CN108493628A - 一种新型基片集成波导极化双工天线*** - Google Patents

一种新型基片集成波导极化双工天线*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种新型基片集成波导极化双工天线***，包括设置在双层基片上的正交模耦合器、双极化喇叭天线、垂直型矩形波导－准同轴带线过渡结构和水平锥型矩形波导－基片集成波导过渡结构，所述正交模耦合器分别与双极化喇叭天线、垂直型矩形波导－准同轴带线过渡结构和水平锥型矩形波导－基片集成波导过渡结构相连。本发明设计采用基片集成波导结构，把整个极化双工天线***制作在一个平面封装上，实现了整个***的小型化与集成化，极大降低了制作成本，同时保证所发明的基片集成波导极化双工天线具有较高的功率容量和较低的传输损耗。

Description

一种新型基片集成波导极化双工天线***
技术领域
本发明涉及微波技术领域，具体涉及一种新型基片集成波导极化双工天线***。
背景技术
随着信息与通信行业的不断发展，大容量微波通信越来越重视频谱效率，以此使越来越紧张拥挤的频谱资源得到充分利用。正交模转换器(Ortho－Mode Transducer，OMT)是微波通信***中分离/合并不同极化形式(或传播模式)电磁波的关键元件，被广泛应用在各种无线通信、雷达和电子对抗***中。
双极化传输可实现不同极化形式的电磁波同时同频传输，其理论频谱效率是单极化传输的两倍，因而被广泛应用于各类无线与移动通信***以提升***容量。该传输技术在未来的无线与移动通信领域，特别是面向第五代移动通信(5G)应用的大容量毫米波回传***中，具有广阔的应用前景。在双极化传输***中，正交模耦合器(OMT)是最关键最重要的组件。正交模耦合器使得单天线能够支持两种不同极化的电磁波同时收发。理想的正交模耦合器能将两个分端口的输入信号转换为正交极化的独立信号，从合端口发射出去，且不产生交叉极化；反之，正交模耦合器也能从双极化天线的接收信号中分离出两路相互正交的极化波，分别送入两个分端口。由于正交模耦合器可对两个正交极化模式的信号进行有效分离或合并，使得同频段的不同信号得以在不同极化通道同时工作，从而有效提高通信容量。通过正交模耦合器，仅用一个天线即可实现双极化传输，有效降低开发成本和电路尺寸。因此，双极化传输技术的发展对高性能正交模耦合器有着迫切的需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种新型基片集成波导极化双工天线***，解决传统天线***损耗高，效率低的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种新型基片集成波导极化双工天线***，包括设置在双层基片上的正交模耦合器、双极化喇叭天线、垂直型矩形波导－准同轴带线过渡结构和水平锥型矩形波导－基片集成波导过渡结构，所述正交模耦合器分别与双极化喇叭天线、垂直型矩形波导－准同轴带线过渡结构和水平锥型矩形波导－基片集成波导过渡结构相连。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述正交模耦合器包括设置在基片集成波导T型结上的基片集成波导端口、准同轴带状线端口和基片集成脊波导合端口，所述基片集成波导端口与水平锥型矩形波导－基片集成波导过渡结构相连，所述准同轴带状线端口与垂直型矩形波导－准同轴带线过渡结构相连，所述基片集成脊波导合端口与双极化喇叭天线相连。
进一步，所述正交模耦合器中的基片集成波导端口和准同轴带状线端口的合并节点处设有槽线。
进一步，所述双极化喇叭天线包括上下层金属面、中间层介质透镜、两侧脊状金属窄壁和金属盲孔，所述脊状金属窄壁呈阶梯分布，所述中间层介质透镜的材质为半圆型截止片。
进一步，所述垂直型矩形波导－准同轴带线过渡结构包括矩形波导和准同轴带线，所述矩形波导和准同轴带线接触面的形状为探针辐射结构，材质为高低阻抗线馈入金属矩形贴片。
进一步，所述水平锥型矩形波导－基片集成波导过渡结构通过锥形截面进行阻抗匹配，所述锥形截面的长度Lr和宽度Wr的计算公式为：
在公式(1)和公式(2)中，λsiw为基片集成波导截止频率的波长，εra和εrs分别为空气和基板的相对介电常数，空气的相对介电常数εra＝1。
本发明的有益效果是：
1.本发明设计采用基片集成波导结构，把整个极化双工天线***制作在一个平面封装上，实现了整个***的小型化与集成化，极大降低了制作成本，同时保证所发明的基片集成波导极化双工天线具有较高的功率容量和较低的传输损耗。
2.本发明提出的双极化喇叭天线中采用了阶梯型的窄壁和脊，能够更好地实现阻抗匹配，扩展工作带宽。
3.本发明提出的双极化喇叭天线端口出采用了半圆片型准透镜结构，让辐射波由球面波向平面波转变，减小辐射波瓣宽度，提高天线的效率。
4.本发明提供了一个平面型正交模耦合器与双极化天线的集成方法，能提高微波毫米波电路与***的集成度，制作工艺简单，方便大规模生产。
附图说明
图1为本发明结构原理图；
图2为正交模耦合器各个端口之间的散射参数特性；
图3为本发明的模拟辐射图；
图4为本发明不同方向分量的电厂分布图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、双层基片，2、正交模耦合器，3、双极化喇叭天线，4、水平锥型矩形波导－基片集成波导过渡结构，5、垂直型矩形波导－准同轴带线过渡结构。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，一种新型基片集成波导极化双工天线***，包括设置在双层基片1上的正交模耦合器2、双极化喇叭天线3、垂直型矩形波导－准同轴带线过渡结构5和水平锥型矩形波导－基片集成波导过渡结构4，正交模耦合器2分别与双极化喇叭天线3、垂直型矩形波导－准同轴带线过渡结构5和水平锥型矩形波导－基片集成波导过渡结构4相连。
在本发明实施例中，正交模耦合器2包括基片集成波导T型结、基片集成波导端口、准同轴带状线端口和基片集成脊波导合端口，基片集成波导端口与水平锥型矩形波导－基片集成波导过渡结构4相连，准同轴带状线端口与垂直型矩形波导－准同轴带线过渡结构5相连，基片集成脊波导合端口与双极化喇叭天线3相连，正交模耦合器2主要由一个基片集成波导T型结和支持不同传输模式的传输线组成，A端口是基片集成波导(SIW)端口，用于激励出TE10模式极化波，B端口是准同轴带状线端口，用于激励出准TEM模式极化波，从A/B端口的激励到达T型结，经槽线匹配过渡后，进入C/D口，C/D口是内嵌了槽线结构的基片集成脊波导合端口，可同时TE10和准TEM模式传输，且二者相互正交，彼此间交叉耦合绩效。根据发明所实现的基片集成波导正交模耦合器各个端口之间的散射参数特性如图2所示，A端口到C端口之间传输TE10模式的波的***损耗小于3dB，回波损耗大于10dB，在一些结构不连续的地方容易形成一些共振点，导致工作频带内存在传输凹陷。B端口和D端口之间传播的准TEM波的***损耗小于4dB，回波损耗优于5dB，在85GHz到87GHz的频段性能会因为阻抗不能很好匹配因而变得较差。在端口C/D添加喇叭状的基片集成脊波导辐射单元，可改善整个基片集成波导正交模耦合器的性能，使输入端口A，B的端口隔离度提高到25dB。
在本发明实施例中，双极化喇叭天线3以集成了槽线结构的基片集成波导为馈源，从正交模耦合器2进行电磁波馈入。双极化喇叭天线3主要包括上下金属面、中间层的喇叭型与圆片型相结合的介质透镜、两侧的脊状金属窄壁，以及七列金属盲孔，上述结构的组合能够更好的进行阻抗匹配，减小天线辐射波瓣的宽度，提高天线的辐射效率，让天线的性能得以提升。
在本发明实施例中，垂直型矩形波导到准同轴带线过渡结构5中采用了探针技术，从准同轴带线延伸的改进型高低阻抗线过渡探针由双层基板1支撑并被矩形波导端口垂直覆盖。同时，通过双层基板1的两个空气腔被探针左右钻孔，用以阻抗匹配。通过调整相对位置以及两个空气腔的长度和宽度，可以得到更好的回波损耗和较小的***损耗。
在本发明实施例中，水平锥型矩形波导－基片集成波导过渡结构4的不同基底的矩形波导之间常常采用锥形或者阶梯结构进行阻抗匹配。采用锥形形状可以确保波导结构的等效介电常数和等效磁导率逐渐从介质基板向空气转变，从而降低特性阻抗的陡变程度，改善介质基板和空气相交的边界处的阻抗匹配，扩展工作带宽。锥形截面的长度(Lr)和宽度(Wr)可以由如公式(1)和(2)计算：
其中λsiw是基片集成波导截至频率的波长，εra和εrs分别是空气和基板的相对介电常数，为了方便计算，通常将空气的介电常数εra设置为1。
通过三维(3D)全波有限元方法软件(ANSYS高频结构模拟器HFSS)对图1所示结构进行建模仿真和优化，并且，通过仿真准TEM模式和TE10模式的辐射情况来分析天线性能。基片集成波导极化双工天线***的模拟辐射图如图3所示。在图3中，准TEM模式的天线有更宽的角覆盖范围，但具有较低增益；而在TE10模式下，天线有较窄的角宽度，更好的定向特性和较高的增益。
从图4中可知，从端口1激励TE10模式电磁波时，x，y方向的电场分量较少，而z方向的电场分量多，并且此时在端口2几乎检测不到电场能量分布，显然，TE10模式的电磁波在端口1，2之间有很好的隔离度。当由端口2激励准TEM模式电磁波时，x方向电场分量有较大的能量分布，在y和z方向上只有较少的能量分布；而且，在1端口只能检测到很少的y方向电场分量，这也说明了准TEM模式在端口1，2之间有较好的隔离度。该极化双工通信***的两种极化模式具有较好的隔离度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种新型基片集成波导极化双工天线***，其特征在于，包括设置在双层基片(1)上的正交模耦合器(2)、双极化喇叭天线(3)、垂直型矩形波导－准同轴带线过渡结构(5)和水平锥型矩形波导－基片集成波导过渡结构(4)，所述正交模耦合器(2)分别与双极化喇叭天线(3)、垂直型矩形波导－准同轴带线过渡结构(5)和水平锥型矩形波导－基片集成波导过渡结构(4)相连。
2.根据权利要求1所述的新型基片集成波导极化双工天线***，其特征在于，所述正交模耦合器(2)包括设置在基片集成波导T型结上的基片集成波导端口、准同轴带状线端口和基片集成脊波导合端口，所述基片集成波导端口与水平锥型矩形波导－基片集成波导过渡结构(4)相连，所述准同轴带状线端口与垂直型矩形波导－准同轴带线过渡结构(5)相连，所述基片集成脊波导合端口与双极化喇叭天线(3)相连。
3.根据权利要求2所述的新型基片集成波导极化双工天线***，其特征在于，所述正交模耦合器(2)中的基片集成波导端口和准同轴带状线端口的合并节点处设有槽线。
4.根据权利要求1所述的新型基片集成波导极化双工天线***，其特征在于，所述双极化喇叭天线(3)包括上下层金属面、中间层介质透镜、两侧脊状金属窄壁和金属盲孔，所述脊状金属窄壁呈阶梯分布，所述中间层介质透镜的材质为半圆型截止片。
5.根据权利要求1所述的新型基片集成波导极化双工天线***，其特征在于，所述垂直型矩形波导－准同轴带线过渡结构(5)包括矩形波导和准同轴带线，所述矩形波导和准同轴带线接触面的形状为探针辐射结构，其材质为高低阻抗线馈入金属矩形贴片。
6.根据权利要求1所述的新型基片集成波导极化双工天线***，其特征在于，所述水平锥型矩形波导－基片集成波导过渡结构(4)通过锥形截面进行阻抗匹配，所述锥形截面的长度Lr和宽度Wr的计算公式为：
在公式(1)和公式(2)中，λsiw为基片集成波导截止频率的波长，εra和εrs分别为空气和基板的相对介电常数，空气的相对介电常数εra＝1。
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