆铜层上分别开设若干条四号输出端口6301及三号输入端口6101；
天线辐射层13包括三号基片集成波导1301，该三号基片集成波导1301包括二号介质基板72、位于二号介质基板72上的金属化通孔74及位于二号介质基板72上下表面的覆铜层，在二号介质基板72上下表面的覆铜层上分别设置有若干条辐射端口7301及若干条输入端口7101；
当一号下层基片集成波导1101、一号上层基片集成波导1102从下往上依次层叠组成平面波激励层时，平面波输出端口2301与平面波输入端口3101相重合；
当二号下层基片集成波导1201、二号中层基片集成波导1202、二号上层基片集成波导1203从下往上依次层叠构成功分器层时，二号输出端口4301与二号输入端口5101相重合，三号输出端口5301与所述的三号输入端口6101相重合；
当平面波激励层11与功分器层12从下往上层叠时，平面波激励层11的输出端口3301与功分器层12的输入端口4101相重合；
当功分器层12与天线辐射层13从下往上层叠时，功分器层12的四号输出端口6301与天线辐射层12的输入端口7101相重合。
电磁波信号经同轴馈电端口2201输入到平面喇叭2202中，再通过平面喇叭2202照射到抛物面式基片集成波导2203边缘后转变为反射平面波，此平面波通过平面波输出端口2301耦合至平面波输入端口3101并传输至一号输出端口3301；平面波从一号输出端口3301耦合至功分器层12的输出端口3301耦合至功分器层12的一号输入端口4101，经基片集成波导1201进行功率分配并传输到二号输出端口4301，进而耦合至基片集成波导1202的二号输入端口5101，再经基片集成波导1202进行功率分配并传输到三号输出端口5301，进而耦合至基片集成波导1203的三号输入端口6101，最后经基片集成波导1203进行功率分配并传输到功分器层12的四号输出端口6301，平面波从功分器层12的四号输出端口6301耦合至天线辐射层13的若干条输入端口7101，经基片集成波导1301传输到天线辐射层的辐射端口7301将电磁波辐射至自由空间，该功分器层12的结构类似于波导E面功分器，可以实现宽带工作特性。
本发明的同轴馈电端口2201包括位于同轴馈电端口2201外层的外导体220101以及位于外导体220101内的内导体220102；该内导体220102与上覆铜层23相连接，外导体220101与下覆铜层21相连接。
在平面喇叭2202两侧设置有呈三级阶梯状的一级阶梯过渡段2204、二级阶梯过渡段2205和三级阶梯过渡段2206使一号输出端口3301在较宽的频带内有较好的阻抗匹配特性，从而使天线满足宽频带、低副瓣的工作要求。
平面喇叭2202的相位中心位于抛物面式基片集成波导2203的焦点上，并且抛物面式基片集成波导2203的边缘轨迹是一条抛物线，平面波输出端口2301是上覆铜层23上的一条抛物面式缝隙并且与抛物面式基片集成波导边缘有一定间距，平面波输入端口3101是二号覆铜层31上的一条抛物面式缝隙，一号输出端口3301是一号覆铜层33上的一条矩形耦合缝隙；
为了使本发明天线满足宽频带、低副瓣的工作要求并实现高效率，上述各个介质基板的横向长度可以设置为5λ0以上，以保证平面波激励层能在较宽的频带内激励出特性较好的平面波并在功分器层11、天线辐射层13实现较好的平面波传输，同时同轴馈电端口2201处的基片集成波导2207的宽度应满足TE10模的单模传输条件，抛物面式缝隙状的平面波输出端口2301宽度为0.03λ0；平面波输入端口3101为宽度为0.03λ0的抛物面式缝隙，一号输出端口3301、一号输入端口4101、二号输出端口4301、二号输入端口5101、三号输出端口5301、三号输入端口6101、四号输出端口6301、天线辐射层13上的输入端口7101均为宽度为0.05λ0的矩形耦合缝隙，辐射端口7301为宽度为0.15λ0的矩形耦合缝隙；其中，λ0为上述所传输的电磁波的中心工作频率对应的自由空间传输波长。
上述各个介质基板可以是Rogers RT/duroid5880型号的介质基板，相对介电常数为2.2，厚度可以为1.016mm，金属化通孔的直径可以为0.6mm，金属化通孔的中心间距可以为1mm。
参见图9，图9给出了本发明最佳实施例在中心工作频率点25GHz处的仿真与测试方向图，可以看出本发明天线在工作面H面的实测副瓣电平在-28dB以下，实现了较低副瓣，具有较好的低副瓣特性。在23GHz-27GHz的频带内电压驻波比小于1.5，相对带宽为16％，达到了宽频带工作特性。在23GHz、25GHz和27GHz处的增益分别为23dBi、24.3dBi和25dBi，对应的效率分别为58％、67％和67.5％，满足高增益的工作要求并实现了高效率。
以上所述，仅是本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，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改进、等同替换、组合、简化等，均应理解为包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种多层基片集成波导阵列天线，其特征在于：包括从下往上依次层叠的平面波激励层(11)、功分器层(12)和天线辐射层(13)；
所述的平面波激励层(11)包括从下往上层叠的一号下层基片集成波导(1101)及一号上层基片集成波导(1102)；
所述的一号下层基片集成波导(1101)包括下介质基板(22)、位于下介质基板(22)上的下金属化通孔(24)、附着在下介质基板(22)上下表面的下覆铜层(21)及上覆铜层(23)，在下介质基板(22)上设置有同轴馈电端口(2201)、呈抛物线状的抛物面式基片集成波导(2203)、位于抛物面式基片集成波导(2203)的焦点上的平面喇叭(2202)；在上覆铜层(23)上设置有呈抛物面式缝隙状的平面波输出端口(2301)，且该平面波输出端口(2301)与抛物面式基片集成波导(2203)的边缘之间设有间距；
所述的一号上层基片集成波导(1102)包括上介质基板(32)、位于上介质基板(32)上的上金属化通孔(34)及附着在上介质基板(3)上下表面的一号覆铜层(33)及二号覆铜层(31)，在一号覆铜层(33)上设置有一号输出端口(3301)，在二号覆铜层(31)上设置有平面波输入端口(3101)；
电磁波信号经同轴馈电端口(2201)输入到平面喇叭(2202)中，再通过平面喇叭(2202)照射到抛物面式基片集成波导(2203)边缘反射后转变为平面波，此平面波通过平面波输出端口(2301)耦合至平面波输入端口(3101)并传输至一号输出端口(3301)；平面波从一号输出端口(3301)耦合至功分器层(12)，并通过功分器层(12)进行合理的功率分配并馈入给天线辐射层(13)，天线辐射层(13)中的各个天线单元得到合理的电磁波幅度和相位并将电磁波辐射至自由空间。
2.根据权利要求1所述的一种多层基片集成波导阵列天线，其特征在于：所述的功分器层(12)包括从下往上依次层叠的二号下层基片集成波导(1201)、二号中层基片集成波导(1202)和二号上层基片集成波导(1203)；
所述的二号下层基片集成波导(1201)、二号中层基片集成波导(1202)和二号上层基片集成波导(1203)均包括一号介质基板、位于一号介质基板上下表面的覆铜层及位于一号介质基板上的金属化通孔；
在二号下层基片集成波导(1201)介质基板的上下表面覆铜层上分别开设有二号输出端口(4301)及一号输入端口(4101)，在二号中层基片集成波导(1202)介质基板的上下表面覆铜层上分别开设有三号输出端口(5301)及二号输入端口(5101)；在二号上层基片集成波导(1203)介质基板的上下表面覆铜层上分别开设若干条四号输出端口(6301)及三号输入端口(6101)；
所述的天线辐射层(13)包括三号基片集成波导(1301)，该三号基片集成波导(1301)包括二号介质基板(72)、位于二号介质基板(72)上的金属化通孔(74)及位于二号介质基板(72)上下表面的覆铜层，在二号介质基板(72)上下表面的覆铜层上分别设置有若干条辐射端口(7301)及若干条输入端口(7101)。
3.根据权利要求2所述的一种多层基片集成波导阵列天线，其特征在于：所述的下介质基板(22)、上介质基板(32)、一号介质基板、二号介质基板(72)均采用Rogers RT/duroid5880型号的介质基板，相对介电常数为2.2，厚度为1.016mm，金属化通孔的直径为0.6mm；介质基板的横向长度为5λ0以上。
4.根据权利要求2所述的一种多层基片集成波导阵列天线，其特征在于：当一号下层基片集成波导(1101)、一号上层基片集成波导(1102)从下往上依次层叠组成平面波激励层时，平面波输出端口(2301)与平面波输入端口(3101)相重合；
当二号下层基片集成波导(1201)、二号中层基片集成波导(1202)、二号上层基片集成波导(1203)从下往上依次层叠构成功分器层时，二号输出端口(4301)与二号输入端口(5101)相重合，三号输出端口(5301)与所述的三号输入端口(6101)相重合；
当平面波激励层(11)与功分器层(12)从下往上层叠时，平面波激励层(11)的输出端口(3301)与功分器层(12)的输入端口(4101)相重合；
当功分器层(12)与天线辐射层(13)从下往上层叠时，功分器层(12)的四号输出端口(6301)与天线辐射层(12)的输入端口(7101)相重合。
5.根据权利要求2或4所述的一种多层基片集成波导阵列天线，其特征在于：所述的抛物面式缝隙状的平面波输出端口(2301)宽度为0.03λ0；
所述的平面波输入端口(3101)为宽度为0.03λ0的抛物面式缝隙；
所述的一号输出端口(3301)、一号输入端口(4101)、二号输出端口(4301)、二号输入端口(5101)、三号输出端口(5301)、三号输入端口(6101)、四号输出端口(6301)、天线辐射层(13)上的输入端口(7101)均为宽度为0.05λ0的矩形耦合缝隙，辐射端口(7301)为宽度为0.15λ0的矩形耦合缝隙；其中，λ0为上述所传输的电磁波的中心工作频率对应的自由空间传输波长。
6.根据权利要求1所述的一种多层基片集成波导阵列天线，其特征在于：所述的同轴馈电端口(2201)包括位于同轴馈电端口(2201)外层的外导体(220101)以及位于外导体(220101)内的内导体(220102)；该内导体(220102)与上覆铜层(23)相连接，外导体(220101)与下覆铜层(21)相连接。
7.根据权利要求1所述的一种多层基片集成波导阵列天线，其特征在于：在同轴馈电端口(2201)所在位置的基片集成波导的宽度满足TE10模的单模传输条件。
8.根据权利要求1所述的一种多层基片集成波导阵列天线，其特征在于：在平面喇叭(2202)两侧设置有呈三级阶梯状的一级阶梯过渡段(2204)、二级阶梯过渡段(2205)和三级阶梯过渡段(2206)。
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