CN105226395A - 无宽壁的宽带基片集成波导喇叭天线 - Google Patents

Abstract

一种无宽壁的宽带基片集成波导喇叭天线，包括含有输入端口的馈电矩形金属波导和介质基片，在介质基片设有矩形窄壁和喇叭形窄壁，矩形窄壁由2排平行排列的金属化通孔构成，在矩形窄壁的上下表面上分别覆盖有金属宽壁且金属宽壁始于矩形窄壁的一端并止于矩形窄壁的另一端，且矩形窄壁与所述金属宽壁构成基片集成波导，在馈电矩形金属波导与基片集成波导一端之间设有对称尖劈过渡结构；喇叭形窄壁由2排呈梯形排列的金属化通孔构成，矩形窄壁的另一端与喇叭形窄壁的输入端连接。本发明将构成宽壁的金属层完全剥离，保留金属化通孔构成的窄壁，使介质与空气充分接触，提高基片集成波导喇叭天线的阻抗匹配特性，实现宽带高增益的天线性能。

Description

无宽壁的宽带基片集成波导喇叭天线

技术领域

本发明涉及一种喇叭天线，尤其是一种具有结构紧凑特性的无宽壁的宽带基片集成波导喇叭天线。

背景技术

近年来，由于基片集成波导具有尺寸小、重量轻、易于平面集成的特点，在毫米波天线设计中得到广泛的研究和应用。采用基片集成波导设计喇叭天线，能够将传统的三维结构的金属喇叭天线在二维的覆铜介质板上实现，能够有效地满足毫米波***对于尺寸结构的特殊要求。但传统的基片集成波导喇叭天线性能受限，如带宽窄、增益低等，其原因在于自由空间与介质的特性阻抗不匹配，导致能量在口径处无法有效辐射。为了解决这一限制因素，一方面从提高带宽的角度，采用介质加载、过渡带加载等方式能够有效地展宽，另一方面从提高远场辐射的角度，采用内嵌金属过孔等，能够调节等相位面分布从而提高增益。但是上述技术均依赖于加载额外的结构，增加了设计复杂度，同时不利于小型化的实现。

发明内容

本发明的目的是提出一种无宽壁的宽带基片集成波导喇叭天线，在传统的喇叭天线基础上，将构成宽壁的金属层完全剥离，保留金属化通孔构成的窄壁，使介质与空气充分接触，从而提高基片集成波导喇叭天线的阻抗匹配特性，实现宽带高增益的天线性能。

本发明采用如下技术方案：一种无宽壁的宽带基片集成波导喇叭天线，包括：含有输入端口的馈电矩形金属波导和介质基片，在介质基片设有矩形窄壁和喇叭形窄壁，所述矩形窄壁由2排平行排列的金属化通孔构成，在矩形窄壁的上下表面上分别覆盖有金属宽壁且金属宽壁始于矩形窄壁的一端并止于矩形窄壁的另一端，且所述矩形窄壁与所述金属宽壁构成基片集成波导，在所述馈电矩形金属波导与基片集成波导一端之间设有对称尖劈过渡结构；所述喇叭形窄壁由2排呈梯形排列的金属化通孔构成，矩形窄壁的另一端与喇叭形窄壁的输入端连接。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明无宽壁的基片集成波导喇叭天线的有益效果是，可以在不加载任何结构的基础上，仅通过切除喇叭天线的宽边金属壁实现平面喇叭天线性能的极大提升，具有很强的设计交易性，同时便于实现天线的小型化。

从基片集成波导与由呈喇叭形状排列的金属化通孔构成的喇叭形窄壁的交界处开始，入射的电场发生模式转换，由基片集成波导中的TE10模式转化为无宽壁喇叭天线中的表面波模式和介质波模式，两种模式同时存在，沿着能量入射方向继续传播，最终产生有效的端射辐射。由于喇叭天线中表面波的存在，极大地改善了平面喇叭天线与自由空间的阻抗匹配，从而显著地提高了工作带宽。同时介质中的波仍绝大部分为主模TE10模式，因此保证了无宽壁的基片集成波导喇叭天线的主模工作特性。

附图说明

图1为无宽壁的基片集成波导喇叭天线的三维整体结构图。

图2为无宽壁的基片集成波导喇叭天线的局部结构正面示意图。

图3为无宽壁的基片集成波导喇叭天线的局部结构侧视图。

图4为发明的喇叭天线中电场模式的转换图。

图5为发明的喇叭天线的驻波比曲线图。

图6为发明的喇叭天线的增益曲线图。

图7为发明的喇叭天线在工作频段内的E面辐射方向图。

图8为发明的喇叭天线在工作频段内的H面辐射方向图。

图中有：输入端口1、馈电矩形金属波导2、对称尖劈过渡结构3、矩形窄壁4、金属宽壁5，喇叭形窄壁6、介质基片7、输出端口8。

具体实施方式

一种无宽壁的宽带基片集成波导喇叭天线，包括：含有输入端口1的馈电矩形金属波导2和介质基片7，在介质基片7设有矩形窄壁4和喇叭形窄壁6，所述矩形窄壁4由2排平行排列的金属化通孔构成，在矩形窄壁4的上下表面上分别覆盖有金属宽壁5且金属宽壁5始于矩形窄壁4的一端并止于矩形窄壁4的另一端，且所述矩形窄壁4与所述金属宽壁5构成基片集成波导，在所述馈电矩形金属波导2与基片集成波导一端之间设有对称尖劈过渡结构3；所述喇叭形窄壁6由2排呈梯形排列的金属化通孔构成，矩形窄壁4的另一端与喇叭形窄壁6的输入端连接。在本实施例中，所述的金属化通孔构成的矩形窄壁4和喇叭形窄壁6中，相邻的两个金属化通孔的间距小于或等于工作波长的十分之一，使得金属化通孔构成的矩形窄壁4和喇叭形窄壁6能够等效为电壁。

所述的馈电矩形金属波导需工作在要求的频段，且口径大小与所要求的基片集成波导相一致。所述的对称尖劈过渡结构是所述基片集成波导的介质延伸部分，通过对称地放置尖劈状介质结构形成对称尖劈过渡结构，通过调节尖劈的长度，能够实现最小传输损耗和最佳阻抗匹配。所述的基片集成波导作为本发明的直接馈电结构，需要调节窄壁的间距保证其工作在主模模式。基片集成波导4的金属宽壁5不完全覆盖整个天线结构，从金属化通孔构成的窄壁6开始形成张角的部分完全切除，使介质基片7没有任何金属覆盖，从而为电场的模式转换创造条件，提高对自由空间的阻抗匹配。所述的无宽壁的喇叭天线部分是整个结构的有效辐射部分，可以看成由基片集成波导的窄壁张开到一定角度并且完全切除宽壁金属构成，通过调节窄壁张角以及窄壁长度，能够有效地提升天线的辐射性能。基片集成波导4中的窄壁6的宽度要保证电磁波工作在主模TE10模式而抑制高次模。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明所采用的实施方案是：无宽壁的基片集成波导喇叭天线包括波导输入端口1、馈电WR-42金属波导2、金属波导2到基片集成波导4的对称尖劈过渡结构3、基片集成波导4以及无宽壁的介质基片7，金属化通孔构成的窄壁6在无宽壁的介质基片7上形成一定的张角构成有效辐射结构；本发明的独特之处在于，相较于传统的基片集成波导喇叭天线，基片集成波导金属宽壁5不再构成无宽壁的介质基片7的宽边金属，从而有效地展宽工作带宽。

能量由输入端口1馈入，在WR-42金属波导2中经过对称尖劈过渡结构3的过渡，实现金属波导2到基片集成波导4的宽带、低损耗传输；电场在基片集成波导4的基片集成波导金属宽壁5与无宽壁的介质基片7的分界面处发生模式转换，如图3所示，图中给出了在能量传播方向上不同位置处的电场分布情况：如图3所示，在基片集成波导4中，电场完全呈现出主模TE10模的分布模式，电场垂直于基片集成波导金属宽壁5；当离开基片集成波导4，开始进入无宽壁的介质基片7，如图3所示，电场不再具有单一的垂直方向，介质表面新产生的表面波模式使电场方向有了一定的倾斜，但介质基片7内部的电场仍占据主要地位；随着电场在无宽壁的介质基片7中传播距离的增加，如图3所示，表面波模式的电场逐渐增强，从电场分布来看，能量基本均匀的分布在介质内部与介质表面；当入射的能量完成模式转换后，由于表面波的存在，使得无宽壁的基片集成波导喇叭天线与自由空间的阻抗匹配得到极大地改善，在保持平面化、不增加设计复杂度的基础上实现带宽的有效展宽。

结合图4、图5、图6以及图7，本发明的基片集成波导喇叭天线工作在17.3GHz-27GHz的频段范围内，最低增益在7.9dBi以上，在工作频段内的远场辐射方向图满足端射辐射要求。

根据以上所述，便可实现本发明。

Claims (2)

1.一种无宽壁的宽带基片集成波导喇叭天线，其特征在于，包括：含有输入端口(1)的馈电矩形金属波导(2)和介质基片(7)，在介质基片(7)设有矩形窄壁(4)和喇叭形窄壁(6)，所述矩形窄壁(4)由2排平行排列的金属化通孔构成，在矩形窄壁(4)的上下表面上分别覆盖有金属宽壁（5）且金属宽壁（5）始于矩形窄壁(4)的一端并止于矩形窄壁(4)的另一端，且所述矩形窄壁(4)与所述金属宽壁(5)构成基片集成波导，在所述馈电矩形金属波导(2)与基片集成波导一端之间设有对称尖劈过渡结构(3)；所述喇叭形窄壁(6)由2排呈梯形排列的金属化通孔构成，矩形窄壁(4)的另一端与喇叭形窄壁(6)的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的无宽壁的宽带基片集成波导喇叭天线，其特征在于，所述的金属化通孔构成的矩形窄壁(4)和喇叭形窄壁(6)中，相邻的两个金属化通孔的间距小于或等于工作波长的十分之一，使得金属化通孔构成的矩形窄壁(4)和喇叭形窄壁(6)能够等效为电壁。